任银成
湖北天一建筑设计有限公司，湖北 武汉 430061
摘要：随着经济的发展，空间利用率将不断提高，高层建筑可以节约土地，美化城市，但高层建筑的建设也给建筑本身带来诸多消防安全隐患。钢结构由于自重轻、强度高、抗震性能好、工业化程度高等特性，在高层建筑中的运用越来越广泛。钢材虽然不会自身燃烧，但是钢材耐火性很差，所以要加强钢结构的防火设计，在设计阶段加强对钢结构构件的防火措施。应按结构耐火承载力极限状态进行耐火验算与防火设计。
关键词：高层建筑；钢结构；防火设计；措施
引言
随着科技和经济的发展，高层建筑大量涌现。大量火灾导致高层建筑发生大量悲剧，这提醒我们要加强高层建筑应对火灾的能力，减少火灾造成的危害。
1高层建筑火灾特点分析
在高层建筑中，功能复杂，起火因素多，火势蔓延途径多、速度快。管道、楼梯和电梯构成了垂直的“烟囱效应”。通过对火灾现场的测量，火灾可在30分钟内从下至上蔓延到整栋楼的30层。高层建筑由于人员众多，垂直疏散距离长，火灾中人员的恐慌等，安全疏散困难。另外高层建筑火灾扑救难度大，由于受到消防设施条件的限制，常常给扑救工作带来不少困难，部分地区现有的消防车辆装备很难满足高层建筑灭火救援任务的需要。如果高层建筑着火，由于长时间高温，钢筋混凝土和钢结构原有的强度和刚度遭到严重破坏，可能导致建筑物全部或部分倒塌。此外，由于垂直距离较长，楼层之间沟通困难，火灾可能发生在较低的楼层，而较高的楼层是无知的。
2钢结构建筑对防火消防工作的挑战
2.1钢结构在火灾下的性能
钢结构本身不耐高温。在一定期限内，钢结构的耐火极限为0.25小时。也就是说，当钢结构的温度达到临界温度时，钢框架结构本身的支撑强度将大大降低。随着钢结构温度的升高，钢结构本身的力学性能也会随之降低，如屈服点、弹性模量、抗压强度以及荷载能力等方面，从而导致钢架结构失去整体的平衡稳定性。同时，钢框架结构由单一材料组成，其中导热系数比较大，是混凝土结构的40倍。再加上高温的作用，热量会迅速传导到内部，并逐渐上升。因此，钢框架结构的强度和弹性模量与温度成反比关系，随温度的升高而降低。
2.2火灾蔓延迅速
在整个建筑的钢结构中，具有跨度大、空间大的特点，很多钢结构中没有明显的防火隔离措施。门窗比较多，内部空气流通也很顺畅。因此，一旦发生火灾，火灾的负荷相当大，伴随着热辐射增强、烟气增多等现象。同时，在强热风流的影响下，火势会迅速蔓延，并迅速向垂直和水平方向蔓延，造成大面积火灾。
3建筑钢结构性能化设计理念
3.1首先基于试验的钢结构防火设计
在这一设计理念中，主要是对建筑钢结构中的梁、柱进行实施。在基于试验的钢结构防火设计中，设计人员需要对钢结构在不同荷载和标准温升下的防火效果进行充分的分析和试验，并对钢结构的耐火时间进行观测和记录。在我国的法律当中，《建筑设计防火规范》已经对构件防火的标准进行了明确规定，并且对钢梁以及钢柱等建筑也进行了合理规范。在实验室中，要充分分析钢结构的防火效果和防火质量，确保钢结构建筑整体的安全质量。
3.2基于计算的构件防火设计
基于计算的构件防火设计是通过分析经典的有限元分析方法，对构件的防火效果进行建模和分析。在该方法中，任何荷载形式和端部约束状态均可作为防火分析的依据，在这种形式的内容中，有必要对钢结构的防火进行科学合理的控制。在我国的《钢结构防火技术规程》当中对于防火的设计进行了明确的规定，在设计方面和设计流程方面进行了详细充分的讲解。在这种设计方法中，是根据建筑本身的实际情况，以及钢结构建筑的承载力极限，对构件的防火设施和设备进行科学合理的选择和施工，从而完成基本防火的内容布局。
3.3基于火灾随机性的结构防火设计
火灾随机性是指火灾发生的概率。
