强风条件下木结构建筑架构防火安全间距优化研究

刘倩

摘  要：为在强风条件下，提升木结构建筑架构的防火安全性等级，提出强风条件下的木结构建筑架构防火安全间距优化策略。根据轻型木结构、重型木结构的实际分类条件，研究强风条件下的木结构防火技术。在此基础上，分析木结构建筑架构防火的发展现状，通过防火特征定义的方式，定义安全间距的实际布局形式，实现强风条件下的木结构建筑架构防火安全间距优化研究。对比实验结果表明，与常规防火安全间距策略相比，优化后处理方法的实际应用能力更强，能够较好抑制强风作用条件带来的助燃影响。

关键词：强风条件  木结构建筑  架构防火  安全间距  轻型木结构

中图分类号：TU36          文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）02（c）-0103-03

Study on Optimization of Fire Safety Spacing of Timber Structure Building under Strong Wind

LIU Qian

（Saihan District Brigade， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010020 China）

Abstract： In order to improve the fire safety level of timber structure under strong wind， the optimization strategy of fire safety spacing of timber structure under strong wind is put forward. According to the actual classification conditions of light timber structure and heavy timber structure， the fire prevention technology of timber structure under strong wind condition is studied. Based on this， the development status of fire protection of wood frame is analyzed， and the actual layout form of safety spacing is defined by defining fire protection characteristics. Experimental results show that compared with the conventional fireproofing safety spacing strategy， the optimized post-processing method is more practical and can better suppress the influence of strong wind.

Key Words： Strong wind conditions; Timber structure building; Frame fire prevention; Safety spacing; Light wood structure

木结构是以木材作为主要载荷承重元件的建筑结构体，可在各类金属榫卯或金属连接件的作用下，实现木材板件之间的固定与连接。木结构建筑架构完全由纯天然的应用材料组成，从实用性角度来看，始终受到材料本身使用条件的限制影响[1]。在复杂的建筑空间中，木质梁架很难完全适应多变的建筑架构需求。因此，木结构主要被应用于中小型工业厂房及民用屋盖建筑之中，由屋面板、木屋架、吊顶、支撑系统、挂瓦条等多个施工环节共同组成。

1  强风条件下的木结构防火技术

1.1 轻型木结构防火

轻型木结构建筑架构基本等同于居住型建筑結构体，在实际建筑规范中，主要是指由木楼盖、木构架墙、木屋盖系统所组成的实用型结构体系，主要被应用于三层及三层以下的小型民用建筑物之中[2]。根据过往建筑经验来看，轻型木结构是指密度水平完全均匀的轻型建筑架构体，大部分构件的中心间距值始终小于600mm，且其断裂截面的物理占地面积相对较小，是隶属于规格型材的结构主体构架连接形式，在强风条件下，可使四至六层的中小型民用建筑物保持连续性稳定状态。

轻型木结构建筑架构防火思路利用了不燃性成分与木材原料之间的联合应用关系，在降低可燃性成分所占建筑比例的同时，隔绝包含火源传热等在内的一切外来输送氧气，从而使木结构表面覆盖一层燃点极高的难燃型物质，实现对建筑架构体的物理防火处置。所谓防火手段是可对建筑构件材料进行包覆防火处理的实用操作方法，如在轻型木结构表面包裹防火石膏板等[3]。为了实现不同程度的轻型木结构建筑架构耐火极限要求，可选取不同厚度的防火石膏板，以用于隔绝外部传热火源。

1.2 重型木结构防火

重型木结构建筑架构主要采用大截面型坚固耐用的原木材料，对于一部分工程来说，也会使用LVL型材、PSL型材或胶合木对拱、桁架、柱、梁等结构体系进行加工，且这类型构建作为建筑物内部的最主要承重构件，基本全部暴露在架构体外部。胶合木作为重型木结构中的典型代表物质，能够突破木材元件自身在截面尺寸方面的局限性，具有较强的耐火、耐热能力，满足绝缘性、尺寸稳定性等多方面的实际应用需求。通常情况下，可利用该类型物质制作拱形构件或具有较大跨度的直线型构建，可满足重型木结构在大空间与大跨度方面的设计处理需求。

