張哲

鋼材不耐火屬性是建筑結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題，一旦溫度在200℃以上，就會(huì)出現(xiàn)明顯變化，強(qiáng)度大幅度下降。如果溫度在600℃左右，材料則處于塑性狀態(tài)，完全不具備承載能力。綜合而言，鋼結(jié)構(gòu)表層溫度達(dá)到150℃，便需采取保護(hù)處理措施。

1.建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料選用現(xiàn)狀

（1）防火涂料本身有缺陷。近些年，國(guó)內(nèi)此類產(chǎn)品的成長(zhǎng)速度較快，種類呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)，但技術(shù)性能和經(jīng)驗(yàn)還略有不足。如環(huán)保方面，涂料在基材上應(yīng)用，組成的材料比較不穩(wěn)定，會(huì)給內(nèi)部空間造成危害。另外，安全性方面，涂料遭遇火災(zāi)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，以保護(hù)基材不受損傷，但會(huì)釋放出多種有毒氣體，在達(dá)到一定濃度后，會(huì)傷害人體。所有防火涂料的分析都是采取試驗(yàn)手段，環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)條件，但現(xiàn)實(shí)中火災(zāi)會(huì)有不確定性，加之建筑落成使用多年后，涂料防火效果無(wú)法確定是否還處于原本的試驗(yàn)狀態(tài)。

（2）涂料應(yīng)用方對(duì)安全性缺乏認(rèn)識(shí)，最終選用的涂料可能并不適宜。如今，可供選擇的防火涂料種類極多，而質(zhì)量不能統(tǒng)一。從理論角度來(lái)說(shuō)，在基材上增加一層涂料，耐火效果會(huì)有所提高，隔絕高溫。而實(shí)際上，涂料本身的構(gòu)成與阻燃性等不同，可用范圍也有區(qū)別。建筑鋼結(jié)構(gòu)中，在耐火級(jí)別上有明確標(biāo)準(zhǔn)，但個(gè)別建設(shè)方卻缺少對(duì)此的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致沒(méi)能有效發(fā)揮涂料的作用，僅關(guān)注最終的驗(yàn)收結(jié)果。部分設(shè)計(jì)師及建設(shè)人員，前期設(shè)計(jì)中，不會(huì)留給防火處理較多的預(yù)算，或者直接刨除在預(yù)算之外，形成明顯隱患。

（3）耐火試驗(yàn)和厚度，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的確定方法。本文所述的防火涂料屬于功能性范疇，具體性能歸納成兩點(diǎn)：①物理機(jī)械，如憎水性、承載性、干濕性等；②耐火，防止火災(zāi)破壞基材。通常耐火極限的分析，基于確定構(gòu)件，涂上對(duì)應(yīng)涂料，根據(jù)時(shí)間溫度的關(guān)系曲線，確定涂料直至被損壞的時(shí)間，借此評(píng)估其防火性能。耐火試驗(yàn)時(shí)，主要條件為構(gòu)件承載狀態(tài)及升溫情況，而且同一極限時(shí)長(zhǎng)的涂料會(huì)由于所處環(huán)境、火災(zāi)條件差異，發(fā)揮的保護(hù)力有區(qū)別。如今，施工方收到的說(shuō)明書(shū)，僅指出極限時(shí)長(zhǎng)、厚度，但缺少對(duì)應(yīng)的鋼材類型。

（4）使用及保養(yǎng)方式有問(wèn)題。在實(shí)際建設(shè)中，通常把涂料用于對(duì)應(yīng)基材表層，鋼結(jié)構(gòu)處理時(shí)，如果應(yīng)用的方式不適宜，會(huì)使防火效果大打折扣。如今，諸多公共項(xiàng)目為提升室內(nèi)的藝術(shù)感，裝修中會(huì)應(yīng)用過(guò)多的易燃材料，并且具有設(shè)計(jì)藝術(shù)感的裝飾，結(jié)構(gòu)會(huì)比較繁瑣，形成大量孔洞，不利于防火處理。另外，纖維織物同樣無(wú)法滿足阻燃要求，采取噴灑等方式，容易形成結(jié)晶，影響防護(hù)效果。內(nèi)部市場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)中可應(yīng)用的涂料類型和技術(shù)成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)良好，但對(duì)應(yīng)施工方式標(biāo)準(zhǔn)和后期保養(yǎng)方式未能跟上產(chǎn)品更新?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)此項(xiàng)處理后，一般不會(huì)受到額外關(guān)注。建筑驗(yàn)收處理也缺少科學(xué)性，無(wú)法達(dá)到定量評(píng)估[1]。

