遵义市公安消防支队
摘要：随着社会经济的快速发展，城市人口的持续增多，土地资源也在随着人口的增加而变得紧张，因此在城市的建筑当中逐步向高空发展的趋势，出现了很多高层建筑。在高层建筑当中，钢结构是被应用相当广泛的，在很多城市的标志性建筑当中都运用到了钢结构，比如埃菲尔铁塔、美国世贸大楼、纽约帝国大厦以及上海的金茂大厦等。但是钢结构有一个弱点就是耐火性能相对较差，因此，需要对建筑钢结构进行防火与性能优化的设计。本文首先对建筑钢结构的对防火工作带来的挑战进行了论述；而后对钢结构建筑实行性能化防火设计的必要性进行了分析；其次，对性能化消防设计的原理和方法进行了阐释；再次，对钢结构的耐火设计进行了分析；最后对钢结构的防火涂料在工程当中的应用进行了分析。
关键词：建筑钢结构；性能优化；防火设计
随着我国的建筑技术的不断提高和发展，在钢建筑结构当中的设计内容被逐渐完善，新的设计理念和设计形式已经被广泛应用到钢建筑结构的方方面面当中。钢建筑结构的空间是相对较大的，并且钢建筑结构的功能也变得日益增多，使得钢建筑整体具有相当明显的特点。在现代钢建筑结构当中，火灾特点也是区别于传统建筑的，因此，如何对钢建筑结构的防火性能进行优化设计已经成为了现代设计师关注的焦点。
一、钢建筑结构对防火消防工作的挑战
钢建筑结构在现代建筑的设计当中备受关注，钢建筑结构的本身具有使用功能健全、建筑材料简易、结构形式多样、空间大小多样化以及配套设施完善等各方面的优点，同时，也在消防火灾方面带来了极其不利的影响，钢结构的防火消防安全问题是不容回避的。
1、钢结构在火灾下的性能
钢结构本身是不耐高温的，在一定的时间限制之下，钢结构的耐火极限为0.25小时，也就是在钢结构本身的温度达到临界温度的时候，钢架结构本身的支撑强度就会在很大程度上有所降低，伴随着钢结构的温度增高，钢结构本身的机械性能也会随之下降，比如屈服点、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。与此同时，钢架结构是由单一的材料组成的，其中的导热系数是相对较大的，是混凝土结构的40倍，加上高温的作用，热量会迅速的传导内部，并且逐步升温，因此钢架结构的强度和弹性模量与温度之间就形成了反比的关系，随着温度的升高而降低。
2、火灾蔓延迅速
在钢结构的建筑整体当中，具有跨度大和空间大的特点，并且在很多的钢结构当中是没有明显的防火隔离措施的，门窗相对较多，内部的空气流通也很顺畅，因此一旦起火，对于火灾的荷载量是相当大，伴随而来的是热辐射的增强、烟雾的增多等现象。与此同时，在产生的强大的热气流的影响下，火灾蔓延的速度会非常快，并且向垂直方向和水平方向进行迅速蔓延，从而造成大面积的火灾。
3、整体连接性较强，容易造成变形倒塌
钢结构是一种承重构件，因此在火灾的状态下，在遇到高温的时候就会产生膨胀的现象，强度也会随之降低，预冷则会发生急剧收缩的现象。在此种情况下，钢结构本身的脆弱性就会在很大程度上增强，在支撑力方面逐渐遭到破坏。钢结构本身的整体连接性也是相对较强的，如果在局部发生破坏的时候，就会导致钢结构的整体出现坍塌和毁灭的现象。
二、钢结构建筑实行性能化防火设计的必要性
1、钢结构防火设计方法的缺陷
在现阶段国内外的钢结构建筑物当中，对于耐火部分的设计采用的方式都是根据建筑物的等级来对建筑物的耐火等级进行相关确定的，之后根据相关的耐火等级对结构构件的耐火极限进行相关设计。结构的设计者需要根据确定的极限状态，来对结构在火灾下的耐火时间进行精确计算。在钢结构的耐火性能方面，结构本身的耐火时间是在ISO834升温曲线的基础上进行确定的，在真实火灾的现场，火灾和火灾本身的荷载密度、通风条件以及建筑形式等各方面的外界因素是有很大的关系的，曲线并不能对火灾的真实情况进行准确的反映。在传统的钢结构当中，耐火方面的设计属于一种格式化的设计方式，因此在特定的情况和环境之下，就要对结构的抗火设计进行明确的规定，使得设计人员陷入了被动的局面当中。与此同时，结构的耐火极限是要在发生真实火灾的情况下对结构的危险性、建筑的重要性和结构构件的重要性进行充分考虑的，对于人员安全逃生以及结构性能方面，是没有进行充分考虑的。
2、实行性能化规范的防火设计优势
