性能设计方法在钢结构建筑防火设计中的应用

■ 朱世伟 保定市消防救援支队蠡县大队

目前，我国的现代化建筑呈现多样的形式，传统的防火设计逐渐暴露出滞后性，在各领域的不断探索与研究下，诞生了一种全新的建筑防火设计理念，即性能设计。性能设计方法的现世，使建筑防火设计具有更高的可行性及科学性。基于此，文章以探讨性能设计方法在钢构件建筑防火设计中的实际运用为最终目的，阐述钢结构建筑的防火举措、性能设计方法的潜在意义和现阶段发展所面临的挑战，旨在进一步提升钢结构建筑的防火能力从而降低火灾发生的可能性。

一、钢结构建筑耐火保护举措

（一）钢结构建筑优缺点

随着钢材的广泛运用，基础建筑施工中以钢结构为主的建设方式逐渐崭露头角，其优点决定了钢结构建筑将逐步取代传统建筑结构地位的发展趋势。钢结构建筑的主要优势在于以下几点：1.钢构件建筑建设时间短；2.钢构件建筑施工灵活；3.钢构件建筑可使用的容积较大。

钢结构建筑的缺点在于其防火性能差，耐燃性不高，如果发生大型火灾，钢材将会面临高温的持续炙烤。当温度高于600℃时，钢材的坚硬程度会出现质的改变，并且钢材在持续15 分钟的高温炙烤下会出现断裂甚至融化现象，而钢结构建筑物也会随之崩塌[1]。因此，在钢构件建筑施工时，需要重点关注其防火性能以及探索钢结构防火保护的举措。

（二）钢结构建筑耐火保护举措

阻止高温与钢材的直接接触是有效提升钢构件建筑耐燃性的主要举措。而最优质的方式便是采取隔绝法，从而在根本上避免钢材与高温的直接接触，延长钢材受热的时间。目前，我国在钢结构建筑施工过程中普遍采取这种隔离方式，而我国目前的隔绝方式关键有以下三种：

（1）使用混凝土或者耐火砖对钢材结构进行外部包装，使空气与钢结构完全隔离，从而防止高温对钢材的直接灼烧，但由于混凝土或耐火砖在堆砌的过程中难免会留有空隙，并且这种方式在某种层面上极大地增加了工程量以及资金的损耗，因此这种方式已不能满足施工建设对于防火设计的需求。

（2）采用具有高强度防火性能的轻质材料对钢结构进行外部包装，例如石膏板、TK 板及特质防火布等，由于其质地轻巧、经济实惠的特性，这种包装方式也广泛应用于小型钢结构建筑防火设计中，并且这种材料具有较好的耐燃性，可以更好地将高温与钢材进行隔绝，目前我国在钢结构建筑的防火设计中也普遍采用此方式进行防火设计。

（3）利用防火涂料使钢材形成防火保护膜，有效地隔绝高温对钢材的炙烤，提高钢材的耐燃性。但由于其价格昂贵、技术不成熟等缺点，使得这种防火方式在我国并没有得到充分的采用。目前，我国使用的防火涂料有膨胀和非膨胀两种类型。膨胀型在高温持续炙烤下，会使涂料体积增大，以增加受热面积的方式来隔断高温与钢材的直接接触，从而延长钢材受热时间，提升钢材的耐燃性。而非膨胀型材料本身具有较大的厚度，基本在8mm ～55mm 之间。从严格意义上来讲，二者都是将自身的体积增大，从而阻断高温与钢材的直接接触，但非膨胀型涂料不用通过高温加热来进行体积的变化，自身的厚度使得非膨胀型涂料也具有极高的隔热性能[2]。

