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国外木结构建筑的消防设计

作者: 更新时间:2021/1/21 16:19:43

由于木材丰富,可再生、低能耗、环保等优点,木质建筑材料在加拿大的许多建筑中得到广泛应用,尤其是在住宅建筑和低层商业建筑中。在加拿大,木结构分为轻型木结构和重型木结构,相应的木结构防火设计也分为轻型木结构和重型木结构。建筑物耐火等级的分类不仅仅取决于建筑结构材料的燃烧性能。加拿大历史上多次大型火灾的经验证明,火灾造成的人员伤亡与结构材料的燃烧性能没有直接关系。建筑构件的耐火试验基于统一的试验标准。建筑构件无论用什么材料制成,只要通过实验的相关标准,就被认为达到了规定的耐火等级,即只强调建筑构件的耐火极限,而不考虑建筑材料属于可燃材料还是不可燃材料。根据STME119的相关规定,建筑构件的耐火试验可判定如下:

(1)背面火面无热气或火焰穿透;

(2)保证承载构件在设计荷载下的强度和抗变形能力;

(3)试样背面的平均温度不得超过139℃;

(4)试样背面任何一点的温度不得超过181℃;

(5)没有消防水流过。

上述耐火极限的确定类似于我国现行消防技术标准的规定。但关键的一点是,根据现行《建筑防火设计规范》(GB J 16- 87) 2002版的相关规定,建筑的耐火等级不仅要求建筑构件的耐火极限,对其燃烧性能也有严格的要求。根据建筑构件的燃烧性能和耐火极限,建筑分为一、二、三、四个耐火等级。三、四级耐火等级建筑中的部分建筑构件允许使用不燃材料或可燃材料,但建筑的耐火等级会影响建筑的防火间距、防火分区和安全疏散,即三、四级耐火等级建筑的防火间距、防火分区和安全疏散的最大允许值小于一、二级耐火等级建筑。

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在加拿大,建筑防火作为一个系统工程,只有满足以下规范的要求,才能满足消防安全要求:

(1)防止火焰的产生;

(2)火警:(一)告知建筑物使用者;(b)通知消防员;

(3)控制火焰的生长;

(4)限制和熄灭火焰;

通常轻质木结构都是涂上石膏防火板,用来阻挡和防止火焰直接燃烧木质构件,以满足建筑构件的耐火要求。石膏防火板耐火极限比较高,最大可达5小时。目前国内也有类似的材料。这种材料不仅可以用于木质材料的保护,还可以用于钢结构的保护。重型木结构构件(包括梁、柱和地板)由实木或胶合木制成。与轻型木结构不同,重型木结构是建筑中的主要承重构件。未经防火处理的金属构件在高温下容易强度降低,导致建筑物突然倒塌。当温度达到232℃以上时,钢的强度迅速下降,当温度达到750℃左右时,其强度仅为原始强度的10%。一般建筑着火时,温度在700℃-900℃之间。所以从另一个角度来说,木构件在火灾中比钢构件更安全可靠。重型木结防火依靠构件表面产生的碳化层来减缓火焰向构件内部的燃烧。燃烧后,发黑的外层在着火过程中起到“隔热”的作用,降低了内部物质燃烧的概率。根据设计荷载要求,结合不同树种在火焰作用下的碳化速度,根据规范提供的计算得到构件的尺寸,经计算,火灾后构件一般能保持原构件设计强度的85% ~ 90%。同时,重型木材构件可以进行阻燃处理,即采用木结构防火涂料进行压力浸泡或涂装。这种处理的结果是,可以降低木材构件表面的火焰燃烧速度,相应地提高构件的耐火极限,改变燃烧性能,但不能提高构件的耐火等级。

火灾报警、控制火焰增长、限制和熄灭火焰等措施的实现是基于建筑火灾的性能化设计。设计流程如下:确定设计范围-设计目标-设计方针-研究性能评价标准-确定火灾假设-制定初步设计方案-评价初步设计的合理性。对于一个木结构建筑来说,首先要做出火灾假设来确定火灾的类型,根据建筑的使用功能来确定火灾的类型和特点。其次,建立了火灾场景的数学模型。通过在计算机上输入相应的现场参数,模拟火灾场景中火焰传播速度、方向、温度、高温烟气等因素随时间函数的发展而发生的变化。根据模拟的火灾场景,确定建筑物各部分建筑构件的耐火极限、疏散通道的疏散距离、反分区的划分、自动报警和灭火设施以及需要设置的防排烟设施。最后,对设计结果进行了评价。设计结果既科学又实用,同时避免了由于强制性消防技术标准不能涵盖和解决所有消防设计问题而导致消防监督部门找不到批准此类项目的依据的情况。

这种设计理念也可以在我们的消防审核中借鉴。比如天津博物馆共享馆的消防设计,就是性能化设计的雏形。博物馆总建筑面积39,800 m2,内部主体在1/4球壳下分为两部分,前部为7,000 m2的共用大厅,后部为展厅。共用大厅为圆弧形,最高高度32 m,为单层建筑。根据现行技术标准,采用自动喷水灭火系统,其防火分区最大允许面积为5 000 m2。由于建筑高度和室内效果的要求,自动喷水灭火系统无法设置。根据相关规范要求,防火分区最大允许面积为2 500 m2,给消防设计审核带来困难。经相关专家论证,采取了严格控制室内材料耐火等级、控制使用功能、严格与展览防火区隔离、增设自动火灾监控等措施,从原理上解决了设计问题。不幸的是,该设计没有通过模拟火灾实验进行,也没有严格按照基于性能的设计程序进行。

综上所述,笔者认为在加拿大的消防设计理念中,耐火性是非常重要的,只加强建筑构件的耐火性而不考虑建筑构件的燃烧性能,这样木结构才能得到广泛应用。同时,强调建筑的不同部分应采用不同耐火极限的建筑构件,可以在规定的耐火极限下安全疏散人群,自动灭火设施可以有效控制和扑灭初期火灾,解决了木结构代替钢筋混凝土结构在消防设计中的弊端,合理利用自然资源,体现了先进科学的消防设计理念。


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