《世界建筑》暴露木結構防火設計概述
發布時間：2010-01-14 共1頁
在美國，用木材來建造安全防火的建筑已有一個多世紀的成功歷史。暴露在火焰中的木材將自然地形成一個阻燃碳化層，保護內部未燃燒的部分。在周圍溫度不斷上升的過程中，木材的機械性能還表現出若干優點。當被加熱時木材構件不會延展，能夠維持相當的剛度。其他類型的結構材料雖然被描述為加熱時不易燃燒，但它們在高溫下的變形可能破壞其他的結構元素而導致建筑的倒塌。例如鋼材在高溫下剛度將降低，這可能會導致鋼柱和鋼梁的破壞。而木材構件因為內部未碳化的部分將維持其強度和剛度，建筑使用者可以獲得一定的逃離時間，消防員和使用者可以與火災搏斗而不必冒結構坍塌的危險。
事實上沒有建筑材料是“防火”的。防火設計的目標只是根據結構要求和建筑內使用者的數量選擇合適的建筑材料和適當的防護方法。雖然結構材料也許是“不燃”的，但建筑內往往儲藏著量可燃材料。現代建筑規范根據結構類型、建筑使用目的和使用者的數量規定了防火要求。明顯地，最優先的防火要求是提供足夠的時間和逃生設施使人們能逃離火災；其次，結構應該維持足夠的時間以便滅火隊員能夠滅火；最后才是保護建筑本身和鄰近的建筑。
木結構建筑有3種方法來滿足這些要求。木構件可以被封閉在一個防火層中，防止它們暴露在火焰之中。現在有許多種類型的墻壁、樓板、天花板和屋頂的防火層組合方式可以使用，但本文的主題是暴露在火焰中的木構件安全問題。規范允許兩種辦法來保證木結構的防火安全。舊一些的方法是使用重型木材，而新方法是一小時火災防護設計方法。重型木材建造方法基于在長期實踐過程中形成的經驗，一小時火災防護方法則是基于對木構件耐火能力的計算。一小時防火辦法的有效性已被木構件測試和ASTME-199火災測試所證實。
重型木構建筑
重型木構建筑是因美國東部的保險業者為減少他們在磨坊等工業廠房方面的保險損失而發展起來的。在1800年，許多型磨坊建筑和它們內部的設備被火毀壞，給保險公司帶來了巨損失。為了減少類似的負擔，人們發展出了重型木構建造方法，利用型木構件來減少尖銳的凸出邊緣以及建設過程產生的可能讓高溫空氣通過的縫隙。當暴露在火焰中時，木材表面將形成碳化層，這一碳化層可以防止構件內部受高溫侵襲。如果沒有外部的燃燒元素如氧氣、油料等的持續補充，碳化層就能使火焰自然熄滅。當然，這種自動阻燃的方法禁止在隱蔽的空間使用，因為木構件可能含有悶燃的灰燼，也許會使結構重新燃燒。樓板或者屋頂等多層結構系統可以防止高溫空氣通過，這樣就可以阻止新鮮空氣助燃。這樣的建筑方法已經使用了一個多世紀，而且被基于有效經驗制訂的多數建筑規范所采納。
美國主要的建筑規范中都包含對重型木結構建筑的要求。這些要求列出了基于構件位置的結構構件的最小尺寸。例如，支撐樓板的柱子的最小尺寸是8×8，樓板梁的最小尺寸是6×10。對屋頂梁而言，最小尺寸是4×6。這些都是普通尺寸的構件。一個4×6的構件的毛尺寸是89mm×140mm。對樓板和屋頂的要求也在規范中有所規定。
當屋頂結構是至少超過最高的一層樓板或者陽臺25英尺（7.62m）時，規范允許在某些一小時防火建筑使用重型木結構建造方法。使用范圍一般限制在公共區域和教育設施中。這些類型的建筑一般包含有限的可燃物質。規范認為，如果屋頂結構超過可燃物質足夠的高度，火災發生時燃燒的火焰將不能明顯地破壞屋頂結構。有數個案例證明了這一點，例如某一教堂經歷了一場火，但火災后的重型木結構系統經徹底檢查和少量的維修后仍然能繼續使用。
規范所允許的重型木結構的所有連接都可以使用在重型木結構建筑中，包括金屬套件、連接件。許多公司提供一系列的木材連接件。這些表明重型木結構建筑有足夠的火災抵抗能力，所以不需要額外的防火措施。
一小時防火建筑