二、性能设计方法的意义

（一）性能化防火设计的应用性

性能化的防火设计是一个比较创新的建筑防火安全措施与方法。从科技的角度讲，钢结构建筑的防火概念往往需要深入整个建筑结构内部，而性能化防火则是指通过现代化的技术手段，可以更精确地预测火势及其可能造成的损失并记录下火灾数据，同时以这些信息为防火设计的基础，严格设计和把控可能引起火灾事故的关键部件，以达到现代钢结构建筑设计的防范火灾的要求。从设计规范而言，性能设计利用了消防安全工程学的基本原理对建筑物进行防火规范。需要相关人员从全局出发，重点根据建筑物的实用功能、周边实际情况、整体结构及建筑物整体耐火性等层面作出全方位的预料。尽管性能设计不能为防火工作提供直接性的解决措施，但可以根据建筑防火设计的现实状况加以衡量，从而加大性能设计的评价和量化等工作能力，使其工作方式能被群众所接纳。并且，性能设计可以作为一种防火设计理论和建筑评价使用的具体方法。其优势在于：一方面能更好地体现出建筑的特殊性，更全面地理解建筑的真实用处，更客观地表现出建筑的差异，从而拟定具体的设计方法；另一方面在于可以依据建筑的地理环境，做出对应的设计方法，亦可以改善设计的思路，做到全方位统筹设计方法；最后可以采用多元化的分析手段，以此来确保设计的正确性。在实际的操作中，性能化防火设计可以依照以下几方面推进：

（1）严格依据钢结构建筑的使用功能，将其防火设计的目标进行明显化，并进行有针对性的量化分析。

（2）严格遵循钢结构建筑的现实状况，分析其内部存在的易燃物量及人员主要工作场所的布局，从而对疏散通道及火灾易发根源进行科学的设计。

（3）严格按照消防安全的规定，对防火效果进行评估，撰写相关报告，实施全面的设计内容。

（二）性能化防火设计的必要性

虽然并不是每个建筑物都必须通过性能化方法来完成设计，但性能防火设计方法的运用是目前钢结构建筑中安全防火举措的一种必然发展走向。我国目前在高性能化防火设计与评价等方面的科学研究上已经获得了很大的进展，但由于我国性能化防火设计的发展起步较晚，存在着火灾基础科学研究还比较薄弱、相关工程研究少等问题，因此我国在性能化的防火设计和评估上仍有不少的技术难题和使用技巧需要攻克。这就需要我国相关领域加速对性能化防火的研究脚步，充分结合国内外现有的研究成果，加大对消防安全相关研究力度，全方位推动性能设计方法在钢构件建筑防火设计中的应用，从而加强我国基层建筑在发展及运营中的安全性及科技性。

三、目前我国钢结构建筑防火设计所面临的挑战

钢结构建筑主要有体积较大、结构繁琐的特征，如大型火车站、购物中心、飞机航站楼等。由于此类建筑需要很大的占地范围，致使由钢构件组成的建筑物体积庞大。因此，在对钢结构建筑物进行防火设计时，需要充分利用性能设计方式来达到防火目的。目前我国在对大型钢结构建筑物进行防火设计的工作中主要有以下两方面的难题：

（一）难以划分防火区域

根据我国相关防火设计规范的要求，需要对大面积建筑平面采用防火墙或防火卷帘等材料进行区域防火的划分，这种按“处方式”的防火设计，虽然能够有效地阻止火势蔓延，但可能会从根本上改变建筑物的实用功能，不仅如此，现代建筑对美学的要求极为苛刻，如果防火区域划分不合理，会从外观上影响建筑物美学价值[3]。由于不同的建筑物之间具有较为明显的差异性，因此在进行建筑物防火设计时，应该根据建筑物的实际情况，运用合理、科学的性能防火措施，通过火灾模拟实验，分析出适合建筑物本身功能的防火方式。

（二）防火方式单一

即使对于钢结构建筑的防火保护措施有多种方式，但依据目前的科学技术水平而言，防火喷涂成为钢结构建筑防火保护的主要手段。根据我国相关的建筑防火规定，钢结构建筑物在进行防火设计时，必须考虑建筑物内各个钢构件的承重能力及防火能力。施工方还要严格把控防火涂料的耐燃性，结合这两个层面，施工方需要对喷有防火涂料的钢构件进行进一步的耐燃能力的测试。尽管如此，这种防火保护方式依旧有以下两方面的缺陷：

1.灭火设施基础建设不全面

我国在钢结构建筑物的防火设计层面上，不能依据建筑物的具体实用功能来进行，主要就体现在灭火设施的基础建设方面，例如机场与购物中心这两种建筑，它们的建设具有其独特的功能，在灭火设施的建设上也需要根据其各自的功能来进行，因此需要防火设计人员根据二者发生火灾时的情景，做出相应的灭火设施建设，这样才能起到有效的灭火、控火效果。

