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1、第四届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第二届全国结构抗火学术交流会广州新电视塔外筒钢结构防火性能化设计安全评估与论证的分析探讨王毅 严洪（广东省公安消防总队，广州510640）摘 要：本文在简单验算广州新电视塔火灾情况下外筒钢结构抗火性能的基础上，分析和对比了设计单位和专业机构对其外筒钢结构的防火性能化设计方法和结论，探讨消防机构在进行建筑物性能化设计的审查中应注意的问题并提出建议。关键词：钢结构 电视塔 防火性能化设计分析1 引 言近年来，国内在新建建筑的设计和旧建筑物的改造过程中，由于现行建筑工程防火设计规范感觉范围只是指建规，是否放宽到一个所谓的建筑的消防安全体系？如建筑工程安全规范？存
2、在本身的复杂性、对安全的经济性因素影响考虑不够以及弹性较小等不足，造成建筑设计、审核中出现了具体规定的技术数据与日益扩大的建筑规模不相适应、对环境条件和社会因素影响考虑不周、新技术、新材料的推广使用受限制、特殊建筑的防火安全要求无法适用等难以解决的问题。设计和建设建筑物的根本目的是为了利用其生产、生活的使用功能，因此设计和建设中首先要保证的是建筑和场所的功能需求，讲求美观实用。以纯粹满足 “消防规范”要求的“处方式”设计理念及其方法已决定了它不能适应新、奇、特建筑设计的需要。因此，引入以满足功能要求为先导的性能化防火设计方法就成为我们必然的选择。本文通过验算广州新电视塔火灾情景时外筒钢结构抗火
3、性能，分析、对比设计单位和专业机构对其外筒钢结构的防火性能化设计方法和结论，探讨消防部门在进行建筑物性能化设计的审查中应注意的问题，并提出意见和建议，以实现建设工程消防安全目标，保障消防安全。2 广州新电视塔外筒钢结构抗火性能的验算2.1 钢建筑工程概况广州新电视塔位于广州市海珠区滨江东路，珠江文化带（城市坐标轴）与新城市中轴线（纵轴）交汇处的珠江南岸。该新电视塔高标高？610m，其中主塔体高约450m、天线桅杆高160m。新电视塔“+”什么含义？6.8m层设有功能为登塔大厅的抬高广场，广场的水平高度为6.3m6.7m。标高为0.0m地面的地下一层位于广场下，其下分别是标高5.0m和10.0m
4、的地下二、三层。新电视塔的建筑结构是由一个向上旋转的椭圆形钢外壳变化生成，其结构通过外部的钢斜柱、斜撑、环梁和内部的钢筋混凝土筒充分展现了建筑造型，见图2-1。核心筒内部设置了观光电梯、疏散楼梯和机电竖向管井等，核心筒平面尺寸为17m14m（椭圆外墙的内壁尺寸）。图2-12.2外筒钢结构概况广州新电视塔塔体结构包括一个钢结构外筒，一个椭圆形混凝土核心筒以及连接这两者的钢结构楼面，外部钢架和核心筒之间的空间除空中云梯之外是空的。钢结构的桅杆天线直接建于核心筒顶部。钢结构外筒的最高点标高为462.8m。钢结构外筒用圆形钢管制造，立柱将填充钢筋混凝土，以形成具有相当强度和刚度的组合构件。环和斜撑没有
5、填充混凝土。钢结构外筒示意图见图2-2。由于钢结构外筒构件全部外露，本文中仅对塔体起主要支撑作用的外筒钢柱、环梁、斜撑等结构整体的抗火性能进行验算和论证。假如外筒钢柱、环梁、斜撑等任何一者或组合失效，有何后果？钢结构外筒 立 柱 环 斜 撑图2-2钢结构的外筒是结构主要的抗侧力构件，包括三种类型的杆件：立柱、环和斜撑。外筒共24根柱，由地下二层柱定位点沿直线至塔体顶部相应的柱定位点，全部为钢管混凝土组合柱，柱截面尺寸由底部的钢管直径2.0m逐渐减小到顶部的1.2m。斜撑与钢管混凝土柱的连接采用刚性连接“刚接”为“刚性连接”？焊接？铆接？形式。外筒的环梁共有46组，环梁材料为钢管，环梁截面尺寸均