2.建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的確定

2.1 選擇標(biāo)準(zhǔn)原則

首先，防火涂料需滿足我國(guó)的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)需附帶專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供的合格報(bào)告。生產(chǎn)商必須具備許可證，以此為前提進(jìn)一步選擇涂料。在建筑鋼結(jié)構(gòu)上使用的防火涂料，廠家需提供技術(shù)性能及產(chǎn)品批號(hào)、說(shuō)明書(shū)以及貯存時(shí)間等。其次，結(jié)合需要噴涂的鋼結(jié)構(gòu)位置與功能性，確定防火涂料。

（1）耐火極限標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)建筑物明確分出多個(gè)耐火等級(jí)，對(duì)應(yīng)要求的極限值有差異。比如，極限時(shí)間在60min 以內(nèi)，應(yīng)選擇超薄及薄型；極限時(shí)間在2.5h 以內(nèi)，能選擇的有薄型及厚涂型；極限時(shí)間超過(guò)2.5h，僅能選擇厚涂型的涂料。

（2）建筑物不同部位，耐火等級(jí)會(huì)有區(qū)別。比如，裸露在空氣中，并起到裝飾作用的區(qū)域，需噴涂超薄的涂料。而裸露柱體與網(wǎng)架部分，應(yīng)噴涂薄型的涂料，鋼結(jié)構(gòu)隱蔽區(qū)域，無(wú)需考慮美觀性，可選擇厚涂一類。

（3）重要性標(biāo)準(zhǔn)，在較為重要的項(xiàng)目中，會(huì)以厚涂型為主，而普通的民用建筑使用薄型及超薄型即可。

（4）基于涂層厚度標(biāo)準(zhǔn)，確定高防火涂料。如果是超薄的涂料，耐火的極限時(shí)間不應(yīng)長(zhǎng)于1.5h，并且涂層的厚度至少要達(dá)到3mm。如果耐火極限時(shí)長(zhǎng)是1h，則設(shè)定的涂層厚度需達(dá)到2mm。如果選擇薄型的涂料，在極限時(shí)間小于2h時(shí)，厚度應(yīng)控制在5mm 及以上，假設(shè)要求極限時(shí)間在1.5h 以內(nèi)，涂層厚度至少應(yīng)在4mm。

2.2 優(yōu)選方式確定

涂料優(yōu)選的方法：

（1）類型篩選法。基于建筑項(xiàng)目本身，確定涂料的種類，確定滿足耐火極限標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)品種。

（2）功能比較法。結(jié)合項(xiàng)目結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所標(biāo)準(zhǔn)，以及鋼結(jié)構(gòu)的涂料可用范疇，確定達(dá)到防火標(biāo)準(zhǔn)的種類。

（3）價(jià)格類比法?；谶_(dá)到防火級(jí)別前提下，結(jié)合生產(chǎn)商售價(jià)比較，選定性價(jià)比更好的品類。

（4）綜合優(yōu)選法。整體分析上文條件，選擇綜合得分更高的類型[2]。

3.優(yōu)選建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的具體分析

3.1 涂層厚度

3.1.1 臨界溫度

如今，輕質(zhì)且強(qiáng)度大、安全性高、建設(shè)便利等類型的鋼結(jié)構(gòu)，在建筑項(xiàng)目中使用逐漸頻繁，而裸露材料被高溫影響，其力學(xué)性能隨之出現(xiàn)變化。比如，強(qiáng)度與彈性模量，二者和溫度為負(fù)相關(guān)?；馂?zāi)發(fā)生后，鋼結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度會(huì)逐漸弱化，受到損傷。

（1）應(yīng)力—應(yīng)變。鋼結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間是15min，在溫度高于300℃，材料強(qiáng)度會(huì)逐步下降。在溫度上升至650℃，鋼結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)承載性能。屈服平臺(tái)無(wú)效后，一般需確定某強(qiáng)度視為屈服強(qiáng)度，通常確定為常溫條件中0.2%應(yīng)變下的強(qiáng)度。

