孫碩科，付素娟，董蘇然，任全，何進(jìn)

（1.河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050227；2.河北省裝配式住宅工程研究中心（籌），河北 石家莊 050227；3.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050227；4.河北建研建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050227；5.河北省高速公路京雄籌建處，河北 保定 071700）

0 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑由于具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、施工速度快、抗震性能優(yōu)等特點(diǎn)而被越來(lái)越多的高速公路配套房建工程所推廣和使用，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑相較于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)建筑，所花費(fèi)的建設(shè)周期更短，可在降低建造成本的同時(shí)，提升施工效率[1]。但鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能差，在火災(zāi)下其強(qiáng)度是溫度的函數(shù)，當(dāng)溫度為400℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度降至室溫下強(qiáng)度的1/2，溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度降至室溫下強(qiáng)度的1/3，當(dāng)溫度超過(guò)600℃時(shí)基本喪失全部的強(qiáng)度和剛度[2]。因此，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就顯得尤為重要。

在實(shí)際工程中，由于現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)建筑防火方法較多，在進(jìn)行裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)時(shí)，如何選用適合的防火方法就顯得尤為重要。本文結(jié)合目前高速公路配套裝配式建筑的技術(shù)特點(diǎn)，介紹了適用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防火方法，分析了各方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)防火方法的選用提出合理化建議。

1 鋼結(jié)構(gòu)防火方法

普通鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火方法主要包括：噴涂防火涂料、外包輕質(zhì)防火板材、包裹柔性氈狀隔熱材料、澆筑混凝土或砌筑砌塊、水噴淋法、充水冷卻法。

1.1 噴涂防火涂料

在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面噴涂防火涂料是目前較為常用的鋼結(jié)構(gòu)防火方法，該方法施工簡(jiǎn)便，防火涂料質(zhì)量輕，且不受鋼結(jié)構(gòu)幾何形狀的限制，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和適用性。根據(jù)在高溫情況下防火涂料厚度變化，分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料。

1.1.1 膨脹型防火涂料

膨脹型防火涂料即薄型防火涂料，厚度一般不超過(guò)7 mm，當(dāng)厚度小于3 mm時(shí)又稱其為超薄型防火涂料。膨脹型防火涂料一般以有機(jī)樹脂作為基料，并配合發(fā)泡劑和碳化劑等共同構(gòu)成，當(dāng)遇到高溫時(shí)，涂料本身體積會(huì)發(fā)生膨脹，形成多孔碳質(zhì)層，該碳質(zhì)層不僅可以隔絕外界氧氣，還可以減小外部熱源對(duì)鋼材本身傳遞的熱量，耐火極限可達(dá)0.5～2.0 h。

膨脹型防火涂料涂層薄，質(zhì)量輕，施工方便，抗振性能優(yōu)，由于涂料顆粒細(xì)，可兼具一定的裝飾作用，但值得注意的是：（1）膨脹型防火涂料在受熱發(fā)泡時(shí)時(shí)一般會(huì)分解出有毒有害氣體，會(huì)對(duì)火場(chǎng)人員以及消防滅火人員的身體健康造成危害；（2）涂層易老化，耐久性差，從而導(dǎo)致粉化剝落，進(jìn)而喪失防火性能[3]。

1.1.2 非膨脹型防火涂料

非膨脹型防火涂料即厚型防火涂料，宜用作室內(nèi)隱蔽構(gòu)件防火涂料，涂層厚度范圍從7 mm到50 mm，耐火極限可達(dá)0.5～3.0 h。該防火涂料的主要成分為無(wú)機(jī)絕熱材料，高溫下體積不發(fā)生膨脹，自身具有良好的絕熱性能，可有效降低外部熱源傳遞到鋼材的熱量。

非膨脹型防火涂料一般不燃，在高溫下不產(chǎn)生有害氣體，耐久性較好，可適用于永久性建筑防火。但該防火涂料與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)性能較差，在地震、碰撞和爆炸等作用下會(huì)發(fā)生破損或者脫落，從而使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部或部分失去防火保護(hù)。

1.2 外包輕質(zhì)防火板材

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件外包輕質(zhì)防火板也是目前常用的一種鋼結(jié)構(gòu)防火方法。輕質(zhì)防火板材多為纖維增強(qiáng)水泥板（如TK板、FC板）、石膏板、硅酸鈣板、蛭石板等。

