整体的大空间钢结构性能化防火设计办法研究

整体的大空间钢结构性能化防火设计办法研究

发表时间：2024-10-14T09:24:29.280Z 来源：《基层建设》2024年第19期 作者： 吴坤

[导读] 摘要：如今，随着我国社会经济不断发展，建筑工程领域涌现了很多大空间结构，其中随着整体的大空间钢结构建筑数量不断增多，这也给结构防火设计提出了更高要求。

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摘要：如今，随着我国社会经济不断发展，建筑工程领域涌现了很多大空间结构，其中随着整体的大空间钢结构建筑数量不断增多，这也给结构防火设计提出了更高要求。基于此，本文首先提出整体大空间钢结构火灾情况的影响，分析性能化防火设计的优点，最后探究整体大空间钢结构性能化防火设计办法。

关键词：钢结构；性能化防火；大空间；设计；方法 引言

如今大空间钢结构建筑防火设计已经成为了行业的焦点话题，在科学技术不断发展的背景下，性能化防火设计在我国也得到了应用，并且成为了大空间钢结构防火设计中的主流方法。我国已经有千百个大空间钢结构建筑采用了性能化防火设计方案，但作为防火设计的重要组成部分，结构防火性一直不被重视，依然是以传统防火措施为主，行业内没有提出整体大空间钢结构建筑防火设计规范，安全性计算更多是在于具体结构构件，使得结构工程师无法综合考量结构的整体安全性，造成部分大空间钢结构建筑缺乏安全性。特别是对于一些超限大跨度空间结构，如果防火设计不科学会大大降低钢结构建筑使用的安全性，这就必须要针对此类问题进一步展开研究。 1.火灾对大空间钢结构受力的影响

大空间钢结构中有矩形桁架、大跨网架网壳结构、预应力钢结构、索膜结构等结构体系，空间结构整体性非常强，并且由于结构形式的不同，其抗火性也有所差异，结构参数、荷载条件表现出不同的力学性能，破坏模式也不尽相同。整体来说，火灾对大空间钢结构受力影响主要表现在以下几点：

（1）火灾会生成高温，导致钢结构材料软化，极大的降低了钢结构强度与刚度，据有关试验表明，在环境温度达到500℃以上时，普通钢材会丧失掉大部分刚度、强度性能。

（2）一旦发生大型火灾，会逐渐形成温度场，场内温度不均匀，加剧了杆件出现不同程度上的膨胀变形，使得支座约束处产生附加内力。在超静定结构当中，还会产生内力重新分布情况，这是因为杆件之间相互作用、变形造成的结果，而非是材料自身的刚度、强度损失，是与约束力、结构形式、荷载情况有直接关系。可见，大空间钢结构火灾反应与普通火灾表现不同，普通的ISO均匀升温曲线在大空间钢结构防火设计中应用显然不合适[1]。

（3）在真正发生火灾时，上述两种情况可能会相互叠加，可能出现正向叠加，也可能出现相互抵消情况，从而形成一种多因素产生的复杂内力变化情况。建筑空间体系越复杂、温度场非均匀性越严重，内部应力变化也更加复杂。所以在分析中，仅凭借杆件应力分析不能解决实质性问题，必须要在结构整体层面上加以分析。 2.性能化防火设计的优势与特点

简单来说，性能化防火设计是在消防安全工程学基础上提出的一种新型防火设计方法和理念。性能化防火设计不仅采用了消防安全工程学的原理与方法，同时根据建筑结构、内部可燃物质、用途等情况进行综合考虑。防火设计人员结合建筑中的不同空间条件、功能条件等，根据消防安全目标选择相应的防火措施，并将这些防火措施结合起来，形成对钢结构建筑的整体防火设计方法，借助已经开发的工程学方法实现建筑火灾危害、危险度进行预测评估，对防火设计方案进一步优化[2]。性能化防火设计方法的优势表现在： （1）由于是根据消防安全目标选择防火技术，所以可以充分发挥消防设计人员的创造性。 （2）性能化设计更加注重建筑结构实际情况，因此可以满足特殊要求下的工程设计。 （3）设计方案不断优化和改进，最终可获得更加科学、合理的防火设计方案。 （4）通过整体化设计，有助于各项防火技术发挥自身优势。 （5）有助于新材料、新技术的开发与应用。

