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摘 要 建筑防火实质是建筑结构设计达到防火抗火要求。随着我国城市化进程的加快，大量建筑尤其是高层建筑快速增多，建筑防火安全问题也日益突出。如何提高大型建筑结构的防火安全能力是摆在建筑结构设计人员面前亟待解决的问题。本文从概述建筑结构防火研究出发，介绍了一般建筑结构防火设计内容，提出了合理的结构防火设计方法，并对未来的设计方向进行的展望。
关键词 建筑结构；防火设计；耐火材料
中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)011-0190-01
在钢筋成为建筑物主要的支撑结构的今天，对建筑结构防火设计实质就是对钢结构的耐火设计，而这一直困扰着世界各国。与砌体结构和钢筋混凝土结构不同的是，钢结构本身并不是很好的耐火构件，其在不加保护的环境下耐火极限仅为10 min～20 min。2001年“9·11”事件中，世贸大楼顷刻间倒塌，让人们突然清醒地认识到钢结构的极端脆弱性。2009年2月央视大楼辅楼发生火灾，火灾迅速上窜导致整幢大楼燃烧，最终虽未发生坍塌，但大楼主体墙内部钢结构已发生扭曲变形。钢结构对整个建筑物起着至关重要的支撑作用，一旦建筑物底部发生燃烧持续时间长的强火灾，在高温炙烤下，墙体内部钢筋极可能发生扭曲变形的物理反应，随着高温的持续，钢筋会出现融化，这样建筑物底部由于无法承受上部的重量而顷刻坍塌，这也是当今许多高层建筑物在火灾面前如此脆弱的根本原因。
西方工业国家对建筑结构的防火研究始于20世纪50年代，20世纪80年代瑞典、法国、美国等相继发布了钢筋混凝土抗火设计标准。我国在钢结构耐火设计方面起步于20世纪80年达中期，虽在高温材料模型、构建和结构在高温下的反应以及火灾评估修复方面取得了较大的成果。然而近几年来，随着我国大型建筑尤其是高层建筑的迅速增多，建筑结构面临的火灾威胁也日益突出，对钢结构的抗火性能的研究随之越来越多，越来越深入。目前国内对钢结构耐火设计仅仅局限在钢梁和钢柱，尚未形成整体的，适应现代钢结构形式的设计规范，尤其是对钢筋混凝土结合和预应力钢筋混凝土结构的防火研究显然不足，应是我们下一步着力的方向。本文从概述建筑结构防火研究出发，分析了当前我国在结构防火设计上存在的问题，提出了合理的结构防火设计方法，并对未来的设计方向进行的展望。
1 建筑结构防火材料研究
1.1 高温下建筑材料热工性能研究
分析建筑结构在高温中的反应一般是以热工性能参数和力学性能参数为依据。材料学意义上的热工性能主要指的是热传导系数、比热容和热膨胀系数等，在这其中，热传导系数是基础参数，影响其传导效果的因素有骨料类型、混凝土配合比及温度、混凝土中水分含量等。试验研究证明，材料周围温度与混凝土热传导系数呈反相关关系，温度越高，混凝土传导系数越低。而混凝土的膨胀系数与材料骨密度关系密切。
1.2 建筑构件内温度场研究
“9·11”事件中世贸大楼的倒塌与建筑内部温度有着直接的关系。在建筑外墙遭遇持续的火炙烤，生成的热量以热传导的形式传递至构件面，并逐渐传导至内部的构件。一般来说，构件内部也存在着一个温度场，当传导至构件表面的温度在温度场可控范围内，建筑构件将仍处于正常状态。我们以td表示结构的耐火时间，以tm表示结构的耐火极限，Td表示结构承载力极限状态时的临界温度，Tm表示结构耐火极限时间的最高温度。一般而言，结构的耐火时间td应不小于规定的结构耐火极限tm；当处于高温情况下，应是Td≥Tm。满足前面两个条件中的任何一个，那么建筑结构防火设计就是合理的。
2 当前钢构件的耐火保护方式选择
1）隔热法。隔热法是常规方法，主要就是采用耐高温材料将构件包裹，以达到阻止温度传导的目的。当前市场上流行的耐高温材料主要有轻质耐火混凝土、钢丝网膜耐火砂浆等。
2）阻热法。阻热法工作原理就是控制火灾生成的热量向构件传导，从理论上看就是使Td≥Tm。具体做法是，考虑到火灾生成的高温一般是通过构件外围的包裹材料传导至构件，因此，在构件外围的包裹材料上进行特别处理，方向是在构件表面敷设一层导热系数小的保温材料以阻滞热量向构件的传导，从而达到保护作用。