2.防火保护方法缺少科学的检测方法

无论是哪种钢结构防火保护方式都需要对其进行科学、合理的检测，例如在使用防火涂料的保护方式时，需要相关人员对其进行使用前、使用时、使用后的科学检测，以确保在性能防火设计时能够高效地进行对钢结构建筑的防火保护。另外，由于钢构件在建筑结构中存在端对端的限制条件，无法从火灾实验中提取有效的防火数据，因此需要相关人员在设计防火方案时重点关注钢构件两端部的连接部位，确保端部防火性能的极限，以此作为钢结构整体构造的防火性能建设。再者，结构受火后在结构中也会形成高温应力，而这一影响在构件的试验方法中难以准确反映[4]。需要从科学的角度全面考察钢结构建筑物的实际情况，通过科学的力学计算方式，从而提升钢结构建筑物的整体防火性能。

四、性能设计在钢结构建筑防火设计中的运用

（一）火灾场景设计

首先，火灾情景设计须结合相关建筑的基本情况，尤其是其内部现存的可燃物数量及类型、火灾蔓延趋势等方面，识别建筑物和损失；其次，通过相关计算方式估算火势蔓延各个阶段的状况，重点在于热力传播对建筑周边环境的损害；最后，在设置火灾现场情景时，要充分考虑火灾爆发的来源以及在大火处理过程中扑救的进度，而火灾爆发的现场情景设置需要充分反映火灾现场的实际情况，这将直接影响性能化防火方法的真实性与科学性。

（二）控火、防火系统设计

1.空间模拟

发生火灾时，由于温度及时间的改变，上层气体的结构和状态也会随之改变，而室内设计不同于室外，气体在转移过程中会受到空间约束。因此，利用性能化设计的空间模拟可以根据提起转移的方向，准确定位火灾发生的位置及蔓延趋势，有利于及时有效地控制火灾的蔓延，从而减少火灾所带来的损失。

2.区域分区模拟

在空间结构较大的区域，防火设计具有极高的灵活性和延展性。采取区域分区的模式可以有效降低火灾发生的概率，防火分区在材料的选择上必须具有极高的防火功能，才能有效地实现火灾隔离，防火分区的主要目的是针对特定区域设置专用的灭火排烟设施，以达到阻止火势蔓延的效果。具体来讲，在钢结构建筑物的小空间区域可采用高效的喷淋实验装置，但在大空间地区常规喷淋实验装置无法有效应用，取而代之的是更为有效的水泡灭火系统。合理的防火分区有利于从根源上杜绝火势的蔓延，减少对周边区域的危害。

（三）人员安全疏散设计

性能化的防火设计方法，能够将火灾中出现的烟雾、温度及有毒气体等危害作为人员安全标准的主要评价因素。火灾中最主要的目的是保障人员的生命安全，合理、科学的疏散逃生通道是保障人员生命安全的有效途径，利用性能化防火设计方式能够对逃生通道的选择进行有效计算与分析，以确保针对不同区域的人员制定不同的逃生疏散路径，降低火灾发生时对人员生命安全的威胁，并减轻其心理负担[5]。

（四）钢建筑结构耐燃性能设计

从钢结构建筑的安全性角度及整体的稳定性层面进行全面考虑，利用性能设计防火方式研究钢构件在火灾中的反应，从而制定安全消防方案，以确保在着火状态下钢结构建筑物的稳定性，避免坍塌的剧烈变化。因此，对钢结构建筑做好火灾风险评价并及时掌握火灾的发展规模，从而做好相应的消防措施，有利于防止发生严重火灾时钢结构建筑物倒塌后造成的严重损失。五、结语

综上所述，性能设计方法在钢结构建筑防火的设计中起到至关重要的作用，与传统的处方式规范设计相比，性能化的防火设计可以根据不同的功能区进行细致的研究、测算，把工作人员的撤离时刻和火灾事故威胁来临时刻进行比较研究，进而强化各类消防设施的管理，最终得出结论：性能化的灭火系统可以确保工作人员的安全，可以有效控制火势的蔓延扩展，最大限度降低火灾事故风险，维护国家和公民的财产安全。