6、为800mm，采用曲线形式，环梁与钢管混凝土柱通过节点连接。广场以上的楼面主梁支撑在核心筒和外部筒体柱上，采用H型截面钢。楼面次梁采用轧制型钢。主梁与核心筒和外部筒体柱的连接形式，以及主梁与次梁的连接形式均采用铰接。2.3外筒钢结构抗火性能验算的理论和方法2.3.1确立安全目标和要求钢结构抗火性能设计的目标是，通过结构抗火设计验算，安全、合理、经济地对钢结构采取防火保护措施，减轻和避免外筒钢结构在火灾中局部和整体倒塌造成人员伤亡、财产损失和灭火困难，减少消防费用(基建及维修)和预期火灾损失。具体就是应避免外筒钢结构整体达到抗火承载能力极限状态，避免温升引发结构整体丧失稳定。假如必须这样表述，该
7、段建议放在文首，作为引入语。对该高度大于100m的超高层建筑，我们就整体结构进行抗火“抗火”是否还有更合适的术语？如“抵御高温”、“抵御火灾”等？验算。在正常或在抗火条件下，当钢结构的承载达到极限状态时结构就不能继续承载，甚至被破坏。为达到以上目标，外筒钢结构地抗火设计按照建筑钢结构防火技术规范CECS200:2006要求，应满足下列条件之一：是否应该注明出处？（1）在规定的结构耐火极限时间内，结构的承载力Rd不应小于各种作用产生的组合效应Sm，即RdSm（2）在各种荷载效应组合下，结构的耐火时间td不应小于规定的结构的耐火极限tm，即：tdtm（3）火灾下，当结构内部温度分布一定时，结构达到
8、承载力极限状态时内部某特征点的温度即临界温度Td不应低于在耐火时间内机构的最高温度Tm，即：TdTm以上三个要求是等价的，满足其中一个要求即可保证结构未达抗火承载能力极限状态而能继续安全承载。2.3.2钢结构抗火评估方法抗火性能验算一般可用行为设计法加注、指定设计法加注。在指定设计法中，根据规范制定的抗火要求，例如半个小时，或两个小时，就可以很快地查表或计算得到需要的保护层的厚度，广州新电视塔比较特殊，数据基本超出了建筑钢结构防火技术规范CECS200:2006各类表格数据的适用范围。行为设计法涵盖很广，基本上，规范只提出基本的要求，比方说最短疏散时间，结构的破坏程度，是否允许倒塌等。其余的过
9、程可以是根据计算机软件的计算，也可以采用简单的算法，例如EC3 加注就提供大量的简单算法，也可以查指定性设计法中的一些图表。复杂的设计所用的计算机软件可以包括CFD加注软件计算火和烟的传播情况，以及所能提供的疏散时间，疏散软件计算一栋楼的紧急疏散情况，普通的结构分析软件分析结构的反应等。本文中将采取建筑钢结构防火技术规范CECS200:2006的有关数据和算法，进行结构抗火设计简单验算。2.3.3室内火灾空气升温广州新电视塔室内存在的两种情况：（1）一般场所内的室内火灾空气温度按照ISO834标准升温曲线考虑（图2-3）：Tg(t) Tg(0)345lg(8 t +1)式中：Tg(t)对应于t
10、时刻的室内平均空气温度（）； Tg(0)火灾发生前的室内平均空气温度，取20； t荷载组合效应；图2-3 标准时间温度曲线图（2）高大空间场所火灾的空气升温过程可按下式计算：T(x,z,t)Tg（0)Tz1-0.8exp(-t)-0.2exp(-0.1 t)+(1)exp(xb)/)式中T(x,z,t)对应于t时刻，与火源中心水平距离为x（m）、与地面垂直距离为z（m）处的空气温度（）；Tg（0）火灾发生前高大空间内的平均空气温度，取20；Tz火源中心据地面垂直距离为z（m）处的最高空气升温（），按建筑钢结构防火技术规范CECS200:2006附录D确定；根据火源功率类型和火灾增长类型确定；b
