性能设计方法在钢结构建筑防火设计中的应用研究

陈凯

现如今，性能设计方法已经应用在建筑防火设计中，与传统的防火设计相比，性能化防火设计是一种较为先进的消防设计。性能化防火设计方法不仅能满足《建筑防火规范》的要求，而且能根据业主和建筑的特点改变设计方案，提高建筑的耐火能力，降低火灾风险。性能设计方式可以降低火灾发生的可能性。

1.钢结构建筑防火措施

当前城市建筑中钢结构建筑数量不断增加，钢结构建筑有较多优势：（1）钢结构建筑施工期较短；（2）钢结构建筑施工较为灵活；（3）钢结构建筑可用空间较大。虽然在钢结构建筑中钢结构并不是易燃烧的部分，但是钢材耐燃性较差，如果火势变大，那么钢材的硬度也会随之降低。当火灾现场温度超过600℃时，钢材就会完全失去其承载力。在一般情况下，钢材如果被高温持续灼烧15min，那么钢材就会失去承载力，建筑物也会逐渐倒塌，所以在建筑时一定要重视钢结构防火设计。

如果想要提高钢结构耐火性，就应该采取相应措施隔离高温与钢材，从而降低钢材受热程度，更好地延长钢材在高温时的承载时间。当前，我国施工普遍使用的是钢材外包方式延长钢材在面临高温情况下的承载时长。钢材外包主要有三种形式。

（1）使用混凝土对建筑钢结构进行外包，这种方式必须确保钢材完全被混凝土包裹住。

（2）利用防火性较强的材料对钢结构进行外包。防火性较强的材料有石膏板、TK 板材等，这类材料普遍具有较强抗燃性，使用这类材料可以将高温与钢材进行隔离。防火性材料在国外已经被广泛使用，而我国则是近些年来才开始将其使用到建筑防火设计中。

（3）在建筑钢材上喷涂防火性较强的材料，这样也能起到隔离高温的效果。这种防火材料可以在钢材上形成保护膜，从而提高钢材的耐火性。我国对防火涂料的使用也制定了相关规定，确保建筑防火涂料质量有所提高，从而对钢结构建筑有一定保障[1]。我国主要的防火材料分为膨胀型和非膨胀型两种。膨胀型防火涂料在高温灼烧情况下，其体积会逐渐扩大，从而提高钢材耐火性。非膨胀防火材料要比膨胀型材料厚度强，非膨胀防火材料的厚度基本在8mm～55mm，虽然非膨胀型防火材料面对高温灼烧不会出现体积变化，但是，非膨胀防火材料具有良好隔热性能，可以有效将高温与钢结构建筑钢材隔开。

2.性能设计方法

性能化防火设计是一种新型的建筑工程防火设计思路。从科学的角度来看，建筑系统的防火理念需要深入到建筑内部结构中，加强对防火效果的重视，采用先进的技术估算火灾所带来的经济损失并记录火灾信息，并将该数据作为防火设计的重要依据。严格组织和控制可能发生火灾的重点区域，实现建筑综合防火的目标。

就设计规范而言，性能设计运用防火安全工程学的原理制定防火工程中的性能化目标。需要对建筑物的整体环境、结构、耐火性、机械及防火相关规定进行预测。性能设计在不同方面符合政策要求，即使没有为防火设计工作提供解决方案，也可根据建筑物的实际状况进行定性，增加性能设计中的评估、预测、定量、定性等工作，使其设计方法能够被人们接受。与此同时，性能设计可以概括为面向性能的设计，面向性能的设计根据规范要求描述环境和对象，它可以作为消防技术理论和建筑评价使用的具体方法。其优点是：体现建筑的独特性，明确用途，根据个别建筑的差异，制定出具有针对性的设计方案；根据建筑物的存在位置，给出相应的设计方案，可以变换设计思路；使用多种分析工具保证设计的准确性。在应用过程中采用基于性能的防火方法，一般来说，可以通过以下几个步骤进行：（1）设计人员必须根据建筑物的功能明确建筑物的防火目的，并进行定量分析；（2）设计人员必须对建筑物的实际情况进行分析，包括对建筑物内可燃物数量、人员分布情况等进行分析，方便工作人员识别火灾指标并进行合理设计；（3）设计人员对设计的消防方案进行安全性分析，并对消防效果进行评价，编制报告，落实具体的设计内容。

