装配式钢结构建筑消防问题与解决措施研究

作者简介：

李军岭（1985- ），男，汉族，河北邯郸人，本科，中级工程师，研究方向：建筑结构。

摘要：

装配式钢结构建筑作为一种新型建筑形式，其核心技术是将预制件在施工现场进行装配连接，形成整体建筑体系。装配式钢结构因其独特的构造形式及施工技术，使其具有较好的抗震、抗风能力。本文就装配式钢结构建筑消防设计中存在的一些问题进行了探讨，并提出了相应的对策。首先，对钢结构装配式建筑的特性及消防需求进行了分析；其次，对装配式钢结构建筑施工过程中的消防安全进行了研究。在此基础上，提出解决方案，为提高装配式钢结构的安全性和可靠性提供理论依据。

关键词：装配式；钢结构；消防问题；建筑方案

引言

随着建筑业的快速发展，装配式钢结构建筑因其施工速度快、环保、质量高等优点逐渐成为建筑行业的重要发展方向。然而，装配式钢结构建筑的消防问题也日益突出，给人们的生命财产安全带来了极大威胁。因此，研究装配式钢结构建筑的消防问题并提出相应的解决措施具有重要的现实意义。

一、建筑结构与构件

装配式钢结构建筑是以钢材为主要结构材料，通过工厂预制的方式进行生产的。这种新型的建筑结构具有以下特点。施工速度快、周期短：由于构件在工厂完成制造和安装，现场仅需进行拼接等辅助施工工作，因此施工速度快、周期短，可以有效节约成本。安全性高：钢结构属于柔性结构，其质量较轻，且承载能力大，防火性能优越。设计灵活：由于构件可以在工厂完成制造，因此建筑可以根据实际需求进行设计，如可采用不同跨度的屋架，实现空间结构灵活多变，满足人们多样化的需求。可循环利用：与混凝土结构相比，钢材具有可回收再利用的特点，符合绿色环保理念。因此，钢结构建筑建造过程中产生的大量建筑垃圾都可以被回收再利用。

（一）火灾蔓延特性

由于钢结构的整体性和延展性，使得其在遇到火灾时会产生更大的火灾荷载。同时，钢材自身的导热性强、吸热性差，容易造成高温蔓延。因此，当装配式钢结构建筑发生火灾时，火势蔓延速度快且不易控制，易造成人员伤亡和财产损失。早在20世纪80年代，美国就有学者针对钢结构建筑展开火灾模拟试验，证明了钢结构建筑在火灾发生后能迅速升温。与之相比，混凝土结构建筑的升温速度相对较慢。进入21世纪后，国内外相关研究开始增多。通过实验分析了不同燃烧物及燃烧物堆积高度对建筑整体结构热稳定性的影响，验证了设置混凝土填充墙体能够显著提升建筑的整体耐火性能。

（二）防火分隔措施

由于钢结构建筑耐火极限低，若发生火灾，火焰很容易在钢构件之间形成高温、高压环境，使得构件强度和刚度迅速下降，甚至完全丧失承载能力。因此，针对装配式钢结构建筑，必须采取合理的防火分隔措施，避免火势蔓延至其他楼层或相邻房间。防火分隔是指防止火灾发生后火灾蔓延到相邻空间的措施，包括防火墙、耐火窗等，主要用于阻挡和控制火势向相邻空间蔓延。从实际情况看，目前尚无一种能够满足所有应用场景需求的防火分隔技术，但可以根据不同的应用环境选择相应的防火分隔方式。例如，对于长期处于室外的建筑，可通过设置室外遮阳设施、雨棚、挡风帘等措施来提高其抵御火灾的能力；对于具有大面积玻璃幕墙的建筑，需选用防热辐射性能优良的玻璃材料，并将玻璃幕墙与框架结构有效分隔开来，以减少热传导引起的火灾危害。

二、耐火极限

耐火极限是衡量建筑结构在火灾中抗损害能力的重要指标，也是确定建筑构件和设备耐火时间的依据。对于钢结构建筑而言，由于钢材自身特性以及制造工艺等原因，其耐火性能远低于钢筋混凝土建筑[1]。

目前，我国已经有一系列标准规范对钢结构建筑的耐火极限作出了规定，但是对于装配式钢结构建筑的相关标准规范还比较欠缺，有待进一步完善。

（一）结构构件

装配式钢结构建筑中主要结构构件有柱梁、钢柱、支撑和檩条等。对于这些构件，在设计时应重点关注其燃烧性能以及对周围环境可能产生的高温影响，具体包括充分考虑火灾荷载作用下材料的变形和损伤特性，合理设置锚固点或连接件；加强节点构造，提高节点的整体耐火性能，尽量减少节点处的焊接；在结构选型方面，采用带防火涂料或防火板的构件，可有效降低钢材在火灾中的热释放速率，提高建筑物的耐火极限。以某项目为例，该项目为一幢高度15层的装配式住宅建筑，屋面檩条采用镀锌钢板（Z180），楼板采用薄壁双T型钢，墙面板采用轻质复合墙体，窗框采用铝合金型材，楼梯间和走道部位采用防火玻璃幕墙，房间内间隔墙采用耐火极限不低于3.0h的非燃烧材料[2]。由于该项目采用了上述多种防火措施，因此在发生火灾后，内部人员可以安全撤离。