大多数未经强化防火处理的金属型建筑构建，在遭遇高温作用时，会出现表现强度降低的行为，从而易使木结构建筑架构出现突然性的倒塌。与传统的金属构件相比，重型木结构建筑在遇到明火时，架构表面可被火焰直接点燃并在自然空气的作用下，出现快速燃烧，而已燃烧的木结构表面会形成一层炭化组织，能够在阻挡内部木材遭受高温侵害的同时，将建筑架构体的初始燃烧速率降低至较为稳定的定值标准，从而使得重型木结构体的强度保持时间得到有效延长[4]。由于炭化层起到了较好的物理隔热作用，重型木结构建筑架构的内部木料可免受外部火焰的进一步燃烧作用。

2  木結构建筑架构的防火特征及间距定位

2.1 木结构防火的发展现状

由于一部分木结构建筑构件的设计尺寸无法完全达到重型木结构架构的实际应用需求，但在建筑施工的过程中，这类型元件依然需要暴露在建筑体外部，又或者在处理特殊建筑需要时，木材表面的耐热、耐火标准无法达到令人满意的实际应用标准，对木结构建筑架构进行防火阻燃处理，就显得极为必要。理想的木结构防火阻燃剂应具有如下几方面特质：

（1）阻燃效力极高，可在阻隔明火燃烧作用的同时，抑制强风条件下的木料阴燃行为。

（2）木结构阻燃剂本身必须具备无毒、无害、不污染环境的特征，可在强风条件下，继续保持原有稳定的理化特性。

（3）阻燃剂自身的阻燃特性必须能长期维持，且在连续的隔热与隔火作用下，其自身不会出现热分解或光分解的情况。

（4）受到木结构建筑架构自身理化作用的影响，阻燃剂必须具备吸湿性低的应用特点，且由于该物质的附着作用，木材原料自身的尺寸稳定性特征能够得到长期稳定的保持。

（5）在长时间的强风条件作用下，木结构建筑架构阻燃剂的工艺性能与物理力学性能必须能够始终保持稳定。

（6）由于阻燃剂大都刷涂在木结构建筑架构表面，需要直接暴露在建筑结构体外部，因此其自身的木材视觉、触觉作用必须与外界环境保持统一，且随作用实验的延长，阻燃剂的环境学特性也不应该受到任何影响。

2.2 木结构建筑架构的防火定义及特征

木结构建筑架构的防火是一个相对广泛的物理特征，在强风条件下，随外界燃烧温度的升高，架构体表面的阻燃剂成分会出现适当的脱落，直至这些物质被完全消耗，内部木结构材料才会完全暴露在火焰燃烧环境当中[5]。而所谓防火则是对这种物理耐受时间的无限延长，一般情况下，对最终承受时间点及实际燃烧温度不设置严格的界限条件，而是要求其承受上限数值应当逐渐向着正无穷靠近。结合强风条件下的木结构燃烧条件可知，当外界物理温度达到阻燃剂成分的耐受极值时，内部木材原料的物理框架结构会出现轻微的晃动状态，而由于建筑框架体系的存在，这种晃动作用并不会对整个建筑工程造成影响。因此，木结构建筑架构防火应当是一种相对较为细微的物理抗击作用。设、分别代表两个不同的阻燃剂防火耐热系数，代表木材原料框架的晃动系数极值，β'代表外界燃烧火焰的实际温度数值。联立上述物理量，可将木结构建筑架构的防火特征量定义为：

