近年來(lái)，隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)全球氣候變暖的日益關(guān)注，人們開(kāi)始更多偏向于低碳、綠色可持續(xù)發(fā)展的建筑材料和體系。在這樣的環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)也因它們裝配度高建造快捷且材料可循環(huán)利用等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。
現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)
防火設(shè)計(jì)作為建筑設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，密切影響著建筑設(shè)計(jì)的完整性。通過(guò)合理的防火設(shè)計(jì)，不僅可以優(yōu)化建筑的空間結(jié)構(gòu)，也能幫助人們?cè)谠庥龌馂?zāi)時(shí)有足夠的時(shí)間撤離現(xiàn)場(chǎng)。
木材容易著火么？肯定是的。木材本身便是可燃物質(zhì)，在《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》gb50016-2014（2018版本）中其火災(zāi)危險(xiǎn)性為丙類，燃燒性能等級(jí)為b2級(jí)，若將木材作為結(jié)構(gòu)材使用，其必須要經(jīng)過(guò)一定的阻燃處理，否則在使用上將受到很大的限制；而鋼材強(qiáng)度高、延性好，且與木結(jié)構(gòu)一樣可場(chǎng)內(nèi)加工，但鋼材導(dǎo)熱快，材料性能受溫度影響明顯，因此防火在二者中顯得尤為重要，也因如此，人們還會(huì)比較二者在火災(zāi)中到底誰(shuí)表現(xiàn)更優(yōu)。
鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)行防火設(shè)計(jì)措施
鋼材本身雖屬于不燃物,但鋼材的材料性能受溫度影響大，在250℃，鋼材的沖擊韌性下降，超過(guò)300℃，屈服點(diǎn)與極限強(qiáng)度顯著下降。在實(shí)際火災(zāi)中，荷載不變的情況下, 鋼結(jié)構(gòu)失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為500℃左右，而一般火場(chǎng)溫度會(huì)達(dá)到800℃～1000℃，且鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱快，很容易在高溫下全截面溫度上升，很快出現(xiàn)塑性變形，產(chǎn)生局部破壞，最終造成整體倒塌失效。
火災(zāi)后，鋼結(jié)構(gòu)塌在木梁上
鋼結(jié)構(gòu)中根據(jù)防火原理不同，其防火措施可分阻熱法和水冷卻法。
阻熱法
通過(guò)在鋼材外圍噴涂防火材料或外包耐火材料，使火災(zāi)發(fā)生時(shí)鋼材外能形成或具備隔熱保護(hù)層，以提高鋼材的耐火極限。
鋼結(jié)構(gòu)防火包覆板
水冷卻法
水比熱容較大，能夠吸收大量的熱，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)候，可以依靠在鋼結(jié)構(gòu)上部布置的噴淋系統(tǒng)在鋼結(jié)構(gòu)表面形成水膜，水膜吸收熱量蒸發(fā)以延緩鋼材達(dá)到失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度。除此之外，對(duì)于空心的鋼結(jié)構(gòu)，可向內(nèi)充入含阻銹劑和防凍劑的水，火災(zāi)時(shí)通過(guò)水在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的循環(huán)，吸收熱量，使鋼材在火災(zāi)中保持較低溫度，避免高溫失效破壞。
木結(jié)構(gòu)現(xiàn)行防火設(shè)計(jì)措施
現(xiàn)行的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》gb50016-2014（2018版）中特別在第十一章中對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的高度、建筑面積、適用類型、建筑物之間的防火間距、構(gòu)件的耐火極限、消防設(shè)施配置等防火技術(shù)要求進(jìn)行了明確的規(guī)定。木結(jié)構(gòu)防火主要分為輕型木結(jié)構(gòu)防火和重型木結(jié)構(gòu)防火。國(guó)內(nèi)木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)主要采用的是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》gb50005-2017中第十節(jié)中涉及的原理和方法。
輕型木結(jié)構(gòu)
對(duì)于規(guī)范要求需達(dá)到一定耐火極限的輕型木構(gòu)件，其防火方法主要是對(duì)可燃的木構(gòu)件包覆材料進(jìn)行難燃或不燃處理，以阻斷火焰與木構(gòu)件直接接觸。傳統(tǒng)的做法之一是在木龍骨之間添加保溫隔熱材料，并在其外面覆蓋石膏板。在實(shí)際工程中可以通過(guò)選擇不同級(jí)別的保溫材料和石膏板以使輕型木構(gòu)件達(dá)到不同的耐火極限時(shí)間。試驗(yàn)證明，輕型木墻和木樓板的耐火極限時(shí)間可以達(dá)到0.75h~2h。
防火木墻體燃燒后
重型木結(jié)構(gòu)