（二）防火保护层

防火保护层材料是指在钢结构建筑中采用的具有一定耐火极限的隔热材料，如防火涂料、耐火纤维等。对于传统的钢筋混凝土建筑而言，其防火保护层主要是由混凝土浇筑而成的外墙或屋顶；对于装配式钢结构建筑而言，一般不会采用上述做法，而是采用轻型屋面和围护结构体系。

（三）耐火涂料

耐火涂料是一种涂在钢铁表面的非燃烧性涂料，可阻止火焰和高温辐射穿过涂层。其主要有无机类、有机类和无机有机复合类三种类型。其中，无机类涂料可以有效保护钢材不受高温影响；有机类涂料主要由树脂、溶剂、固化剂等组成，由于其含有挥发性气体，使得其具有一定毒性，同时也会降低钢材的耐火极限；有机无机复合类涂料结合了两者的优点，既能防火又能保证建筑安全。针对钢构件火灾蔓延迅速、热稳定性差的特点，国内外研究人员提出了多种涂料解决方案。美国佛罗里达大学（University of Florida）研究人员研发出了一种多功能环保涂料，采用喷涂的方式将该涂料喷涂到钢结构表面，可以有效抑制火灾蔓延，并且能够大大减少对人体和环境造成的危害。

三、防火分隔措施

在火灾发生时，防火隔离带可阻止火势蔓延。近年来，国内外对防火隔离带的研究主要集中在两个方面：一是针对不同材料和构造形式的防火隔离带进行分析研究，以确定其最佳防火效果；二是研发出新型、具有自主知识产权的防火隔离带，用于替代传统的防火隔离带。

通过有限元仿真模拟了钢质防火门在不同耐火等级下的耐火极限以及传热系数的变化规律，并据此提出了关于钢结构防火门设计参数优化建议。提出一种多功能消防安全系统（FASS），该系统采用水喷雾技术来实现防、灭火目标，能有效提高疏散效率，增强火场人员逃生能力。采用LS-DYNA软件建立建筑模型，对高层装配式钢结构建筑火灾情况进行了数值模拟分析，得到了室内温度与烟气浓度分布情况，同时验证了FASS系统在高层装配式钢结构建筑中应用的可行性。 基于FLAC3D/OpenSees软件，研究了水平管状金属管道在水平固定壁面和竖直固定壁面上的耐火性能，同时对水平固定壁面处的压力损失、管道内部烟气温度、烟密度以及水幕压力损失进行了计算。结果表明，竖直固定壁面上的耐火时间高于水平固定壁面，管道内最高温度均小于120℃，达到了良好的防火分隔作用。根据《钢混结构建筑消防规范》GB50068-2014的相关规定，结合实际工程案例，采用LS-DYNA有限元仿真模拟方法，计算得出了钢框架结构楼板、墙板、梁、柱构件的耐火等级，并分别计算出了楼板、墙板、梁、柱构件的耐火极限值。采用有限元法分析混凝土及钢板复合防火夹芯板的耐火性能，指出随着钢板厚度的增加，复合夹芯板的抗火性能逐渐增强。当钢板厚度为2.0mm时，复合夹芯板抗火等级为B1级，不符合防火规范要求，建议钢板厚度不应低于2.5mm。基于AISC3600标准，建立了包含建筑构件、楼板、墙体、楼梯间、管道井在内的三维全比例模型，采用MATLAB编程计算不同工况下各个构件的耐火极限值，从而分析比较了不同构件的耐火等级和耐火极限值[3]。

目前国内普遍采用的防火隔离带主要有防火卷帘、防火门、防火墙、防火吊顶、柔性防火涂料等。其中，防火卷帘门被广泛应用于厂房、仓库、商场等场所，且已取得较好的经济效益。然而，由于其造价高、安装复杂、占用空间大等缺点，难以推广到装配式建筑中。此外，由于防火门只能用于人员密集的公共建筑和人员密集区域，而装配式建筑的主体是钢结构，防火门需经常开启，因此不适用于装配式建筑。防火墙的优势在于它能最大程度阻止火势向两侧蔓延，但需要占用大量的空间。柔性防火涂料又称弹性防火涂料，其原理是利用聚氨酯泡沫填充物发生化学反应后生成阻燃隔热层，进而阻隔热量传递，达到防火效果。柔性防火涂料有很多种类，每种都有其自身特点和使用范围[4]。例如，单组份的柔性防火涂料一般只用于消防通道和前室的顶棚表面，双组分的柔性防火涂料可以覆盖整个顶棚表面，还可以涂刷于墙面，甚至可以用于电梯井道和楼梯间。