（2）高溫環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度。驗(yàn)算高溫中結(jié)構(gòu)承載力，以屈服強(qiáng)度為衡量指標(biāo)。得出的結(jié)論是在溫度不足300℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度沒(méi)有波動(dòng)；在300℃～750℃中，為線性下降。

（3）分析多種構(gòu)件的初始應(yīng)力，具體考慮內(nèi)容需要根據(jù)構(gòu)件的形態(tài)確定。比如，軸心受壓的構(gòu)件，其原本便有缺陷及殘余應(yīng)力，不可根據(jù)理想狀態(tài)分析；受彎的構(gòu)件，靜定梁需考慮其塑性的問(wèn)題；壓彎的鋼構(gòu)件，需注意平面內(nèi)外的穩(wěn)定性。

（4）臨界溫度，在實(shí)際分析中，為簡(jiǎn)化此過(guò)程，可先進(jìn)行合理化假設(shè)。

在分析鋼結(jié)構(gòu)本身抗火性能中，可先確定假定條件。比如，火災(zāi)狀態(tài)下，鋼結(jié)構(gòu)四周環(huán)境的溫度提高與時(shí)間推進(jìn)過(guò)程，采取標(biāo)準(zhǔn)的升溫曲線，即使應(yīng)用差異化的升溫公式，也需調(diào)整為對(duì)應(yīng)的缺陷。同時(shí)假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)的截面溫度一致，并且鋼結(jié)構(gòu)是等截面，抗火效果也相同。此外，借助對(duì)火災(zāi)狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部升溫的分析，確定承載力與臨界問(wèn)題。該種確定方法主要通過(guò)確定常溫及高溫環(huán)境中，二者穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系，以此確定趨近于真實(shí)情況的臨界溫度[3]。

上文提到確定臨界溫度的方法是如今較為常見(jiàn)的，但分析側(cè)重點(diǎn)有差異，主要原因如下：

（1）可能出現(xiàn)誤差的問(wèn)題是常溫環(huán)境中極限正應(yīng)力取代高溫環(huán)境中屈服強(qiáng)度，在持續(xù)升溫中，屈服強(qiáng)度會(huì)有所降低，但在大多數(shù)情況下，兩項(xiàng)數(shù)值有差距，但理論層面上得出臨界溫度數(shù)值更為安全。

（2）假定應(yīng)力比，確定超越方程，借助數(shù)值整理出應(yīng)力比和相關(guān)結(jié)構(gòu)的力學(xué)系數(shù)，通過(guò)查表的方式，確定臨界溫度。該種確定方式中，應(yīng)力比只分析常溫條件中結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力及承載力，二者最高值的比，從中可以看出，該方式和第一種相較，更加便利，但最后得出數(shù)值有差異，應(yīng)當(dāng)是求解時(shí)有誤差。

（3）分析穩(wěn)定系數(shù)，借助近似值確定穩(wěn)定系數(shù)，并對(duì)比超越方程更加復(fù)雜，但最后結(jié)論會(huì)相對(duì)滿足火災(zāi)的實(shí)際條件。

選擇防火涂料時(shí)，需注意熱物理性能以及含水率，前者通常能利用試驗(yàn)得出，具體數(shù)值隨著溫度波動(dòng)。目前鋼構(gòu)件所有防火涂料基本上都是輕質(zhì)一類，同時(shí)保護(hù)層也能分成干性與濕性，對(duì)此則以含水率為衡量標(biāo)準(zhǔn)。在鋼結(jié)構(gòu)上所用的涂料，厚度一般是有限制的，可根據(jù)高溫條件中，經(jīng)過(guò)涂料層后傳至鋼結(jié)構(gòu)的熱量進(jìn)行確定。以理論層面來(lái)看，臨界溫度和涂層厚度是正相關(guān)，但實(shí)際選擇應(yīng)用時(shí)，還需通過(guò)試驗(yàn)定量驗(yàn)證。