3 建筑结构防火设计的未来研究趋势
前面提到过，我国建筑结构防火设计研究起步远落后于西方工业发达国家，虽然近几年在基础研究上取得了一些进展，国家也相继出台了诸如《建筑设计防火规范》《高层民用建筑设计防火规范》的规范标准，一些先进的设计理念也已逐渐在建筑结构耐火设计中得到应用和推广，然而我国仍还有许多的地方需要完善。如：我国目前在结构材料的热反映性能方面研究明显不足；常温结构下的设计还存在精确计算模式选择问题；针对防火材料的热参数随外界变化而应采取的相应的计算方法的研究还很薄弱，亟待突破等。以上面临的问题其实也代表着建筑结构防火设计的研究方向，概括起来包括以下几个方面。
3.1 建筑材料性能
实际上，增强材料自身的耐火抗火性能才是最终提高建筑整体防火性能的根本措施。从材料学来看，混凝土和钢材作为一种材料，在温度的干扰下其性能会发生离散，因此，必须通过对不同的材料进行试验以确定各种材料的基本性能及变化特点，也借此发现在高温下依然体现出优越性能的材料以用作建筑结构。目前的趋势是总结世界范围内各国对高温材料试验结果，利用计算机系统对各种结果建立性能数据库。
3.2 高温下建筑结构的可靠性研究
目前学界和工程界对建筑结构在高温下的可靠性研究仍有许多路要走。由于火灾本身发生突发性、火灾持续时间和峰值强度的不确定性、高温状态下结构承受的荷载大小以及离散因素都会影响到结构的耐火性能。因此，如何在火灾状态下尽快确定结构的可靠性是当前和今后一段时间研究的重点。
参考文献
[1]董芳芳.高层建筑现状分析与其火灾预防对策探讨[J].山西建筑,2011,10.
[2]S.Lamont,M. Gillie,A.S.Uomposit.Composite steel framed structures in fire with protected and unprotected edge beams[J].Journal of Constructional Steel Research,2006,10.
[3]李杰.建筑结构防火研究的现状与发展[J].山西建筑,2010,1.
[4]杨有福,韩林海.矩形钢管混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法[J].建筑結构学报,2006,2.
关键词 建筑结构；防火设计；耐火材料
中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)011-0190-01
在钢筋成为建筑物主要的支撑结构的今天，对建筑结构防火设计实质就是对钢结构的耐火设计，而这一直困扰着世界各国。与砌体结构和钢筋混凝土结构不同的是，钢结构本身并不是很好的耐火构件，其在不加保护的环境下耐火极限仅为10 min～20 min。2001年“9·11”事件中，世贸大楼顷刻间倒塌，让人们突然清醒地认识到钢结构的极端脆弱性。2009年2月央视大楼辅楼发生火灾，火灾迅速上窜导致整幢大楼燃烧，最终虽未发生坍塌，但大楼主体墙内部钢结构已发生扭曲变形。钢结构对整个建筑物起着至关重要的支撑作用，一旦建筑物底部发生燃烧持续时间长的强火灾，在高温炙烤下，墙体内部钢筋极可能发生扭曲变形的物理反应，随着高温的持续，钢筋会出现融化，这样建筑物底部由于无法承受上部的重量而顷刻坍塌，这也是当今许多高层建筑物在火灾面前如此脆弱的根本原因。
西方工业国家对建筑结构的防火研究始于20世纪50年代，20世纪80年代瑞典、法国、美国等相继发布了钢筋混凝土抗火设计标准。我国在钢结构耐火设计方面起步于20世纪80年达中期，虽在高温材料模型、构建和结构在高温下的反应以及火灾评估修复方面取得了较大的成果。然而近几年来，随着我国大型建筑尤其是高层建筑的迅速增多，建筑结构面临的火灾威胁也日益突出，对钢结构的抗火性能的研究随之越来越多，越来越深入。目前国内对钢结构耐火设计仅仅局限在钢梁和钢柱，尚未形成整体的，适应现代钢结构形式的设计规范，尤其是对钢筋混凝土结合和预应力钢筋混凝土结构的防火研究显然不足，应是我们下一步着力的方向。本文从概述建筑结构防火研究出发，分析了当前我国在结构防火设计上存在的问题，提出了合理的结构防火设计方法，并对未来的设计方向进行的展望。
