強風(fēng)條件下木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)防火安全間距優(yōu)化研究

劉倩

摘? 要：為在強風(fēng)條件下，提升木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)的防火安全性等級，提出強風(fēng)條件下的木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)防火安全間距優(yōu)化策略。根據(jù)輕型木結(jié)構(gòu)、重型木結(jié)構(gòu)的實際分類條件，研究強風(fēng)條件下的木結(jié)構(gòu)防火技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，分析木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)防火的發(fā)展現(xiàn)狀，通過防火特征定義的方式，定義安全間距的實際布局形式，實現(xiàn)強風(fēng)條件下的木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)防火安全間距優(yōu)化研究。對比實驗結(jié)果表明，與常規(guī)防火安全間距策略相比，優(yōu)化后處理方法的實際應(yīng)用能力更強，能夠較好抑制強風(fēng)作用條件帶來的助燃影響。

關(guān)鍵詞：強風(fēng)條件? 木結(jié)構(gòu)建筑? 架構(gòu)防火? 安全間距? 輕型木結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU36 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（c）-0103-03

Study on Optimization of Fire Safety Spacing of Timber Structure Building under Strong Wind

LIU Qian

（Saihan District Brigade， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010020 China）

Abstract： In order to improve the fire safety level of timber structure under strong wind， the optimization strategy of fire safety spacing of timber structure under strong wind is put forward. According to the actual classification conditions of light timber structure and heavy timber structure， the fire prevention technology of timber structure under strong wind condition is studied. Based on this， the development status of fire protection of wood frame is analyzed， and the actual layout form of safety spacing is defined by defining fire protection characteristics. Experimental results show that compared with the conventional fireproofing safety spacing strategy， the optimized post-processing method is more practical and can better suppress the influence of strong wind.

Key Words： Strong wind conditions; Timber structure building; Frame fire prevention; Safety spacing; Light wood structure

木結(jié)構(gòu)是以木材作為主要載荷承重元件的建筑結(jié)構(gòu)體，可在各類金屬榫卯或金屬連接件的作用下，實現(xiàn)木材板件之間的固定與連接。木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)完全由純天然的應(yīng)用材料組成，從實用性角度來看，始終受到材料本身使用條件的限制影響[1]。在復(fù)雜的建筑空間中，木質(zhì)梁架很難完全適應(yīng)多變的建筑架構(gòu)需求。因此，木結(jié)構(gòu)主要被應(yīng)用于中小型工業(yè)廠房及民用屋蓋建筑之中，由屋面板、木屋架、吊頂、支撐系統(tǒng)、掛瓦條等多個施工環(huán)節(jié)共同組成。

1? 強風(fēng)條件下的木結(jié)構(gòu)防火技術(shù)

1.1 輕型木結(jié)構(gòu)防火

輕型木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)基本等同于居住型建筑結(jié)構(gòu)體，在實際建筑規(guī)范中，主要是指由木樓蓋、木構(gòu)架墻、木屋蓋系統(tǒng)所組成的實用型結(jié)構(gòu)體系，主要被應(yīng)用于三層及三層以下的小型民用建筑物之中[2]。根據(jù)過往建筑經(jīng)驗來看，輕型木結(jié)構(gòu)是指密度水平完全均勻的輕型建筑架構(gòu)體，大部分構(gòu)件的中心間距值始終小于600mm，且其斷裂截面的物理占地面積相對較小，是隸屬于規(guī)格型材的結(jié)構(gòu)主體構(gòu)架連接形式，在強風(fēng)條件下，可使四至六層的中小型民用建筑物保持連續(xù)性穩(wěn)定狀態(tài)。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)防火思路利用了不燃性成分與木材原料之間的聯(lián)合應(yīng)用關(guān)系，在降低可燃性成分所占建筑比例的同時，隔絕包含火源傳熱等在內(nèi)的一切外來輸送氧氣，從而使木結(jié)構(gòu)表面覆蓋一層燃點極高的難燃型物質(zhì)，實現(xiàn)對建筑架構(gòu)體的物理防火處置。所謂防火手段是可對建筑構(gòu)件材料進行包覆防火處理的實用操作方法，如在輕型木結(jié)構(gòu)表面包裹防火石膏板等[3]。為了實現(xiàn)不同程度的輕型木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)耐火極限要求，可選取不同厚度的防火石膏板，以用于隔絕外部傳熱火源。

