引言:
2010年11月15日14時，上海余姚路膠州路一棟高層公寓起火。據附近居民介紹，公寓內住著不少退休教師，起火點位于10-12層之間，整棟樓都被大火包圍著，樓內還有不少居民沒有撤離。大火導致58人遇難，另有70余人正在接受治療。事故原因已初步查明，是由無證電焊工違章操作引起的，施工作業現場管理混亂，存在明顯搶工行為；事故現場違規使用大量尼龍網、聚氨酯泡沫等易燃材料；以及有關部門安全監管不力等問題。
2009年2月9日晚21時許，在建的央視新臺址園區文化中心發生特大火災事故，大火持續六小時，火災由煙花引起。在救援過程中消防隊員張建勇犧牲，6名消防隊員和2名施工人員受傷。建筑物過火、過煙面積21333平方米，其中過火面積8490平方米，造成直接經濟損失16383萬元。
還有很多這樣的案例，對于火災，根據國標《消防基本術語》可以定義為在時間和空間上失去控制的燃燒所造成的災害。隨著我國越來越多的高層、超高層建筑和大空間、大跨度建筑出現在人們的視野，對于這些建筑特別像央視“過火樓”這種外形怪異的高層建筑，一般都是鋼結構建筑或部分采用鋼結構。因為混凝土結構重量太大，而鋼結構由于自重比較輕可以做的很高很大。盡管鋼結構具備這些比較輕、建造快、現場施工量小的優點，但是除了造價高外，它還有個致命的弱點那就是怕火——雖然鋼材本身并不燃燒，但普通鋼材在600攝氏度的環境下，強度就和面條差不多。
一旦大火燒過，鋼結構往往嚴重受損。如果救火時澆水，對其破壞將更加嚴重。鋼結構高層建筑即使發生不大的火災，技術上也必須拆除才能保證安全。因此，如何進一步完善和充實現有建筑防火規范中的相關設計要求、改進鋼結構的耐火設計方法、合理確定建筑的火災安全度，科學、經濟地保障鋼結構建筑的火災安全和保護建筑內的人員生命與財產，便是我們所要研究的方向。
一、鋼結構建筑的特點
1、鋼材本身的特點
l.1材料的強度高，塑性和韌性好
鋼材和其它建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比．強度要高得多。因此，特別適用于跨度大或荷載很大的構件和結構。鋼材還具塑性和韌性好的特點：塑性好，結構在一般條件下不會因超載而突然斷裂；韌性好，結構對動力荷載的適應性強。良好的吸能性和延性還使鋼結構具有優越的抗震性能。另一方面，由于鋼材的強度高，做成的構件截面小而壁薄，受壓時需要滿足穩定的要求，強度有時不能充分發揮。
1.2材質均勻，與力學計算的假定比較符合
鋼材內部組織比較接近于勻質和各向同性，而且在一定的應力幅度內幾乎是完全彈性的。因此，鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質量可以得到嚴格控制，材質波動的范圍小。
1.3鋼材的重量輕
鋼材的強度比混凝土等建筑材料大的同時，鋼材也比鋼筋、混凝土輕。原因足鋼材的強度與密度之比要比混凝上大得多。以同樣的跨度承受同樣荷載，鋼屋架的重量最多不超過鋼筋混凝土屋架的13至14。
2.鋼結構建筑的應用優勢
2.1設計制造周期短，設計生產一體化
現代結構設計借助于計算機和專業化結構分析軟件，使得設計
周期大大縮短，設計中的修改和調整非常方便。同時，由于鋼結構具
有工廠預制、現場安裝的特點，可以將前期設計和現場的生產手段相
結合，通過網絡計算機和數控機床結合，使設計人員在工作室中完成
設計后，即由工廠的生產線完成產品制作，具有極高的效率和精確