四、灭火材料

消防用水的作用主要有两方面：一是提供灭火用水，即根据火灾发展情况及蔓延趋势，及时供应足够量的灭火用水量；二是防止火灾蔓延和扩大，如通过向火灾区域喷水降温、稀释可燃气体浓度等措施控制火势。当建筑物内发生火灾时，消防给水系统将发挥至关重要的作用。目前，我国已研制出多种灭火药剂，包括水基型灭火剂、泡沫灭火剂、干粉灭火剂、二氧化碳灭火器、卤代烷灭火剂、气溶胶灭火剂、化学抑制灭火剂以及高氮灭火剂等。其中，高氮型灭火剂具有绿色环保、无毒无腐蚀、可重复利用、安全性高等优点，并且可与其他灭火剂混合使用，增加对不同火灾类型的扑救能力。然而，高氮型灭火剂也存在一些不足之处：成本较高；仅能扑灭低温性或可燃性的火灾；灭火速度比较慢。针对这些问题，研究人员不断探索新型高效灭火材料，并取得了一定成果。

（一）新型水基灭火剂

新型水基灭火剂是一种能够有效灭火的化学灭火剂，由多种有机酸、无机酸及无机盐组成，通过水作为介质进行稀释。该灭火剂的主要特点：可扑灭不同性质的火灾，如固体火灾、液体火灾、气体火灾和电气火灾；具有良好的安全性、经济性、可再生性；在灭火过程中不会产生有毒有害物质，无二次污染；具有较高的灭火效率，能有效抑制复燃，但其灭火速度相对较慢，受环境影响大。此外，还有一些特殊用途的水基灭火剂，如用于森林火灾扑救的超细干粉（粉末）灭火剂、用于医院等场所的医用液体灭火剂以及用于高层建筑防火的超细干粉泡沫灭火剂等。

（二）高效氟蛋白泡沫灭火剂

氟蛋白泡沫具有密度低、体积大、流动性好、便于运输等优点，是一种很有潜力的新型灭火泡沫材料。然而，其也存在两个主要问题：一是因缺乏足够的泡沫稳定性，导致灭火效率较低；二是由于氟蛋白自身具有毒性，对人体和环境会造成危害。该灭火器由水溶液、泡沫稳定剂、氟蛋白、助剂等组成。其中，氟蛋白能够与水形成稳定的水包氟蛋白（HFPF）乳状液，从而增强泡沫稳定性，提高泡沫扑灭火灾的能力，同时还能起到缓释作用，使灭火器在短时间内持续释放大量泡沫，以实现更快扑灭火灾的目的[5]。

结语

综上所述，近年来，由于建筑功能和结构形式的多样性、火灾荷载的复杂性，装配式钢结构建筑火灾安全问题逐渐凸显。通过对国内外相关研究文献的分析发现，目前在火灾荷载方面主要有三个研究方向：一是对设计参数进行研究，包括材料特性参数、耐火时间及构件尺寸；二是建立基于计算机仿真模拟技术的消防性能分析方法，确定构件受火行为及其破坏模式；三是应用新材料、新工艺，如防火涂料。另外，在耐火极限方面，虽然GB50016—2014《建筑设计防火规范》中给出了不同耐火等级建筑物的耐火极限值，但对于部分重要部位缺乏相应的规定，而且不同防火分区之间也存在差异，给实际工程设计带来困难。总体来看，现有研究成果尚不能满足装配式钢结构建筑消防设计需求，仍有大量问题需要解决。因此，应结合我国国情，进一步完善火灾荷载相关研究成果，为规范标准制定提供理论依据；加强钢柱、钢梁、支撑构件等关键部位的耐火性能研究，确保其满足耐火极限要求；针对不同防火等级区域的防火分区划分，应根据功能要求合理设置，同时避免出现防火间距过大或过小的情况；增强灭火材料的研发力度，研发出更高效、持久、环保的新型灭火剂。

参考文献

[1]王远平.装配式钢结构建筑消防问题及解决方案探析[J].消防界（电子版），2023，9（11）：87-89.

[2]王轩.装配式钢结构建筑消防问题及解决方案[J].今日消防，2021，6（03）：73-74.

[3]夏磊.装配式钢结构建筑消防问题及解决方案[J].消防界（电子版），2019，5（20）：50.

[4]蔡立峰，庄森华.装配式钢结构建筑消防问题及解决对策[J].低碳世界，2017（28）：195-196.

[5]金刚.装配式钢结构建筑消防问题及解决[J].建筑知识，2017，37（05）：99.