（1）

式中，Tmax代表木结构建筑架构外界环境中的最高燃烧温度值，Tmin代表木结构建筑架构外界环境中的最低燃烧温度值。

2.3 安全间距布局形式

安全间距布局描述了木结构建筑架构之间的最大安全防火距离值，通常情况下，随外界燃烧温度的升高，该项物理参数的实际表现数值也会出现逐渐下降的变化趋势。在不同类型阻燃剂的作用下，木结构建筑架构之间的安全布局间距也会随之发生改变，但一般不会低于物理数值“1”。假设其他干预条件均不会对木料型材的燃烧作用造成影响，且随着燃烧温度的提高，建筑架构出现关联燃烧行为的物理几率也会随之增大。规定ζ1代表与木结构建筑架构阻燃剂相关的燃烧耐热量参考条件，在其他物理条件不发生改变的情况下，该项物理系数的表现实值越大，最终计算所得的架构安全间距布局计算量数值也就越大。u1代表外界强风的干扰作用强度，与其他应用参考系数相比，该项物理量的可变动数值区间范围更大，对架构安全间距布局计算值的影响能力也就更强。在上述物理量的支持下，联立公式（1），可将木结构建筑架构的安全间距布局结果表示为：

（2）

其中，I代表强风条件下与木结构建筑架构相关的耐热均值条件，λ0代表最小的安全间距优化系数，λ1代表最大的安全间距优化系数。

2.4 防火安全间距的功能定位

防火安全间距功能定位是强风条件下木结构建筑架构防火安全间距优化处理的末尾执行环节，可按照安全间距的实际布局行为，确定相邻木结构建筑架构体之间的摆放距离差值，从而实现对木结构应用材料的最大化保护[6]。在固定燃烧时长中，随外界风力作用强度的改变，木结构材料的耐热表现特质也会逐渐发生变化，但由于表面阻燃剂的存在，整个建筑框架并不会出现直接燃烧的表现形式。设f代表阻燃剂对于外界强风作用的物理耐受强度值，代表燃烧发热均值，联立公式（2），可将木结构建筑框架的防火安全间距功能定位结果表示为：

（3）

其中，代表防火安全间距定位系数，d1、d2分别代表两个不同的木材原料防火参量，代表与强风条件相关的木结构防火间距量化差值。

3  实验结果分析

为验证强风条件下木结构建筑架构防火安全间距优化策略的实际应用能力，设计如下对比实验。选取两个完全相同的木结构建筑架构体作为实验对象，在相同的燃烧环境下，分别对其施加等强的风力干扰作用，其中实验组架构体采取优化后的布局摆放形式，对照组架构体采取常规布局摆放形式，在既定实验时间内，分析DIR指标的实际变化情况（如图1所示）。已知DIR指标能够反映木结构建筑框架的防火安全性等级，通常情况下，指标的表现实值越大，建筑框架的防火安全性等级也就越高，反之则越低。

分析图1可知，随着实验时间的延长，实验组DIR指标一直呈现不断上升的变化趋势，全局最大值可达到83.21%;而对照组DIR指标却一直呈现不断下降的变化趋势，全局最大值只能达到49.86%，与实验组极值相比，下降了33.35%。

4  结语

与规划布局摆放形式相比，优化后布局摆放策略可在木结构防火技术的支持下，定义建筑架构体的实际防火特征，并可联合强风作用条件，得到准确的木结构建筑架构体间距功能定位实值。从实用性角度来看，随着DIR指标数值的不断增大，建筑框架的防火安全性等级也在逐渐提升，能够在一定程度上，抑制强风作用对木材原料带来的助燃影响。

参考文献

[1] 张健，宋志刚，李全旺，等.木结构建筑群火灾蔓延危险建筑的识别及防火改造效果评价[J].工程力学， 2020，37（4）：69-78.

[2] 晏金梅.大型商业建筑防火设计实践分析[J]. 科技资讯，2019，17（33）：69-70.

[3] 刘琼，杜沄燕，陈立林.书架群燃烧相互影响下的书架防火间距优化研究[J].中国安全生产科学技术， 2018，14（10）：52-58.

[4] 鄢银连，相华江，解志勇，等.基于PyroSim的木结构建筑防火间距探讨[J].消防科学与技术，2019， 38（8）：1091-1093.

[5] 李继宇，展义龙，欧阳帆，等.多翼单臂纵列式布局电动无人机旋翼间距优化及能耗试验[J].农业工程学报，2019，35（23）：87-95.

[6] 朱勤.工业厂房建筑结构设计优化探究[J].科技资讯，2019，17（32）：40，42.