度，可以大大減少項目建設周期。
2.2有利合理布置功能區間
在居住建筑中，建筑師和居民一直希望能夠有大跨的無豎向結構的空間，這樣，可以根據需求進行靈活隔斷，使室內布置呈多樣化。傳統住宅由于所用材料的性質，限制了空間布置的自由。鋼結構住宅可以利用鋼材強度高的特點，采用大開間柱網布置，使建筑平面分隔靈活，可以利用非承重墻體靈活分隔室內空間，形成開放式住宅。同時，利用鋼結構連接簡單的特點，在垂直平面內比傳統結構能更好地應用錯層、躍層結構。由于鋼結構住宅的構件截面尺寸小，可以增加使用面積，提高得房率。下圖以梅山苑二期為例，從圖中可見柱截面很小：
2.3承載強度高，抗震性能好
相同的荷載，鋼結構截面最小，相同的截面，鋼結構承載力最大。在抗震設防區，由于鋼結構重量輕，六層輕鋼住宅的重量僅相當于四層磚混結構的重量，因此，本身所受的地震作用小;而且，鋼材具有高延性，有較好的耗能能力，因此，抗震性能好，結構安全度高。
2.4施工優勢突出，綜合造價低
現澆混凝土需要連續施工，在我國北方地區受到施工季節的影響。鋼結構的大部分構件在工廠生產，運往現場通過焊接或螺栓進行整體組裝，可全天候作業。施工現場作業量小，減少了施工臨時用地，對周圍環境污染小，提高了施工的機械化水平。施工時可以節省支模、拆模的材料，由此降低成本，大大加快施工速度。資金價值在施工中充分體現，減少資金成本，對開發商的銷售和資金回籠極為有鋼結構承載力高，可以實現結構的大開間布置，構件截面小，自重比較輕，地基的處理比較容易，可以采用天然基礎型式。由于基礎在工程造價中占有比重比較大，上部結構重量輕可以降低基礎的造價，從而減少整個項目的投資。
2.5符合節約型社會建設的要求:鋼結構適宜工廠大批量生產，工業化、商品化程度高。它能將節能、防水、隔熱、門窗等先進的成品集合在一起，實現綜合成套應用，將設計、生產、施工、安裝一體化，提高住宅的產業化水平。今后隨著城市建設的發展，城市改造需要拆除大量的舊建筑，鋼結構比傳統結構的拆除更容易實施，鋼材回收利用率高、拆除成本低、污染較小，符合可持續發展的要求。當然，鋼結構也有一些缺點，如防火能力差、易銹蝕等。但這些問題隨著科技的發展，設計的改進，先進的防火材料、
防銹涂料及新型耐火耐候鋼的出現將得到很好的解決。
二、鋼結構建筑防火的研究與發展
1、鋼結構防火的研究歷史
1.1國內外對鋼結構的耐火性能與耐火承載力計算方法進行過大量研究
在國外從20世紀60年代開始對鋼管混凝土柱、壓型鋼板-混凝土組合板、鋼-混凝土組合梁在火災下的力學性能進行了大量理論分析和試驗研究。我國從20世紀90年代開始對鋼結構的耐火設計進行了研究，如原哈爾濱建筑大學。福州大學、同濟大學、公安部天津消防科學研究所和清華大學等單位對鋼結構構件平面鋼框架結構的耐火性能進行了一系列研究，提出相關耐火承載力和保護層厚度的計算方法。
在國內外多年的研究下，如今對于鋼材和鋼結構在高溫下的強度、彈性模量及全過程曲線等；高溫下鋼材的熱導率、比熱、容重及膨脹系數等；高溫環境中的破壞特征、不同構件形狀或尺寸變化特征；構件和結構的耐火極限及全過程分析；構件和結構內部溫度場的研究與分析計算；以及關于耐火保護層計算都形成了較為系統的理論。
在火災下單個結構構件的失效并不意味著整體結構的破壞。鋼結構在局部構件發生破壞后仍將因結構內力重分布而具有一定承載力。另外，目前所采用的標準溫升曲線受火條件只考慮了建筑內以纖維火災為主的火災發展過程，未考慮實際的火災荷載、通風條件等因素，其結果與實際狀況有較大差異。因此，如何采用計算機模型模擬真實的建筑火災，并基于不同火災條件下整體結構對火反應分析的結構耐火設計，是鋼結構耐火研究的熱點之一。