3.1.2 耐火極限

鋼結(jié)構(gòu)的主要用途是荷載，對(duì)其抗火設(shè)計(jì)可看成確定防火保護(hù)方案，在達(dá)到建筑荷載標(biāo)準(zhǔn)后，考慮防火性的問(wèn)題。火災(zāi)環(huán)境中，在鋼構(gòu)件內(nèi)部不斷升溫時(shí)，其承載水平會(huì)有所降低，并且在承載力降至外荷載形成效應(yīng)的狀態(tài)中，構(gòu)件本身承載力已經(jīng)處于極限情況。而此種狀態(tài)繼續(xù)細(xì)分成局部構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)，前者遭到破壞以及后者整體傾覆。二者衡量標(biāo)準(zhǔn)為前者承載力失穩(wěn)，且變形速率已經(jīng)達(dá)到無(wú)限大的程度，不能承擔(dān)起重物，出現(xiàn)變形；后者整體失穩(wěn)，不具備承載能力，全部變形。關(guān)于抗火設(shè)計(jì)，需先滿足外載荷，而后考慮達(dá)到耐火等級(jí)。具體采用的方式包括三類。

（1）圍繞試驗(yàn)分析，為設(shè)計(jì)提供分析數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備多種類型構(gòu)件，在設(shè)定荷載及升溫情況下，開(kāi)展耐火試驗(yàn)，以此得出在各防火處理后，構(gòu)件耐火情況。借助多次試驗(yàn)，得到涂料品種及厚度對(duì)應(yīng)耐火極限。采用此種設(shè)計(jì)方式有明顯不足，比如最終獲取耐火極限手段不科學(xué)。加之，在建筑物里，構(gòu)件承載情況和試驗(yàn)期間實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)條件無(wú)法保證相同，并且建筑中的制約條件無(wú)法在試驗(yàn)中完全復(fù)制，導(dǎo)致最終結(jié)果有偏差。

（2）采取計(jì)算方式，確定設(shè)計(jì)[4]。該種方式可提高對(duì)結(jié)構(gòu)抗火水平評(píng)估的準(zhǔn)確性。假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)布局勻稱，并且從火災(zāi)條件下傳進(jìn)熱量和溫度提高中吸入熱量相等。為處理結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的缺陷，額外增加熱傳導(dǎo)及結(jié)構(gòu)分析，鑒于構(gòu)件受力情況及截面積等對(duì)其自身抗火水平的干擾性，力求得出更貼合實(shí)際的結(jié)果。

（3）性能化結(jié)構(gòu)，此種方式考慮到設(shè)計(jì)需要，按照實(shí)際的結(jié)構(gòu)對(duì)象，設(shè)計(jì)目標(biāo)是保障人身安全以及控制經(jīng)濟(jì)損失?？紤]現(xiàn)實(shí)火災(zāi)條件下，溫度提高和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)抗火水平的影響，綜合運(yùn)用若干工具，評(píng)估火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，以提升結(jié)果的準(zhǔn)確性。

當(dāng)前的防火涂料有非膨脹及膨脹兩種，其中造成非膨脹型隔熱性能波動(dòng)的要素有密度、厚度等，而膨脹型涂料主要為熱物理參數(shù)及膨脹率。一方面，通過(guò)熱物理參數(shù)判斷隔熱性能，一般會(huì)面臨幾個(gè)問(wèn)題：

（1）常溫環(huán)境中，該數(shù)值是定值，但涂料僅在發(fā)生火災(zāi)后才能展現(xiàn)出價(jià)值，同時(shí)熱物理參數(shù)會(huì)隨著時(shí)間與溫度出現(xiàn)浮動(dòng)。

（2）高溫狀態(tài)下，涂料會(huì)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生吸收及發(fā)出熱量的情況。此種情況和抗火設(shè)計(jì)中假設(shè)條件有差異，會(huì)降低分析結(jié)果的精準(zhǔn)度?；跓釋W(xué)有關(guān)原理，化學(xué)反應(yīng)期間出現(xiàn)的熱量通常難以確定。

（3）涂料里會(huì)有不定量水分，高溫環(huán)境中，其內(nèi)部水分會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)，進(jìn)一步加快結(jié)構(gòu)問(wèn)題出現(xiàn)的速度，并且該因素也無(wú)法準(zhǔn)確設(shè)置。

另一方面，膨脹型涂料可以在高溫條件下快速形成保護(hù)層，以減緩溫度熱量傳導(dǎo)效率，繼而滿足耐火的需要。涂料形成保護(hù)層后，熱物理?xiàng)l件隨之出現(xiàn)明顯變化，厚度擴(kuò)大至原本的數(shù)倍，由此造成常溫條件中熱物理參數(shù)，無(wú)法準(zhǔn)確衡量涂料的隔熱效果。對(duì)于以上問(wèn)題，如今需要可以準(zhǔn)確評(píng)估涂料在高溫條件中隔熱效果的參數(shù)，不僅可表示隔熱效果，還需保證計(jì)算過(guò)程的簡(jiǎn)便性。防火規(guī)范中，和鋼結(jié)構(gòu)承載力有明顯關(guān)聯(lián)性的為溫度參數(shù)，所以確定出趨近于現(xiàn)實(shí)溫度的條件是準(zhǔn)確判斷隔熱效果的關(guān)鍵點(diǎn)。