在一小時防火建筑中，建筑的每一構件都必須符合ASTM E-119火災試驗的要求。在這類試驗中，構件將被加熱到1 600華氏度，以測得其溫度－時間曲線。在整個60分鐘的測試期內構件必須能夠承載其設計荷載，如果能滿足要求那么就是合格的1小時構件。對一小時防火構件而言，每一構件都必須能夠在火災中承受其荷載至少達1小時。此外，構件之間的所有連接都必須具備相同的能力，這可以通過將這些連接件安裝在一小時防火墻內，或者用至少1.5英寸（38mm）的木板覆蓋，或者將連接件嵌入木板并留下至少一又1.5英寸（38mm）的面層來實現。將木構件和鋼構件連接在一起的螺栓必須采用暗孔，而且插入至少38mm。還有一些附加的要求，如木材的最小表面尺寸是152mm。對多層膠合木材而言，附加的張力疊層必須配置在核心的膠合層上，而且“一小時火災防護”的字樣必須在其上標明。
李（T.T.Lee）基于暴露在火焰中的木材的防火要求發展了一個公式來計算木構件允許的時間。李根據觀察到的暴露在火焰中的木材碳化率以及碳化層下構件強度的減少量計算了木構件在火災中損失的部分。接著他從一個允許的壓力到最終的構件強度調整了構件的強度，最后這些關系組合在一起生成了計算公式，可以求得一個確定尺寸的構件能安全地支撐荷載的時間。李用這一公式來計算3面或者四面暴露在火焰中的梁和柱。
2001美國木材理事會（AWC）發展了一種修訂后的方法來設計||防火木構件。這一方法記載于AWC 技術說明#10中，它使用了和李相同的假設，注意了構件斷面從允許的強度到構件極限能力的變化。這一方法根據構件暴露在火焰中的時間計算了有效的碳化層。檢測結果表明，隨著暴露在火焰中的時間增加，木材的碳化率減小。李的辦法計算了一個給定尺寸構件允許的暴露時間，在新的方法中，按照構件減小的尺寸和平均極限強度，設計者可以計 算構件允許的能力。
在木結構建筑的國家設計規范中允許的壓力基于工作壓力設計方法而確定。這些允許的數值比實際測量的木材極壓力要小。為了應用這種方法來計算木構件的火災防護能力，設計者必須考慮材料和其他不同因素來增加允許的壓力，然后再計算構件的極限壓力。
這一方法允許設計者設計受彎構件、柱、張拉構件和用來承受彎曲和軸向荷載的構件。它也能設計一個小時防火的木構露臺。此外，這一方法也能用來檢查防火超過1個小時的構件。
這一方法已經被美國最新的建筑規范所接納。如果需要更多的信息，請參考AWC技術說明#10。
結論
在設計防火建筑時，型木構件燃燒緩慢的特性是很早以來就被認識到了的優點。美國建筑規范為暴露的木構件確定了兩種方法來實現防火安全。重型木材建造方法通過限定構件的最小尺寸來保證防火能力，這一辦法有較長的成功歷史。一小時防火建筑則使用觀察到的木材在火焰中的碳化率來計算構件的尺寸，以滿足必需的規范要求。這一方法已被數個ASTME-119一小時檢測方法所確認。
事實上沒有建筑材料是“防火”的。防火設計的目標只是根據結構要求和建筑內使用者的數量選擇合適的建筑材料和適當的防護方法。雖然結構材料也許是“不燃”的，但建筑內往往儲藏著量可燃材料。現代建筑規范根據結構類型、建筑使用目的和使用者的數量規定了防火要求。明顯地，最優先的防火要求是提供足夠的時間和逃生設施使人們能逃離火災；其次，結構應該維持足夠的時間以便滅火隊員能夠滅火；最后才是保護建筑本身和鄰近的建筑。
木結構建筑有3種方法來滿足這些要求。木構件可以被封閉在一個防火層中，防止它們暴露在火焰之中。現在有許多種類型的墻壁、樓板、天花板和屋頂的防火層組合方式可以使用，但本文的主題是暴露在火焰中的木構件安全問題。規范允許兩種辦法來保證木結構的防火安全。舊一些的方法是使用重型木材，而新方法是一小時火災防護設計方法。重型木材建造方法基于在長期實踐過程中形成的經驗，一小時火災防護方法則是基于對木構件耐火能力的計算。一小時防火辦法的有效性已被木構件測試和ASTME-199火災測試所證實。
重型木構建筑
重型木構建筑是因美國東部的保險業者為減少他們在磨坊等工業廠房方面的保險損失而發展起來的。在1800年，許多型磨坊建筑和它們內部的設備被火毀壞，給保險公司帶來了巨損失。為了減少類似的負擔，人們發展出了重型木構建造方法，利用型木構件來減少尖銳的凸出邊緣以及建設過程產生的可能讓高溫空氣通過的縫隙。當暴露在火焰中時，木材表面將形成碳化層，這一碳化層可以防止構件內部受高溫侵襲。如果沒有外部的燃燒元素如氧氣、油料等的持續補充，碳化層就能使火焰自然熄滅。當然，這種自動阻燃的方法禁止在隱蔽的空間使用，因為木構件可能含有悶燃的灰燼，也許會使結構重新燃燒。樓板或者屋頂等多層結構系統可以防止高溫空氣通過，這樣就可以阻止新鮮空氣助燃。這樣的建筑方法已經使用了一個多世紀，而且被基于有效經驗制訂的多數建筑規范所采納。
