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【摘 要】性能化防火设计是综合运用消防安全工程学方法与原理，并从建筑物具体情况出发，对其进行评估，从而得出的最优化防火设计方案。近年来，钢结构抗火性能化设计在国内外各类新型建筑物中得到了越来越多的应用，并成为了当前消防技术领域最前沿和最具影响力的高新技术。本文从钢结构抗火性能化设计的意义出发，并着重就其设计相关内容进行了分析与探讨。
【关键词】钢结构；抗火性能化；设计；分析
在建筑工程中，钢结构性能对工程整体质量具有重要的影响。因火灾或高温对钢结构材料的性能尤其是力学性能影响较大，例如结构钢的弹性模量和屈服强度会随着温度的上升而下降，当火灾发生时建筑内部温度通常会达到800～1200℃，将导致普通结构的钢材失去大部分刚度和强度。据国内外相关数据表明，火灾所引起的结构失效造成的间接损失大约为火灾直接损失的3倍左右。利用性能化的钢结构抗火设计，能针对实际情况对火灾危害进行定量、定性的评估与预测，得到最佳的防护保护和防护设计方案。因此加强对钢结构抗火性能化设计的相关分析与研究，具有重要的现实意义。
一、钢结构抗火性能化设计的意义
进行钢结构抗火性能化设计主要有以下几方面意义：减少钢结构在火灾或高温环境中的破坏，避免因结构整体或局部的坍塌所造成的人员伤亡；降低火灾后建筑结构的修复费用，同时缩短灾后结构功能的恢复周期，降低间接经济损失；通过对钢结构抗火性能中的热力耦合作用的分析，揭示了钢结构在温度变化下的破坏的机理，显示了钢结构的基本力学行为；为提高钢结构的安全性能，以及在性能化设计中节省材料都提供了科学依据。
二、传统钢结构抗火设计的缺陷
钢结构的耐火极限是指构件在标准耐火试验中，从受到火的作用时起，直到失去完整性或稳定性为止，这段所起到抵抗火作用的时间。耐火极限不仅是进行建筑物防火构造设计与制定灾后修复方案的科学依据，同样也是划分建筑物耐火等级的基础数据。
传统钢结构的耐火极限主要通过实验确定。当进行建筑结构防火设计时，对于钢结构构件主要通过实验数据的对比得出。但由于建筑物千变万化，而建筑抗火设计在要求本质上也各不相同，因此传统的抗火性能化设计科学性并不强，许多结构工程师对于结构抗火的性能化设计观念也比较淡薄。其缺陷具体体现在以下几点：
（1）在规定的结构耐火极限需求方面没有直接反映出结构抗火设计，以保证人的生命安全为最重要的目标，而是根据火灾的危险性和建筑的重要性，对不同建筑中不同结构够的耐火极限要求进行统一规定，造成不必要的浪费或者无法满足人员逃生的需求。
（2）在结构构件耐火能力的确定方面，没有充分考虑火灾升温以及结构整体作用对构件耐火能力的影响。在实际中，建筑真实火灾升温与标准火灾升温存在着差别，从下图1即可看出，标准火灾曲线不能完全替代真实火灾发生的情况。同时结构构件因周边其余构件的约束，其耐火能力往往与无约束的构件存在较大的差别。
（3）在结构抗火设计要求方面，往往无法兼顾业主的要求。在结构抗火性能化设计中，对业主提出的结构完整度的要求，也应进行接受。
正是由于传统钢结构抗火性能化设计中的缺陷，结构抗火设计正逐渐从基于实验的传统方法，转变为基于性能的现代设计方法。
三、基于性能的钢结构抗火设计分析
基于性能的钢结构抗火设计并不会明确规定某项解决方案，而是对达到要求的方案或设计目标进行确定。在下图2中即表达了该设计方法的一般层次化结构，主要包括了设计的总体目标、功能目标、性能要求以及各种解决方案与方法。该设计方法可有效客服传统结构抗火设计方法中的不足。
