大跨度钢结构建筑防火设计分析

匡文杰

1.大跨度钢结构建筑防火设计的重要性

1.1 钢结构建筑的性质

从物理的角度上看，钢结构建筑中的原材料钢本身具有一定的耐热性，不具有易燃的性质，从理论上来讲它本可以成为一种理想的防火材料，想要改变钢材料的形态，除非火温在短时间内达到500℃，才有可能改变钢材的形态，显然常态下的意外失火是不可能短时间内造成这样的温度，这样一来火势是可以人为扑灭的[1]。但是这只是理论基础，钢结构建筑实际应用时的结果却不是这样。由于现实生活中钢结构建筑大多是以厂房、体育馆、大库房等大框架结构建筑为主，这些建筑的内部空间较大，基础设备较多，通风性较好，因此当某个地方起火时，良好的通风性为火势的蔓延提供了条件，此外由于内部设施众多，给消防员灭火工作造成了很大的影响，实际情况下大跨度钢结构建筑一旦起火就很难扑灭，有关设计人员应该重视这一点，尤其是钢结构建筑设计师，必须设计相应的防火措施。

1.2 大跨度钢结构建筑耐火性较差

钢材在建筑学中应用广泛，它是由钢锭、钢坯通过外力干扰挤压形成的，具有良好的抗震性、优质的抗弯性、超强的硬性等性质，成为大型建筑框架构造必不可少的组成部分。除此之外，部分钢材还具有良好的延展性，这解决了建筑设计中材料不能弯曲的问题，为很多美学建筑提供了便利。因此钢材在建筑行业中的地位优势显著，深受设计师的青睐。但是钢结构建筑有一个致命的弱点，即防火性非常差，它的机械性能，如屈服点、抗拉及弹性模量等，均会因温度的升高而急剧下降。钢结构在温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别为1/3、1/2、2/3。不仅如此，高温的环境下，钢材的形态会发生巨大的改变，结构承重能力急剧下降，理论上来讲，钢材形变的温度在300℃左右，但是大火蔓延后内部的温度高达1000℃，因此这种环境下钢材完全不具备防火性，短时间内整体的钢材结构会瞬间形变，没有了结构框架的建筑会瞬间坍塌，造成人员伤亡[2]。目前世界上有很多钢结构建筑失火造成人员伤亡的案例，2009 年纽约发生了骇人听闻的“9·11 事件”，四架民航飞机遭到恐怖分子的挟持撞向世界贸易大厦瞬间爆炸，造成了很大的火势，高温下世贸大厦的内部钢结构瞬间变形，仅仅片刻这栋世界高楼就此坍塌，由于缺少防火设计，导致很多消防队员在没有准备的情况下就被永远地掩埋在这片废墟之下，因此钢结构建筑的防火性能很差，设计师必须有针对性地进行防火措施设计。

2.大跨度钢结构建筑防火设计中存在的问题

2.1 防火设计实际应用缺失

目前，大跨度钢结构建筑防火设计中存在着很多的问题，其中一个就是防火设计不符合实际要求，设计人员空有纸上谈兵的能力，而忽视了防火设计的实际应用。有些设计人员对相关防火知识掌握不牢固，缺乏实际操作经验，导致设计出来的防火措施无法应用到实际生活中去。例如多数的高层会设置电梯、排气道等贯穿整个楼层的设备，部分设计师在进行设计时忽略了防火分隔措施，或对防火分隔措施的处理不到位，导致火灾发生时，贯穿楼层的设备形成一个天然的阻火坑道，帮助火势更快地蔓延，进而导致火势失控，甚至造成更大的人员伤亡。

2.2 防火设计较差

在建筑行业中，有的企业对原材料偷工减料，有时似乎成为建筑行业的一种常态，这种行为的目的仅仅是节约成本，牟取利益。很多建筑团队在进行材料选购的过程中，挑选的材料严重不符合国家规定的标准，劣质的钢材耐火性极差，一般在300℃左右便会产生形变，这种劣质钢材构成建筑安全极大隐患，对居民的生活造成了巨大的影响，国家应该加强监管力度，严惩建筑中偷工减料的行为[3]。

2.3 内部主体结构防火性能设计较低

目前，我国对钢材使用的防火性能还没有一个合理的标准，没有国家标准规范，缺乏经验的建筑部门在进行材料选购时会出现很大的偏差，不仅如此，科技进步的今天，越来越多的新型材料不断进入市场，标准制定的难度进一步加强，加之一些新型材料存在一些问题，得不到及时发现，建筑设计师将其应用到钢结构建筑中去，往往会产生一些新的隐患[4]。数据分析显示，部分新型钢材的耐火性在火温达到40℃时就有可能发生改变，这是一种非常可怕的概念，一旦失火，人员伤亡在所难免。

