钢结构防火措施选型及经济性能分析

建筑钢结构自面世以来，因其相对于传统建筑材料的诸多优点而被广泛应用到建筑结构中。随着我国钢产量逐年增加并连续多年稳居世界第一，钢结构在我国得到了快速发展。目前钢结构主要应用于大跨度以及超高层等能充分显示其优势的结构体系中，而在其他类型建筑，如住宅、商业建筑中应用偏少。

2016年《政府工作报告》明确提出“积极推广绿色建筑和建材，大力发展钢结构和装配式建筑，提高建筑工程标准和质量……”；北京市《关于加快发展装配式建筑的实施意见》“鼓励学校、医院、体育馆、商场、写字楼等新建公共建筑优先采用钢结构建筑，其中政府投资的单体地上建筑面积1万平米（含）以上的新建公共建筑应采用钢结构建筑”。钢结构是绿色环保和最适合装配的结构材料，在建筑工业化浪潮及钢铁行业“去库存”的大环境下，如何冲破桎梏，发挥其优势，造福社会，是摆在从业人员面前的一个课题。

钢结构建筑的火灾危险性

钢结构在火灾中的表现是由钢材的物理性能决定的。根据研究，在200℃以下，其强度折减不多，甚至在某个区间还有一定程度的升高；在高于200℃的情况下其强度随着火场温度升高迅速下降，600-800℃时，几乎彻底丧失承载能力。火场温度一般均在800-1000℃以上，如下图1所示，无防护的裸露钢结构会在15min后失效。

钢材的失效极易造成建筑物的倒塌，无防护或防护不到位的钢结构建筑一旦发生火灾往往造成特大恶性事故。1998年北京某家具城火灾造成1.3万平米钢结构全部倒塌；2003年青岛某食品加工厂火灾，钢屋架倒塌导致未能及时疏散的几十名员工死亡；因此，做好钢结构防火保护工作，对于保障生命财产安全，杜绝恶性事故的发生具有十分重要的现实意义。

三、钢结构防火保护

钢结构防火是钢结构设计时必须重点考虑的内容，如何做好建筑钢结构的防火处理已经成为目前钢结构业内主要的研究方向。常规建筑钢结构一般根据防火规范的要求采取相应的防火措施进行防护，而对一些超出规范要求的特殊形式的建筑物如超大型商场、机场航站楼、文化娱乐项目等常采用性能化消防设计。

消防性能化采用可靠的分析工具和方法对建筑中的火灾场景进行确定性和随机性定量分析。根据性能化防火设计的结果，钢结构的保护区域与传统的设计具有很大的不同，结构构件可以降低防火等级甚至不需要防火保护。

钢结构建筑的防火措施分为主动防火和被动防火。主动防火主要指结合火灾探测而进行的主动灭火措施，改变火灾现场的行为，如喷淋装置和消防员的灭火行为等；被动防火主要指在结构设计和构造措施上采取合理措施，提高结构的抗火性能，并不改变火灾火场。

2.1主动防火措施

主动防火措施主要包括自动喷水、喷雾等自动灭火与抑制火灾增长系统，广义上还包括防火辅助和警报器具、快速疏散指示标志、消防员灭火行为等。根据相关资料，自动喷淋灭火系统的灭火成功率高达95%以上，特别对控制初期火灾非常有效。

正因如此，部分国外防火规范允许布置主动防火系统时，可以弱化被动防火要求，从而在保证安全的情况下，降低钢结构防火造价。这是一项在住宅特别是低、多层钢结构住宅中可普及使用且具经济性的消防设施。

2.2被动防火措施

1）包敷法防火

包敷法主要是用固体耐火的材料将钢结构整体彻底包起来。固体的耐火材料不但有不燃性，还有较大热容量，将它用作耐火的保护层就能让构件升温减缓。目前，工程中一般多采用无机防火板，比如使用硅酸钙板、石膏板、蛭石板等。此方法主要用于形状规则的梁、柱等构件、对落灰洁净度要求极高的制药车间以及低、多层轻钢结构房屋中。

2）喷涂法防火

所谓的喷涂法，就是在钢结构的表面上涂一层防火的涂料，进而让钢结构上形成一层保护膜，利用材料本身的防火性或者发泡产生的致密绝热、隔热保护层，延缓钢结构温升时间，提高钢结构构件的耐火极限。

