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木结构建筑防火技术要求分析及探讨
出处:中建木屋 点击: 时间:2016-04-07 16:05:46
    
   一般木结构建筑是指楼层数不高,用木骨架组合墙体建造单户家庭住宅等建筑,也可以建造一些公寓、集体宿舍、宾馆和会议中心等公共建筑。目前,在欧美等国家多数住宅采用木结构建筑形式,木结构建筑体系比较完整,建筑技术也相当地成熟。我国从80代年开始,对一些城市规划建设中,由于受木材资源和防火规范要求的限制,一度限制了木结构建筑技术的发展。现存木结构建筑都是历史上遗留下来的老建筑,多数为砖木结构。在偏远山区和旅游景区内有纯木结构建筑,没有相应防火措施,结构构件耐火等级低。

 

    着我国加入WTO之后,中国的市场赿来赿向世界开放,与世界各国的广泛交流越来越多,越来赿广,在WTO协议中,我国政府同意允许国外的木业和与木业有关的制品、木业企业进入中国市场,鉴于这种情况,我们应该做出相应的对应措施来,积极了解外国木结构建筑技术的应用和发展情况,借鉴他们先进消防设计和管理的经验,逐步让我国的木结构防火技术与国际接轨,使木结构建筑在我国的建造和使用能够有法可依并有完备的消防技术力量。

 

    目前,我国城镇建筑,大部分工业与民用建筑还是采用砖石、钢材或混凝土等材料建造,这些材料的能耗大,不符合低物耗、低能耗、轻质、高强等建材发展方向。然而,木结构建筑给人一种宁静、温馨的舒适感觉。与其它结构比较木结构具有施工简捷、工期短、节能减排、抗震等优点。如果在建造时严格按照相关标准设计、施工和验收,木结构建筑对提高人民生活水平,保护人居环境起到良好作用。据调查了解我国在北京、上海、大连、青岛、杭州、广州等地出现一些木结构建筑,并具有一定规模的市场。

 

    1、木结构类型

    功能来确定,采取不同的建造组装方式,决定消防安全技术水平和手段不同。

    1.1轻型木结构一般是用于小型建筑,如3层或3层以下或每层最大允许面积不超过600m2的居住建筑、办公楼、商业建筑及轻度危险级的工业建筑的一种结构形式。轻型木结构建筑中,也可以建造在钢筋混凝土框架或者钢结构框架上。在《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)第5.5.2款规定,木结构建筑不应超过3层,不同层数建筑最大允许长度和防火分区面积也作了不同程度的限制。采用轻型木骨架墙体的建筑,除屋顶表层采用不燃材料外,其它构件可以采用不同耐火极限的难燃材料,只对木结构的建筑构件燃烧性能、耐火极限和建筑物防火间距作了规定,对木结构建筑其它防火技术并没有提出限制要求。

    1.1.1轻型木结构的防火措施

    对于规范的要求,轻型木结构的构件要达到一定耐火极限,其主要防火手段是对建筑构件材料进行包覆防火处理。如对木材的难燃或不燃处理;或采取直接阻断火焰与木构件接触。通常做法是在木龙骨之间添加保温隔热材料,再在其外面覆盖石膏板。

    至于选择什么样的保温隔热材料或者石膏板,应该由建筑构件所要达到的耐火极限决定。通过试验证明,轻型木结构选择材料的耐火极限为2h时,比较经济合理。国外进口组合式木结构楼板和墙体构件的耐火极限能达到0.75h--2h左右。

    1.2重型木结构在国家标准《木结构设计规范》(GB50005-2003)尚未提及到这种类型,在加拿大国家建筑规范作了相应的规定,它主要是通过限制木构件的大小、厚度、木楼板的组装方法以及避免在楼板和屋顶下出现隐蔽空间等手段来提高其防火性能。

1.2.1重型木结构的尺寸如表1:

    表1.重型木结构中构件的最小尺寸

    支撑构件结构构件实木锯材(宽×厚)mm×mm胶合材(宽×厚)mm×mm圆形(直径)mm

    屋顶柱140×191 130×190  180

    在墙顶部或邻接处受到支撑的拱架89×140  80×152-

    横梁、大梁、桁架89×140  80×152-

    在楼板基线或附近受到支撑的拱架140×140 130×152-

    楼板屋顶柱191×191 175×190 200

    横梁、大梁桁架和拱架140×241或191×191 130×228或175×190--

    1.2.2重型木结构的防火措施

    重型木材其本身就有一定耐火性。试验证明,该木材的燃烧速度为0.6mm/min,燃烧中材料表面产生一定的炭化层,炭化层能够阻止了火焰继续向木材内部燃烧,未燃烧的部分,能有效保持其支撑能力达到85%-90%。如果木材构件最小尺寸达到了规定值的要求,并采用合理的组装方式连接,那么重型木结构构件的耐火极限就能达到0.75h的要求。选择重型木构件用作梁、柱、屋架或地板等不同构件时,完全能满足耐火极限的要求。