11、火源中心至火源最外缘的距离 （m）；温度衰减系数；系数；2.3.4确立火灾荷载大小和位置根据建筑钢结构防火技术规范CECS200:2006中给出了一些场所的火源功率设计值，按表2-1选取表2-1建筑类型火源功率设计值Qs(MW)设有喷淋的商场3设有喷淋的办公室、客房1.5设有喷淋的公共场所2.5设有喷淋的汽车库1.5设有喷淋的超市、仓库4设有喷淋的中庭1无喷淋的办公室、客房6无喷淋的汽车库3无喷淋的中庭4无喷淋的公共场所8无喷淋的超市、仓库20火源尺寸：考虑到在最不利情况的设计取值，要假定在喷淋系统失效的火灾情况下，选取对建筑标高为22.40m层的大空间场所且无喷淋的会议室火源功率设计取值为8
12、MW，单位面积热释放速率Q按一般场所取值为250kW/m2。根据QsQA，确定火源面积A为32 m2根据Heskestad给出的火焰高度公式：L0.23Q0.41.02DQ总释热速率中由对流部分所占的量 D火焰的等效直径火焰的平均温度Tf(T41+T42)/20.25取纤维质材料T1内焰温度1273,T2外焰温度813。对该电视塔选取的大空间火灾场景参数设定如下：假设火灾位置位于玻璃幕墙侧靠近结构柱的位置。按火源功率取大空间中的8MW，强度为250kW/m2。火源面积取32 m2时，火焰等效直径为6.38m。火焰高度为1.87m。地板面积为200 m2，层高5.05 m。火源功率为t2，快速增
13、长类型，火焰平均温度Tf为1112，黑度取值为0.8。根据大空间建筑空气升温计算式可得大空间场所Tmaxg386。（大约在500s时）2.3.5钢构件温度计算无论是一般建筑场所内的室内火灾还是高大空间场所火灾场景，外筒钢结构包括钢柱、斜撑、环梁和主梁的室外部分温度计算包括火焰与构件之间的辐射传热量，烟气与构件之间的辐射传热量，烟气与构件之间的对流传热量，计算构件温度时，不考虑火焰与构件直接接触，同时偏保守不考虑混凝土对钢柱的温升影响。另外，钢结构的耐火极限温度随其材质、结构的几何形状、截面系数、受载等多种因素的不同存在差别，与实际火灾，模拟火场无明显关联，也就是当钢结构的材质、结构的几何形状、
14、截面系数、受载等因素确定后，其耐火极限温度是一定值。一个受载的钢结构，在钢材温度达到538之前都应保持承载力，这是一个基本准则。从消防工程的观点看，如果在火灾中钢结构在要求的耐火时间内没有达到538，就不需额外的防火保护。根据建筑钢结构防火技术规范CECS200:2006和高层民用建筑设计防火规范中的规定，要求柱和斜撑的耐火极限3h，梁的耐火极限2h。根据计算的火焰尺寸和钢构件与火焰的相对位置，见图2-4，得出辐射角系数，建立热平衡方程式。图2-4 火灾场景火焰与钢构件的相对位置辐射角系数计算公式式中XA/C，YB/CA辐射面高度1/2（m）B辐射面宽度1/2（m）C辐射面到接受面的距离（m）
15、热平衡方程式QsVssCsdTs / dtQs单位时间内单位长度构件吸收的热量（kW/m）Vs单位长度构件的体积（m3/m）s钢的密度，7850kg/m3Cs钢的比热，600J/kgdTs单位时间内钢结构的升温()dt单位时间（s）同时又QsQgr+Qfr+QscQfrQgr为烟气与构件之间的辐射传热量，Qfr为火焰与构件之间的辐射传热量，Qsc为烟气与构件之间的传热量，Qfr为钢构件向外辐射传热量。火焰与构件之间表面之间的发射率，取0.8Stephan Boltzmann常数（5.67108W/m2K4）Tf火焰平均温度（K）Tg构件表面温度（K）辐射角系数Fs单位长度钢构件的外表面积（m2
16、/m）c钢构件表面烟气对流传热系数（取25W/ m2K）钢构件受火焰辐射有效表面系数按照设计火灾场景得到钢构件附近的烟气温度，环境温度取293K。（20）得到大空间场所外筒各构件在耐火极限时间内的最高温度如表2-2表2-2构件最大温度（）外筒钢柱Tmax300斜撑Tmax300环梁Tmax78在一般场所内外筒各构件的温升过程见图2-5钢柱，斜撑，环梁图2-5可见无论在大空间场所还是一般场所，外筒各构件在耐火极限时间内的最高温度均小于538，在不进行防火保护时能满足耐火极限要求。3. 对专业机构防火性能化设计方案的对比分析3.1性能化设计方案简介对广州新电视塔钢结构的抗火性能问题，建设方委托同济