这样，设计在很大程度上会对建筑钢结构的质量和效果产生相当大的影响。概率的可靠性主要取决于数学概率的分析原理，因此可以控制建筑钢结构的火灾性能。在这种方法中，我们需要分析钢结构建筑本身的影响因素和火灾意识的概率。另外，要把握和控制火灾中火灾因素和温度的随机概率，从各个方面提高建筑钢结构的可靠性。
4钢结构的抗火性能设计
钢结构防火保护措施及其构造应根据工程实际，考虑结构类型、耐火极限要求、工作环境等因素，按照安全可靠、经济合理的原则确定。根据《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017第3.2.1条，?钢结构应按结构耐火承载力极限状态进行耐火验算与防火设计，当钢结构构件的耐火极限经验算低于设计耐火极限时，设计应采取防火保护措施并提供钢结构耐火验算与防火设计的计算书。钢结构构件的设计耐火极限能否达到要求，是关系到建筑结构安全的重要指标。由于涉及钢结构构件在火灾下的承载力计算，结构专业应加强对钢结构防火设计重要性的认识。
钢结构在火灾下的破坏，本质上是由于随着火灾下钢结构温度的升高，钢材强度下降，其承载力随之下降，致使钢结构不能承受外部荷载、作用而失效破坏。因此，为保证钢结构在设计耐火极限时间内的承载安全，必须进行承载力极限状态验算。结构防火设计只需进行承载力极限状态验算，随着温度的升高，钢材的弹性模量急剧下降，在火灾下构件的变形显著大于常温受力状态，按正常使用极限状态来设计钢构件的防火保护是过于严苛的。
根据《建筑钢结构防火技术规范》，钢结构构件的耐火验算与防火设计，可采用“耐火极限法”、“承载力法”或“临界温度法”。耐火极限法是通过比较构件的实际耐火极限和设计耐火极限，来判定构件的耐火性能是否符合要求，并确定其防火保护。承载力法以承载力为指标，验算是否满足升温下的要求。临界温度法是以温度计算为核心，构件在火灾下最高温度不超过可耐受温度的临界温度。三种计算的耐火验算结果是相同的，耐火验算时只需采用其中之一即可。
5钢结构的防火措施
在高层钢结构施工过程中可以采用外包层、膨胀材料、冲水法和屏蔽等方式来加强防火功能。
5.1外包层
钢构外加外包层，浇铸就位或喷涂成型。现浇实心混凝土外层通常采用钢筋网或钢筋加固，以限制收缩裂缝，保证壳体强度。在施工现场，可在钢结构表面喷涂砂泵，形成保护层，砂泵可加入石灰水泥或石膏砂浆或珍珠岩或石棉。同时，可以通过制作珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻质混凝土的外层来制作预制板，并用胶水、钉子、螺栓将其固定在钢结构上。
5.2膨胀材料
采用钢结构防火涂料保护构件；该方法具有良好的耐火隔热性能，不受钢结构几何形状的限制，一般不需要额外的辅助设施。该涂料重量轻，装饰效果好。
5.3充水(水套)
充水是中空钢结构最有效的防火方法。本发明能使钢结构在火灾时保持低温，使水在钢结构中循环，吸收材料本身的热量。热水冷却后可以循环使用，也可以通过管道引入冷水来替代。
5.4屏蔽
通过在防火材料制成的墙壁或天花板上安装钢结构，将部件隐藏在两墙之间的缝隙中，只添加少量防火材料或不添加防火材料，可以防止火灾。这种灭火方法是最经济的。
结束语
钢材虽为非燃烧材料，但其导热性强，耐火性能，钢材的物理及机械性能对高温非常敏感，其弹性模量和强度随温度的升高而下降迅速，承载能力也随之下降。所以钢结构建筑设计中，要加强对结构的耐火验算与防火设计，科学合理的采取防火措施，确保构件的防火性能，确保建筑的安全可靠。
参考文献：
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