而在建筑防火規范中進行基于建筑火災安全性能化設計的規定，則是當前國內外消防安全工程領域內的重點課題，也是建筑防火規范的發展方向。所謂建筑的火災安全性能化設計是區別于現行以處方式規范規定為基礎進行設計的一種利用消防安全工程學等原理、以預定消防安全水平為目標的消防工程設計方法，可視為是對現行規格式規范進行等效定量的一種方法，也可視為是完全脫離規格式要求而制定的性能指標。
設計人員按照設計對象的特性，按規范要求，采用規格式規范或以性能為基礎的設計和評估方法來完成認為可接受或能夠取得最低規定安全水平的設計。該方法包括：(1)建立消防安全總目標和子目標：(2)對火災場景進行定性分析和概率分析；O)N用己被接受的工程應用工具、方法和性能判定標準，按照消防安全總目標和子目標對設計替代方案進行量化與評估。
1．2．1．2鋼結構耐火設計方法研究的發展狀況
隨著人們對結構耐火認識的深入和結構計算理論的發展，鋼結構的耐火設計方法也得到不斷發展。主要分以下幾個階段：
l、基于試驗的構件耐火設計方法：通過在規定荷載分布與各國標準規定的火災時間一溫度曲線條件下對不同類型的構件進行大量耐火試驗，取得試驗數據并確定在采取不同防火措施后構件的耐火時間，以此作為建筑防火設計的依據。這種方法簡單直觀、應用方便，但難以考慮并模擬荷載的分布和大小、構件端部約束條件、實際受火條件等因素。在現行建筑設計防火規范的附錄中給出的數據，均依賴此方法。
2、基于計算的構件耐火設計方法：在考慮了荷載的分布和大小、構件端部約束條件等因素以后應用經典解析方法或有限元等數值方法，通過理論計算來確定構件的耐火極限。目前這種方法己被英國、澳大利亞、歐洲共同體等國家的設計規范采用。但這種方法的受火條件仍是以IS0834的標準升溫曲線為基礎。上述方法所取得的構件耐火極限狀態不能表征整個結構的耐火極限狀態，且試驗費用較高，試驗的受火條件及計算假設均與實際火災有較大差異。因此，只有將整體結構的全過程對火反應分析作為結構耐火設計的基礎，并按實際火災場景的溫度變化進行受火研究分析，才可能與真實狀態接近。
3、基于計算的結構耐火設計方法：結構作為一個整體承受荷載，單個構件的破壞并不意味著整個結構破壞。相反由于結構中的內力重分布，結構仍具有一定的承載力。因此，結構的耐火設計方法與實際狀況更接近更合理。法國已采用此方法。英國也正在制定相關的標準，如BS9999(草稿)。
4、考慮火災隨機性的結構耐火設計方法：這種方法以概率可靠度為指標，考慮了火災及空氣升溫的隨機性。此法先確定不同典型場所的火災荷載及其分布、火災場景，再采用性能化方法進行計算，是各國目前正在積極研究的以性能為基礎的安全評估技術和建筑消防安全性能化設計的一部分。目前我國對于鋼結構構件的耐火能力確定方法為按常規方法完成設計的鋼結構，進行耐火能力的驗算，確定滿足防火規范規定的相應耐火要求。
這種方法大致還處于第二階段，即：根據構件常溫下的力學性能，設計荷載下構件應力狀態及構件的邊界條件，確定其臨界溫度；依據結構用鋼材及混凝上的熱力學性能和熱工性能、截面的幾何形狀、熱傳導方式、保護層厚度等，根據按《建筑構件耐火試驗方法》GB／T9978規定的火災標準時間一溫度曲線受火條件下鋼構件的耐火能力計算方法，確定構件在高溫作用下的耐火極限和極限承載力；最后驗算在規定的耐火時間內，構件所達到的溫度最大值是否不大于其臨界溫度，或者與建筑設計防火規范規定的有關構件的耐火極限進行比較，確定最終的鋼結構保護設計。此方法可用圖1．1的設計流程圖表示。
