工業(yè)建筑設(shè)計中應(yīng)注意的問題

黃 明

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

工業(yè)建筑是指供人們從事各類生產(chǎn)活動的建筑物和構(gòu)筑物，主要由生產(chǎn)廠房和生產(chǎn)輔助用房組成，其中生產(chǎn)輔助用房包括倉庫、公用輔助用房、構(gòu)筑物等。工業(yè)建筑種類繁多，例如鋼鐵業(yè)冶煉廠建筑、石油化工廠建筑、有色冶金工業(yè)建筑、煙花爆竹廠建筑、水泥建材廠建筑、藥廠建筑、紡織廠建筑等等，不勝枚舉。這些建筑從生產(chǎn)的原材料、生產(chǎn)工藝到最終產(chǎn)品都千差萬別，這也導(dǎo)致了服務(wù)于這些生產(chǎn)活動的建筑各式各樣，甚至同一類廠房的設(shè)計理念和建筑形態(tài)，也會因為工藝布置、設(shè)備選型、場地條件、結(jié)構(gòu)型式、氣候條件、建筑材料等的不同而存在明顯差異。從事這些建筑設(shè)計的設(shè)計人員在設(shè)計過程中遇到的問題也各不相同，而有些問題容易被忽略或者認識不清晰。

1 廠房火災(zāi)危險性分類的問題

生產(chǎn)的火災(zāi)危險性分類在相關(guān)工業(yè)建筑設(shè)計規(guī)范中都是重點闡述的，如《建筑設(shè)計防火規(guī)范》《有色金屬工程設(shè)計防火規(guī)范》《火力發(fā)電廠與變電設(shè)計防火規(guī)范》《鋼鐵冶金企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》等，這是設(shè)計人員在進行建筑設(shè)計時首先要明確的一個問題，它直接影響到建筑物耐火等級、建筑防火分區(qū)面積、安全疏散、防火間距等。因此，建筑設(shè)計人員在開始進行廠房設(shè)計時，要同工藝專業(yè)就生產(chǎn)中所用到的原材料、生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的物質(zhì)和產(chǎn)品進行火災(zāi)危險性分析，這種分析包括這些物質(zhì)的燃燒性能和產(chǎn)出量。但由于對建筑防火設(shè)計概念的認識存在差異，會造成對火災(zāi)危險性分類的不同結(jié)果。這里主要討論一下在密閉容器中進行生產(chǎn)的火災(zāi)危險性如何確定？筆者設(shè)計的某項目就涉及到這個問題。

該項目是1個金屬冶煉廠的廠房設(shè)計，工藝為氧壓浸出，其生產(chǎn)流程是將原料礦漿和濃硫酸經(jīng)過不同的管道同時注入合金預(yù)浸出槽進行預(yù)浸出，然后進行稀釋，再將稀釋的礦漿加入立式加壓釜，加入氧氣進行反應(yīng)也就是氧壓浸出，產(chǎn)品(壓濾渣和壓濾液)通過管道送入后續(xù)工序，整個生產(chǎn)過程都在密閉容器中進行。那么如何確定該廠房的火災(zāi)危險性分類呢？

從原料的燃燒性能來看，礦漿為不燃燒物質(zhì)，其火災(zāi)危險性分類為戊類；濃硫酸具有較強氧化性，其火災(zāi)危險性分類為乙類；氧氣為助燃氣體，其火災(zāi)危險性分類為乙類；產(chǎn)品壓濾渣和壓濾液為不燃燒物質(zhì)，其火災(zāi)危險性分類為戊類。從以上分析來看，該廠房的火災(zāi)危險性分類應(yīng)為乙類。但在同工藝專業(yè)設(shè)計人員的交流中得知，該氧壓浸出過程中會產(chǎn)生大量的氫氣，氫氣是屬于爆炸下限小于10 %的氣體，其火災(zāi)危險性分類為甲類，產(chǎn)生的氫氣量已經(jīng)超過了《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(以下簡稱《建規(guī)》)中“可不按物質(zhì)危險特性確定生產(chǎn)火災(zāi)危險性類別的最大允許量”，并且產(chǎn)生氫氣的工段在廠房中無法進行有效的防火分隔。因此，我們認為該廠房的火災(zāi)危險性分類為甲類。

但在與甲方的討論中，他們并不認可該廠房火災(zāi)危險性的分類。他們認為：①整個生產(chǎn)過程均在封閉的容器中進行，與外界空氣不接觸，氫氣也不會泄漏，因此不會引起火災(zāi)；②對整個生產(chǎn)過程均有24 h監(jiān)控和檢測，任何泄漏均會報警，并能立即停止生產(chǎn)。因此，他們認為該廠房的火災(zāi)危險性分類應(yīng)為戊類。