1、总体目标
钢结构抗火性能化的总体目标为：不会因结构破坏导致建筑火灾受到更大损失；不会因结构破坏影响人员逃生和消防灭火。
2、功能目标
钢结构抗火性能化的功能目标为：（1）建筑某些部位的结构构件或者子构件以及结构整体在灾后一定时间内不能出现坍塌现象，以确保人员的逃生时间和消防人员的灭火时间；（2）建筑某些部位的结构构件或者结构整体在灾后不能发生倒塌和继续使用的变形，以保证灾后建筑结构的迅速恢复，起到降低火灾间接经济损失的目的。
3、性能要求
钢结构抗火性能化的要求分别与功能目标相对应，即：（1）性能要求建筑结构构件或者子构件以及结构整体在灾后一定时间范围内，能具备足够的承载力，其对应时间分别为t1、t2和t3；（2）性能要求建筑结构构件或者结构整体在灾后产生的残余变形不能超过一定的限值，根据钢结构设计的适用性要求，对残余变形的限值建议为柱h/300、主梁L/400、次梁L/250，其中h为柱的高度，L为梁的跨度。
4、性能要求的实现
性能要求（1）中对结构构件和子构件的要求，主要目的是保证建筑物内人员有足够的逃生时间。假设火灾发生时建筑物内人员逃离某一区域所需时间为T1，则该区域内所有构件和子结构的耐火极限时间则均应大于或等于T1，即：
t1，t2≥T1
而性能要求（1）中对构件整体的要求，其目的除需保证足够的逃生时间以外，还应保证有足够时间使消防人员到达现场灭火。假设建筑物内全部人员逃生所需时间为T2，消防人员到达现场且控制住火势所需时间为T3，则应满足：
t3≥max（T2，T3）
性能要求（2）也是经济最优化要求，假设建筑结构的防火成为为P，结构受到或者破坏后修复所需成本为R，结构受火灾破坏所造成的间接经济损失为L，则实现性能要求（2）需满足：
（2）=min（P+R+L）
分析可得，修复成本R和结构防火成本P相关联，随着结构防火成本P的增加，修复成本R会降低，如P减少，则R会增加，因此修复成本R与结构防火成本是一种呈反比的关系。同时由于提高结构防火成本P会降低结构的破坏程度，所以L与P也成反比。可通过下图3表达。
与结构防火成本P之间的关系图
归纳总结，钢结构防火设计的定性要求主要有以下几点：对火荷载密度偏大的建筑，应适当提高钢结构抗火设计要求；对容易失火以及火源多的建筑，钢结构抗火设计要求也应相应提高；对设置有喷淋装置以及消防措施严密的建筑，可适当降低钢结构抗火设计要求；对于受到破坏后造成间接经济损失大以及功能重要的建筑，应提高钢结构的抗火设计要求。
5、在设计中需要解决的理论问题
钢结构抗火性能化设计的过程中，还需要解决以下几个方面的理论问题：各种消防接警、出动、到达和灭火的模型；各种不同功能建筑中人员逃生的模型；各种情况下建筑火灾成型概率的模型；当发生火灾后，综合考虑建筑布置、火灾载荷、消防灭火、喷淋装置等影响；钢结构构件在火灾和高温下的极限承载力以及弹塑性变形的分析。
四、总结
钢结构抗火性能化设计方法在当前国内外各类新型建筑中，得到了越来越广泛的应用，并成为了当前消防技术领域中最前沿和最具影响力的高新技术。可以说，性能化防火设计是建筑防火设计发展的必然趋势。目前我国的钢结构抗火性能化设计仍处于初始研究阶段，这就需要技术人员持续参与和不断的努力突破，使我国建筑结构能得到最佳的防火设计方案和最好的防火保护。
参考文献：
[1] 秦彬涛.基于钢结构的抗火设计方法[J].建筑知识，2012（7）.
[2] 李金哲，刘晓鹏.钢结构抗火研究现状与发展趋势[J].四川建材，2010（2）.