依據(jù)現(xiàn)行的《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》gb50005-2017國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，常采用較大截面的構(gòu)件以達(dá)到相應(yīng)的耐火極限。截面大小需按照構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限要求，保證木構(gòu)件火燒時(shí)截面扣除以38mm/h的名義線性碳化速率燃燒計(jì)算得到有效碳化層厚度后，內(nèi)部剩余截面大小仍能滿足承載力設(shè)計(jì)要求。
重型木構(gòu)件燃燒后剩余截面
鋼、木結(jié)構(gòu)防火pk
1)在著火時(shí)間較短情況下，鋼結(jié)構(gòu)的損失會(huì)明顯小于木結(jié)構(gòu)。短期的高溫火燒會(huì)使得木材表面碳化變色,且往往不可逆，在這樣的火災(zāi)后，木結(jié)構(gòu)需要重新翻新甚至重建。
被燒黑的木椅子
2)在著火時(shí)間較長(zhǎng)情況下，一個(gè)最終結(jié)果可能是全部垮塌，一個(gè)可能是全部燒沒(méi)。雖鋼結(jié)構(gòu)著火點(diǎn)很高，但其會(huì)在500攝氏度左右強(qiáng)度和剛度大部分流失而易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)瞬間崩塌，而這個(gè)溫度在火情中是很尋常的。最典型的例子就是美國(guó)的911襲擊中，世貿(mào)中心大樓的瞬間倒塌，就是因?yàn)轱w機(jī)碰撞后引起大火，大火使得鋼梁強(qiáng)度迅速減弱失去承載力，使得上部構(gòu)件向下塌陷而全部垮塌。而木結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱能力比鋼結(jié)構(gòu)差很多，當(dāng)外部著火升溫時(shí)，木材內(nèi)部溫度不一定會(huì)很高，即使外部燒焦后，內(nèi)部核心區(qū)域仍能正常工作，木材能逐步退出工作，不至于突然性垮塌。
由于木材的燃點(diǎn)比鋼材低，同樣溫度下，木材碳化層比鋼結(jié)構(gòu)失效先出現(xiàn)，即表層木材是比同等鋼結(jié)構(gòu)先退出工作的。如果木結(jié)構(gòu)截面太小，全截面都是碳層也是毫無(wú)意義，所以小于某個(gè)截面時(shí)，木結(jié)構(gòu)會(huì)比鋼結(jié)構(gòu)先垮塌，也不見(jiàn)得比鋼結(jié)構(gòu)好。
總的來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)在防火設(shè)計(jì)中，從設(shè)計(jì)中考慮的耐火極限來(lái)說(shuō)，二者依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有效的防火措施并滿足相應(yīng)要求下，兩者可以說(shuō)是不相伯仲。
二者的防火設(shè)計(jì)目的不在于這個(gè)過(guò)程中能抗住多少高的溫度，而都在于二者誰(shuí)能給建筑中的人員更有效的預(yù)警信號(hào)和更多的逃離時(shí)間。
引發(fā)思考
基于能給建筑中的人員更有效的預(yù)警信號(hào)和更多的逃離時(shí)間這一點(diǎn)，結(jié)合目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.0智慧城市對(duì)于創(chuàng)造美好城市、對(duì)民生環(huán)保公共安全等智能響應(yīng)的概念，引發(fā)新的思考：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入其他元素，進(jìn)行信息技術(shù)智能應(yīng)用、人智慧參與、以人為本、可持續(xù)發(fā)展，給建筑結(jié)構(gòu)賦能。
萬(wàn)物互聯(lián)，鋼是導(dǎo)體，想象我們?cè)阡撨B接鏈路中引入斷路報(bào)警，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)局部因?yàn)榛馂?zāi)被破壞時(shí)，觸發(fā)報(bào)警。針對(duì)鋼構(gòu)件局部溫度變化感知，在鋼結(jié)構(gòu)表面引入熱敏報(bào)警，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)鋼材因?yàn)榛馂?zāi)溫度變化上升至一定程度時(shí)，熱敏探測(cè)單元立刻報(bào)警反應(yīng)。通過(guò)傳感器和探測(cè)器實(shí)現(xiàn)這兩種報(bào)警外，還可再通過(guò)信息與火災(zāi)消防報(bào)警聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)更快速的報(bào)警。
在木結(jié)構(gòu)中，又是如何思考進(jìn)行賦能呢？木結(jié)構(gòu)燃燒，附近溫度和二氧化碳濃度增高，想象我們對(duì)木結(jié)構(gòu)部件局部溫度變化感知，引入熱敏報(bào)警，同時(shí)引入二氧化碳濃度探測(cè)及報(bào)警。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，觸發(fā)兩種報(bào)警，比依托外部的消防系統(tǒng)預(yù)警更快速。傳統(tǒng)預(yù)警是通過(guò)消防系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，存在時(shí)間和空間上的跨越，而通過(guò)智慧連接的方式，鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)本身直接具備了監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。
盡管火災(zāi)的順序不一定是從結(jié)構(gòu)先起，賦能部分不一定是最先響應(yīng)的，但從結(jié)構(gòu)我們?cè)傺由斓秸w建筑的防火思考，賦能范圍更大，預(yù)警范圍更全面，那么，建筑具備對(duì)公共安全的智能響應(yīng)也更準(zhǔn)確有效。