（6）让大空间钢结构建筑防火设计更加符合建筑规范标准、国际化标准。 3.整体大空间钢结构性能化防火设计方法 3.1评价方法

3.1.1限制构件温度评价法

如果是单根构件或者距离火源较远，主要是受到火灾对流空气导热的影响，此时可以采用单根构件方法分析。限制构件温度，让钢结构温度不超过325℃，一般情况在单一钢结构温度在550℃以内时即可保证构件的物理性能，但为了安线，是考虑将单一钢结构限制温度限制在了325℃。当然，更保守的方式是将钢结构温度限制在200℃以内，在200℃以内时可以保证防火涂料不受损，也就是涂料不发生膨胀。

结合大空间建筑内的消防设施、空间大小、平面布局、功能性、火灾荷载等设计火灾规模、持续时间，根据相关统计资料信息以及火灾试验结果，确定火灾发生时主要位置、钢结构受影响部位，结合建筑结构特性确定防火关键部位，包括结构薄弱处、杆件最大受力处等[3]。对于不会直接受到火灾影响的钢结构，只需考虑热烟气和构件对流导热的影响。如果钢结构在火灾辐射影响范围内，要重点考虑火焰辐射对钢结构累计升温的影响。根据上述相关标准与要求，从而确定最终的防火保护方案。 3.1.2结构整体安全评价法

钢结构性能化防火设计中，展开整体力学分析方法是大空间钢结构建筑防火设计的一大发展方向。其力学评估流程为： （1）对建筑功能、消防措施进行分析，设计出火灾发生的场景。 （2）对钢结构进行试验分析，得出钢结构临界温度。

（3）采用流体动力学软件计算发生火灾的烟气、温度分布情况以及火灾导致钢结构的升温情况。

（4）建筑钢结构空间几何模型，计算热效应给钢结构带来的温度影响、弹性模量降低幅度。采取有限元或结构力学软件计算得出火灾荷载量。

（5）根据软件设计分析的结果，制定钢结构防火方案。 3.2设计方法 3.2.1外包层

大空间钢结构外部都有一层外包层，通过现浇、喷涂形成。处理外包层中，通过混凝土外包钢筋加固方法，降低混凝土后续收缩裂缝，确保外包层整体强度。而喷涂方法是在钢结构表面喷涂一层砂泵用作保护钢结构。砂泵原材料为石灰水泥、石膏砂浆以及一定量的珍珠岩。外包层还可以使用石膏、珍珠岩材料，预制板用混凝土材料，采用外加剂将预制板固定在钢结构上。 3.2.2充水

对于火灾发生重点区、火灾荷载较大区，防火设计中可以采用空心钢结构材料，由于水具有吸热作用，并且沸点为100℃，在空心钢结构中注水可以大大降低火灾发生时钢结构的温度，从而保证钢结构的性能。充水方法可以大大削弱火灾带来的威胁，让钢结构一直保持在安全的温度范围内，水体循环可以不断降温，吸走燃烧带来的热量[4]。循环泵加速水体流动让钢结构快速冷却，凉水不断取代热水。 3.2.3屏蔽

屏蔽方法主要是将钢结构设置在墙体内部、顶棚内部，钢结构在墙体的阻隔下可以减缓升温速率。当然，还可以在将墙体中加入一定的耐火材料，从而起到隔绝作用。 3.2.4涂料涂层

防火涂料涂层可以有效保护火灾时的钢结构性能，加强钢结构整体的防火性能，提升钢结构的隔热性。并且涂料涂层实施起来不会受到钢结构几何结构影响，也无需采用辅助设施，再加上涂层涂料重量小，可以让整个建筑空间更加美观。 结束语

综上所述，为了全面做好整体大空间钢结构建筑防火性能，加强性能化防火设计的研究，采用更加全面、更加科学的防火设计方案有着重要意义。由于大空间建筑的钢结构面积大，因此采用综合型防火保护设计方案可以发挥更好的效益，包括评价方法以及外包层、充水、屏蔽、涂层材料等措施，针对性设计防火方案，在后续分析中不断改进，这样才能够提升整个防火方案有效性，减少火灾对大空间钢结构的负面影响。 参考文献

[1]肖凯峰. 大空间钢结构防火性能化研究[J]. 科学与财富, 2015, (10):336-337.

[2]尹楠. 基于性能化防火设计方法的商业综合体典型空间防火优化设计研究[D]. 天津大学, 2013. [3]杨玉新. 大空间钢结构防火性能化设计与关键技术分析[J]. 建筑工程技术与设计, 2014, (21):82-83. [4]张国维. 高大空间钢结构建筑火灾全过程性能化防火设计方法研究[D]. 2016(02):233-234. 作者简介：

吴坤（出生年1988-），男，汉族，(籍贯:天津武清)，本科，工程师，从事结构设计工作