鋼結(jié)構(gòu)防火板材分為密度大、強(qiáng)度高的薄板以及密度較小的厚板。薄板導(dǎo)熱系數(shù)在0.2～0.4 W/（m·K），厚度一般為6～15 mm，可用作輕鋼龍骨隔墻板及吊頂板，或鋼梁、鋼柱經(jīng)厚型涂料噴涂后的裝飾面板；厚板導(dǎo)熱系數(shù)小于0.08W/（m·K），其厚度多為20～50 mm，自身防火隔熱性能優(yōu)異，可直接用于鋼結(jié)構(gòu)防火。

外包輕質(zhì)防火板材的防火方法需要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，固定和穩(wěn)固鋼結(jié)構(gòu)的龍骨和粘結(jié)劑為不燃材料，保證在高溫情況下，防火板材粘結(jié)牢靠，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

1.3 包裹柔性氈狀隔熱材料

在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件外部包裹隔熱毯、隔熱膜等柔性氈狀隔熱材料，可以起到防火作用，該方法隔熱性能好，施工方便，且造價(jià)低；但隔水性能差，不能保證鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用過(guò)程中免受機(jī)械傷害，因此，在包裹隔熱材料的外層需要外設(shè)金屬保護(hù)殼。

1.4 澆筑混凝土或砌筑砌塊

利用混凝土或砌塊的耐燒性，在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件外部外包混凝土或砌塊，可有效提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限，需要注意的是混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20、砌塊的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于MU10，砌筑砂漿強(qiáng)度不應(yīng)低于M5；當(dāng)外包混凝土?xí)r，為了保證混凝土與鋼材之間的可靠粘結(jié)，通常在混凝土外部外包金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸不應(yīng)大于20 mm，絲徑不應(yīng)小于0.6 mm。

1.5 水噴淋法

在鋼結(jié)構(gòu)建筑頂部布置水管管道并安裝噴淋系統(tǒng)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，噴淋裝置自動(dòng)打開，通過(guò)噴水的方式降低鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度，延長(zhǎng)其耐火極限，該種防火方法需要在鋼結(jié)構(gòu)建筑中鋪設(shè)噴淋管道，加裝噴淋裝置，大大增加了工程量，成本較高，建筑物整體性也受到一定的影響。

采用水噴淋法的防火方法對(duì)噴淋裝置周圍的溫度有要求，即不能低于0℃，否則容易造成噴淋管道脹裂，噴淋系統(tǒng)失去作用。

1.6 充水冷卻法

充水冷卻法與水噴淋法原理類似，都是通過(guò)水來(lái)降溫，提高結(jié)構(gòu)的耐火極限，不同之處在于：充水冷卻法是在空心鋼構(gòu)件內(nèi)部充水，通過(guò)水在空心鋼構(gòu)件內(nèi)部循環(huán)來(lái)將鋼構(gòu)件表面熱量轉(zhuǎn)移，該方法可以保證鋼構(gòu)件在火災(zāi)過(guò)程中保持較低溫度，但其適用性比較窄，僅適用于0℃以上環(huán)境，且構(gòu)件為空心鋼構(gòu)件，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)中常用的工字鋼、槽鋼等截面形式的鋼構(gòu)件不適用，而且在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)增加結(jié)構(gòu)自重、容易造成空心鋼構(gòu)件內(nèi)部銹蝕，對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)防火方案選用

普通鋼結(jié)構(gòu)防火方法在使用時(shí)，可以是其中之一或者是幾種方法的組合，例如，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在涂刷防火涂料后仍可以外包輕質(zhì)防火板，這樣可以給予鋼結(jié)構(gòu)雙重防火保護(hù)。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)防火本質(zhì)上與普通的鋼結(jié)構(gòu)防火方法相通，但又因其建造方式的不同而有所側(cè)重，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑以現(xiàn)場(chǎng)拼接為主，節(jié)點(diǎn)多采用栓接方式（免焊）進(jìn)行連接；外圍護(hù)系統(tǒng)采用預(yù)制墻板安裝，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少；內(nèi)裝系統(tǒng)及設(shè)備管線系統(tǒng)多采用支撐體與填充體分離的一體化內(nèi)裝體系，模塊化、集成化、接口標(biāo)準(zhǔn)化程度高。而普通的鋼結(jié)構(gòu)建筑雖然也對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行拼接，焊接栓接都可，無(wú)栓接傾向；外圍護(hù)系統(tǒng)多應(yīng)用二次砌筑濕作業(yè)砌塊墻；內(nèi)裝系統(tǒng)及設(shè)備管線系統(tǒng)多采用毛坯裝修方式，內(nèi)裝體系與結(jié)構(gòu)體系不分離，設(shè)備管線與結(jié)構(gòu)體系不分離。參考普通鋼結(jié)構(gòu)防火方法，也可以是一種或幾種防火方法的組合。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)防火方案的選用應(yīng)本著以下原則：