1．2．13結構耐火試驗研究
在70年代，我國為了制定相關建筑設計防火規范，對建筑結構單一構件的耐火性能開展了大規模的試驗研究，取得了一批數據．并作為結構耐火設計的基礎。自80年代以來，公安部天津和四川消防科學研究所、同濟大學、哈爾濱建筑大學等單位對鋼結構構件及其保護的耐火性能進行了研究，并對結構整體的耐火性能開展過小規模的試驗研究。
國外對鋼結構構件和鋼，混凝土混合結構構件進行過較多研究。日本在80年代初，曾對一系列鋼框架模型利用電爐加熱方法進行過火災試驗。90年代前后，法國等對鋼結構整體耐火性能進行了試驗研究，英國建筑研究所03RE)I鋼結構學會(SCI)，愛丁堡大學等在Cardington對整體鋼結構進行了足尺實體火災試驗，取得了一批研究成果。1．2．2鋼結構的防火保護研究結束鋼結構的防火保護主要有外包敷隔熱屏蔽方法、自動噴水滅火系統和充水冷卻保護三種方式。國內外的相關研究主要集中在外包敷隔熱屏蔽方法方面。
1、國外在上世紀70年代對鋼結構防火涂料的研究和應用開展了積極的工作并取得了許多實用成果。而采用防火板等方式保護則早在80年前就已開始應用。40年代美國研制出硅酸鈣保溫絕熱材料，90年代，丹麥和德國研制出工作溫度高達1100℃的無巖棉硅酸鈣絕熱材料。
2、在我國，公安部天津和四川消防科學研究所、中國建筑科學研究院等單位自20世紀80年代以來，對鋼結構的防火保護進行了系統研究，取縟了大量成果。在防火涂料研究方面，1985年研制出LG鋼結構防火隔熱涂料，1987年研制出薄型LB鋼結構膨脹防火涂料，1994年研制出SWH室外鋼結構防火隔熱涂料和SWB室外鋼結構膨脹防火涂料，19％年研制出LF和CB超薄型鋼結構膨脹防火涂料。此外，我國對鋼結構防火涂料耐候性、耐久性方面也開展過一些研究。在防火涂料研制出來以前，我國建造的鋼結構建筑的防火保護主要采用蛭石混凝土板、珍珠巖板、石棉水泥板和石膏板等防火保護板材。隨著人們對人身健康和環境問題的日益重視，近10年來，采用無石棉的硅酸石結構型防火板對鋼結構進行保護是新的發展方向。
在采用自動噴水滅火系統保護方面，主要是針對大空間或大跨度的屋架部分。對于空心鋼結構，也有采用在火災時在其內部充入循環水進行冷卻保護。
三、鋼結構高溫下的結構與結構構件的性能變化
1、鋼結構構件在火災條件下的破壞機理
火災發生時產生的熱量是以輻射和對流傳給結構構件的，即使構件是不燃的，由于溫度上升也會引起膨脹和強度的降低。熱膨脹引起構件伸長，或兩側受熱不均時引起構件彎曲，產生位移或約束力，在剛性框架結構中，由于橫梁伸長而產生的約束增大，可能把柱子從其承載處推開，使結構受到破壞，引起垮塌。 鋼結構構件在溫度升高時，強度會降低。
對建筑用鋼而言，在260℃以前其強度不降低；260℃-280℃開始下降，達到400"C時屈服現象消失、強度明顯降低；達到450℃-500℃時，鋼材內部再結晶使強度急速下降；至550℃時，其強度將損失40％；至700℃時基本失去承載力。與此同時，在較低溫度時蠕變也會發生，但只有在高于0.3Tt(以絕對溫度表示的金屬熔點)時才比較明顯，對于碳素鋼，該溫度約為300℃-350℃；溫度越高，蠕變越明顯。因此，高溫時鋼結構構件的受力狀態十分不利，防火設計是鋼結構建筑必須充分考慮的關鍵。