我們分析后認為，如甲方所說，在正常生產(chǎn)過程中，確實不會發(fā)生火災(zāi)。但是《建規(guī)》的制定，除了預(yù)防建筑火災(zāi)外，還有一個重要的目的就是保護人身和財產(chǎn)安全，減少火災(zāi)危害。通過安全的工藝防火措施和控制火源的措施，達到預(yù)防建筑火災(zāi)的目的；設(shè)置必要的防火分隔、合理的安全疏散設(shè)施以及有效的滅火、報警與防排煙等設(shè)施，控制和撲滅火災(zāi)，實現(xiàn)保護人身安全，減少火災(zāi)危害的目的。從大量工業(yè)建筑的火災(zāi)案例來看，很多火災(zāi)都發(fā)生在設(shè)備安裝、調(diào)試、檢修、工人誤操作或長時間生產(chǎn)后設(shè)備線路老化、檢測系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，因此不能保證該廠房在整個使用期間沒有任何火災(zāi)隱患。戊類廠房和甲類廠房在建筑耐火等級、每個防火分區(qū)允許的最大建筑面積、安全出口類型、疏散距離等都存在較大差異，一旦出現(xiàn)極端狀況，如果按戊類廠房設(shè)計，現(xiàn)場工作人員無法及時疏散到安全區(qū)域，人身安全無法保障；而且，一旦發(fā)生爆炸，還回危及到相鄰建筑。綜合以上分析，我們?nèi)匀粚⒃搹S房的火災(zāi)危險性分類定為甲類，并且按照”有爆炸危險的廠房“進行了防爆和泄壓的設(shè)計。

可以看出，廠房火災(zāi)危險性分類的確定需要做細致的工作，要結(jié)合整個生產(chǎn)過程進行綜合分析，不可只根據(jù)以往的做法或者甲方意見來確定。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火和防腐保護的問題

鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中應(yīng)用非常廣泛，它的優(yōu)點很多，如：自重輕、強度高、可以工業(yè)化生產(chǎn)、施工周期短、綠色節(jié)能等；它的缺點也很明顯，就是耐高溫性能差，易腐蝕。建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，無防火保護措施的鋼結(jié)構(gòu)在0.25～0.50 h內(nèi)就會失穩(wěn)破壞。同時，很多工業(yè)建筑都存在一定的腐蝕介質(zhì)，無防腐保護或者保護不好的鋼結(jié)構(gòu)很容易銹蝕，影響結(jié)構(gòu)安全。因此，對于有腐蝕介質(zhì)的廠房來說，鋼結(jié)構(gòu)的防火、防腐是必不可少的防護措施。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的防火保護

目前鋼結(jié)的防火保護措施可以分為這幾種：①外包混凝土或砌筑砌體；②涂敷防火涂料；③防火板包覆；④復(fù)合防火保護，即在鋼結(jié)構(gòu)表面涂敷防火涂料或采用柔性氈狀隔熱材料包覆，再用輕質(zhì)防火板飾面板；⑤柔性氈狀隔熱材料包覆。

對于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑來說，采用外包混凝土或砌筑砌體將會加大結(jié)構(gòu)斷面和自重，施工難度大，施工周期會增加，特別對一些輕型鋼結(jié)構(gòu)來說無法做到。采用柔性氈狀隔熱材料包覆的方法僅適用于平時不受機械損傷和不易人為破壞，且不易受潮的部位。對于工業(yè)建筑來說，多數(shù)無法滿足其適用條件。采用防火板包覆時，需要根據(jù)構(gòu)件形狀和所在部位進行構(gòu)造設(shè)計，并應(yīng)確保安裝牢固穩(wěn)定。這無疑增加了設(shè)計難度和施工難度，同樣會增加施工周期。采用涂敷防火涂料這種方法，由于其施工快，有的可以在工廠完成，成本低，因此，在大量工業(yè)建筑中，鋼結(jié)構(gòu)的防火保護都采用涂敷防火涂料。在設(shè)計中要引起注意的是，鋼結(jié)構(gòu)采用防火保護的最大耐火極限一般不超過3.0 h。

