轻型木结构材料防火问题探讨
刘美彤
（沈阳市消防救援支队，辽宁 沈阳 110013）
摘要：轻型木结构材料由于其箱型结构体系的特性，兼具木结构绿色环保等特点，同时具有更高的强度和耐火性能，近年来使用较为普遍。因此，对轻型木结构材料的火灾危险性及耐火性能进行了理论分析，对火灾情况下的轻型木结构和混凝土结构进行了模拟比较。研究发现，由耐火石膏板覆盖、不燃材料填充的轻型木结构建筑在耐火极限内，具有与混凝土建筑相当的安全性和可靠性。
1 研究背景
轻型木结构是指用规格材、木基结构板或石膏板制作的木构架墙体、楼板和屋盖系统构成的建筑结构 [1]。区别于传统的纯木结构，轻型木结构是利用木龙骨、木搁栅等主要结构构件，与覆面板等次要结构构件之间形成的组合框架来实现受力，并且由于不燃覆面材料的保护，轻型木结构具有更高的强度和更好的耐火性能，在应用上所受的限制较少。随着轻型木结构建造技术及防火技术的推进，越来越多的宾馆、宿舍、办公楼等公共建筑也采用了轻型木结构。
目前，国内大多数建筑仍使用砖石、钢材及混凝土等建材。就材料本身和能源消耗而言，这些材料建成的建筑物无法顺应我国低物耗、低能耗、绿色、环保等建筑发展趋势。而木结构建筑不仅能够带给人隔音、保温的优良感受，且与其他建筑结构相比，还具有绿色节能、施工期短、抗震性能理想等优势。
轻型木结构建筑由于其箱型结构体系的特性，兼具了木结构绿色环保等优点，同时具有更高的强度和耐火性，是我国值得推广和应用的建筑结构体系。最新《建筑设计防火规范》（以下简称《建规》）将木结构建筑单独划分为一章并作出了较详细的防火要求，突出了今后木结构建筑发展的重要性。但目前规范对轻型木结构建筑的层数仍然限制在 3 层，单层建筑面积最大不超过 1800 m2 ，一定程度地限制了轻型木结构在国内的发展 [2]。
2 轻型木结构的构造特征
轻型木结构建筑一般以钢筋混凝土结构为基础，上部结构以轻型木结构构成，上下结构由基础内预埋的连接构件连接在一起。墙体木龙骨的规格一般为 38 mm×89 mm 或 38 mm×140 mm 的锯材，楼盖木搁栅的规格一般为 38 mm×235 mm 的锯材或工字梁。覆面材料一般采用石膏板 [3]。
作为轻型木结构建筑中主要的承重构件，其墙体采用的木基结构板材能够承受竖向荷载，并将上部结构荷载传递至房屋基础，同时抵抗可能由风或地震引起的侧向力，并合理控制空气、热量和水汽在建筑物内外的流动。
轻型木结构楼盖的主要构成包括梁、木搁栅及楼面板。梁由紧密固定的规格材或工程木制品制成，为木搁栅提供中间支撑。楼盖木搁栅由规格材或工程木制品制成，由一系列的工字型构件水平排布构成，用于支撑楼面板、吊顶及承受上部荷载。楼面板由木基结构板材制成。
3 轻型木结构的耐火性能
3.1 高温下的木材特性
高温下由于水分蒸发，木材的密度逐渐下降，350℃时下降到常温密度的 20% ～ 30%；导热系数随温度升高呈先上升、再下降、再上升的趋势，同时，木材为各向异性材料，其顺纹导热系数比垂直纹方向大 2 倍左右。
木材属于可燃固体，其燃点为 200 ～ 290℃，自燃点为 250 ～ 350℃。木材在有焰燃烧时，先进行热解，一段时间后发生炭化。有焰燃烧时的燃烧热一般为 13 MJ/kg。当木材发生无焰燃烧，燃烧热比较大，为 31 MJ/kg 左右。木材燃烧后会在表面留下炭化层，炭化层可以保护内部材料避免直接暴露在火焰和氧气中。通常认为木材炭化的温度为 300℃。炭化层以下的内部木材温度升高缓慢，一方面得益于炭化层的保护，另一方面也是因为木材本身导热率低。因此重型木结构（胶合木柱、胶合木梁）也具有一定的耐火承载力 [4-5]。
3.2 覆面材料及填充材料对木框架耐火性能的影响
轻型木结构内墙板和楼盖板通常使用石膏板、水泥纤维板等材料作为保护层，墙体和楼板的耐火性能主要取决于这层覆面材料。石膏板是最常用的覆面材料，不同种类和厚度的石膏板可以提供 0.5 ～ 3.0 h 的耐火极限。
决定墙体及楼板结构防火性能的关键因素包括：石膏板的层数和厚度、石膏板的质量、石膏板与木龙骨和木搁栅连接处的细节以及建筑构造细节等。
石膏分子中含有约占 21% 重量的结晶水，因此石膏板被加热温升至100℃左右时会发生脱水，这一过程需要吸收大量热，从而延缓热传递，推迟了主要承重构件（木龙骨和木搁栅）温度升高的时间。
常用的石膏板一般为耐火石膏板。耐火石膏板是在石膏板芯中增加了玻璃纤维增强材料和其他添加剂，这些成分有助于保持石膏板的整体性，使其在火灾中不易脱落，从而增加石膏板对主要承重构件的保护时间。耐火石膏板的厚度通常是 12.7 mm 或 15.9 mm。两层 12.7 mm 厚的耐火石膏板安装到楼盖木搁栅的一侧，能提供约 1.0 h 的耐火极限，这是大多数建筑规范所要求的典型楼盖结构系统需要满足的耐火要求 [6-8]。