17、大学、中国人民武装警察部队学院分别进行了评估，并出具了广州新电视塔钢结构抗火安全的评估报告。两份报告分别采用了美国、瑞典有关机构提供的火灾温度分析模型，从火灾场景入手，正确选取了评估目标，以钢结构的应力计算为关键，比较全面的分析了一些主要承重构件在火灾下的支撑能力，两份报告参考依据较为充分，评估程序严密，推算过程严谨，防火设计结论基本一致，即外筒的柱、环梁和斜撑在不进行防火保护的情况下能满足耐火安全要求。对比分析两份评估报告，同济大学应用美国的火灾模拟软件FDS，提供了不同火灾延续时间的温度场和温度随时间和高度变化的曲线，基于计算得出了在火灾模拟条件下钢结构极限状态的临界温度不小于规定时间内钢
18、结构所经历的最高温度。中国人民武装警察部队学院从房间的火灾荷载密度，钢材的高温力学性能等方面入手，对不同高度部位房间的火灾温度，火焰尺寸及与其相关的钢柱、环梁和斜撑的热流强度和温度场，进行了详尽的计算，在此基础上进行了构件系统的抗火稳定性验算，得出外筒钢结构的荷载力满足要求。3.2性能化设计的差异两个评估报告各以不同的方式方法验证火灾条件下钢结构的抗火能力。中国人民武装警察部队学院采用的是在火灾条件下，玻璃幕墙破裂后，验证外筒钢结构的承载能力，但并未对楼层与外筒连接的主梁室外部分抗火性能进行分析，得出部分斜撑在温度应力的作用下存在稳定性问题。同济大学采用的是在火灾条件下，不考虑玻璃幕墙破裂后火
19、焰与构件接触，钢结构极限状态的临界温度大于规定耐火时间内钢结构所经历的最高温度，要求调整主梁截面使名义“名义应力”是否行业术语？应力控制在0.75应力是否有单位？以内，同时提出了外露钢梁需做金属防护罩的建议。4. 消防部门在性能化设计审查中应注意的问题通过比较，我们认为：工程中的性能化防火设计可以在经济性、施工上的可行性、技术上实施的难易等方面为工程师和业主提供很多便利，通过采用多种工具用来进行火灾风险分析，使得工程设计的精确性和可靠性大大增加，从而形成一种综合的防火战略，所有的消防设施被组合起来运用，而不是单独设计，可以提供更加节省而有效的防火体系。此外，性能化设计是针对特定情况下的应用，更
20、确切地反映预期火灾对特定设施的作用和影响，其提出的防火对策的净结果是使总的火灾损失降低。这种建立在对个别被保护结构、过程或部件的损失可能取得一致的基础上之上的防火设计方法，从理论上讲，能提供更有效的消防安全保护。性能化设计更多地要求设计者、审查者的自身素质以及用以保证设计适当性的质量控制措施。但当前设计者的素质差别很大，而性能化设计的要求又具有很大的弹性，所以难以根据他们的素质给出正确的评价。例如在上述提到的两份报告中由于算法的偏差，边界条件的设定、基础数据的选用等方面存在不同，结论和建议也不尽相同。同时，性能化设计分析和设计步骤需要更多的工程时间以便进行分析、计算和准备设计文件；还存在与日常
21、的消防安全管理、建筑物的占用或使用性质的变更等密切相关的弹性因素；加之国内对此无相关立法，消防等职能部门缺少相应的专业人员进行分析审查，对性能化设计不熟悉、不适应，增加了消防部门对批准这种设计方案的顾虑。5. 结束语性能化防火分析与设计作为解决大型特殊建筑火灾防治的手段，在我国应用越来越广泛，其设计方法、操作规程、理论依据等引起了相关各部门的重视，个别案例还采用了这种方法。为此我们认为，首先应尊重科学，接纳其思想观点,对于建立在先进火灾科学和安全工程学基础上的性能化消防设计方法，政府和公安消防机构应责无旁贷地积极应用、推广，不能因为要投入更多的精力进行监督，从而产生排斥情绪。其次要尽早完善相关