四、鋼結構建筑的防火設計(民用建筑+工業建筑)
1、鋼結構構件的被動耐火保護
所謂鋼結構構件的被動耐火保護就是一種在火災中不依靠降低火災的燃燒熱釋放率或抑制火災增長來實現結構不受高溫或火焰嚴重影響的防火保護方法。它只憑所采取的措施自身的熱特性，將結構構件與高溫煙氣或火焰隔離或吸收構件所接受的熱量，使構件在火災作用下仍能發揮其預定功能。一般采用不燃的熱惰性材料或熱導率小且遇熱能自行膨脹或炭化的涂敷材料直接包敷在鋼結構外面或在火災時充入循環水冷卻保護
直接包敷保護法是在鋼結構表面或外圍直接施用防火材料，如砌筑磚石、澆筑混凝土、抹灰、噴涂防火涂料或包敷防火板等將裸露的鋼構件包封或覆蓋起來，達到提高鋼結構耐火能力的目的。
(1)在鍋結構構件四周澆筑混凝十或砌筑耐火磚，如上海外灘的浦發銀行(原匯豐銀行)，浦東世界金融大廈、上海信息大廈。這種方法比較可靠，但較適合于鑰柞的保護。對于梁等其他構件。施-El：l：較麻煩且自重大；對于初期升溫很快的火災也不太適用。這種保護方法在高溫作用F易發生崩裂現象。
(2)采用硅酸鈣板、蠔石板、珍珠巖板、石棉水泥板、石膏板等耐火輕質板材包覆，如上海希爾頓賓館、新錦江飯店，其中蜓石板的最高使用溫度為850℃，石膏板的最高使用溫度600℃，纖維增強普通硅酸鈣板的使用溫度為650℃～950℃。其中纖維增強普通硅酸鈣板在日本高層建筑中的總用量己達防火材料總量的lO％。90年代中期德國和丹麥研制的無石棉純硬硅鈣石絕熱板和公安部四川消防科學研究所研制的GF新型鋼結構防火板的最高使用溫度均可達1 l 00"C。蛙石板和珍珠巖板客重小，但使用最高溫度只有650"C～850℃，很難達到鋼結構耐火保護的目的。防火板包敷屏蔽保護鋼結構構件具有施工方便、成本低、干法施T和耐久、施工質量易控制等優點，對鋼柱、鋼粱和樓板均適用，在建筑鋼結構防火保護中有較大發展潛力。此外，纖維增強復合材料熱容高、燒透時間長，具有良好的隔熱性能，也是一種較好的耐火包敷材料。這種保護方法可靠、在國
外應用比較普遍，且有相應的標準，如英國、歐盟、日本和美國等，但在我國應用還不普遍。這種方法對節點處理的要求較高。
(3)噴涂鋼結構防火涂料，如上海金沙江飯店、世界廣場、上海和北京的國際貿易中心大廈。應用防火涂料來增加鋼結構的耐火性能是一種比較傳統的方法。膨脹犁涂料暴露在高溫下，其膨脹體積可以達到50倍，有的甚至高達200倍。這樣形成的保護層能有教地阻止熱量被傳導到鋼材上。常用阻燃劑的分解溫度大部分低于300℃，能夠滿足鋼結構保護的需要。
(4)在鋼結構構件內部充水保護法。這種方式依靠火災時向鋼結構構件內部充入循環水進行降溫冷卻，達到保護鋼結構的目的。它需要一套完善的火災報警聯動系統和足夠的水源與供水系統，效果良好，但成本較高、火災時增加結構自重、且結構內部需作耐水腐蝕處理。這種方法國內外均試驗不多。
總之。在選用鋼結構構件耐火保護材料時，除需要考慮材料的耐火性能外，還要考慮材料的耐久性，耐候性、耐腐蝕性、抗反復荷載性能以及高溫穩定性等，使其既能滿足功能要求，又其有一定的經濟效果。
1．2鋼結構構件的主動防火保護