筆者曾參與了一個火災(zāi)危險性分類為丙類的鋼結(jié)構(gòu)倉庫設(shè)計，由于倉庫面積大，要采用防火墻將倉庫分為2個防火分區(qū)，防火墻也采用鋼結(jié)構(gòu)來設(shè)計，并在圖紙中注明鋼結(jié)構(gòu)涂防火涂料，使其耐火極限不低于4 h。在對圖紙進行消防審查時，消防部門提出“鋼材無法達到4h耐火極限，不應(yīng)選用”。我們在《建規(guī)》的附錄中鋼結(jié)構(gòu)確實找不到耐火極限達到4 h的做法。從理論上來說，鋼結(jié)構(gòu)采用復(fù)合防火保護，其耐火極限可以達到4 h，但是由于沒有具體做法供參考和燃燒試驗的支持，最終該防火墻放棄了鋼結(jié)構(gòu)做法，而采用砌體結(jié)構(gòu)。

當然，隨著新型防火涂料的研發(fā)和構(gòu)造措施的加強，鋼結(jié)構(gòu)達到4 h的耐火極限是可期的。但是在目前來看，確實很難找到一種可靠的做法使其滿足4 h的耐火極限，因此，在設(shè)計中應(yīng)謹慎選用。

另外，在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，有一些受力構(gòu)件如柱間支撐、樓蓋支撐、桁架、吊車梁、屋面支撐和系桿等，在《建規(guī)》中其耐火極限沒有相應(yīng)規(guī)定，設(shè)計圖上往往也沒有說明，這會給施工帶來問題，如果不進行防火保護，會威脅到建筑的安全。從這些構(gòu)件的破壞后果來看，它們的失效破壞會直接造成主要承重構(gòu)件柱、梁、屋面承重構(gòu)件的整體失效。因此，這些構(gòu)件的耐火極限應(yīng)與相應(yīng)的主要承重構(gòu)件一致。如，柱間支撐的耐火極限應(yīng)與柱相同，樓蓋支撐、桁架、吊車梁的耐火極限應(yīng)與梁相同，屋蓋支撐和系桿的設(shè)計耐火極限應(yīng)與屋頂承重構(gòu)件相同。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的防腐保護

在有腐蝕介質(zhì)作用的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑中，對鋼結(jié)構(gòu)進行有效防腐保護必不可少。根據(jù)所處環(huán)境的腐蝕程度不同，會采用不同的防護方法。一般在微弱腐蝕環(huán)境(工業(yè)大氣、海洋大氣)中，可以在鋼結(jié)構(gòu)表面噴鍍金屬涂層，如鋁層、鋅層；在弱、中、強腐蝕環(huán)境中，多數(shù)采用防腐蝕涂料涂層防護；在重腐蝕環(huán)境中，可采用金屬涂層與防腐涂料涂層的復(fù)合涂層。這3種方法各有優(yōu)缺點，采用何種防護方法應(yīng)根據(jù)腐蝕原因、介質(zhì)濃度、施工難易與經(jīng)濟效益等進行綜合考慮。由于涂刷防腐涂層施工難度低、工期短、價格經(jīng)濟，在鋼結(jié)構(gòu)防腐保護中被大量采用。

但是，由于涂料的選擇和應(yīng)用不當或者施工質(zhì)量不合格等造成一些鋼構(gòu)件短時間內(nèi)就被腐蝕，威脅到結(jié)構(gòu)安全。因此，作為設(shè)計者在選擇防腐涂料時應(yīng)該仔細分析腐蝕介質(zhì)的種類、濃度和生產(chǎn)時的環(huán)境溫度、濕度等，才能做出針對性的選擇。特別應(yīng)注意的是，在一些經(jīng)常有蒸汽作用和濕度很大的廠房內(nèi)，對鋼屋架、鋼檁條和金屬屋面板等部位要加強防護。

另外，由于防腐蝕構(gòu)造設(shè)計多數(shù)是由建筑專業(yè)人員完成，而結(jié)構(gòu)設(shè)計人員很少參與，往往就會造成了對鋼構(gòu)件防護的不利后果。例如，在腐蝕環(huán)境中，鋼柱柱腳按規(guī)范均應(yīng)置于高出地面不小于300 mm的混凝土基礎(chǔ)上。而有的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員則是按照通常做法，將鋼柱插入地下基礎(chǔ)內(nèi)，再包裹混凝土。由于鋼柱于地上、地下形成陰陽極，雨季環(huán)境溫度高或積水時，電化學(xué)腐蝕嚴重。還有，按規(guī)范在“腐蝕性等級為強、中時，不應(yīng)采用由雙角鋼組成的T形截面或由雙槽鋼組成的工形截面”，而有的結(jié)構(gòu)設(shè)計者卻采用雙角鋼焊接起來作為屋頂承重構(gòu)件，由于兩角鋼之間的縫隙很難進行防護，形成腐蝕的集中點，造成該鋼構(gòu)件的腐蝕。而且日后修補起來也很難對縫隙進行完全封閉，給結(jié)構(gòu)安全留下隱患。這些在設(shè)計中要引起重視。

在鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料的選擇中，設(shè)計人員經(jīng)常會選用聚氯乙烯螢丹涂料。這種涂料含有螢丹顏料成分，對被涂覆的基層表面起到較好的屏蔽和隔離介質(zhì)作用，與鋼鐵的附著力優(yōu)越，而且對金屬基層具有磷化、鈍化作用。該涂料對鹽酸及中等濃度的硫酸、硝酸、醋酸、堿和大多數(shù)的鹽類等介質(zhì)，具有較好的耐腐蝕性，而且該涂料耐高溫、耐候性好、耐油性佳。而不含螢丹的聚氯乙烯涂料的防腐性能則很差，所以該涂料不能沒有“螢丹”。應(yīng)該注意的是，由于該涂料是專利產(chǎn)品，一些沒有該項專利技術(shù)的企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品雖然名字相同，但其產(chǎn)品質(zhì)量是很難保證的。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)同時進行防火、防腐保護

根據(jù)現(xiàn)行的《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2014，任何生產(chǎn)火災(zāi)危險類別的廠房，不論是單層還是多層，其建筑構(gòu)件都有耐火極限的要求。所以，任何鋼結(jié)構(gòu)廠房的柱、梁、樓板、隔墻、樓梯、屋頂承重構(gòu)件等均需要進行防火保護。在有防腐蝕要求的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼結(jié)構(gòu)就要同時進行防火和防腐保護。那么，如何進行設(shè)計呢？

一般在弱腐蝕環(huán)境環(huán)境中，由于防火涂料在一定程度上可起到防腐中間漆的作用，可在外面直接做防腐面漆，能達到很好的外觀效果，所以，它們的組合方式是：防腐底漆+防火涂料+防腐面漆。中、強腐蝕作用時，它們的組合方式是：防腐底漆+防腐中間漆+防火涂料+防腐面漆。為了保證膨脹型防火涂料膨脹不受影響，防腐面漆不應(yīng)過硬，構(gòu)件外部應(yīng)留有足夠的膨脹空間，也不應(yīng)包裹防火毯等。施工時應(yīng)控制防腐底漆、中間漆的厚度，避免由于防腐底漆、中間漆的高溫變性導(dǎo)致防火涂料層的脫落，避免因面漆過厚過硬而影響膨脹型防火涂料的發(fā)泡膨脹。

鋼結(jié)構(gòu)進行防腐、防火涂料涂裝時，需要防腐涂料和防火涂料相互配合，形成配套體系，共同承擔對鋼結(jié)構(gòu)的防護作用。涂層配套體系要求在選擇各類涂料配套時，要適應(yīng)環(huán)境腐蝕，而且能滿足使用要求。各類涂料相配套時要彼此相容，發(fā)揮正常功效。

在工程實踐中，有時會出現(xiàn)不同廠家的防腐底漆、中間漆、面漆與防火涂料交互涂裝。有些涂料相互間不能很好的相容，涂裝后發(fā)生反應(yīng)，如起泡、起皺，將下層涂料咬起。這些涂裝不僅沒取到防護作用，還加速了鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。一旦出現(xiàn)這種情況就必須將所有的涂層全部打掉，從鋼結(jié)構(gòu)表明重新除銹做起，重新進行涂裝。結(jié)果就是不僅延長了工期，還在經(jīng)濟上造成嚴重損失。

為了避免這種不必要的損失，在設(shè)計時對于采用的防腐涂料和防火涂料要充分了解，謹慎選用，并且要求施工時要進行相容性試驗，只有結(jié)合性和相容性均好的涂料才能組合涂裝。這樣才能保證鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的順利施工，才能保證防腐、防火涂料取到應(yīng)有的防護作用。

3 結(jié) 語

隨著科技的不斷發(fā)展，新材料、新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝不斷被新的生產(chǎn)工藝所代替，設(shè)計規(guī)范和標準也在不斷更新，作為設(shè)計人員，必須不斷的學(xué)習(xí)研究，提高設(shè)計水平，才能更好地解決工業(yè)建筑設(shè)計中出現(xiàn)的新問題，設(shè)計出既滿足工藝要求，又安全可靠的工業(yè)建筑來。