謝雨宏， 張慕瑤， 張 陸， 王孜怡， 陳清平， 王 正

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；3.福建鑫恒達(dá)車廂底板有限公司，福建 三明 366035)

21 世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對環(huán)保領(lǐng)域的日益重視，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑得到了推廣，逐漸成為新的熱點(diǎn)。 木材是唯一可再生的環(huán)境友好型建筑材料，紋理美觀，具有溫濕度調(diào)節(jié)好、強(qiáng)重比大、加工性能好、能源消耗低等優(yōu)點(diǎn)。 木結(jié)構(gòu)建筑抗震性能好、裝配方便、舒適友好。 但由于木材是可燃材料，人們會擔(dān)心木結(jié)構(gòu)建筑的防火性能是否合格可靠。 觀念認(rèn)知上的偏差、我國木結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范的不完善以及木結(jié)構(gòu)建筑防火性能研究的缺失，都一定程度上造成了木結(jié)構(gòu)建筑在我國推廣難、發(fā)展速度慢的現(xiàn)狀。 近年來，國內(nèi)外的專家學(xué)者們在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的防火研究中，主要從木材的阻燃處理、構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的防火性能等方面展開，并取得一定的成果。

1 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑防火性能研究進(jìn)展

1.1 木材的阻燃處理

木材作為可燃材料，通常在作為構(gòu)件進(jìn)行使用前進(jìn)行阻燃處理，以提高其防火性能。 國內(nèi)外學(xué)者主要從阻燃劑、阻燃處理方法和阻燃性能測量方法等方面進(jìn)行研究。

2004 年，Jacques Michel Njankouo 等[1]采用測試小樣本和測試由單一材料制成的建筑元件兩種方法，對建筑界應(yīng)用率較高的熱帶闊葉材進(jìn)行耐火性能的炭化率試驗(yàn)，為其建立信息模型數(shù)據(jù)庫，并得出木材密度對炭化率有顯著影響的結(jié)論。 2020 年，Huizhang Guo 等[2]采用GC/MS 系統(tǒng)分析研究了鳥糞石礦物對木材燃燒行為的影響。 研究結(jié)果表明，木材的礦化處理對木材的熱分解行為有明顯的影響。 它促進(jìn)了炭層形成，從而減緩熱量和氧氣的滲透，是一種提高木材耐火性能的整體改性技術(shù)。2023 年，Esra Korkmaz 等[3]基于目前木材防火性能研究多是單獨(dú)分析而未綜合考慮各個因素共同影響的現(xiàn)狀，提出了一種基于模糊軟集的算法來處理這類多因素影響考慮問題的方法。 同時發(fā)現(xiàn)了云杉木是最適合火災(zāi)高風(fēng)險地區(qū)的木材材料以及山毛櫸木材會對處于火災(zāi)之中的人造成最大的傷害。

對木材添加阻燃劑是常用的方法，阻燃劑滲入木材之后能在火災(zāi)高溫條件之下降低木材的熱量傳遞和熱分解，一定程度延長了木材的燃燒時間，是一種深入木材的化學(xué)試劑處理方法。 直接浸漬相變材料(PCM)進(jìn)入木材中是常用的一種增加木結(jié)構(gòu)建筑物熱質(zhì)量，降低室內(nèi)空氣溫度日變化的方法，但PCM易揮發(fā)耗盡且增加了結(jié)構(gòu)可燃性。 2022 年，Xiaochun Hu 等[4]研究了膨脹型阻燃劑(IFR)防火涂料與CaAlCO3層雙氫氧化物(LDH) 或蒙脫土(MMT)填料在提高涂料防火性能上的協(xié)同作用。 研究結(jié)果表明它們提供了更長的耐火時間，降低了比消光面積和熱釋放。 同時結(jié)合密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)MMT-IFR 防火涂料改善其防火性能的原因在于硅氮摻雜石墨烯(SiEN-G)結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性提高了炭層的抗氧化性。 此外，有限晶格變形的Sien-G結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定了炭層的多孔形貌，從而提高了炭層的隔熱性能。 Jinhan Lu 等[5]提出一種通用循環(huán)浸漬法來制作吸濕性好、耐久耐燃抗真菌的阻燃膠合板，采用2%三聚氰胺(MEL)溶液、15%氨基三甲膦酸(AP)溶液和2%三聚氰胺溶液循環(huán)浸漬單板的工藝，通過原位合成不溶于水的MEL 氨基三甲磷酸(MEL-AP)在木結(jié)構(gòu)中制備耐久阻燃膠合板。 研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)此法制作出的膠合板的著火時間明顯延長。同時，在木材微孔中沉積的Mel-AP 在熱作用下分解成多聚磷酸，促進(jìn)木材的炭化，在凝聚相中形成光滑的氣泡狀磷碳結(jié)構(gòu)。 同時釋放惰性氣體，稀釋在氣相中木材分解時產(chǎn)生的可燃揮發(fā)物，改善了直接浸漬法。