火災(zāi)條件中，傳熱并非穩(wěn)定狀態(tài)，雖然能理清各變量參數(shù)之間的聯(lián)系，但也無(wú)法憑借數(shù)學(xué)計(jì)算得出。總的來(lái)說(shuō)，借助真實(shí)結(jié)構(gòu)溫度參數(shù)，確定等效的熱導(dǎo)率，可以比較綜合分析出熱工參數(shù)。如果選擇膨脹類的涂料，考慮膨脹發(fā)生前的密度與厚度等，也能確定該系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)理論分析，涂層厚度和其耐火極限為正相關(guān)，在確定厚度參數(shù)時(shí)，可借助此參數(shù)加以選定[5]。

3.2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)

3.2.1 選擇需求

在實(shí)際建筑項(xiàng)目中，通常無(wú)法完全掌握市面上的各種涂料功能效果與性價(jià)比，導(dǎo)致綜合優(yōu)選難度較高。為此構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，給用戶提出更便利的選擇方式。為此，應(yīng)先確定用戶需要，基于此設(shè)置功能性，并預(yù)留出擴(kuò)展空間。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)整理，用戶需求可分成幾類：

（1）信息需要，此系統(tǒng)應(yīng)能提供對(duì)應(yīng)涂料的耐火時(shí)長(zhǎng)、厚度、生產(chǎn)商相關(guān)信息等。

（2）信息查詢，能進(jìn)行模糊搜索，可輸入一個(gè)條件要求，支持多個(gè)條件下的查詢。

（3）信息描述，包括生產(chǎn)商名稱、電話、型號(hào)、耐火級(jí)別、密度等。

3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建立關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用防火涂料的系統(tǒng)，需基于現(xiàn)有的涂料產(chǎn)品，借助采集及分析涂料類型與物理屬性，滿足設(shè)計(jì)者的現(xiàn)實(shí)需求。另外，因?yàn)橥苛袭a(chǎn)品依舊在持續(xù)更新中，所以要求信息系統(tǒng)可供更新維護(hù)，保證有關(guān)數(shù)據(jù)資料完整。兼顧信息的開(kāi)放性和安全性，設(shè)置用戶權(quán)限。

3.2.3 維護(hù)更新

根據(jù)防火涂料的市場(chǎng)環(huán)境，數(shù)據(jù)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)持續(xù)更新，保證數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)用意義。更新該系統(tǒng)時(shí)，需考慮兩個(gè)問(wèn)題，即利用新信息替換原有信息以及原本信息是否保留。事實(shí)上，更新信息庫(kù)的方式既和采集信息的手段有關(guān)，還和信息組織形式有聯(lián)系。因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)信息形式較為一致，只有數(shù)值與字符兩種，為豐富信息類型，可采取以下更新手段：

（1）根據(jù)現(xiàn)有版本的信息系統(tǒng)進(jìn)行更新操作，應(yīng)設(shè)定查新的間隔時(shí)間，并在設(shè)置更新時(shí)間前，關(guān)注市場(chǎng)上的涂料產(chǎn)品變化情況，不斷收集整理，批量錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。

（2）采取系統(tǒng)版本更新，如今擁有的信息模型和結(jié)構(gòu)比較單調(diào)，在市場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)演化中，相應(yīng)防火涂料可能跟不上更新速度，但也在持續(xù)創(chuàng)新中，并且用戶側(cè)重的數(shù)據(jù)點(diǎn)有差異，直接通過(guò)升級(jí)版本，滿足用戶需要。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋼材對(duì)建筑工程的重要性不言而喻，但受到其自身耐火能力的局限，施工中，通常會(huì)額外進(jìn)行防火處理。本文討論的主要防火涂料使鋼結(jié)構(gòu)能在高溫環(huán)境中具備承載能力，為火災(zāi)發(fā)生時(shí)人們的室內(nèi)逃生爭(zhēng)取時(shí)間。