大跨度鋼結構建筑防火設計研究
時間:2022-08-02 09:43:36
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【摘要】鋼材具有良好的抗震性能,是當前建筑行業不可替代的重要原材料,但是鋼結構建筑在不斷發展的過程中,人們發現其防火性很差,存在較大的安全隱患。本文主要對大跨度鋼結構建筑防火設計進行了分析。
【關鍵詞】大跨度鋼結構建筑;防火設計
1.大跨度鋼結構建筑防火設計的重要性
1.1鋼結構建筑的性質
從物理的角度上看,鋼結構建筑中的原材料鋼本身具有一定的耐熱性,不具有易燃的性質,從理論上來講它本可以成為一種理想的防火材料,想要改變鋼材料的形態,除非火溫在短時間內達到500℃,才有可能改變鋼材的形態,顯然常態下的意外失火是不可能短時間內造成這樣的溫度,這樣一來火勢是可以人為撲滅的[1]。但是這只是理論基礎,鋼結構建筑實際應用時的結果卻不是這樣。由于現實生活中鋼結構建筑大多是以廠房、體育館、大庫房等大框架結構建筑為主,這些建筑的內部空間較大,基礎設備較多,通風性較好,因此當某個地方起火時,良好的通風性為火勢的蔓延提供了條件,此外由于內部設施眾多,給消防員滅火工作造成了很大的影響,實際情況下大跨度鋼結構建筑一旦起火就很難撲滅,有關設計人員應該重視這一點,尤其是鋼結構建筑設計師,必須設計相應的防火措施。
1.2大跨度鋼結構建筑耐火性較差
鋼材在建筑學中應用廣泛,它是由鋼錠、鋼坯通過外力干擾擠壓形成的,具有良好的抗震性、優質的抗彎性、超強的硬性等性質,成為大型建筑框架構造必不可少的組成部分。除此之外,部分鋼材還具有良好的延展性,這解決了建筑設計中材料不能彎曲的問題,為很多美學建筑提供了便利。因此鋼材在建筑行業中的地位優勢顯著,深受設計師的青睞。但是鋼結構建筑有一個致命弱點,即防火性非常差,它的機械性能,如屈服點、抗拉及彈性模量等,均會因溫度的升高而急劇下降。鋼結構在溫度達到350℃、500℃、600℃時,其強度分別為1/3、1/2、2/3。不僅如此,高溫的環境下,鋼材的形態會發生巨大的改變,結構承重能力急劇下降,理論上來講,鋼材形變的溫度在300℃左右,但是大火蔓延后內部的溫度高達1000℃,因此這種環境下鋼材完全不具備防火性,短時間內整體的鋼材結構會瞬間形變,沒有了結構框架的建筑會瞬間坍塌,造成人員傷亡[2]。目前世界上有很多鋼結構建筑失火造成人員傷亡的案例,2009年紐約發生了駭人聽聞的“9·11事件”,四架民航飛機遭到恐怖分子的挾持撞向世界貿易大廈瞬間爆炸,造成了很大的火勢,高溫下世貿大廈的內部鋼結構瞬間變形,僅僅片刻這棟世界高樓就此坍塌,由于缺少防火設計,導致很多消防隊員在沒有準備的情況下就被永遠地掩埋在這片廢墟之下,因此鋼結構建筑的防火性能很差,設計師必須有針對性地進行防火措施設計。
2.大跨度鋼結構建筑防火設計中存在的問題
2.1防火設計實際應用缺失
目前,大跨度鋼結構建筑防火設計中存在著很多的問題,其中一個就是防火設計不符合實際要求,設計人員空有紙上談兵的能力,而忽視了防火設計的實際應用。有些設計人員對相關防火知識掌握不牢固,缺乏實際操作經驗,導致設計出來的防火措施無法應用到實際生活中去。例如多數的高層會設置電梯、排氣道等貫穿整個樓層的設備,部分設計師在進行設計時忽略了防火分隔措施,或對防火分隔措施的處理不到位,導致火災發生時,貫穿樓層的設備形成一個天然的阻火坑道,幫助火勢更快地蔓延,進而導致火勢失控,甚至造成更大的人員傷亡。
2.2防火設計較差
在建筑行業中,有的企業對原材料偷工減料,有時似乎成為建筑行業的一種常態,這種行為的目的僅僅是節約成本,牟取利益。很多建筑團隊在進行材料選購的過程中,挑選的材料嚴重不符合國家規定的標準,劣質的鋼材耐火性極差,一般在300℃左右便會產生形變,這種劣質鋼材構成建筑安全極大隱患,對居民的生活造成了巨大的影響,國家應該加強監管力度,嚴懲建筑中偷工減料的行為[3]。
2.3內部主體結構防火性能設計較低目前,我國對鋼材使用的防火性能還沒有一個合理的標準,沒有國家標準規范,缺乏經驗的建筑部門在進行材料選購時會出現很大的偏差,不僅如此,科技進步的今天,越來越多的新型材料不斷進入市場,標準制定的難度進一步加強,加之一些新型材料存在一些問題,得不到及時發現,建筑設計師將其應用到鋼結構建筑中去,往往會產生一些新的隱患[4]。數據分析顯示,部分新型鋼材的耐火性在火溫達到40℃時就有可能發生改變,這是一種非??膳碌母拍?,一旦失火,人員傷亡在所難免。
3.大跨度鋼結構建筑防火設計措施