1.2 木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火性能

在木結(jié)構(gòu)建筑的防火處理中，除了對所使用的木材采取阻燃措施外，構(gòu)件的防火設(shè)計(jì)和研究也是很重要的組成部分。 在輕型框架木結(jié)構(gòu)中常常使用對木構(gòu)件包裹防火材料的方法以提高木構(gòu)件整體防火性能，減緩木材部分著火時間。 另外的一種常見思路是通過對較大尺寸木材進(jìn)行截面設(shè)計(jì)來保證木材炭化后仍能有一定的結(jié)構(gòu)承載力，這是設(shè)計(jì)重型木結(jié)構(gòu)常用的方法。 木構(gòu)件的防火研究多集中在墻體、木梁和木柱等部位上。

木框架結(jié)構(gòu)墻體是輕型木結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是通過構(gòu)造和組成成分來進(jìn)行防火設(shè)計(jì)的典型代表，通常在木構(gòu)件之間填充保溫隔熱材料，并在表面包裹防火材料，如石膏板。 2014 年，Dionysios I.Kolaitis 等[6]進(jìn)行了一次足尺的自然火災(zāi)試驗(yàn)，以研究石膏板和木基板作為輕型木框架結(jié)構(gòu)墻體和重木結(jié)構(gòu)構(gòu)件膠合木的防火板包層的實(shí)力。 實(shí)驗(yàn)艙采用輕重兩種結(jié)構(gòu)組合建造，模擬了真實(shí)的火災(zāi)場景并采用測量設(shè)備記錄一系列物理參數(shù)。 研究結(jié)果表明，在裸露表面和表面附有石膏板的兩種情況對比下，石膏板具有較好的防火性能，石膏板在特征失效時間的測量值與歐洲法規(guī)5 對比取得良好的一致性。 石膏板(GB)擁有良好的耐火性能被用作木結(jié)構(gòu)建筑中重要的防火材料，但在高溫下由于化學(xué)結(jié)合水的釋放導(dǎo)致其開裂和分離。 2021 年，K.Yue等[7]提出了一種在石膏顆粒復(fù)合材料中添加膠粘劑的創(chuàng)新制備方法，提出了用這種三聚氰胺-脲醛(MUF)含量為7.6%及更高的創(chuàng)新石膏顆粒復(fù)合材料(IGP)可用作承重復(fù)合材料。 根據(jù)ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)對8 種中等尺寸的輕型木結(jié)構(gòu)墻體進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，以確定IGP 這種新型材料對墻體耐火性能的影響并與GB 作對比。 研究結(jié)果表明，IGP 墻的耐火極限時間比GB 墻提高12.9%，IGP 墻的聲譽(yù)和在彈性剪切剛度和延性都比GB 要低。 GB 在火災(zāi)試驗(yàn)中由于化學(xué)結(jié)合水的釋放，材料中針狀晶體的長度趨于縮短，導(dǎo)致高溫裂紋。 與GB 相比較，IGP 在相同的火災(zāi)試驗(yàn)后的殘余形態(tài)表現(xiàn)較為完整。 因此，在輕型木結(jié)構(gòu)墻體上，IGP 可以較好地替代GB。

