劉宵亞

【摘 要】鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用廣泛，也是鋼結(jié)構(gòu)建筑消防設(shè)計(jì)中重要的研究課題之一。文章結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，探討了鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的防火涂料在設(shè)計(jì)、施工中應(yīng)注意的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決方案，以供廣大設(shè)計(jì)師與工程人員參考。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；防火涂料；工業(yè)廠房；設(shè)計(jì)與施工

【中圖分類號(hào)】TU391 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）05-0147-04

近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)以其施工速度快、自重輕、抗震性能好，以及有利于環(huán)境保護(hù)、節(jié)能及建筑產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，已成為中國(guó)工業(yè)建筑業(yè)的主流。現(xiàn)階段，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略進(jìn)一步加速推進(jìn)，大面積的鋼結(jié)構(gòu)廠房、多功能廠房、發(fā)電廠、物流倉(cāng)庫(kù)等工業(yè)建筑項(xiàng)目正在中國(guó)及世界各地如火如荼地展開。由于鋼結(jié)構(gòu)耐火性能較砌體及混凝土結(jié)構(gòu)差，因此對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)就顯得尤為重要，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料就是最為常用的消防保護(hù)措施之一。隨著新的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》于2015年5月1日正式實(shí)行，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究、生產(chǎn)及應(yīng)用已逐漸進(jìn)入了高峰階段。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的作用機(jī)理及分類

1.1 影響鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件升溫速率的主要因素

（1）構(gòu)件截面系數(shù)（截面周長(zhǎng)/截面面積）如圖1所示。其中，截面周長(zhǎng)是指暴露于火災(zāi)或者熱源中的部分的周長(zhǎng)，截面系數(shù)越小，則鋼構(gòu)件暴露于火災(zāi)或者熱源中的部分越少，其升溫速度越慢，構(gòu)件的耐火時(shí)間越長(zhǎng)，這是決定防火涂料涂層厚度的重要因素。

（2）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的厚度。薄的構(gòu)件升溫速率高于厚的構(gòu)件。

（3）靜荷載。當(dāng)靜荷載越小時(shí)，使鋼結(jié)構(gòu)失去承載能力的溫度就越高。

（4）構(gòu)件受力形式。柱、梁、網(wǎng)架構(gòu)件等由于其功能及位置的不同，承受的應(yīng)力（例如壓力、拉力或者彎曲應(yīng)力等）作用的類型也不同，其耐火性能也不盡相同。

防火涂料的性能測(cè)試正是基于以上原理進(jìn)行，并通過(guò)詳細(xì)計(jì)算不同受火方式、截面形狀及截面系數(shù)等因素，得到各耐火極限所需防火涂料的涂層厚度。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分類

根據(jù)防火涂料作用機(jī)理的不同，建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料大致可分為膨脹型和非膨脹型防火涂料2種。

（1）膨脹型防火涂料。膨脹型防火涂料也稱為薄型防火涂料。膨脹型防火涂料涂層受熱時(shí)能膨脹發(fā)泡，形成一個(gè)比涂層厚幾十倍乃至幾百倍的耐燃海綿狀炭質(zhì)層，從而斷絕火焰對(duì)被保護(hù)鋼材的直接加熱，延緩鋼材升溫，保護(hù)鋼構(gòu)件。膨脹型防火涂料主要應(yīng)用于耐火極限2 h以內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，具有自重輕、裝飾效果好、施工簡(jiǎn)便、防潮、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

（2）非膨脹型防火涂料。非膨脹型防火涂料也稱為厚型防火涂料。非膨脹型防火涂料依靠材料的不燃性、低導(dǎo)熱性及隔熱性，對(duì)鋼構(gòu)件起到了屏蔽和防止熱輻射的作用。非膨脹型防火涂料主要應(yīng)用于耐火極限超過(guò)2 h的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，具有耐火時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