1.2 重型木結(jié)構(gòu)防火

重型木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)主要采用大截面型堅固耐用的原木材料，對于一部分工程來說，也會使用LVL型材、PSL型材或膠合木對拱、桁架、柱、梁等結(jié)構(gòu)體系進行加工，且這類型構(gòu)建作為建筑物內(nèi)部的最主要承重構(gòu)件，基本全部暴露在架構(gòu)體外部。膠合木作為重型木結(jié)構(gòu)中的典型代表物質(zhì)，能夠突破木材元件自身在截面尺寸方面的局限性，具有較強的耐火、耐熱能力，滿足絕緣性、尺寸穩(wěn)定性等多方面的實際應(yīng)用需求。通常情況下，可利用該類型物質(zhì)制作拱形構(gòu)件或具有較大跨度的直線型構(gòu)建，可滿足重型木結(jié)構(gòu)在大空間與大跨度方面的設(shè)計處理需求。

大多數(shù)未經(jīng)強化防火處理的金屬型建筑構(gòu)建，在遭遇高溫作用時，會出現(xiàn)表現(xiàn)強度降低的行為，從而易使木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)出現(xiàn)突然性的倒塌。與傳統(tǒng)的金屬構(gòu)件相比，重型木結(jié)構(gòu)建筑在遇到明火時，架構(gòu)表面可被火焰直接點燃并在自然空氣的作用下，出現(xiàn)快速燃燒，而已燃燒的木結(jié)構(gòu)表面會形成一層炭化組織，能夠在阻擋內(nèi)部木材遭受高溫侵害的同時，將建筑架構(gòu)體的初始燃燒速率降低至較為穩(wěn)定的定值標準，從而使得重型木結(jié)構(gòu)體的強度保持時間得到有效延長[4]。由于炭化層起到了較好的物理隔熱作用，重型木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)的內(nèi)部木料可免受外部火焰的進一步燃燒作用。

2? 木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)的防火特征及間距定位

2.1 木結(jié)構(gòu)防火的發(fā)展現(xiàn)狀

由于一部分木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的設(shè)計尺寸無法完全達到重型木結(jié)構(gòu)架構(gòu)的實際應(yīng)用需求，但在建筑施工的過程中，這類型元件依然需要暴露在建筑體外部，又或者在處理特殊建筑需要時，木材表面的耐熱、耐火標準無法達到令人滿意的實際應(yīng)用標準，對木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)進行防火阻燃處理，就顯得極為必要。理想的木結(jié)構(gòu)防火阻燃劑應(yīng)具有如下幾方面特質(zhì)：

（1）阻燃效力極高，可在阻隔明火燃燒作用的同時，抑制強風(fēng)條件下的木料陰燃行為。

（2）木結(jié)構(gòu)阻燃劑本身必須具備無毒、無害、不污染環(huán)境的特征，可在強風(fēng)條件下，繼續(xù)保持原有穩(wěn)定的理化特性。

（3）阻燃劑自身的阻燃特性必須能長期維持，且在連續(xù)的隔熱與隔火作用下，其自身不會出現(xiàn)熱分解或光分解的情況。

（4）受到木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)自身理化作用的影響，阻燃劑必須具備吸濕性低的應(yīng)用特點，且由于該物質(zhì)的附著作用，木材原料自身的尺寸穩(wěn)定性特征能夠得到長期穩(wěn)定的保持。

（5）在長時間的強風(fēng)條件作用下，木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)阻燃劑的工藝性能與物理力學(xué)性能必須能夠始終保持穩(wěn)定。

（6）由于阻燃劑大都刷涂在木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)表面，需要直接暴露在建筑結(jié)構(gòu)體外部，因此其自身的木材視覺、觸覺作用必須與外界環(huán)境保持統(tǒng)一，且隨作用實驗的延長，阻燃劑的環(huán)境學(xué)特性也不應(yīng)該受到任何影響。

2.2 木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)的防火定義及特征

木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)的防火是一個相對廣泛的物理特征，在強風(fēng)條件下，隨外界燃燒溫度的升高，架構(gòu)體表面的阻燃劑成分會出現(xiàn)適當?shù)拿撀?，直至這些物質(zhì)被完全消耗，內(nèi)部木結(jié)構(gòu)材料才會完全暴露在火焰燃燒環(huán)境當中[5]。而所謂防火則是對這種物理耐受時間的無限延長，一般情況下，對最終承受時間點及實際燃燒溫度不設(shè)置嚴格的界限條件，而是要求其承受上限數(shù)值應(yīng)當逐漸向著正無窮靠近。結(jié)合強風(fēng)條件下的木結(jié)構(gòu)燃燒條件可知，當外界物理溫度達到阻燃劑成分的耐受極值時，內(nèi)部木材原料的物理框架結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)輕微的晃動狀態(tài)，而由于建筑框架體系的存在，這種晃動作用并不會對整個建筑工程造成影響。因此，木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)防火應(yīng)當是一種相對較為細微的物理抗擊作用。設(shè)、分別代表兩個不同的阻燃劑防火耐熱系數(shù)，代表木材原料框架的晃動系數(shù)極值，β'代表外界燃燒火焰的實際溫度數(shù)值。聯(lián)立上述物理量，可將木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)的防火特征量定義為：