木梁木柱的防火性能是木構(gòu)件防火研究中的重點(diǎn)部分。 2010 年，李向民等[8]對比試驗(yàn)了四面受火的木柱耐火極限，來探究不一樣的荷載水平和有無石膏抹面對木柱火災(zāi)性能的影響。 研究表明，試件耐火極限將隨持荷水平的提高顯著降低。 石膏抹面能顯著降低溫度上升速率，并能推遲木柱起始炭化時間，降低木柱炭化速率，增加木柱耐火極限。 2011年，許清風(fēng)等[9]對三面受火木梁開展力學(xué)性能對比試驗(yàn)，以期獲得木梁在不同受火時間下殘余承載力、破壞形態(tài)及炭化速度的數(shù)據(jù)。 把三面受火燒后的木梁斷面劃分成3 個區(qū)域:外層是炭化層，木梁承載力全部喪失；中間是高溫分解層，承載力明顯劣化；內(nèi)部是正常層，承載力未受到影響。 研究結(jié)果表明，三面受火作用后木梁的初始剛度和殘余承載力顯著下降。 其中承載力下降主要是由于受火災(zāi)后木梁表面炭化導(dǎo)致有效面積減小，與炭化層相近的高溫分解層木材強(qiáng)度出現(xiàn)明顯劣化。 對石灰膏抹覆的木梁受火后受力性能進(jìn)行對比研究，分析石膏抹面對木梁火災(zāi)性能的影響。 發(fā)現(xiàn)有石灰膏抹面的木梁與沒有抹面的木梁的破壞形式是相似的，抹面木梁荷載下的應(yīng)變明顯減小，石灰膏抹面能夠顯著減緩三面受火木梁內(nèi)部溫度上升速度，并有效減小外部火場溫度對其產(chǎn)生的負(fù)面影響，能夠有效地提高其耐火極限。 2013 年，張晉等[10]對國內(nèi)常見樹種木構(gòu)件進(jìn)行了四面受火試驗(yàn)及受火后殘余受彎承載力試驗(yàn)。 研究表明:經(jīng)火炭化處理后木梁有效面積減少、邊角棱角喪失呈圓弧狀分布、炭化層附近高溫分解層處木材強(qiáng)度顯著劣化；受火木柱在受壓破壞過程中四面中心的豎向應(yīng)變存在一定的差別，具有較為明顯偏壓特征的防火涂料能有效地減小炭化速度并增加受火后的殘余承載力、極限位移和剛度。

2008 年，Mohamed A.Sultan 等[11]探討了石膏板吊頂飾面保護(hù)的輕型木結(jié)構(gòu)樓蓋的耐火性能影響因素，采用與ASTM E119 標(biāo)準(zhǔn)相似的ULC 標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)暴露時間-溫度曲線，對22 個足尺承重木質(zhì)龍骨樓蓋進(jìn)行了耐火試驗(yàn)。 研究所考察的參數(shù)包括石膏板螺釘與板邊緣的間距、絕緣安裝、絕緣類型、石膏板與彈性通道連接的組件的龍骨間距、龍骨深度、彈性通道安裝、彈性通道間距、底板頂部、底板層數(shù)和荷載大小對木樓蓋防火性能的影響。 木框架樓蓋的耐火性能，在只有一層石膏板的組合中，主要由石膏板與板邊的螺絲間距和隔熱類型決定；在兩層石膏板的組合中，由彈性通道間距和石膏板與板邊的螺絲間距決定。 2017 年，Guillaume Cueff 等[12]為建立一個模擬木質(zhì)材料門套耐火試驗(yàn)的熱-力模型而提出了一個研究方案，首先進(jìn)行木質(zhì)制品火災(zāi)降解數(shù)值模型的建立和參數(shù)研究，再對小型門的熱傳遞和熱機(jī)械性能進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 研究結(jié)果表明，木制品未暴露側(cè)的熱傳遞和溫度較為符合，面板變形與實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的比較相似，但在火災(zāi)期間位移的演變擬合不太好，提出力學(xué)模型繼續(xù)改進(jìn)的可能性。 2023 年，Shaorun Lin 等[13]提出了一種新的木材預(yù)炭化方法，通過慢速熱解生成表面均勻而堅(jiān)固的炭層，并用最小炭層厚度和燃燒預(yù)炭化處理過的木材的峰值熱釋放率來量 化 預(yù) 炭 化 木 材 的 防 火 性 能。 Matías Godoy Dellepiani 等[14]進(jìn)行了由CLT 板和鋼梁組成的鋼-木復(fù)合(STC)結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的熱力響應(yīng)試驗(yàn)，以了解這一新型樓蓋結(jié)構(gòu)的抗火性能。 采用了計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和有限元法(FEM)的單向耦合方法對三種不同的STC 樓板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行評估。 研究結(jié)果表明，在30 min 的火災(zāi)暴露后，CLT 板的暴露表面出現(xiàn)了25 mm 厚的燒焦層。 此外，在CLT 板上部纖維中發(fā)現(xiàn)了壓縮破壞。 對于鋼梁，觀察到端支座附近的局部屈曲和斷裂。 在不同的STC 樓板結(jié)構(gòu)中，封閉截面鋼梁的STC 結(jié)構(gòu)比工字形等開口截面的STC 結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的抗火性能。