1 建筑结构防火材料研究
1.1 高温下建筑材料热工性能研究
分析建筑结构在高温中的反应一般是以热工性能参数和力学性能参数为依据。材料学意义上的热工性能主要指的是热传导系数、比热容和热膨胀系数等，在这其中，热传导系数是基础参数，影响其传导效果的因素有骨料类型、混凝土配合比及温度、混凝土中水分含量等。试验研究证明，材料周围温度与混凝土热传导系数呈反相关关系，温度越高，混凝土传导系数越低。而混凝土的膨胀系数与材料骨密度关系密切。
1.2 建筑构件内温度场研究
“9·11”事件中世贸大楼的倒塌与建筑内部温度有着直接的关系。在建筑外墙遭遇持续的火炙烤，生成的热量以热传导的形式传递至构件面，并逐渐传导至内部的构件。一般来说，构件内部也存在着一个温度场，当传导至构件表面的温度在温度场可控范围内，建筑构件将仍处于正常状态。我们以td表示结构的耐火时间，以tm表示结构的耐火极限，Td表示结构承载力极限状态时的临界温度，Tm表示结构耐火极限时间的最高温度。一般而言，结构的耐火时间td应不小于规定的结构耐火极限tm；当处于高温情况下，应是Td≥Tm。满足前面两个条件中的任何一个，那么建筑结构防火设计就是合理的。
2 当前钢构件的耐火保护方式选择
1）隔热法。隔热法是常规方法，主要就是采用耐高温材料将构件包裹，以达到阻止温度传导的目的。当前市场上流行的耐高温材料主要有轻质耐火混凝土、钢丝网膜耐火砂浆等。
2）阻热法。阻热法工作原理就是控制火灾生成的热量向构件传导，从理论上看就是使Td≥Tm。具体做法是，考虑到火灾生成的高温一般是通过构件外围的包裹材料传导至构件，因此，在构件外围的包裹材料上进行特别处理，方向是在构件表面敷设一层导热系数小的保温材料以阻滞热量向构件的传导，从而达到保护作用。
3 建筑结构防火设计的未来研究趋势
前面提到过，我国建筑结构防火设计研究起步远落后于西方工业发达国家，虽然近几年在基础研究上取得了一些进展，国家也相继出台了诸如《建筑设计防火规范》《高层民用建筑设计防火规范》的规范标准，一些先进的设计理念也已逐渐在建筑结构耐火设计中得到应用和推广，然而我国仍还有许多的地方需要完善。如：我国目前在结构材料的热反映性能方面研究明显不足；常温结构下的设计还存在精确计算模式选择问题；针对防火材料的热参数随外界变化而应采取的相应的计算方法的研究还很薄弱，亟待突破等。以上面临的问题其实也代表着建筑结构防火设计的研究方向，概括起来包括以下几个方面。
3.1 建筑材料性能
实际上，增强材料自身的耐火抗火性能才是最终提高建筑整体防火性能的根本措施。从材料学来看，混凝土和钢材作为一种材料，在温度的干扰下其性能会发生离散，因此，必须通过对不同的材料进行试验以确定各种材料的基本性能及变化特点，也借此发现在高温下依然体现出优越性能的材料以用作建筑结构。目前的趋势是总结世界范围内各国对高温材料试验结果，利用计算机系统对各种结果建立性能数据库。
3.2 高温下建筑结构的可靠性研究
目前学界和工程界对建筑结构在高温下的可靠性研究仍有许多路要走。由于火灾本身发生突发性、火灾持续时间和峰值强度的不确定性、高温状态下结构承受的荷载大小以及离散因素都会影响到结构的耐火性能。因此，如何在火灾状态下尽快确定结构的可靠性是当前和今后一段时间研究的重点。
参考文献
[1]董芳芳.高层建筑现状分析与其火灾预防对策探讨[J].山西建筑,2011,10.
[2]S.Lamont,M. Gillie,A.S.Uomposit.Composite steel framed structures in fire with protected and unprotected edge beams[J].Journal of Constructional Steel Research,2006,10.
[3]李杰.建筑结构防火研究的现状与发展[J].山西建筑,2010,1.
[4]杨有福,韩林海.矩形钢管混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法[J].建筑結构学报,2006,2.