    2、木材的特性和燃烧性能

    2.1木材的特性

    影响木材燃烧性的主要特性,有木材的形状、密度、机械性能、含水率、导热性能和热值等。

    2.1.1形状

    木材的形状直接影响其引燃和燃烧速率。一般情况下,在材质相同时,薄板比厚板容易燃烧,主要是细薄的木材的比表面积较大,木材受热面大、温度上升快、氧气供应充分,燃烧容易。

    2.1.2密度

    密度是木材最基本的特性,一般木材的全干密度为300-700kg/m3。无论何种木材。而且木材的密度随着温度的升高而减小,密度比将迅速下降,从200℃升至300℃时,密度比从0.9降到0.2。木材的密度与木材的机械性能、含水率及导热性之间都存在一定的比例关系。

    2.1.3机械性能

    木材是一种各向异性材料,其刚度和强度明显受木纹方向的影响。风干的无疵病木材,沿木纹方向的弹性模量在5.5×103-15.0×103MPa之间变化,其抗压强度在13-70MPa之间。其机械性能还受温度和炭化速率的影响很大。由于木材各个部分的强度特性不同,所以木材炭化后,残留部分的强度和韧性的减少程度也是个不同。

    2.1.4含水率

    木材一般都含有水分,通常在新的原木含水率在50%左右,气干材的含水率大约为12%-18%。

有采暖的建筑中,木构件的含水率(冬季时)小于10%,(夏季时)大约是12%左右。一般来讲,木材中水分的分布是不均匀的,表面要显得或湿或干,对于大气条件的变化显得比较敏感,表层含水率对木材的点燃温度和火焰传播速率有着重要影响。另外,含水率多少,对木材的导电性也有很大的影响,干燥的木材是良好的绝缘体,而湿的木材却可成为导体。

    2.1.5导热性

    木材是良好的热绝缘体。这一特性使得木结构建筑具有冬暖夏凉的特征。

    材料热传导的传递速度,与绝缘性相应,导热性能直接影响材料的燃烧性能。木材的导热性较差,它的平均热传导率仅是钢铁的1/350。

    木材的导热性与热流的方向、木材的木纹方向、含水率以及密度等相关,其热传导率与其含水率、温度、密度成正比。木材的不良导热性表出在火灾中具有良好耐火性能,木材外表面受热时,其髓心处的温度升高相对滞后。燃烧的表面易形成的炭化层,增加木材的热绝缘性,隔绝空气中氧气,控制燃烧速度。

    2.1.6热值

    热值是燃烧热的一种表示方式,与木材的燃烧时,热释放特性有关。试验结果,多数木材的热值在18.6-27.9MJ/kg之间。

    2.2燃烧特性

    2.2.1燃烧过程

    木材属于固体可燃物。受热到燃烧的过程,实际是热分解过程,放出的热量一方面加速木材的分解,另一方面提供维持燃烧所需的能量。

    整个燃烧的过程分四个阶段:

    一是热分解速度缓慢阶段,主要析出水蒸汽和二氧化碳(CO2)等不燃气体,需要消耗能量,是吸热阶段。

    二是热分解速度加快阶段,这时水分几乎完全蒸发,主要生成一氧化碳(CO)等可燃气体,仍是吸热阶段。

    三是热分解急剧发生阶段,此时产生大量的甲烷和乙烯等气体和醋酸、甲醇和焦油等分解产物,热分解结束,木炭开始燃烧,由吸热阶段转为放热阶段。

    四是当温度超过500℃,到气化阶段,快速形成了挥发性和易燃性气体。

    2.2.2影响因素

    木材燃烧包括可燃气体的释放以及可燃气体从燃烧表面向周围环境的扩散。同时,其燃烧热量由外表面向内部传递,传递过程即受木材的种类、含水率、木材尺寸等因素的影响。也受外部热辐射、湿度、空气流通等燃烧环境的影响。