对钢结构的建筑在性能化设计方面，最主要的要求是“更好、更安全以及更经济”，因此，在对钢结构的建筑性能化的设计方面是降低复杂的，建筑成本也相对较高。在设计方案上，需要对建筑本身的规范进行严格的要求。随着性能化设计方案的引进，已经逐渐放宽了对设计方案的要求，因此，就在很大程度上降低了成本，增强了建筑方案的自由度，并且在很大程度上从设计方案当中能充分体现出节约成本的理念。
三、建筑钢结构性能化设计理念
1、首先基于试验的钢结构防火设计
在此种设计理念当中，主要是以建筑钢结构当中的梁和柱为核心来进行实施的。在基于试验的钢结构防火设计当中，设计人员需要对钢结构在不同荷载力之下以及标准升温之下的耐火效果进行充分分析和实验研究，并且对钢结构的耐火时间进行观察并进行记录。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。在实验房中，需要对钢结构的防火效果和防火质量进行充分的分析，从而确保从整体上提升钢建筑结构的安全质量。在建筑钢结构方面的安全质量问题，已经成为了当前建筑施工过程中的焦点。
2、基于计算的构件防火设计
基于计算的构件防火设计，即为通过对经典进行分析，从而对构件的防火效果进行建模分析，比如有限元分析法，在此种方法当中，可以将任意荷载形式以及端部约束状态来作为防火分析的基础进行研究分析，在此种内容形式上需要对钢结构的防火在做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。在此种设计方法当中，是根据建筑物本身的实际情况，以及钢建筑的承载力极限的情况，来对构件的防火设施设备进行科学合理的选取施工，以此来完成基础防火的内容方面布置。
3、基于火灾随机性的结构防火设计
火灾随机性，也就是发生火灾的概率。在这种方法下的设计，可以在很大程度上对建筑钢结构的质量和效果产生相当大的影响。概率的可靠度主要依靠数学概率的分析原理，因此对建筑钢结构的防火性能可以进行相关控制。在此种方法当中，需要对影响钢建筑本身的影响因素以及防火意识概率进行相关分析。此外还要将火灾因素和气温在火灾当中随机概率进行有机把握和控制，最终确保从各个方面来提升建筑钢结构的可靠性能。
四、钢结构耐火设计
1、建筑结构的耐火极限
在建筑结构的构件耐火极限，即为建筑结构当中内部构件按照国际化的标准升温曲线来进行耐火实验，一直到构件失去稳定性以及完整性。在我国现阶段的耐火极限的划分当中，一般都是以建筑楼板的耐火极限来限定的，分别为1.5h，二级为1.0h，三级为0.5h，四级为0.25h。
2、钢材料的耐火性能
在钢材料的内部，具有晶体组织，晶体组织对于温度的变化时相当敏感的，外界温度的升高或者降低都会使得钢材的性能发生一定程度的变化，随着温度的不断升高，钢材料的强度会不断降低，产生的变形也会不断增大。钢材料虽然本身是非燃烧材料，值得注意的是钢材料的导热系数相对较大，比热容相对较小，从而导致了钢材料的不耐火的特性。在发生火灾的时候，钢材料的强度会随着温度的不断上升而不断下降。根据钢材料构件的耐火实验可以得到构件的耐火极限为在上述公式房中，t为钢材料的耐火极限，TS为钢构件的温度，F/V为构件的截面系数，等于单位长度的构件受火面积和其他面积的比值。
通过计算可以得出，在常用的钢结构的构件当中，耐火极限只有15分钟到30分钟之间。在20世纪的90年代的时候，我国对裸露在外的T36b和I40b钢材料的耐火极限进行了验证，最后得出了耐火极限分别为15分钟和16分钟。因此裸露的钢侯建和结构是远远不能满足耐火极限的要求的，需要对其进行可靠的结构抗火设计，利用对构件进行覆盖防火保护层来进行实现。
3、火灾之下的钢构件的升温计算模型
钢构件在不同的防火保护层之下的升温模型计算是不同的，如图1所示
首先对于没有保护层的截面温度均匀分布的钢构件，在一段时间内钢材料的升温计算公式为，在公式当中，CS为钢材料的比热，为钢材料的密度，为火灾时刻的温度，K为综合的传导系数，F/V为构件的截面系数，等于单位长度的构件受火面积和其他面积的比值。通过上述公式可以得出，钢构件的温度随着时间的变化而产生变化，因此可以根据临界温度，来对构件当中的耐火极限时间进行计算，也可以根据耐火极限的要求来对保护层的材料厚度以及其他参数进行充分设计，以此来满足耐火极限的要求。