1.3 木結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)的防火性能

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的連接節(jié)點(diǎn)有多種連接形式，大多依靠木質(zhì)或金屬連接件，也有將榫接運(yùn)用于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的方式。 節(jié)點(diǎn)處因其需要開孔開槽，很大程度削弱了該部位的力學(xué)性能和防火性能，且木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)使用金屬連接件更普遍，而火災(zāi)高溫下，金屬件具有很高的傳熱性能，對溫度敏感，容易融化變形，力學(xué)性能大大下降。 因此，連接節(jié)點(diǎn)是火災(zāi)性能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。 近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了木材連接節(jié)點(diǎn)耐火極限試驗(yàn)研究并取得系列研究成果。

1996 年，Noren 等[15]對不同持荷水平釘接木節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗火試驗(yàn)，結(jié)果表明:連接板厚越大，木節(jié)點(diǎn)耐火極限越高。 連接板的厚度由28 mm 提高至40 ～45 mm 后耐火極限提高了13.4 ～14.8 min。 歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EN1995-1-2 提出了一種經(jīng)驗(yàn)方法，即“減載法”，確定一個與火災(zāi)暴露時間和連接類型有關(guān)的減載系數(shù)η 來確定暴露在火災(zāi)之下的連接節(jié)點(diǎn)的承載能力。 2006 年，Benichou 等[16]在進(jìn)行木樓蓋的整體火災(zāi)性能試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)固定用螺釘距離石膏板邊緣越遠(yuǎn)，木樓蓋的耐火性能越好。 2010 年，Carsten Erchinger 等[17]為了準(zhǔn)確預(yù)測多剪切剛-木材插拔連接節(jié)點(diǎn)的耐火性能、節(jié)點(diǎn)截面的溫度分布以及鋼構(gòu)件對木材構(gòu)件炭化的影響，在大量試驗(yàn)和數(shù)值分析后，考慮節(jié)點(diǎn)的不同幾何形狀以及鋼構(gòu)件對截面溫度分布的影響，建立了多層受拉鋼-木材剪力插拔節(jié)點(diǎn)火災(zāi)承載力計(jì)算的設(shè)計(jì)模型，與木構(gòu)件防火設(shè)計(jì)常用的EN 1995-1-2 中的減截面法相似。2011 年，汝華偉等[18]以膠合木與鋼填板螺栓聯(lián)接抗火性能試驗(yàn)為基礎(chǔ)，探討側(cè)材厚度、螺栓直徑、螺栓數(shù)量、端距、荷載水平和防火保護(hù)措施對聯(lián)接火災(zāi)性能的影響。 2015，張晉等[19]對木板和鋼填板螺栓連接的抗火性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出剛夾板和鋼填板螺栓連接的耐火極限在持荷載水平增大后會顯著下降，在對木質(zhì)表面進(jìn)行防火處理后，連接的耐火極限也會顯著地改善。

作為木結(jié)構(gòu)建筑的防火薄弱點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的防火問題對整體建筑的防火性能有極大的影響。 基于前期的研究成果，木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的火災(zāi)性能今后亟需重點(diǎn)研究。

2 木結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范研究

中國擁有悠久的木結(jié)構(gòu)建筑歷史，但更多集中在古建筑上，近半個世紀(jì)以來，由于林業(yè)資源缺乏和保護(hù)政策的實(shí)施，以及混凝土鋼結(jié)構(gòu)等建筑形式大規(guī)模運(yùn)用，中國在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展上與國外存在較大的差距，在木結(jié)構(gòu)建筑的防火設(shè)計(jì)規(guī)范上也處于逐漸完善的階段。