美國主要的建筑規范中都包含對重型木結構建筑的要求。這些要求列出了基于構件位置的結構構件的最小尺寸。例如，支撐樓板的柱子的最小尺寸是8×8，樓板梁的最小尺寸是6×10。對屋頂梁而言，最小尺寸是4×6。這些都是普通尺寸的構件。一個4×6的構件的毛尺寸是89mm×140mm。對樓板和屋頂的要求也在規范中有所規定。
當屋頂結構是至少超過最高的一層樓板或者陽臺25英尺（7.62m）時，規范允許在某些一小時防火建筑使用重型木結構建造方法。使用范圍一般限制在公共區域和教育設施中。這些類型的建筑一般包含有限的可燃物質。規范認為，如果屋頂結構超過可燃物質足夠的高度，火災發生時燃燒的火焰將不能明顯地破壞屋頂結構。有數個案例證明了這一點，例如某一教堂經歷了一場火，但火災后的重型木結構系統經徹底檢查和少量的維修后仍然能繼續使用。
規范所允許的重型木結構的所有連接都可以使用在重型木結構建筑中，包括金屬套件、連接件。許多公司提供一系列的木材連接件。這些表明重型木結構建筑有足夠的火災抵抗能力，所以不需要額外的防火措施。
一小時防火建筑
在一小時防火建筑中，建筑的每一構件都必須符合ASTM E-119火災試驗的要求。在這類試驗中，構件將被加熱到1 600華氏度，以測得其溫度－時間曲線。在整個60分鐘的測試期內構件必須能夠承載其設計荷載，如果能滿足要求那么就是合格的1小時構件。對一小時防火構件而言，每一構件都必須能夠在火災中承受其荷載至少達1小時。此外，構件之間的所有連接都必須具備相同的能力，這可以通過將這些連接件安裝在一小時防火墻內，或者用至少1.5英寸（38mm）的木板覆蓋，或者將連接件嵌入木板并留下至少一又1.5英寸（38mm）的面層來實現。將木構件和鋼構件連接在一起的螺栓必須采用暗孔，而且插入至少38mm。還有一些附加的要求，如木材的最小表面尺寸是152mm。對多層膠合木材而言，附加的張力疊層必須配置在核心的膠合層上，而且“一小時火災防護”的字樣必須在其上標明。
李（T.T.Lee）基于暴露在火焰中的木材的防火要求發展了一個公式來計算木構件允許的時間。李根據觀察到的暴露在火焰中的木材碳化率以及碳化層下構件強度的減少量計算了木構件在火災中損失的部分。接著他從一個允許的壓力到最終的構件強度調整了構件的強度，最后這些關系組合在一起生成了計算公式，可以求得一個確定尺寸的構件能安全地支撐荷載的時間。李用這一公式來計算3面或者四面暴露在火焰中的梁和柱。
2001美國木材理事會（AWC）發展了一種修訂后的方法來設計||防火木構件。這一方法記載于AWC 技術說明#10中，它使用了和李相同的假設，注意了構件斷面從允許的強度到構件極限能力的變化。這一方法根據構件暴露在火焰中的時間計算了有效的碳化層。檢測結果表明，隨著暴露在火焰中的時間增加，木材的碳化率減小。李的辦法計算了一個給定尺寸構件允許的暴露時間，在新的方法中，按照構件減小的尺寸和平均極限強度，設計者可以計 算構件允許的能力。
在木結構建筑的國家設計規范中允許的壓力基于工作壓力設計方法而確定。這些允許的數值比實際測量的木材極壓力要小。為了應用這種方法來計算木構件的火災防護能力，設計者必須考慮材料和其他不同因素來增加允許的壓力，然后再計算構件的極限壓力。
這一方法允許設計者設計受彎構件、柱、張拉構件和用來承受彎曲和軸向荷載的構件。它也能設計一個小時防火的木構露臺。此外，這一方法也能用來檢查防火超過1個小時的構件。
這一方法已經被美國最新的建筑規范所接納。如果需要更多的信息，請參考AWC技術說明#10。
結論
在設計防火建筑時，型木構件燃燒緩慢的特性是很早以來就被認識到了的優點。美國建筑規范為暴露的木構件確定了兩種方法來實現防火安全。重型木材建造方法通過限定構件的最小尺寸來保證防火能力，這一辦法有較長的成功歷史。一小時防火建筑則使用觀察到的木材在火焰中的碳化率來計算構件的尺寸，以滿足必需的規范要求。這一方法已被數個ASTME-119一小時檢測方法所確認。