（1）

式中，Tmax代表木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)外界環(huán)境中的最高燃燒溫度值，Tmin代表木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)外界環(huán)境中的最低燃燒溫度值。

2.3 安全間距布局形式

安全間距布局描述了木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)之間的最大安全防火距離值，通常情況下，隨外界燃燒溫度的升高，該項物理參數(shù)的實際表現(xiàn)數(shù)值也會出現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢。在不同類型阻燃劑的作用下，木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)之間的安全布局間距也會隨之發(fā)生改變，但一般不會低于物理數(shù)值“1”。假設(shè)其他干預(yù)條件均不會對木料型材的燃燒作用造成影響，且隨著燃燒溫度的提高，建筑架構(gòu)出現(xiàn)關(guān)聯(lián)燃燒行為的物理幾率也會隨之增大。規(guī)定ζ1代表與木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)阻燃劑相關(guān)的燃燒耐熱量參考條件，在其他物理條件不發(fā)生改變的情況下，該項物理系數(shù)的表現(xiàn)實值越大，最終計算所得的架構(gòu)安全間距布局計算量數(shù)值也就越大。u1代表外界強風(fēng)的干擾作用強度，與其他應(yīng)用參考系數(shù)相比，該項物理量的可變動數(shù)值區(qū)間范圍更大，對架構(gòu)安全間距布局計算值的影響能力也就更強。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式（1），可將木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)的安全間距布局結(jié)果表示為：

（2）

其中，I代表強風(fēng)條件下與木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)相關(guān)的耐熱均值條件，λ0代表最小的安全間距優(yōu)化系數(shù)，λ1代表最大的安全間距優(yōu)化系數(shù)。

2.4 防火安全間距的功能定位

防火安全間距功能定位是強風(fēng)條件下木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)防火安全間距優(yōu)化處理的末尾執(zhí)行環(huán)節(jié)，可按照安全間距的實際布局行為，確定相鄰木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)體之間的擺放距離差值，從而實現(xiàn)對木結(jié)構(gòu)應(yīng)用材料的最大化保護[6]。在固定燃燒時長中，隨外界風(fēng)力作用強度的改變，木結(jié)構(gòu)材料的耐熱表現(xiàn)特質(zhì)也會逐漸發(fā)生變化，但由于表面阻燃劑的存在，整個建筑框架并不會出現(xiàn)直接燃燒的表現(xiàn)形式。設(shè)f代表阻燃劑對于外界強風(fēng)作用的物理耐受強度值，代表燃燒發(fā)熱均值，聯(lián)立公式（2），可將木結(jié)構(gòu)建筑框架的防火安全間距功能定位結(jié)果表示為：

（3）

其中，代表防火安全間距定位系數(shù)，d1、d2分別代表兩個不同的木材原料防火參量，代表與強風(fēng)條件相關(guān)的木結(jié)構(gòu)防火間距量化差值。

3? 實驗結(jié)果分析

為驗證強風(fēng)條件下木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)防火安全間距優(yōu)化策略的實際應(yīng)用能力，設(shè)計如下對比實驗。選取兩個完全相同的木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)體作為實驗對象，在相同的燃燒環(huán)境下，分別對其施加等強的風(fēng)力干擾作用，其中實驗組架構(gòu)體采取優(yōu)化后的布局擺放形式，對照組架構(gòu)體采取常規(guī)布局擺放形式，在既定實驗時間內(nèi)，分析DIR指標的實際變化情況（如圖1所示）。已知DIR指標能夠反映木結(jié)構(gòu)建筑框架的防火安全性等級，通常情況下，指標的表現(xiàn)實值越大，建筑框架的防火安全性等級也就越高，反之則越低。

分析圖1可知，隨著實驗時間的延長，實驗組DIR指標一直呈現(xiàn)不斷上升的變化趨勢，全局最大值可達到83.21%;而對照組DIR指標卻一直呈現(xiàn)不斷下降的變化趨勢，全局最大值只能達到49.86%，與實驗組極值相比，下降了33.35%。

4? 結(jié)語

與規(guī)劃布局擺放形式相比，優(yōu)化后布局擺放策略可在木結(jié)構(gòu)防火技術(shù)的支持下，定義建筑架構(gòu)體的實際防火特征，并可聯(lián)合強風(fēng)作用條件，得到準確的木結(jié)構(gòu)建筑架構(gòu)體間距功能定位實值。從實用性角度來看，隨著DIR指標數(shù)值的不斷增大，建筑框架的防火安全性等級也在逐漸提升，能夠在一定程度上，抑制強風(fēng)作用對木材原料帶來的助燃影響。

參考文獻

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