22、法律和程序，要审慎地确定性能化防火设计的适用范围。同时要遵循严格的设计审核程序，实行全程监控，要求包括设计单位的设计评估，专业机构的安全论证，职能部门的审查论证等多方验证。目前包括广东省在内的消防部门已在这方面作出了初步探索，我们出台了广东省建设工程性能化消防设计与评估实施规定，以规范全省的性能化防火设计、审核的行为。通过一段时间的实践，将培养我省的专门人才，配合国家性能化设计导则倡导下对火灾安全工程学的研究、建立火灾基础数据库、开发实用的消防安全评估模型和方法，制订与导则相配套的技术规范和技术法规，从根本上解决问题。参考文献1建筑设计防火规范（GBJ16-87），中国计划出版社，2000.5
23、2高层民用建筑设计防火规范（GB50045-95），中国计划出版社，2000.53建筑钢结构防火技术规范（CECS200:2006），中国工程建设标准化协会，2006.8.4 李国强、韩林海、楼国彪、蒋首超，钢结构及钢混凝土组合结构抗火设计，中国建设工业出版社，2006.55 同济大学，广州新电视塔火灾下钢结构安全评估报告，2006.26 中国人民武装警察部队学院，广州新电视塔外筒钢结构抗火安全问题评估研究报告，2006.2 7 时虎、姚斌，钢结构防火保护的性能化分析，中国消防信息网，2006.118 赵泽文，从消防技术规范浅析性能化防火设计思想，中国消防在线，2005.69 Eurocode
24、1: Basis of design and actions on structure-part2.2:Actions on structures exposed to fire (EN1991-1-2:2002) 10 赵华伟、梁红林、时虎，大型仓库的钢结构的防火性能化分析探讨，消防技术与产品信息，2005.111 广州市设计院，广州新电视塔初步设计（消防设计说明），2005.11 The Analysis and Discussion on Assessment method and Demonstration of Performance-baseed fire-resisting de
25、sign for The Guangzhou New Television-tower outside Steel Tube-constructionWANG Yi,Yang Hong (Fire Prevention and Supervision Division, Fire Corps of Guangdong Province, Guangzhou 510640)Abstract: This text based on the simple checking for Fireproofing performance of The Guangzhou New Television-tow
26、er outside Steel Tube-construction under the fire situation, Text analyzed and compared method and conclusion of design institutes for Performance-baseed fire-resisting to outside Steel Tube-construction, Fire Departments review have paied attention to issue in Performance-baseed fire-resisting design,Text gave some advice.Keywords: Steel construction; Television tower; Performance-baseed fire-resisting design; Analysis