（1）防火保護(hù)施工及后續(xù)使用過(guò)程中不應(yīng)產(chǎn)生有毒有害氣體；（2）鋼結(jié)構(gòu)受火后發(fā)生允許變形時(shí)，其防火保護(hù)不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞及失效；（3）防火方法的選用應(yīng)符合裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工特點(diǎn)。

澆筑混凝土與砌筑砌塊的防火方法現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多，因此不適用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防火，且考慮到水噴淋法和充水冷卻法的造價(jià)較高和適用性較窄的問(wèn)題，在實(shí)際裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程中建議優(yōu)先選用其他方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)。

GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》對(duì)鋼結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件類型的設(shè)計(jì)耐火極限進(jìn)行了規(guī)定（見(jiàn)表1），并作為強(qiáng)制性條文進(jìn)行嚴(yán)格執(zhí)行。

表1 構(gòu)件的設(shè)計(jì)耐火極限

高速公路配套房建工程單體體量小，通常為多層建筑，按照GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，此類建筑為單、多層重要公共建筑，其耐火等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)，考慮到實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)性，高速公路房建裝配式鋼結(jié)構(gòu)配套工程多以二級(jí)防火等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二級(jí)防火等級(jí)設(shè)計(jì)的建筑中，柱、柱間支撐作為重要的豎向受力構(gòu)件，其耐火極限較為嚴(yán)苛，為2.50 h，樓面梁、樓面桁架、樓面支撐的耐火極限為1.50 h，其他結(jié)構(gòu)的耐火極限均為1.00 h。

2.1 單一防火方案

單一防火方案即采用一種裝配式鋼結(jié)構(gòu)防火方法進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，可以減少防火施工工程量。

2.1.1 噴涂防火涂料

對(duì)于耐火極限要求為2.5 h的柱及柱間支撐，由于膨脹型防火涂料的耐火極限一般為0.5～2.0 h，因此，不宜選用膨脹性防火涂料對(duì)柱及柱間支撐進(jìn)行噴涂；非膨脹型防火涂料的的耐火極限可以達(dá)到0.5～3.0 h以上，工程實(shí)際使用的非膨脹型防火涂料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)與設(shè)計(jì)要求不一致時(shí)，其施用厚度的確定可根據(jù)GB 51249—2017附錄A中的公式進(jìn)行確定。需要注意的是，非膨脹型防火涂料與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)性能較差，將其應(yīng)用于柱及柱間支撐時(shí)，宜在其中設(shè)置與鋼構(gòu)件相連接的鍍鋅鐵絲網(wǎng)或玻璃纖維布，增強(qiáng)其與鋼結(jié)構(gòu)主體的粘結(jié)性能。

樓面梁、樓面桁架以及樓面支撐的耐火極限要求為1.5h，不建議選用膨脹型防火涂料對(duì)樓面梁、樓面桁架以及樓面支撐進(jìn)行防火設(shè)計(jì)；非膨脹型防火涂料的耐火極限可以滿足要求，但考慮到其施用厚度大于7 mm，粘結(jié)性能較差，即使選用鍍鋅鐵絲網(wǎng)或網(wǎng)格纖維布進(jìn)行固定，其與鋼材之間也可能出現(xiàn)間隙而變形，出現(xiàn)鼓包，不利于后期防火，且易給人視覺(jué)沖擊。圖1所示為涂料脫落及鼓包。

樓板、屋面承重構(gòu)件等其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限要求均為1h，可以采用膨脹型防火涂料進(jìn)行噴涂?？紤]到非膨脹型防火涂料的粘結(jié)性能差，因此，不宜將其應(yīng)用于樓板、上人平屋面板以及疏散樓梯等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

2.1.2 外包輕質(zhì)防火板材

輕質(zhì)防火板材的種類較多，有的防火板還兼具裝飾作用，符合裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工特點(diǎn)。可根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》附表1中各類非木結(jié)構(gòu)的耐火極限及構(gòu)造要求確定防火板材的厚度，當(dāng)工程實(shí)際使用的防火板材的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)與設(shè)計(jì)要求不一致時(shí)，其施用厚度的確定可根據(jù)GB 51249—2017附錄A中的公式進(jìn)行確定。防火板材的耐火極限可以達(dá)到耐火極限為2.5 h的柱及柱間支撐防火要求，因而可以將其用于高速公路房建鋼結(jié)構(gòu)配套工程中柱及柱間支撐的防火。