其次对于有轻质的保护层的截面温度均匀分布的钢构件来说，在一定时间内的钢材料的升温计算公式为，在公式当中，CS为钢材料的比热，为钢材料的密度，为火灾时刻的温度，d为保护层的厚度，F/V为构件的截面系数，等于单位长度的构件受火面积和其他面积的比值。
4、钢结构的防火保护措施
首先是水冷却法，在某座大厦的钢结构当中，在空心截面的钢柱内进行注水，并且和顶部的水箱进行相连接，从而形成了一个封闭的冷却系统。如果在一旦发生火灾的情况下，钢柱内部的水就会急剧升温，被加热的水就会上升，二水箱上部的冷水就会往下流，形成一个循环系统，在此种情况下就会将火灾所产生的热量带走，以此来保证钢柱不会因为升温过高而失去本来的承载能力。采用此种方式可以充分利用现有的水箱设备来进行施工，在材料和空间方面得到了很大程度的节约，充分实现了社会的可持续发展。值得注意的是需要在水中加入防锈外加剂，以此来防止钢结构的生锈，并且冬天如果温度过低的话，还要进行防冻剂来对钢材料进行保护。如图2所示
其次是单面屏蔽法，即为在钢构件的迎火面来进行阻火屏障的设置，以此来把火焰和构件进行阻隔。具体方法是可以在钢梁下面进行防火平顶的吊装，以及在钢外柱的内侧进行一定宽度防火板的设置，如图3所示。在此种情况下的施工速度是相对较快的，但是在使用期间需要进行相关可靠的维护管理。
再次，可以使用现浇混凝土或者砌筑耐火砖的方式来进行防火，从而使得钢构件得到了完全的封闭。此种方式具有强度高和耐冲击的特点。值得注意的是此种方式下所占用的空间是相对较大的，并且重量也比较大，如果利用C20混凝土来对钢柱进行保护的话，厚度需要保持在5到10cm之间。与此同时在施工的便捷程度方面也是相对麻烦的，尤其是在钢梁的施工方面。
五、钢结构的防火涂料在工程当中的应用
在钢结构的防火措施方面，对钢结构进行防火涂料的涂抹是相当广泛的一种方式。
1、钢结构防火涂料的分类
在钢结构的防火涂料方面，可以分为厚涂型钢结构防火涂料、薄涂型钢结构防火涂料以及超薄型钢结构防火涂料三种类型。厚涂型钢结构防火涂料，即为厚度在8到50mm之间的涂料，在火灾当中不会出现膨胀的现象，并且材料不会出现燃烧的现象，此类型的防火涂料需要利用合适的粘结剂配合无机轻质材料来进行使用。此种材料不仅具有优良的水溶性能，成本也是相对低廉的。薄涂型钢结构防火涂料涂抹的厚度在3到7mm之间，此类型的涂料在遇到火灾的时候可以迅速膨胀，所形成的耐火隔热层会延缓钢结构当中的升温幅度，从而保护钢结构。超薄型钢结构防火涂料，即为涂抹厚度不超过3mm的防火涂料，可以在火灾的时候膨胀，从而形成良好的防火隔热层，具有黏度更好、涂层更薄、施工方便以及装饰性良好的优点。不仅可以满足建筑物防火的需求，也可以在很大程度上提升建筑物的装饰性能。
2、钢结构防火涂料的选择
在钢结构防火涂料的选择方面，需要根据建筑物的实际情况来进行相关选取，一般情况下，都是需要根据建筑物的耐火等级和构件耐火时间来进行相关选择的。薄涂型防火涂料是适合优先选择的，对于防火涂料的涂层厚度方面，需要和实验当中的数据来进行综合考量。如果构件的截面尺寸或者形状和实验的时候标准构件不一致的时候，就应该对建筑物的防火涂层的厚度进行重新推算。
3、钢结构防火涂料的施工
在钢结构的防火涂料出产的时候，都需要对产品进行检验，确保其产品的质量符合国家的相关规定。施工时候的防火涂料应该在室内装修之前进行涂抹，以确保不损坏建筑物的后继工程，在进行施工的时候，需要对其他部位进行保护和遮盖。并且在涂层进行固化之前，温度要保持在5到38℃之间，相对湿度不应该大于90%。在进行施工之前，要确保钢结构表面的清洁程度，并且在施工验收的时候，要对涂层的厚度、颜色以及外观进行充分检测，确保其符合国家的相关规定，无漏涂、无明显裂缝、空鼓现象、平均厚度保持在设计值以上且厚度不小于设计值的85%。
结语：综上所述，在钢建筑结构的主题进行设计的时候，首先需要对钢建筑结构的材料进行相关分析，在钢建筑结构的防火性能方面进行最大程度的系统优化，以此来确保形成良好的预防以及控制体系。与此同时，设计人员在进行相关设计的时候还需要对防火设计工程的各方面材料进行相关分析，对防火的现场、防火的模型以及概率进行深入剖析研究，从而从根本上提升我国钢建筑结构的安全性能，保障人民的生命财产安全。
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