3.1優化建筑的防火設計
針對大跨度鋼結構建筑防火性差的問題,設計人員應該優化建筑的防火設計,以此保障鋼結構建筑的安全性。設計師在進行防火設計時應該了解不同材料的防火性能,嚴格按照國家的規定指標進行材料選取,合理地設置消防設備,確保整個建筑的出水系統能夠持續運轉。設計師在進行優化建筑防火設計時可以從以下方面著手:(1)從電氣防火著手,一般而言電氣失火是消防中難以解決的一個難題,由于電氣連接著眾多的家電設備,一旦起火便會發生一系列的連鎖反應,短時間內造成電路短路失火,設備爆炸,多處電器會成為火源,不僅如此,由于水的導電性強,這種失火還不能通過水進行撲滅,因此設計人員應該優化電氣內部結構,采取特殊的材料,將電氣運輸的管線進行加強保護,減少因電氣設備損壞而造成火災的可能性。(2)建筑師在設計時應該設置避難層,避難層的隔板由防火材料組成,可以將內部空間與外部相隔絕,一般而言,高層失火會出現一種情況,失火源上層建筑的居民無法突破失火區,只能等待救援,而火勢的蔓延往往是快速的,如果沒有避難層,這些居民很有可能等不到救援便被大火吞噬了,因此設計師應該制定相應的避難層,裝備一定的消防設備,十萬火急的情況下,避難人員可以通過這些救生裝備獲得一線生機[5]。一般比較合理的避難層設計在第15層,這個高度是經過嚴密的數據分析得到的結果,15層以下消防人員可直接展開營救。
3.2加強電氣防火設計
調查研究顯示,多數建筑失火都是電氣設備使用不當造成的,因此對于大跨度鋼結構建筑而言,防火設計最該考慮的就是消除電氣帶來的安全隱患,通過電氣防火設計從而減小失火的可能性。如何進行電氣防火設計是一個學術性非常強的問題,設計人員必須有扎實的物理基礎和實際生活經驗,例如在電梯設計中,供電方法應該與一般電氣設備不同,電梯應該采用雙回路供電,同時火線處還應該裝備電容,一旦回路上出現短路的情況,電源會迅速切斷,將安全隱患直接扼殺。不僅如此,建筑師在進行住宅設計時,還應該做好排煙系統的設計,眾所周知,很多火災人員傷亡的原因并不是被燒所致,而是因為死者吸入了大量因火災所產生的一氧化碳而被毒死,所以排風系統的建設非常重要,另外各層建筑還應該安裝相應的滅火設備,如消防栓、滅火器等等,這樣一來鋼結構建筑的防火系統就比較完善了。在大部分住宅建筑當中要做好電氣防火設計,在現有的防火系統的同時,提高鋼結構廠房電氣安全系數,避免各個線路在長時間使用當中,產生超負荷、老化等現象帶來火災,從而徹底保障住宅建筑電氣使用功能。并且規范住宅建筑中各類電氣設施,保護居民生命財產安全。
3.3運用水冷卻法
水冷卻法是鋼結構建筑防火措施中最有效的一種方法,它主要包括水淋冷卻法和充水冷卻法。所謂的水淋冷卻法就是通過在鋼架結構上安裝自動灑水系統和傳感器,當室內溫度達到傳感器標準時,灑水器便會啟動,向鋼結構上噴灑冷卻水,進而達到滅火和給鋼材降溫的效果,很大程度上可以阻止火勢的蔓延并且保持鋼架的力學結構不變[6]。充水冷卻法與水淋冷卻法不同,它利用的是水的吸熱能力,通過往空心鋼構件中加注冷卻水的方式,吸收外部火勢的熱量,通過不斷地蒸發循環延緩鋼架升溫的速度,保障鋼架力學結構不會被改變。理論上講,這是鋼結構防火保護最有效的方法。但是由于技術難度較大,加之增加了建筑物的自重,為了防銹和防止水的冰結,還需要在水中摻加阻銹劑和抗凍劑等,費用較高,國外也只有少數應用實例。
4.結束語
鋼材是目前世界上應用最廣泛的建筑材料之一,以它為框架的建筑牢固、耐用且具有美感,是新時代建筑發展的重要基石。但是鋼材高溫下會產生形變,原有的力學結構在高溫下不復存在,短時間內鋼結構建筑便會坍塌,因此建筑設計師在進行大跨度鋼結構建筑設計時,應重視防火設計,確保居民的人身安全。
參考文獻
[1]包軍.大跨度鋼結構建筑防火設計分析[J].城市建設理論研究(電子版),2011,000(017):1-3.
[2]包軍.淺析大跨度鋼結構建筑防火設計[J].四川建材,2012,038(006):162-163.
[3]褚福濤,李廣東.大跨度鋼結構建筑消防設計和后期管理初探[J].科技資訊,2008,000(027):62-62.
[4]陳堅波,潘海鋒.現代鋼結構建筑防火的設計解析[J].建筑工程技術與設計,2018,000(011):1054.
[5]吳國民.淺析鋼結構建筑的防火[C]//中國消防協會.中國消防協會,2012.
[6]洪嵩然.大跨度空間鋼結構火災反應分析[D].哈爾濱工程大學,2011.
作者:匡文杰
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