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中图分类号：TU201
文献标识码：A 文章编号：1008-925X(2011)07-0063-01
摘要：文章主要探讨了性能化设计思想在高层建筑钢结构防火设计中的应用，包括性能化防火设计的原理、特点及具体的方法要点。
关键词：高层建筑 钢结构 性能化防火设计
1 高层建筑钢结构构件性能化防火设计的原理
性能化设计方法是一种新的建筑防火设计方法，它主要是根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等情况，结合消防安全工程学的原理与方法，对建筑的火灾危险性进行预测和评估，以便得出安全、经济、合理的防火保护方案。性能化设计结合消防安全工程和火灾科学来建立设计指标，对防火设计方案进行评估，利用火灾风险评估去建立体目标和功能目标所需的参数。
《高层民用建筑设计防火规范》规定屋顶钢结构应设置自动喷水灭火系统保护，或喷涂防火涂料、采取外包不燃烧材料等措施，使其达到规定的耐火极限的要求。以上措施主要是为降低火灾时钢材的温度，确保钢构件的强度，使其具有一定的抗变形能力和承载能力。
若高层建筑内有火灾发生，在未对钢结构采取防火保护时，在最大火灾载荷的情况下，钢构件的最高温度低于所设定的临界温度，结构安全，满足规范所要求的安全水平，则可不对钢结构构件采取额外的防火保护，但若钢结构构件的升温大于临界温度，则应采用必要的灭火措施控制火灾的规模，或对地面可燃物的数量和种类进行限制。这就体现了性能化防火设计的思想。
具体可按照《高层民用建筑设计防火规范》及规定的构件耐火极限来确定钢结构防火保护时间。但由于部分高层钢结构建筑已超出现有规范所规定的范围，若仍按现行规范用防火涂料保护，则会因过于保守而浪费，所以如何对钢结构进行有效保护，同时考虑到经济性和安全性，是我们需要考虑的一个问题。
要进行消防性能化设计的高层建筑项目大多具有建造成本高、设计和施工较为复杂等特点，所以对设计方案的要求比较严格，尤其在是否符合建筑规范方面。但在设计方案中引进性能化设计思想之后，便增强建筑方案的自由度，能够精简安全系统设计，降低了相关的成本。
2 高层建筑钢结构构件性能化防火设计的特点
对于一些建筑功能多、空间大、防火分区难满足要求的高层建筑，对其钢结构构件进行性能化防火设计，相比于常规防火设计方法，有以下几个方面的特点。
2.1 根据建筑物的各种不同空间条件、功能和其他方面的要求，结合防火目标，自由地选择各种防火措施并将它们有机地结合起来，形成高层建筑的总体防火设计方案。
2.2 过对建筑物的火灾危险性和危害性进行分析和评估，有利于得到经济合理的防火设计方案，切实保障建筑的防火安全。
2.3 在保证建筑物需要满足的防火安全水平的基础上，更加经济合理地配置各个防火子系统。
2.4 充分考虑各防火子系统在整个设计方案中的作用，并对其相互作用进行综合的分析，避免了将各个子系统单纯地叠加。
在高层建筑中钢结构越来越多地被采用，在防火设计方面，性能化设计方法因其科学性、安全性和经济性而越来越被认同。下面简要结合实例来介绍高层建筑钢结构性能化防火的方法。
3 高层建筑钢结构构件性能化防火设计方法及实例
3.1 火灾下钢结构的温度分析。
通常在火灾高温情况下，钢结构内部温度随之升高，钢结构的强度和刚度都会大幅下降，其承载能力也将下降，降到不足以承受其上的荷载作用时，便会发生破坏，可见，钢材虽为非燃烧材料，却不耐火。
根据BS5950《英国钢结构规范》第一部分进行设计的钢结构若未作防火保护，由于其自身只有15分钟左右的耐火极限，强度和刚度在环境温度为200℃以下时变化较小，但当温度超过300℃时，其强度开始显著降低，达到500℃时，强度降低了约50%-60%，其弹性模量、抗压强度、屈服点和承载能力等力学特性都有所降低，以至于低于建筑结构的承载许用应力。通常普通钢材在350℃时便会明显地出现承载力下降的趋势，故选择200℃作为临界安全温度指标是较为安全的。
3.2 高层建筑钢结构构件的性能化防火保护思想实例。