我國所使用的舊版GB 50016-2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中缺少對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的專門章節(jié)規(guī)定，對木結(jié)構(gòu)建筑的認(rèn)知和接受程度也比較低，設(shè)計(jì)規(guī)定較為嚴(yán)苛，一定程度制約了木結(jié)構(gòu)的發(fā)展。 直到2015 年，新版GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[20]新增了"木結(jié)構(gòu)建筑"一章內(nèi)容，參考結(jié)合了國際通行的做法與國內(nèi)調(diào)研試驗(yàn)，更全面具體地規(guī)定了木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法，更便于木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)，有利于木結(jié)構(gòu)在中國的推廣應(yīng)用[21]。 在舊版GB 50016-2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中，建筑物的耐火分級是由構(gòu)成建筑物結(jié)構(gòu)的燃燒性能和耐火極限所決定的，并將其分為四級。 一級耐火能力最好，四級耐火能力最差。 木結(jié)構(gòu)的耐火分級處在三到四之間[22]。 而新版GB 50016-2014 中對木結(jié)構(gòu)建筑的防火評估和規(guī)定作出了更細(xì)致具體的劃分，對不同建筑部件的燃燒性能及耐火極限的要求進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。 列出了不同建筑構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限規(guī)定，對不同類型用途的木結(jié)構(gòu)建筑有具體對應(yīng)的防火設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在安全疏散、管道電氣鋪設(shè)和防火間距等方面進(jìn)行了補(bǔ)充。 對比新舊版的建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范，木結(jié)構(gòu)建筑得到更多的關(guān)注，有更多針對性的具體的設(shè)計(jì)要求，在保證安全和合理性的前提下，新版規(guī)范降低了對一些指標(biāo)的硬性規(guī)定，更便于木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)，有利于木結(jié)構(gòu)在中國的推廣應(yīng)用。

加拿大規(guī)范中，結(jié)構(gòu)的耐火分級依賴于結(jié)構(gòu)的耐火極限，多次火災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)表明，火災(zāi)導(dǎo)致人員傷亡和結(jié)構(gòu)材料的燃燒特性并不直接相關(guān)，不管是哪類材料，只要在規(guī)定的耐火分級中就能渡過危險。 也就是說，應(yīng)僅關(guān)注建筑部件的耐火極限，而忽略其可燃性。 在國外的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，引入了1 h 防火極限概念，在60 min 的試驗(yàn)階段，每個部件都要能夠承受住其荷載。 若能達(dá)到要求，就是合格的1 h 防火極限構(gòu)件。 同時，各部件的全部連接都要具有同樣的能力。1 h 防火技術(shù)已經(jīng)在木質(zhì)部件的試驗(yàn)和ASTME-199火災(zāi)試驗(yàn)中被驗(yàn)證[22]。

3 結(jié)論與展望

木材資源可再生、綠色節(jié)能，作為建筑材料對環(huán)境和人體都十分友好。 發(fā)展至今，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的研究也越來越深入，尤其在防火設(shè)計(jì)這一重要環(huán)節(jié)上，國內(nèi)外學(xué)者展開了更深入細(xì)致的探索研究。中國將木材用作建筑結(jié)構(gòu)材料擁有悠久的歷史，但在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的掌握上處于比較淺的階段。 近年來國內(nèi)學(xué)者、行業(yè)研究者也逐步開始對木結(jié)構(gòu)建筑尤其防火性能展開了學(xué)習(xí)研究，但與國際先進(jìn)水平仍有一段距離。 結(jié)合目前現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑防火性能研究現(xiàn)狀和我國的木結(jié)構(gòu)特征，提出以下可以使木結(jié)構(gòu)建筑防火性能有更多發(fā)展的主要措施。

(1)目前國內(nèi)外學(xué)者對木結(jié)構(gòu)防火性能的研究多集中在木構(gòu)件等這類局部的領(lǐng)域，對木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的防火性能研究較少，所以從不同的布置方式、構(gòu)件組合、結(jié)構(gòu)形式、防火措施、房屋整體層面限制火災(zāi)蔓延、如何評估整體房屋組合效應(yīng)等方面可以展開更多的探討和深入研究。

(2)對木結(jié)構(gòu)建筑的防火研究多集中在燃燒過程中的火災(zāi)特性，然而火災(zāi)對人的生命造成威脅的一個重要因素在于火災(zāi)過程中產(chǎn)生的混合濃煙霧，建議多從此方面研究木結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)所產(chǎn)生氣體煙霧的特性，并討論研究能有效改善煙氣產(chǎn)生情況的措施。

(3)近年來膠合木等大型木結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)給建筑形式和規(guī)模帶來了更多的可能性，目前重型木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的規(guī)范不夠完善。 建議完善國內(nèi)木結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范，更多地展開對膠合木結(jié)構(gòu)等重型木結(jié)構(gòu)和大型木結(jié)構(gòu)建筑的防火性能研究。

(4)建立我國木結(jié)構(gòu)建筑常用樹種的燃燒性能數(shù)據(jù)庫，有利于進(jìn)行防火研究和設(shè)計(jì)的推進(jìn)。