鋼結構構件的豐動防火保護是一種采用建筑內的主動消防措施，如采取排煙、自動滅火系統，排除室內熱量，抑制火災增長和滅火，在火災發生后從根本上消除高溫和火焰對鋼結構構件的威脅，以實現保護鋼結構的方法。與被動耐火保護相比，它是一種更積極的保護方式。建筑室內火災的發展都有其規律和發展過程，見蒔述。只要在火災過程中能及時排除積聚在室內的熱量，降低其燃燒熱釋放率．就能防止轟燃的發生。實踐證明，在建筑物內設置自動滅火設施．能有放地抑制火災的蔓延擴66科技資訊SCIENCE＆TECHNOLOGY INFORMATION大或撲滅初期火。這樣可以降低室內溫度，使建筑結構得到保護，并為人員疏散創造良好的
條件與環境。因此，當根據場所內的可燃物性質和可能的火災規模，結構體系設計和建筑的性質與功能，選用相適用的自動滅火設施，能夠撲滅該場所內的初期火而不致使火災擴大或蔓延時，就可以適當降低對鋼結構耐火性能的要求。但應注意，鋼結構的耐火保護是對整個鋼結構體系而言的，設計時應考慮結構間的傳熱與內力分布影響。此外，建筑物內設置的滅火設施是否能在火災時發揮作用，除應按照規范和有關標準要求選用合格產品、保證安裝質量外，還與日常是否有良好的維護與運行密切相關。
五、鋼結構建筑防火設計的意義
隨著國民經濟的快速發展和現代化大型聯合生產、大空間建筑和高層建筑的建設需要，10多年來，鋼結構在我國建筑中得到了空前的發展與應用，被廣泛用于廠房、倉庫、會展中心、賓館、綜合樓、體育館、展覽館、候機樓等各類大跨度建筑、重型結構和高層建筑。如深圳賽格廣場和地王大廈，北京國際貿易中心、京廣中心和中國工商銀行總行、廣州好世界大廈、上海證券大廈、浦東機場和北京首都機場候機樓等。在工業廠房和倉庫中更是比比皆是。但在建成的鋼結構或鋼一混凝土混合結構建筑中發生火災的案例已有不少，如1969年12月上海文化廣場火災后不到20min就使8600m2的鋼屋架全部垮塌，1996年昆山市某輕鋼結構廠房火災造成4320m2的廠房倒塌。1998年北京豐臺玉泉營家具城火災造成該建筑整體垮塌。2001年山東威海某醫用高分子制品公司輸液器生產車間發生火災．過火面積10600m2，鋼屋架呈波浪狀塌陷，外墻扭曲變形、向內傾斜，車間聚苯乙烯夾芯彩鋼板隔墻全部倒塌，損失1000多萬元。1999年3月山東東營市一大型商場發生火災。該商場主樓四層，局部五層，五層屋架為鋼網架結構，其中三層、四層和五層大部分過火．面積達7000m2，造成五樓鋼結構屋架倒塌，并將四樓、三樓樓板擊穿，直接財產損失500余萬元。
此外，天津市人民體育館、長春卷煙廠、北京友誼賓館劇場、江油電廠俱樂部、廣州某紡織廠成品倉庫、北京國際貿易中心、馬鞍山市體育館動力機房等都曾發生火災，有的出現不同程度的垮塌。任何材料構造的建筑在設計時均應根據其建筑高度、使用性質和規模、體量等考慮其耐火等級。對相應的建筑構件進行耐火設計。但從上述火災事故情況看，大部分是因鋼結構構件未采取合適的耐火保護或構件的耐火極限設計與實際建筑內的火災條件差異較大。此外，其中有些結構構件的耐火極限是按照現行的有關國家建筑設計防火標準進行的，而實際仍發生了垮塌。這說明現行規范對鋼結構構件的防火要求還不甚完善，甚至有些不能很好地滿足實際耐火需要。但同時現行的構件耐火性能要求在某些情況下又存在偏于保守的傾向。為此，深入研究鋼結建筑構構件的耐火設計方法，提出合理的預測與計算方法，能為科學合理地確定鋼結構構件的耐火時間，在切實保證鋼結構的預定耐火安全水平前提下，盡可能地提高結構耐火保護的投資效益性能比。因此，本研究在理論和實際應用中都具有十分迫切的現實意義和社會與經濟意義。