[3] 李国强，李兆治.钢结构性能化抗火设计的初步设想[J].消防科学与技术，2004（1）.
[4] 李国强，蒋首超，林桂祥.钢结构抗火计算与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.
【关键词】钢结构；抗火性能化；设计；分析
在建筑工程中，钢结构性能对工程整体质量具有重要的影响。因火灾或高温对钢结构材料的性能尤其是力学性能影响较大，例如结构钢的弹性模量和屈服强度会随着温度的上升而下降，当火灾发生时建筑内部温度通常会达到800～1200℃，将导致普通结构的钢材失去大部分刚度和强度。据国内外相关数据表明，火灾所引起的结构失效造成的间接损失大约为火灾直接损失的3倍左右。利用性能化的钢结构抗火设计，能针对实际情况对火灾危害进行定量、定性的评估与预测，得到最佳的防护保护和防护设计方案。因此加强对钢结构抗火性能化设计的相关分析与研究，具有重要的现实意义。
一、钢结构抗火性能化设计的意义
进行钢结构抗火性能化设计主要有以下几方面意义：减少钢结构在火灾或高温环境中的破坏，避免因结构整体或局部的坍塌所造成的人员伤亡；降低火灾后建筑结构的修复费用，同时缩短灾后结构功能的恢复周期，降低间接经济损失；通过对钢结构抗火性能中的热力耦合作用的分析，揭示了钢结构在温度变化下的破坏的机理，显示了钢结构的基本力学行为；为提高钢结构的安全性能，以及在性能化设计中节省材料都提供了科学依据。
二、传统钢结构抗火设计的缺陷
钢结构的耐火极限是指构件在标准耐火试验中，从受到火的作用时起，直到失去完整性或稳定性为止，这段所起到抵抗火作用的时间。耐火极限不仅是进行建筑物防火构造设计与制定灾后修复方案的科学依据，同样也是划分建筑物耐火等级的基础数据。
传统钢结构的耐火极限主要通过实验确定。当进行建筑结构防火设计时，对于钢结构构件主要通过实验数据的对比得出。但由于建筑物千变万化，而建筑抗火设计在要求本质上也各不相同，因此传统的抗火性能化设计科学性并不强，许多结构工程师对于结构抗火的性能化设计观念也比较淡薄。其缺陷具体体现在以下几点：
（1）在规定的结构耐火极限需求方面没有直接反映出结构抗火设计，以保证人的生命安全为最重要的目标，而是根据火灾的危险性和建筑的重要性，对不同建筑中不同结构够的耐火极限要求进行统一规定，造成不必要的浪费或者无法满足人员逃生的需求。
（2）在结构构件耐火能力的确定方面，没有充分考虑火灾升温以及结构整体作用对构件耐火能力的影响。在实际中，建筑真实火灾升温与标准火灾升温存在着差别，从下图1即可看出，标准火灾曲线不能完全替代真实火灾发生的情况。同时结构构件因周边其余构件的约束，其耐火能力往往与无约束的构件存在较大的差别。
（3）在结构抗火设计要求方面，往往无法兼顾业主的要求。在结构抗火性能化设计中，对业主提出的结构完整度的要求，也应进行接受。
正是由于传统钢结构抗火性能化设计中的缺陷，结构抗火设计正逐渐从基于实验的传统方法，转变为基于性能的现代设计方法。
三、基于性能的钢结构抗火设计分析
基于性能的钢结构抗火设计并不会明确规定某项解决方案，而是对达到要求的方案或设计目标进行确定。在下图2中即表达了该设计方法的一般层次化结构，主要包括了设计的总体目标、功能目标、性能要求以及各种解决方案与方法。该设计方法可有效客服传统结构抗火设计方法中的不足。
1、总体目标
钢结构抗火性能化的总体目标为：不会因结构破坏导致建筑火灾受到更大损失；不会因结构破坏影响人员逃生和消防灭火。
2、功能目标
