近年来,随着国际社会对全球气候变暖的日益关注,人们开始更多偏向于低碳、绿色可持续发展的建筑材料和体系。在这样的环境下,钢结构和木结构也因它们装配度高建造快捷且材料可循环利用等特点被广泛应用。

现代木结构

现代钢结构

防火设计作为建筑设计的一项重要内容,密切影响着建筑设计的完整性。通过合理的防火设计,不仅可以优化建筑的空间结构,也能帮助人们在遭遇火灾时有足够的时间撤离现场。

木材容易着火么?肯定是的。木材本身便是可燃物质,在《建筑设计防火规范》GB50016-2014(2018版本)中其火灾危险性为丙类,燃烧性能等级为B2级,若将木材作为结构材使用,其必须要经过一定的阻燃处理,否则在使用上将受到很大的限制;而钢材强度高、延性好,且与木结构一样可场内加工,但钢材导热快,材料性能受温度影响明显,因此防火在二者中显得尤为重要,也因如此,人们还会比较二者在火灾中到底谁表现更优。

01

钢结构现行防火设计措施

钢材本身虽属于不燃物,但钢材的材料性能受温度影响大,在250℃,钢材的冲击韧性下降,超过300℃,屈服点与极限强度显著下降。在实际火灾中,荷载不变的情况下, 钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右,而一般火场温度会达到800℃~1000℃,且钢结构导热快,很容易在高温下全截面温度上升,很快出现塑性变形,产生局部破坏,最终造成整体倒塌失效。

火灾后,钢结构塌在木梁上

钢结构中根据防火原理不同,其防火措施可分阻热法和水冷却法。

阻热法

通过在钢材外围喷涂防火材料或外包耐火材料,使火灾发生时钢材外能形成或具备隔热保护层,以提高钢材的耐火极限。

钢结构防火包覆板

水冷却法

水比热容较大,能够吸收大量的热,当火灾发生时候,可以依靠在钢结构上部布置的喷淋系统在钢结构表面形成水膜,水膜吸收热量蒸发以延缓钢材达到失去静态平衡稳定性的临界温度。除此之外,对于空心的钢结构,可向内充入含阻锈剂和防冻剂的水,火灾时通过水在钢结构内的循环,吸收热量,使钢材在火灾中保持较低温度,避免高温失效破坏。

02

木结构现行防火设计措施[1]

现行的《建筑设计防火规范》GB50016-2014(2018版)中特别在第十一章中对现代木结构的高度、建筑面积、适用类型、建筑物之间的防火间距、构件的耐火极限、消防设施配置等防火技术要求进行了明确的规定。木结构防火主要分为轻型木结构防火和重型木结构防火。国内木结构防火设计主要采用的是国家标准《木结构设计标准》GB50005-2017中第十节中涉及的原理和方法。

轻型木结构

对于规范要求需达到一定耐火极限的轻型木构件,其防火方法主要是对可燃的木构件包覆材料进行难燃或不燃处理,以阻断火焰与木构件直接接触。传统的做法之一是在木龙骨之间添加保温隔热材料,并在其外面覆盖石膏板。在实际工程中可以通过选择不同级别的保温材料和石膏板以使轻型木构件达到不同的耐火极限时间。试验证明,轻型木墙和木楼板的耐火极限时间可以达到0.75h~2h。

防火木墙体燃烧后

重型木结构

依据现行的《木结构设计标准》GB50005-2017国家标准,常采用较大截面的构件以达到相应的耐火极限。截面大小需按照构件的燃烧性能和耐火极限要求,保证木构件火烧时截面扣除以38mm/h的名义线性碳化速率燃烧计算得到有效碳化层厚度后,内部剩余截面大小仍能满足承载力设计要求。

重型木构件燃烧后剩余截面

03

那些事儿

钢、木结构防火PK

1)在着火时间较短情况下,钢结构的损失会明显小于木结构。短期的高温火烧会使得木材表面碳化变色,且往往不可逆,在这样的火灾后,木结构需要重新翻新甚至重建。

被烧黑的木椅子

2)在着火时间较长情况下,一个最终结果可能是全部垮塌,一个可能是全部烧没。虽钢结构着火点很高,但其会在500摄氏度左右强度和刚度大部分流失而易导致结构瞬间崩塌,而这个温度在火情中是很寻常的。最典型的例子就是美国的911袭击中,世贸中心大楼的瞬间倒塌,就是因为飞机碰撞后引起大火,大火使得钢梁强度迅速减弱失去承载力,使得上部构件向下塌陷而全部垮塌。而木结构的导热能力比钢结构差很多,当外部着火升温时,木材内部温度不一定会很高,即使外部烧焦后,内部核心区域仍能正常工作,木材能逐步退出工作,不至于突然性垮塌。

由于木材的燃点比钢材低,同样温度下,木材碳化层比钢结构失效先出现,即表层木材是比同等钢结构先退出工作的。如果木结构截面太小,全截面都是碳层也是毫无意义,所以小于某个截面时,木结构会比钢结构先垮塌,也不见得比钢结构好。

总的来说,钢结构和木结构在防火设计中,从设计中考虑的耐火极限来说,二者依据现行相关规范和标准进行有效的防火措施并满足相应要求下,两者可以说是不相伯仲。

二者的防火设计目的不在于这个过程中能抗住多少高的温度,而都在于二者谁能给建筑中的人员更有效的预警信号和更多的逃离时间。

引发思考

基于能给建筑中的人员更有效的预警信号和更多的逃离时间这一点,结合目前工业互联网2.0智慧城市对于创造美好城市、对民生环保公共安全等智能响应的概念,引发新的思考:结构设计中引入其他元素,进行信息技术智能应用、人智慧参与、以人为本、可持续发展,给建筑结构赋能。

万物互联,钢是导体,想象我们在钢连接链路中引入断路报警,当钢结构局部因为火灾被破坏时,触发报警。针对钢构件局部温度变化感知,在钢结构表面引入热敏报警,当钢结构钢材因为火灾温度变化上升至一定程度时,热敏探测单元立刻报警反应。通过传感器和探测器实现这两种报警外,还可再通过信息与火灾消防报警联动来实现更快速的报警。

在木结构中,又是如何思考进行赋能呢?木结构燃烧,附近温度和二氧化碳浓度增高,想象我们对木结构部件局部温度变化感知,引入热敏报警,同时引入二氧化碳浓度探测及报警。火灾发生时,触发两种报警,比依托外部的消防系统预警更快速。传统预警是通过消防系统进行监测,存在时间和空间上的跨越,而通过智慧连接的方式,钢结构、木结构本身直接具备了监测和预警功能。

尽管火灾的顺序不一定是从结构先起,赋能部分不一定是最先响应的,但从结构我们再延伸到整体建筑的防火思考,赋能范围更大,预警范围更全面,那么,建筑具备对公共安全的智能响应也更准确有效。

参考文献:

1.加拿大木业协会&上海交通大学设计学院.《现代木结构建筑技术导则》[M].上海,2019:52-54.

2.杨圣峰, 杨秀英. 谈钢结构防火措施[J]. 山西建筑, 2014, 040(009):16-17.

声明:部分文章及图片系网络转载,仅供分享不作任何商业用途,版权归原作者所有,如有问题,请后台联系我们,我们会立即删除,并表示歉意,谢谢!