按照使用環(huán)境，建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料還可以分為室內(nèi)和室外2種類型。室外型防火涂料對(duì)耐久性、防腐蝕性均有嚴(yán)格的要求，要求在室外環(huán)境下仍能做到不開裂、不起皮、不脫落，也不會(huì)出現(xiàn)任何變色、粉化現(xiàn)象。目前，由于技術(shù)原因，大多數(shù)國(guó)內(nèi)防火涂料公司僅能提供厚型室外防火涂料，只有少數(shù)幾家國(guó)外知名防火涂料公司可以提供薄型、超薄型室外防火涂料。

因此，在設(shè)計(jì)與施工時(shí)，我們需注意室內(nèi)型與室外型防火涂料的區(qū)別，不得將室內(nèi)型防火涂料用于室外鋼構(gòu)件，并對(duì)厚、薄型防火涂料做出適用的選擇。

2 防火涂料在設(shè)計(jì)與施工中遇到的問(wèn)題與解決方法

2.1 屋頂承載構(gòu)件的界定

在《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016—2014）中的第3.2.1條中，對(duì)不同耐火等級(jí)的廠房和倉(cāng)庫(kù)建筑構(gòu)件進(jìn)行了耐火極限的劃分，其中一項(xiàng)為“屋頂承載構(gòu)件”。因此，在建筑設(shè)計(jì)中，我們對(duì)屋頂承重構(gòu)件增加了防火涂料的消防要求。

屋面鋼檁條是直接承擔(dān)屋面圍護(hù)系統(tǒng)的受力構(gòu)件，大部分設(shè)計(jì)人員一般都會(huì)認(rèn)為屋面檁條是屬于建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范中提出的“屋頂承載構(gòu)件”，應(yīng)該按照規(guī)范要求涂刷防火涂料。

然而在《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2015修改版）給出的“屋頂承載構(gòu)件示意圖”中，卻未包括屋面檁條構(gòu)件，與設(shè)計(jì)人員的理解有出入（如圖2所示）。

由于在鋼結(jié)構(gòu)廠房中屋面鍍鋅鋼檁條的用量很大，所以檁條是否應(yīng)算入屋頂承重構(gòu)件，對(duì)防火涂料的用量和工程造價(jià)有著舉足輕重的影響。

消防設(shè)計(jì)應(yīng)從全局出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧，既做到安全適用，又經(jīng)濟(jì)合理。考慮到安全性，該問(wèn)題應(yīng)從建筑整體結(jié)構(gòu)安全性的角度考慮。如果屋面檁條構(gòu)件失去承載能力或穩(wěn)定性后，會(huì)對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)致建筑物倒塌時(shí)，則該構(gòu)件應(yīng)算入“屋頂承重構(gòu)件”，增加消防要求，例如參加鋼梁平面外整體計(jì)算的屋面檁條；反之，如果該屋面檁條構(gòu)件退出工作對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性沒有影響，則不需增加消防措施，例如不參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的檁條。

根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，筆者對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的幾種主要結(jié)構(gòu)形式的屋面檁條做了分類。

（1）門式剛架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形式下主要鋼構(gòu)件要求設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，計(jì)算時(shí)一般都會(huì)考慮屋面檁條作為鋼梁平面外穩(wěn)定的一個(gè)支撐，當(dāng)該屋面檁條退出工作時(shí)會(huì)對(duì)鋼梁的整體穩(wěn)定造成影響，從而影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，門式鋼架上的屋面檁條一般應(yīng)算入“屋頂承重構(gòu)件”。

（2）鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形式的屋面檁條多為主副檁結(jié)構(gòu)，主檁連接于上弦球節(jié)點(diǎn)的支托上，計(jì)算時(shí)只考慮檁條的自重，并不考慮其對(duì)其他主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，也不參加結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性沒有影響。因此，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上的屋面檁條一般可不算入“屋頂承重構(gòu)件”。