按不同方式，防火涂料的分类如下图6所示。在工程开发应用中，主要按涂层厚度分为厚涂型防火涂料、薄涂型防火涂料及超薄型防火涂料。

由上表可知，在工程应用时，防护时间两小时以上时，如高层建筑中的钢柱，只能选用厚涂型，其它情况可以根据项目情况选择厚、薄或者超薄型喷涂。由于组成材料的不同，薄涂型、超薄型防火涂料在火灾下会分解出有毒有害气体，对火场人员及消防员产生危害。因此，如无特殊要求，均建议选用厚涂型。

目前，防火涂料正朝着超薄型、高耐候性、高装饰性和环保型的方向发展。2016年已有国外厂家生产出耐火极限为2.21小时，厚度以微米计的超薄型防火涂料。

3）屏蔽法防火

屏蔽法通常用于钢屋盖的防火，通过屋盖下的耐火吊顶来延缓下部火灾造成钢屋盖的升温。屏蔽法造价高，占用较大的建筑空间，且由于接缝处窜火等问题，工程应用不多。

4）充水冷却法防火

钢结构的充水冷却，就是往空心的封闭柱中充满水，出现火灾的时候，构件就会将从火中吸收来的热量转给柱中的水，从而使构件温度保持到100℃左右。这是理论上最为理想的防火保护方法，但在实际中由于使用管结构较少，且循环系统造价高，须考虑防锈防冻等问题，因而在实际中应用很少。

5）耐火钢

耐火钢是通过在结构钢中加入钼等合金元素，从而使钢材在规定的耐火时间内保持较高的强度。无涂覆防火层时能达到耐火等级4级梁的耐火极限，其它情况时需配合防火涂料等防火措施，但防火涂层厚度可大大减少，减少防火造价。国家大剧院即成功应用了武钢生产的耐火钢，既保证了防火安全，又实现了建筑师对美的追求。

四、选用指引及经济性分析

1、各种防火措施的对比分析

根据各种防火措施施工难易程度、适用范围、造价等因素，其优缺点对比可总结为如下表2所示，得分最高的为五星，最低为一星。

由于耐火钢目前尚处于研究推广阶段，且除四级钢梁外，耐火钢仍需附加其它防火措施，故目前工程应用不多。但对三层以下的轻钢结构房屋来说，选择耐火耐腐钢将是一个趋势。

屏蔽法和充水冷却法由于适用范围小，工程应用较少，特别是充水冷却法，应用案例更是少见。目前常用的钢结构防火措施主要为包敷法和喷涂法。如表2所示，综合考虑工期、异形截面处理难度、占用建筑空间等因素，在多、高层公共建筑中绝大多数采用的是喷涂防护涂料的方法。

2、喷涂法经济性能分析

喷涂法是近年来应用最多并且发展趋势最好的防护方法，统计资料显示，喷涂法在90%的钢结构工程中发挥着关键作用。其绝对造价以及其在钢结构造价中的比例，甚至是如何节省防火造价都是值得关心的。

根据调研，目前市场上喷涂法防火报价如下表3所示，价格为包工包料含税价，其中面积指防护构件表面积。

注：a.防护时间为1.5小时的国产水性防火涂料一般用于钢结构厂房；b.国产超薄型防火涂料价格差异悬殊，产品质量参差不齐；

由于专业厂家均按防护构件表面积报价，具体项目参考时，造价指标不够直观。现以某超高层钢结构为范本，分析其经济性能。标准层平面如下图所示，柱采用钢管混凝土柱，截面尺寸为1.1x1.5m；钢梁为H型钢梁，外围主钢梁为900x400（500），内主梁及次梁典型截面为600x200。梁柱均采用厚型防火涂料，梁耐火极限为2h，柱为3h。分析结果见表4所示。

注：a.建筑面积不含核心筒面积；b.钢梁报价按9500元/吨，钢柱按10500元/吨计；

由上表可知，虽然钢梁的单位防护费用较低，但因钢梁的防护面积远大于钢柱，导致钢梁的防护总费用高于钢柱；以国产品牌防火涂料为例，梁、柱防火费用与其钢结构造价比分别达到了10.9%和4.3%，总防火费用占钢结构造价比达到了6.8%，防火造价已成为不得不考虑的问题。

进口品牌防火涂料的费用高出国内品牌至少在50%以上，价格差的存在有其合理性的一面。国内防火涂料技术的进步有目共睹，但在防火稳定性、与基材接触的紧密性和耐久性等方面还有一定差距。消防管理部门对高端项目，如北京CBD地区的项目一般会提出超出规范要求的防火要求，根据调查，此类项目大多选择进口品牌。

结语

当前钢结构的防火方法众多，各种方法均存在各自的优点和缺陷，在理论研究及实际工程中仍需不断探索和总结，从而得到更多方便可行的实用方法，减少火灾造成的损失，也为钢结构进一步更广阔的发展提供条件。