    2.2.3燃烧特性

    木材的燃烧特性包括点燃特性、燃烧速度、热释放特性和烟气毒害性。

    木材有焰燃烧时先发生热解,然后发生炭化,称为有效燃烧热。有效燃烧热取决于木材中木质素的含量多少。当无焰燃烧时,主要是碳的氧化反应,其燃烧热值高。

总之,木材的热释放速率取决于热辐射能量、温度、木材的含水率、厚度、木纹方向、木板背面的边界条件、周围空气中的氧气浓度等。

    木材的燃烧过程中燃烧产物CO的比例明显升高,CO是致人死亡的主要原因。不完全统计,在火灾中,由于CO致人死亡人数占40%以上。

    3、木结构建筑防火技术要求

    木结构建筑防火技术应是一个完整的体系,把整个建筑防火安全按一个系统考虑,在系统中各个部分或子系统消防安全水平应该作到协调一致。分析木结构消防安全应达到的整体防火技术要求,主要要考虑以下技术要求:

    3.1木结构建筑主要适用于3层及3层以下的低层住宅建筑、公寓或适用于3层及3层以下的部分使用功能的公共建筑以及单层中、小型大型公共建筑。

    3.2木结构建筑的允许建筑高度。

    重木结构建筑的建筑层数不应超过2层,建筑高度不应超过10m,;轻型木结构建筑高度不应超过15m。

    3.3木结构建筑中燃烧性能和耐火极限应符合《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)第5.5.1款的规定。

    表2.木结构建筑中构件的燃烧性能和耐火极限

    构件名称燃烧性能和耐火极限(h)

    防火墙不燃烧体3.00

    承重墙、住宅单元之间的墙、住宅分户墙、楼梯间和电梯井墙体难燃烧体1.00

    非承重外墙、疏散走道两侧的隔墙难燃烧体1.00

    房间隔墙难燃烧体0.50

    多层承重柱难燃烧体1.00

    单层承重柱难燃烧体1.00

    梁难燃烧体1.00

    楼板难燃烧体1.00

    屋顶承重构件难燃烧体1.00

    疏散楼梯难燃烧体0.50

    室内吊顶难燃烧体0.25

    3.3.1当在单层、多层民用建筑的不燃烧体屋面上增加无使用功能的木结构屋顶时,不应改变建筑的原有耐火等级。

    3.3.2木骨架组合墙体设计应符合国家标准《木骨架组合墙体技术规范》GB/T50361的规定。

    3.3.3木结构屋顶,除防水层及其下部的非承重围护层外,均应视为屋顶承重结构。

    3.4建筑物的最大允许长度和最大允许建筑面积。

    木结构建筑物发生火灾后,在水平方向的蔓延情况由建筑物之间的防火间距、建筑物水平方向的防火分隔措施决定。

如不能在水平方向控制建筑火灾的蔓延,则一座建筑物越长、建筑面积越大,其火灾损失与危害也越大。因此,建筑物的长度赿长对火灾扑救也就赿难。考虑,我国的建设规划要求,一座建筑物的长度一般不应超过150m。木结构建筑物的允许建筑长度和一个防火分区的最大允许建筑面积应符合《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)第5.5.2款的规定:

    表3.木结构建筑的层数、长度和面积

    层数最大允许长度(m)每层最大允许面积(m2)

    1层1001200

    2层80900

    3层60600

    注:当有防火墙分隔时,防火墙间的建筑长度不应超过无防火墙分隔时一座建筑物的长度。

    3.5设计木结构建筑的防火间距可参照表4。

    表4.建筑物之间的防火间距(m)

    名称9层及9层以下的居住建筑和建筑高度小于等于24m的其它民用建筑10层及10层以上的居住建筑和建筑高度大于24m的其它民用建筑

    耐火等级一、二级三级四级

    一、二级6799

    三级781011

    四级9101214

    3.5.1当建筑物外墙为防火墙时,防火间距可不限;当建筑物相邻的外墙为耐火极限不低于1.0h的不燃烧体墙,且墙体截断不燃烧体屋面或高出难燃或可燃燃烧体屋面不低于0.5m时,防火间距可不限。

    3.5.2当建筑物相邻的外墙为耐火极限不低于1.0h的难燃烧体外墙时,其防火间距不应小于4m。

    3.5.3独体1户或2户建筑层数不超过2层的住宅,防火间距可不限。

    3.5.4对于建筑外墙开口面积大小,需要调整防火间距要求的,应根据实验研究结果确定。

    3.6在钢筋混凝土结构、砖石结构或钢结构等不燃烧体结构上部设置有多层木结构的混合建筑,且总建筑高度仍不超过24m时,除借用疏散设施外,与其它部分应严格分隔,室内、外消防给水和防火间距应按其中最大者确定,其它防火要求可分别按规范对不同结构建筑的防火要求确定;当不能满足时,应按对木结构的防火要求确定。

    参考文献

    【1】《木结构建筑防火技术研究报告》公安部天津消防研究所倪绍鹏

    【2】《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)

    【3】《木结构设计规范》(GB50005-2003)

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