某高层建筑的中部为一大型中庭，它直接连通上部的各层，庭上部为钢结构坡形采光屋顶，中庭各层周边为5m宽的回廊，屋顶的最高处和最低处分别距离地面为50m和40m。
3.2.1 最不利火灾场景的选择。高层建筑钢结构性能化设计的思想是：针对建筑物的具体情况和相关统计资料，对发生火灾时的火灾规模、火灾性质、最危险的位置、消防设施的状态等进行分析和评估，再参考不同可燃物的热释放速率，最不利火灾场景便可确定。
该建筑中庭内的主要火源为底层大厅的各商铺的衣物，以及各层回廊上垃圾桶着火。再分析该建筑的结构图，在各种回廊火灾情况中，顶层回廊垃圾桶的着火点离钢结构屋顶距离最小，该处发生火灾会直接对钢结构造成威胁，所以根据美国全国设计指南NFPA92B提供的资料，选择该处的火灾释放速率为1.25MW。
3.2.2 钢结构构件温度分析。先计算选择的最不利火灾场景下产生的烟羽流抵达钢结构构件处的温度，再判断其是否高于临界温度，以分析火灾对钢结构的影响。根据公式可计算出烟羽流的平均温度为58℃，中心温度为87℃，均低于200℃。
3.3 根据构件温升结果采取最佳防火措施。
前面实例中的高层建筑钢结构屋顶，对于选择的最不利火灾场景，根据计算结果可知，距离钢结构较近的顶层火灾烟羽流的中心温度为87℃，比钢材的临界温度200℃小得多，故此钢结构屋顶不作额外防火保护措施也是安全的。
由例子分析可见，在最危险火灾场景下，钢结构构件的温升未达到火灾临界温度，其整体性能在无防火保护的情况下可满足结构要求，则可对该钢结构构件不采取额外的防火措施；但如果计算结果超出钢材的临界温度，则应根据性能化保护思想，采取经济、合理、有效的保护措施，对钢结构进行防火保护。
在高层建筑防火领域，钢结构防火是一个重要课题。尤其是当前高层建筑技术不断发展，若仍采用统一的防火要求和传统的防火保护措施，必将大幅增加相关的费用，但如果采用性能化的分析方法，对高层建筑的钢结构防火问题作出具体的分析，提出安全且经济的钢结构防火保护方案。
参考文献
[1] 张加伍，武玉泽.临沂市体育馆性能化防火设计[J].消防科学与技术.2008,27(3)
[2] 张晓光，范恩强，李洪文.大型体育场馆性能化防火设计分析[J].安防科技.2010(8)
文献标识码：A 文章编号：1008-925X(2011)07-0063-01
摘要：文章主要探讨了性能化设计思想在高层建筑钢结构防火设计中的应用，包括性能化防火设计的原理、特点及具体的方法要点。
关键词：高层建筑 钢结构 性能化防火设计
1 高层建筑钢结构构件性能化防火设计的原理
性能化设计方法是一种新的建筑防火设计方法，它主要是根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等情况，结合消防安全工程学的原理与方法，对建筑的火灾危险性进行预测和评估，以便得出安全、经济、合理的防火保护方案。性能化设计结合消防安全工程和火灾科学来建立设计指标，对防火设计方案进行评估，利用火灾风险评估去建立体目标和功能目标所需的参数。
《高层民用建筑设计防火规范》规定屋顶钢结构应设置自动喷水灭火系统保护，或喷涂防火涂料、采取外包不燃烧材料等措施，使其达到规定的耐火极限的要求。以上措施主要是为降低火灾时钢材的温度，确保钢构件的强度，使其具有一定的抗变形能力和承载能力。
若高层建筑内有火灾发生，在未对钢结构采取防火保护时，在最大火灾载荷的情况下，钢构件的最高温度低于所设定的临界温度，结构安全，满足规范所要求的安全水平，则可不对钢结构构件采取额外的防火保护，但若钢结构构件的升温大于临界温度，则应采用必要的灭火措施控制火灾的规模，或对地面可燃物的数量和种类进行限制。这就体现了性能化防火设计的思想。
具体可按照《高层民用建筑设计防火规范》及规定的构件耐火极限来确定钢结构防火保护时间。但由于部分高层钢结构建筑已超出现有规范所规定的范围，若仍按现行规范用防火涂料保护，则会因过于保守而浪费，所以如何对钢结构进行有效保护，同时考虑到经济性和安全性，是我们需要考虑的一个问题。
要进行消防性能化设计的高层建筑项目大多具有建造成本高、设计和施工较为复杂等特点，所以对设计方案的要求比较严格，尤其在是否符合建筑规范方面。但在设计方案中引进性能化设计思想之后，便增强建筑方案的自由度，能够精简安全系统设计，降低了相关的成本。