3.大跨度钢结构建筑防火设计措施

3.1 优化建筑的防火设计

针对大跨度钢结构建筑防火性差的问题，设计人员应该优化建筑的防火设计，以此保障钢结构建筑的安全性。设计师在进行防火设计时应该了解不同材料的防火性能，严格按照国家的规定指标进行材料选取，合理地设置消防设备，确保整个建筑的出水系统能够持续运转。设计师在进行优化建筑防火设计时可以从以下方面着手：（1）从电气防火着手，一般而言电气失火是消防中难以解决的一个难题，由于电气连接着众多的家电设备，一旦起火便会发生一系列的连锁反应，短时间内造成电路短路失火，设备爆炸，多处电器会成为火源，不仅如此，由于水的导电性强，这种失火还不能通过水进行扑灭，因此设计人员应该优化电气内部结构，采取特殊的材料，将电气运输的管线进行加强保护，减少因电气设备损坏而造成火灾的可能性。（2）建筑师在设计时应该设置避难层，避难层的隔板由防火材料组成，可以将内部空间与外部相隔绝，一般而言，高层失火会出现一种情况，失火源上层建筑的居民无法突破失火区，只能等待救援，而火势的蔓延往往是快速的，如果没有避难层，这些居民很有可能等不到救援便被大火吞噬了，因此设计师应该制定相应的避难层，装备一定的消防设备，十万火急的情况下，避难人员可以通过这些救生装备获得一线生机[5]。一般比较合理的避难层设计在第15 层，这个高度是经过严密的数据分析得到的结果，15 层以下消防人员可直接展开营救。

3.2 加强电气防火设计

调查研究显示，多数建筑失火都是电气设备使用不当造成的，因此对于大跨度钢结构建筑而言，防火设计最该考虑的就是消除电气带来的安全隐患，通过电气防火设计从而减小失火的可能性。如何进行电气防火设计是一个学术性非常强的问题，设计人员必须有扎实的物理基础和实际生活经验，例如在电梯设计中，供电方法应该与一般电气设备不同，电梯应该采用双回路供电，同时火线处还应该装备电容，一旦回路上出现短路的情况，电源会迅速切断，将安全隐患直接扼杀。不仅如此，建筑师在进行住宅设计时，还应该做好排烟系统的设计，众所周知，很多火灾人员伤亡的原因并不是被烧所致，而是因为死者吸入了大量因火灾所产生的一氧化碳而被毒死，所以排风系统的建设非常重要，另外各层建筑还应该安装相应的灭火设备，如消防栓、灭火器等等，这样一来钢结构建筑的防火系统就比较完善了。在大部分住宅建筑当中要做好电气防火设计，在现有的防火系统的同时，提高钢结构厂房电气安全系数，避免各个线路在长时间使用当中，产生超负荷、老化等现象带来火灾，从而彻底保障住宅建筑电气使用功能。并且规范住宅建筑中各类电气设施，保护居民生命财产安全。

3.3 运用水冷却法

水冷却法是钢结构建筑防火措施中最有效的一种方法，它主要包括水淋冷却法和充水冷却法。所谓的水淋冷却法就是通过在钢架结构上安装自动洒水系统和传感器，当室内温度达到传感器标准时，洒水器便会启动，向钢结构上喷洒冷却水，进而达到灭火和给钢材降温的效果，很大程度上可以阻止火势的蔓延并且保持钢架的力学结构不变[6]。充水冷却法与水淋冷却法不同，它利用的是水的吸热能力，通过往空心钢构件中加注冷却水的方式，吸收外部火势的热量，通过不断地蒸发循环延缓钢架升温的速度，保障钢架力学结构不会被改变。理论上讲，这是钢结构防火保护最有效的方法。但是由于技术难度较大，加之增加了建筑物的自重，为了防锈和防止水的冰结，还需要在水中掺加阻锈剂和抗冻剂等，费用较高，国外也只有少数应用实例。

4.结束语

钢材是目前世界上应用最广泛的建筑材料之一，以它为框架的建筑牢固、耐用且具有美感，是新时代建筑发展的重要基石。但是钢材高温下会产生形变，原有的力学结构在高温下不复存在，短时间内钢结构建筑便会坍塌，因此建筑设计师在进行大跨度钢结构建筑设计时，应重视防火设计，确保居民的人身安全。