（3）鋼框架、排架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在計(jì)算屋面鋼梁時(shí)，有時(shí)會(huì)考慮屋面檁條對(duì)鋼梁整體穩(wěn)定的支撐作用，需根據(jù)各設(shè)計(jì)具體情況確定。建議在消防設(shè)計(jì)時(shí)，咨詢相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來(lái)決定是否將屋面檁條算入“屋頂承重構(gòu)件”。

實(shí)際工程中，由于屋面檁條防火涂料工程量及費(fèi)用占比大，經(jīng)常發(fā)生多方對(duì)屋面檁條是否屬于“屋面承重構(gòu)件”，是否需要涂刷防火涂料的爭(zhēng)執(zhí)，因此在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中，應(yīng)在圖紙中明確哪些屋面鋼檁條屬于“屋頂承重構(gòu)件”，哪些層面鋼檁條是不需要涂刷防火涂料的。這樣既能保證建筑消防安全滿足規(guī)范要求，又能避免建設(shè)方糊里糊涂多花錢，也防止工程招標(biāo)時(shí)漏項(xiàng)，做到安全、經(jīng)濟(jì)兩不誤。

2.2 防火涂料與鍍鋅鋼檁條的黏結(jié)問(wèn)題

在工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)廠房中，屋面鋼檁條多采用熱鍍鋅處理，具有良好的防銹和耐腐蝕性。然而，由于鍍鋅層與防火涂料的黏結(jié)力不夠，在鍍鋅鋼檁條上直接涂刷防火涂料的效果并不理想，容易出現(xiàn)防火涂料附著不均或剝落等現(xiàn)象（如圖3所示）。

鍍鋅鋼檁條表面較光滑，在壓制及運(yùn)輸過(guò)程中，又難免沾染油污，這就導(dǎo)致了鍍鋅層與防火涂料黏結(jié)力不足的問(wèn)題。通過(guò)向國(guó)外某知名防火涂料廠家咨詢解決方案，也印證了以上結(jié)論。

因此，根據(jù)該廠家的建議，我們?cè)趯?shí)際工程中，要求對(duì)鍍鋅鋼檁條表面進(jìn)行清潔預(yù)處理，其表面必須無(wú)油、油脂及腐蝕性物質(zhì)，然后才能涂刷防火涂料。該措施有效地保證了防火涂料與鍍鋅層的黏結(jié)力，增加了防火涂料的使用壽命。由于清潔工作量非常巨大，建議廣大設(shè)計(jì)師也將此措施編入設(shè)計(jì)說(shuō)明書，這有利于工程量的統(tǒng)計(jì)。

2.3 非膨脹型防火涂料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)墻面圍護(hù)安裝的影響

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中，2 h以上的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件宜采用非膨脹型（厚型）防火涂料。因此，一般廠房鋼柱均需采用厚型防火涂料。根據(jù)國(guó)內(nèi)某家防火涂料廠提供的參數(shù)，耐火極限2.5 h所需厚型防火涂料的厚度約25 mm。而在鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，鋼柱與墻面檁條間一般僅預(yù)留20 mm空間，該空間內(nèi)需安裝內(nèi)墻板，內(nèi)墻板采用彩鋼板時(shí)波高約15 mm，剩余5 mm基本僅能滿足施工誤差的需求，鋼柱在該面的厚型防火涂料層無(wú)法滿足基本厚度要求，甚至不能施工，消防驗(yàn)收也無(wú)法通過(guò)（如圖4所示）。

在設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)鋼柱防火涂料厚度做出相應(yīng)的調(diào)整，建議采用以下2種解決方案。

（1）在內(nèi)墻板與鋼柱間預(yù)留足夠的空間（如圖5所示）。該方案涉及建筑外輪廓及鋼柱定位問(wèn)題，應(yīng)在設(shè)計(jì)初期就商定好。

（2）內(nèi)板不插入鋼柱，設(shè)計(jì)增加墻內(nèi)板與鋼柱的收邊節(jié)點(diǎn)（如圖6所示）。該方法較靈活，對(duì)前期方案定位無(wú)影響，但墻板安裝工序有所增加，需增加建筑設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，并提醒彩板供應(yīng)商深化設(shè)計(jì)時(shí)注意放樣尺寸，盡量避免現(xiàn)場(chǎng)切割，影響墻面平整美觀。