2 高层建筑钢结构构件性能化防火设计的特点
对于一些建筑功能多、空间大、防火分区难满足要求的高层建筑，对其钢结构构件进行性能化防火设计，相比于常规防火设计方法，有以下几个方面的特点。
2.1 根据建筑物的各种不同空间条件、功能和其他方面的要求，结合防火目标，自由地选择各种防火措施并将它们有机地结合起来，形成高层建筑的总体防火设计方案。
2.2 过对建筑物的火灾危险性和危害性进行分析和评估，有利于得到经济合理的防火设计方案，切实保障建筑的防火安全。
2.3 在保证建筑物需要满足的防火安全水平的基础上，更加经济合理地配置各个防火子系统。
2.4 充分考虑各防火子系统在整个设计方案中的作用，并对其相互作用进行综合的分析，避免了将各个子系统单纯地叠加。
在高层建筑中钢结构越来越多地被采用，在防火设计方面，性能化设计方法因其科学性、安全性和经济性而越来越被认同。下面简要结合实例来介绍高层建筑钢结构性能化防火的方法。
3 高层建筑钢结构构件性能化防火设计方法及实例
3.1 火灾下钢结构的温度分析。
通常在火灾高温情况下，钢结构内部温度随之升高，钢结构的强度和刚度都会大幅下降，其承载能力也将下降，降到不足以承受其上的荷载作用时，便会发生破坏，可见，钢材虽为非燃烧材料，却不耐火。
根据BS5950《英国钢结构规范》第一部分进行设计的钢结构若未作防火保护，由于其自身只有15分钟左右的耐火极限，强度和刚度在环境温度为200℃以下时变化较小，但当温度超过300℃时，其强度开始显著降低，达到500℃时，强度降低了约50%-60%，其弹性模量、抗压强度、屈服点和承载能力等力学特性都有所降低，以至于低于建筑结构的承载许用应力。通常普通钢材在350℃时便会明显地出现承载力下降的趋势，故选择200℃作为临界安全温度指标是较为安全的。
3.2 高层建筑钢结构构件的性能化防火保护思想实例。
某高层建筑的中部为一大型中庭，它直接连通上部的各层，庭上部为钢结构坡形采光屋顶，中庭各层周边为5m宽的回廊，屋顶的最高处和最低处分别距离地面为50m和40m。
3.2.1 最不利火灾场景的选择。高层建筑钢结构性能化设计的思想是：针对建筑物的具体情况和相关统计资料，对发生火灾时的火灾规模、火灾性质、最危险的位置、消防设施的状态等进行分析和评估，再参考不同可燃物的热释放速率，最不利火灾场景便可确定。
该建筑中庭内的主要火源为底层大厅的各商铺的衣物，以及各层回廊上垃圾桶着火。再分析该建筑的结构图，在各种回廊火灾情况中，顶层回廊垃圾桶的着火点离钢结构屋顶距离最小，该处发生火灾会直接对钢结构造成威胁，所以根据美国全国设计指南NFPA92B提供的资料，选择该处的火灾释放速率为1.25MW。
3.2.2 钢结构构件温度分析。先计算选择的最不利火灾场景下产生的烟羽流抵达钢结构构件处的温度，再判断其是否高于临界温度，以分析火灾对钢结构的影响。根据公式可计算出烟羽流的平均温度为58℃，中心温度为87℃，均低于200℃。
3.3 根据构件温升结果采取最佳防火措施。
前面实例中的高层建筑钢结构屋顶，对于选择的最不利火灾场景，根据计算结果可知，距离钢结构较近的顶层火灾烟羽流的中心温度为87℃，比钢材的临界温度200℃小得多，故此钢结构屋顶不作额外防火保护措施也是安全的。
由例子分析可见，在最危险火灾场景下，钢结构构件的温升未达到火灾临界温度，其整体性能在无防火保护的情况下可满足结构要求，则可对该钢结构构件不采取额外的防火措施；但如果计算结果超出钢材的临界温度，则应根据性能化保护思想，采取经济、合理、有效的保护措施，对钢结构进行防火保护。
在高层建筑防火领域，钢结构防火是一个重要课题。尤其是当前高层建筑技术不断发展，若仍采用统一的防火要求和传统的防火保护措施，必将大幅增加相关的费用，但如果采用性能化的分析方法，对高层建筑的钢结构防火问题作出具体的分析，提出安全且经济的钢结构防火保护方案。
参考文献
[1] 张加伍，武玉泽.临沂市体育馆性能化防火设计[J].消防科学与技术.2008,27(3)
[2] 张晓光，范恩强，李洪文.大型体育场馆性能化防火设计分析[J].安防科技.2010(8)