在 2007—2008 年公安部天津消防研究所进行的轻型木结构足尺构件的耐火试验中，覆面材料为耐火石膏板，采用了岩棉和玻璃棉两种填充材料作为保温材料。将实验结果与《建规》中构件的耐火极限要求进行比较分析后发现，轻木结构构件非承重状态下耐火性能较好，非承重墙及楼板符合一、二级耐火等级要求；墙体承重状态下耐火表现一般，在三、四级之间。不同填充材料影响了构件的整体耐火时间，岩棉作为填充材料时明显比玻璃棉的耐火表现要好。总体上轻木结构构件具有 0.5 ～ 3 h 的耐火极限。改进填充材料及构造细节、增加覆面材料层数和厚度等可进一步提高轻型木结构构件的耐火性能。
4 轻型木结构与混凝土结构的火灾模拟比较
在火灾风险分析中，材料对风险造成较大影响的因素在于建筑结构的完整性和建筑构件的可燃性。结构完整性在人员疏散过程中体现为疏散通道的安全性；而构件的可燃性增加了建筑物内的火灾荷载，影响了火灾蔓延程度及财产损失范围。一般认为，房间隔墙、疏散通道隔墙等属于非承重内墙，轻木结构构件在非承重状态下耐火性能良好，因此可以认为疏散通道在建筑整体坍塌前不会发生局部的完整性失效，人员是否安全疏散仅取决于燃烧产物的毒害作用。而由耐火石膏板覆盖、不燃材料填充的轻型木结构构件可视为难燃材料，对火灾初期发展几乎不会造成影响。因此，轻型木结构的火灾危险性主要体现在其材料热物理特性上的差异。这种特性的影响结果可由火灾模拟软件 FDS 来实现。
4.1 模型及场景设置
轻型木结构多用于住宅、办公、宾馆等建筑，该类建筑房间面积较小，层高较低，房间多为矩形。采用场模型火灾模拟软件 FDS 模拟火灾过程，选取火灾危险性相对较大的公共建筑作为研究对象。根据相关标准，设有喷淋系统的宾馆、办公楼等建筑的火灾最大热释放速率为 1.5 MW；未设喷淋系统时，其最大热释放速率为 6 MW[9]。火源为家具着火，设增长类型为 t2 快速火，火灾增长系数 α=0.046 89。
由于耐火石膏板和不燃填充材料的保护，在火灾初期木质结构对火灾的发展没有贡献 ；而在火灾发展到一定阶段后，木质结构可能会发生热解和炭化，但在耐火石膏板失效（≥ 0.5 h）前，并不会发生有焰燃烧，因此对火灾的贡献仍然是有限的。在 FDS 对比模拟中，将墙体及楼板材料设置为石膏板及混凝土。火灾场景设置为 A1、A2、B1、B2。
4.2 模拟结果分析
在 A1 和 A2 场景下（喷淋失效），从烟气层温度变化曲线来看，200 s 前石膏板房间烟气层温度略高，200 s 后混凝土房间烟气层升温较快，300 s 后趋于稳定，混凝土房间的烟气层温度高于石膏板房间约 200℃。见图 1。
然而石膏板顶棚和侧墙温度一直高于混凝土顶棚和侧墙，400 s 后稳定在 1 000℃左右 ；在模拟时间内混凝土顶棚温度在 400 s 后缓慢上升至 800℃，侧墙温度上升至 580℃左右，并逐渐趋于稳定。见图 2、图 3。
虽然着火房间壁面温度在短时间内能够达到 1 000℃，但由于耐火极限内石膏板能够保证完整性，内部高温的木质结构并未与空气接触，因此不存在炭化或燃烧的可能。
在 B1 和 B2 场景下（喷淋有效），混凝土房间与石膏板房间喷淋系统响应时间均为 85 s，从灭火效果来看，石膏板房间灭火时间较混凝土房间提前 13 s，火势能够更快扑灭。但整体上两者差别不大。见图 4。
火灾中人员的耐受能力主要受热辐射和热烟气的影响。轻型木结构外覆不燃性覆面材料，对产烟量的影响忽略不计；同样的火灾场景，其烟气层温度略低于混凝土房间，热辐射对人员的伤害更低；喷淋启动后，材料对火灾发展的影响很不显著。
5 结论
本文对轻型木结构材料防火问题进行了探讨。通过分析发现，覆面材料、填充材料对轻型木结构整体的耐火性能有一定影响，耐火石膏板覆面及岩棉填充的轻型木结构构件耐火性能良好。通过改进填充材料及构造细节、增加覆面材料层数和厚度等，轻型木结构的耐火性能会进一步提高。
通过 FDS 数值模拟对比了轻型木结构和混凝土结构在设定火灾条件下壁面及烟气温度变化，以及喷淋作用下的灭火效果。结果显示，轻型木结构固相升温较快，但气相烟气温度较低。在喷淋作用下，两者对灭火效果的影响较小。可以看出，轻型木结构材料在应用于多层建筑时，具有与混凝土建筑相当的安全性和可靠性。在保证轻型木结构构件耐火完整性的前提下，可以适当增加建筑层数及面积以满足工程需要。