2.4 非膨脹型防火涂料的荷載問(wèn)題

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火等級(jí)為一級(jí)時(shí)，鋼梁的耐火極限要求2 h。那么，鋼梁與鋼柱都可能需要采用非膨脹型（厚型）防火涂料（如圖7所示）。

前文已介紹非膨脹型防火涂料厚度一般不小于25 mm，對(duì)構(gòu)件有一定自重的增加。根據(jù)國(guó)內(nèi)某家防火涂料廠提供數(shù)據(jù)，非膨脹型防火涂料干密度約650 kg/m3，當(dāng)一根截面為800（h）×300×14×20的“H”形鋼需涂刷非膨脹型防火涂料時(shí)，計(jì)算其自重至少增加45 kg/m。

然而，許多工程設(shè)計(jì)中并未考慮構(gòu)件上厚型防火涂料的這部分自重，這在一些輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)中則更加不安全。建議廣大設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)門式剛架及一些荷載較小的輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房時(shí)，注意非膨脹型防火涂料對(duì)結(jié)構(gòu)自重的影響，應(yīng)在設(shè)計(jì)初期明確并提醒結(jié)構(gòu)工程師哪些構(gòu)件需要涂刷非膨脹型防火涂料。

2.5 非膨脹防火涂料的外觀問(wèn)題

非膨脹型防火涂料的施工方法類似墻面膩?zhàn)臃鬯?，不能調(diào)色，較粗糙，干燥后為中灰色，與混凝土顏色相近。因此，非膨脹型防火涂料的外觀與一般油漆構(gòu)件、薄型防火涂料構(gòu)件及金屬墻面都很不協(xié)調(diào)（如圖8所示）。

最簡(jiǎn)單的解決方案就是根據(jù)建設(shè)方要求的顏色，在防火涂料外再涂刷用調(diào)好顏色的普通墻面涂料。由于面漆涂料的增加涉及工程費(fèi)用的增加，所以建議在類似鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房建筑設(shè)計(jì)時(shí)，事先向建設(shè)方闡明非膨脹型防火涂料外觀問(wèn)題，再根據(jù)建設(shè)方的要求確定是否需要增加非膨脹型防火涂料的面層涂料說(shuō)明。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中應(yīng)用廣泛，是建筑消防設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一。本文幫助廣大設(shè)計(jì)師及工程人員從鋼結(jié)構(gòu)的受熱特性和防火涂料的防火機(jī)理入手，根據(jù)新版規(guī)范，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中屋頂承重構(gòu)件的界定、防火涂料與鍍鋅構(gòu)件的黏結(jié)、非膨脹型防火涂料對(duì)圍護(hù)墻面設(shè)計(jì)、安裝的影響及實(shí)際工程項(xiàng)目中遇到的一些防火涂料設(shè)計(jì)、施工問(wèn)題提出了有效的解決方案，并在實(shí)際工程中成功應(yīng)用，通過(guò)了消防及竣工驗(yàn)收，供同行參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]郭景，高杰，蔡昭昀.GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》解讀[J].工業(yè)建筑，2016，46（10）：131-135.

[2]胡勝利，戴淑娟，國(guó)鼎.超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2015（4）：517-519.

[3]石永久，白音，王元清.大空間鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)與防火涂料選用[J].新型建筑材料，2005（4）：54-57.

[4]魏云波，侯兆欣，趙旭，等.國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料工程應(yīng)用[C].2010全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010.

[5]白斌，王月玥，王軼杰.火災(zāi)中的建筑結(jié)構(gòu)垮塌預(yù)測(cè)

[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2016（3）：304-307.

[6]馮浩.淺談鋼結(jié)構(gòu)防火涂料存在的問(wèn)題[J].工程技術(shù)：全文版，2016（8）：301.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]