钢结构抗火性能化的功能目标为：（1）建筑某些部位的结构构件或者子构件以及结构整体在灾后一定时间内不能出现坍塌现象，以确保人员的逃生时间和消防人员的灭火时间；（2）建筑某些部位的结构构件或者结构整体在灾后不能发生倒塌和继续使用的变形，以保证灾后建筑结构的迅速恢复，起到降低火灾间接经济损失的目的。
3、性能要求
钢结构抗火性能化的要求分别与功能目标相对应，即：（1）性能要求建筑结构构件或者子构件以及结构整体在灾后一定时间范围内，能具备足够的承载力，其对应时间分别为t1、t2和t3；（2）性能要求建筑结构构件或者结构整体在灾后产生的残余变形不能超过一定的限值，根据钢结构设计的适用性要求，对残余变形的限值建议为柱h/300、主梁L/400、次梁L/250，其中h为柱的高度，L为梁的跨度。
4、性能要求的实现
性能要求（1）中对结构构件和子构件的要求，主要目的是保证建筑物内人员有足够的逃生时间。假设火灾发生时建筑物内人员逃离某一区域所需时间为T1，则该区域内所有构件和子结构的耐火极限时间则均应大于或等于T1，即：
t1，t2≥T1
而性能要求（1）中对构件整体的要求，其目的除需保证足够的逃生时间以外，还应保证有足够时间使消防人员到达现场灭火。假设建筑物内全部人员逃生所需时间为T2，消防人员到达现场且控制住火势所需时间为T3，则应满足：
t3≥max（T2，T3）
性能要求（2）也是经济最优化要求，假设建筑结构的防火成为为P，结构受到或者破坏后修复所需成本为R，结构受火灾破坏所造成的间接经济损失为L，则实现性能要求（2）需满足：
（2）=min（P+R+L）
分析可得，修复成本R和结构防火成本P相关联，随着结构防火成本P的增加，修复成本R会降低，如P减少，则R会增加，因此修复成本R与结构防火成本是一种呈反比的关系。同时由于提高结构防火成本P会降低结构的破坏程度，所以L与P也成反比。可通过下图3表达。
与结构防火成本P之间的关系图
归纳总结，钢结构防火设计的定性要求主要有以下几点：对火荷载密度偏大的建筑，应适当提高钢结构抗火设计要求；对容易失火以及火源多的建筑，钢结构抗火设计要求也应相应提高；对设置有喷淋装置以及消防措施严密的建筑，可适当降低钢结构抗火设计要求；对于受到破坏后造成间接经济损失大以及功能重要的建筑，应提高钢结构的抗火设计要求。
5、在设计中需要解决的理论问题
钢结构抗火性能化设计的过程中，还需要解决以下几个方面的理论问题：各种消防接警、出动、到达和灭火的模型；各种不同功能建筑中人员逃生的模型；各种情况下建筑火灾成型概率的模型；当发生火灾后，综合考虑建筑布置、火灾载荷、消防灭火、喷淋装置等影响；钢结构构件在火灾和高温下的极限承载力以及弹塑性变形的分析。
四、总结
钢结构抗火性能化设计方法在当前国内外各类新型建筑中，得到了越来越广泛的应用，并成为了当前消防技术领域中最前沿和最具影响力的高新技术。可以说，性能化防火设计是建筑防火设计发展的必然趋势。目前我国的钢结构抗火性能化设计仍处于初始研究阶段，这就需要技术人员持续参与和不断的努力突破，使我国建筑结构能得到最佳的防火设计方案和最好的防火保护。
参考文献：
[1] 秦彬涛.基于钢结构的抗火设计方法[J].建筑知识，2012（7）.
[2] 李金哲，刘晓鹏.钢结构抗火研究现状与发展趋势[J].四川建材，2010（2）.
[3] 李国强，李兆治.钢结构性能化抗火设计的初步设想[J].消防科学与技术，2004（1）.
[4] 李国强，蒋首超，林桂祥.钢结构抗火计算与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.