3.性能设计方法在钢结构建筑防火设计的运用

建筑性能化防火设计是一个长期而复杂的过程，它可以促进防火壁炉的规划、人员的疏散、烟气的流动和控制等，只有研究这些关键技术，才能促进我国消防技术的发展。

3.1 火灾场景设计

火灾现场的设计应以有关建筑物为基础，特别包括建筑物内可燃材料的数量和类型、火灾的发展和火灾类型的选择，识别建筑物和损失；其次，根据建立的公式计算火灾发展不同阶段的情况，主要是热量释放对周围环境的破坏；最后，在设计火灾现场时，要考虑火灾发生的可能性和火灾过程中灭火的进度，即火灾现场的设计是否能真实反映火灾现场，将直接影响性能化防火技术的可靠性和功能性。

3.2 火灾烟气流动和控制设计

在火灾流量的构建中，建筑防火性能化构建主要采用区域模拟和空间模拟两种方式。

如果发生火灾，时间会发生变化，上方热气层的状态和高度也会发生变化，由于室内设计的不同，烟气流动会受到一定限制。因此，可以利用空间模拟的范围确定火灾发生的位置和程度，在消防系统的建设中，利用这两条路径可以有效控制火灾发生的可能性，降低火灾的风险。

在防火方面，中庭公共空间是次安全区域。在这个区域，公共空间相对较大，空间灵活性也很高。结合这些特点，设置防火分区，设计专用灭火器和排烟灭火器，以达到防火的目的。

中庭周围的空间可采取严格措施，确保消防系统的安全，防火分区所用材料必须具有良好的防火性能，走廊与房屋之间采用防火结构，实现防火分隔，同时必须用防火墙将房屋划分为不同的防火区。如果发生火灾，可设置独立的自动喷水灭火系统，控制火灾和烟雾，不会对周围公共区域造成危害，防烟墙设置在走廊和中庭之间，公共走廊更为重要，通道用于运送人员，因此必须用不可燃材料装饰，走廊内严禁堆放可燃材料[2]。

3.3 人员安全疏散设计

在设计这些内容时，必须考虑建筑物使用者的年龄、性别、职业、教育等信息，以保证建筑物使用者的体力和疏散过程中疏散系统的可理解性。特别要考虑逃生路线，确保根据不同的人流设计不同的逃生路线，以及逃生后人员的安排，为避免恐慌的发生，疏散后要进行心理疏导，减轻火灾造成的心理压力[3]。

4.建筑钢结构构件的性能化防火保护实例

某建筑中间有一个大中庭，它直接与高层相连。中庭上部为钢构采光顶，中庭每层四周为5m 宽的走廊。屋顶的最高和最低部分分别距地面50m 和40m。

4.1 最不利火灾场景的选择

高层钢结构性能化施工的思路是：根据建筑物的具体情况和有关统计数据，对火灾规模、火灾性质、最危险情况、燃烧厂状况等进行分析评价，再参考不同燃料的放热率，确定最不利的火场。该建筑中庭的主要火源是下厅商铺的服装和各层走廊上的垃圾桶。分析了该建筑的结构图，在各种廊道火灾中，上部廊道的焦点是距钢结构建筑场地的最小距离，火灾直接威胁着钢结构。根据NFPA92B 提供的数据，该建筑的火灾释放量为1.25mw。

4.2 钢结构构件温度分析

首先计算最不利火灾情况下烟羽到达钢结构的温度，然后判断烟羽是否高于临界温度，分析火灾对钢结构的影响。根据该公式，烟羽的平均温度为58℃，中心温度是87℃,低于200℃。

4.3 根据构件温升结果采取最佳防火措施

根据计算结果，钢结构附近顶层火灾烟羽中心温度为87℃,远低于200℃钢的临界温度。因此，钢屋盖是安全的，没有额外的防火措施。

实例分析表明，在最危险的火灾场景下，如果钢构件的升温未达到临界火灾温度，其整体性能可以满足建筑要求，无须防火，钢构件不需采取额外的防火措施；但是，当计算结果超过钢结构的临界温度时，应按照性能导向的防护理念，采取经济、合理、有效的防护措施，以保护钢结构不受火灾的影响。

5.总结

总的来说，性能化防火设计在建筑设计中占有重要地位。建筑设计与消防安全是统一整体。现行消防规范在建筑总体设计中具有重要的引领作用，而性能化设计技术可以突破传统消防法的界限，使建筑师更具创造性，追求建筑设计与消防功能的统一。