對(duì)于樓面梁、樓面桁架以及樓面支撐耐火極限需要達(dá)到1.5 h，可選用防火吊頂進(jìn)行裝飾，防火吊頂?shù)姆阑鹪砼c外包輕質(zhì)防火板材相同。防火吊頂可以選用防火玻鎂板、硅鈣板、鋁扣板、鋁塑板、石膏板。防火玻鎂板的防火等級(jí)為A1級(jí)，可以承受3 h以上的明火燃燒，其內(nèi)部可吸收大量熱量，阻止火勢(shì)蔓延和溫度的升高；硅鈣板的防火等級(jí)為A1級(jí)，在1000℃高溫下保持3 h不燃燒，而且也不會(huì)產(chǎn)生有毒的氣體和煙霧；鋁扣板和鋁塑板的防火等級(jí)為B1級(jí)，屬于建筑難燃材料，但相對(duì)來(lái)說(shuō)鋁塑板的價(jià)格要低于鋁扣板，但強(qiáng)度沒(méi)有鋁扣板高；石膏板的防火等級(jí)屬于B1級(jí)，高溫下不產(chǎn)生有毒有害氣體。

防火吊頂對(duì)樓板屋面承重構(gòu)件、屋蓋支撐、系桿等耐火極限要求1 h的結(jié)構(gòu)構(gòu)件兼具保護(hù)作用；對(duì)于疏散用的樓梯間亦可用防火板包覆方法進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，但應(yīng)對(duì)一些強(qiáng)度不高的防火板，如巖棉板等，需要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，避免施工及后續(xù)使用過(guò)程中發(fā)生磕碰，損壞防火板材。

2.2 復(fù)合防火方案

復(fù)合防火方案即2種及以上防火方法的組合設(shè)計(jì)，工程量會(huì)有所增加，但防火性能更優(yōu)。本文基于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)，介紹2種適用于高速公路配套鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)合防火方案。

2.2.1 防火涂料+防火板材

防火涂料涂裝的防火方法作為應(yīng)用最廣泛的防火方法，可與其他防火方法進(jìn)行組合應(yīng)用。噴涂防火涂料后，鋼柱外側(cè)可以包裹輕質(zhì)防火板材。由于采用了2種防火方法組合，對(duì)于防火涂料及輕質(zhì)防火板材的耐火極限要求有所降低，可以選用膨脹型防火涂料噴涂，減少了選用非膨脹型防火涂料時(shí)安裝鐵絲網(wǎng)或網(wǎng)格纖維布的工程量，外包的輕質(zhì)防火板材厚度相應(yīng)的也可以減小，從而降低部分防火板材質(zhì)量，但同時(shí)需要注意，用于安裝防火板材的龍骨焊接在鋼材表面，會(huì)對(duì)鋼材表面防火涂料造成破損，但對(duì)于防火性能影響很小，主要影響的是鋼結(jié)構(gòu)的局部防腐性能。

2.2.2 耐火鋼+防火涂料

裝配式鋼結(jié)構(gòu)房建工程鋼梁、鋼柱不宜選用膨脹型防火涂料，應(yīng)采用非膨脹型防火涂料的進(jìn)行噴涂，需要增設(shè)鋼絲網(wǎng)或玻璃纖維布以防止涂料后期因附著力不夠而剝落[4]，施工過(guò)程較直接噴涂防火涂料繁瑣，將耐火鋼應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)房建工程的鋼梁、鋼柱，可以選用膨脹型防火涂料，減小涂層厚度，簡(jiǎn)化施工過(guò)程，減輕涂料的重量，這在一定程度上可以提高結(jié)構(gòu)的安全度。

考慮到防火涂料裝飾性能不及防火板材，因此該復(fù)合防火方案可適用于地下車庫(kù)及地下室部位鋼梁、鋼柱的防火設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

（1）采用單一防火方案時(shí)：建議選用外包兼具裝飾作用防火板的方法，該方法符合裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑裝飾裝修一體化的特點(diǎn)。

（2）水淋法和充水冷卻法由于維修難度大、工程造價(jià)高，在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)防火中應(yīng)用較少，因此不建議將其應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)防火。

（3）澆筑混凝土與砌筑砌塊的防火方法，由于現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多，因而不宜用該方法來(lái)做裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防火。

（4）當(dāng)采用復(fù)合防火方案時(shí)，可降低對(duì)使用的各個(gè)防火方法的防火要求，如防火涂料可以選用膨脹型防火涂料，防火板材厚度亦可適當(dāng)減小，增加使用空間。