论文摘要

 

中国传统建筑以其独特的造型和特有的神韵闻名于世,不仅体现着古代匠人的精湛技艺,更承载着中华5000年的文明精髓。其中,木结构作为传统建筑的主要结构形式,因其具有抗震抗风、保温节能、施工简易、建造灵活、造型多样等优点,被广泛应用于宫室、寺庙、民居等领域。中国古代匠人更是将木结构的特点发挥得淋漓尽致,留给世人不朽的艺术文化财富。然而,木结构建筑,特别是仿古建筑,因材料、构造、布局等特殊性,具有极大的火灾隐患,防火措施亟待加强。

 

1 火灾事故原因分析

木结构建筑以木材为主要建筑材料,这是发生火灾的主要原因。火灾发生后,由于回廊、连廊等将建筑连接成群体,火势容易扩散。同时,木结构建筑往往地处偏僻,消防车无法快速到达现场,使火灾难以及时扑救。从施工至运营期间木结构建筑易发生火灾的主要原因如下。

1.1 雷击

木结构建筑由于其独特的设计需求,经常处于旷野、山顶、河边、湖边等特殊地质、地形,容易遭受雷击。因此,木结构建筑需要具备完善的防雷系统,利用接闪器、引下线、接地装置、等电位连接等综合防雷措施,预防自然灾害。

1.2 用火管理

施工现场用火管理混乱也是引发火灾的一个重要原因。①施工现场生活区、施工区没有做到完全分离,生活用火导致临时设施起火引发火灾;②施工现场喷灯、电焊等明火作业缺乏有效管理,造成木材、麻、油漆等可燃性材料失火,从而引发火灾。因此,项目管理时应将生活区、办公区、操作区完全分离,建立完善的消防安全管理制度,专人负责、定期巡检,排除安全隐患。

1.3 临时用电

木结构建筑电气设备相对比较简单,但是部分施工现场临时用电存在私接乱挂的现象,有的电源线更是直接敷设在梁、柱等木结构上。施工现场大型设备用电、冬期取暖用电等要符合国家现行规范、标准要求,编制合理的临时用电方案,严格按照方案执行,定期排查安全隐患。

1.4 运维管理

寺、庙等建筑由于其特殊的使用功能,在进行宗教活动时,焚香、烧纸、点灯等操作不慎也会引发火灾。此外,大量的管线敷设、电器使用也会给木结构建筑带来火灾隐患。运维管理应当建立消防管理制度,制定消防管理措施,保障电器规范使用,合理规划活动范围。

 

2 木结构防火研究

天然木材具有可燃性,燃烧过程中会释放大量热量,火场中心温度可达1200℃以上,火势蔓延非常迅速。如何提高木材及木结构的防火性能,一直是木结构建筑研究的重点及发展方向。

2.1 传统处理方法

古代匠人利用地仗来对木构件进行防火、防腐保护,增强构件的耐久性。地仗采用砖面灰、血料及麻布等材料,运用“一布四灰”“一麻五灰”等工艺,使材料包裹在木构件的表面形成保护层。利用砖面灰等材料的不燃性,达到防火阻燃的目的。

2.2 现代处理方法

常用的木材阻燃处理方法主要有表面覆涂法和真空高压浸注法。表面覆涂法主要是阻止木材表面燃烧,真空高压浸注法在阻燃性能方面效果更好。

1)表面覆涂法  通过将阻燃剂或防火涂料覆涂于木材表面,利用覆涂材料的特性对木材进行保护,起到隔热隔氧的作用,达到阻燃目的。这种处理方法对设备要求低,操作简单,对木材力学性能影响较小。缺点是如果覆涂的保护层遭到破坏,就会丧失阻燃作用。

2)真空高压浸注法  将木材置于压力容器内,抽出空气使容器内形成真空,并除去木材细胞内的空气(见图1)。利用真空将阻燃剂吸入容器内,通过加压将阻燃剂压入木材细胞内。对于阻燃剂难渗透的木材,可以通过交替常压和压力周期重复的方法使阻燃剂浸注深度更深,达到较大载药量。这种方法操作方便,可以控制木材的载药量和阻燃剂的浸注深度,应用较为广泛,但对设备有一定要求。

2.3 阻燃剂选择

阻燃剂种类繁多,主要由磷、氮、硼和卤素化合物等组成。一些阻燃剂在处理过程中产生大量有毒有害物质,已逐渐被取代。为实现阻燃性能,针对木材特性,可采取多种阻燃剂配合使用以达到最佳阻燃效果。

1)磷-氮化合物阻燃剂  磷-氮化合物阻燃剂在木材燃烧时具有降低热分解温度,减少可燃性气体产生,提高成炭率等作用。这类阻燃剂主要包括磷酸盐及聚磷酸盐,如磷酸二氢铵(MAP)、聚磷酸铵,适合于木质材料使用。

2)硼化合物阻燃剂  硼化合物阻燃剂通过热膨胀熔融覆盖于材料表面,隔断氧气供给,阻止木材燃烧和火焰传播,同时改变聚合物的分解模式和脱水以促进成炭。硼化合物阻燃剂可以显著提高木材耐火性能,具有毒性低、对木材物理力学性能影响小等特点。缺点是水溶解性低,需要提高水溶液温度,并将无机硼化合物与有机化合物或高分子化合物共用。

3)金属化合物阻燃剂 金属化合物阻燃剂中使用最多的是 Al(OH)3和 Mg(OH)2。该阻燃剂在高温下能分解释放出水分子,稀释可燃气体浓度,延缓材料热降解速度,减缓或抑制材料燃烧,促进碳化并抑烟。同时,在燃烧过程中不产生有毒气体,自身无毒、不挥发。缺点是添加量高,严重影响木材物理性能,适用于对木材力学性能要求较低的阻燃处理。

2.4 设计防火

1)布局防火 根据周围环境、地形地势、主导风向等因素,确定建筑所处的位置。建筑群设计时,利用院落布局,在不失传统韵味的前提下,院与院之间设置独立的防火单元。依据建筑使用功能、规模,考虑设置消防通道和灭火扑救作业面。在长距离的回廊、连廊中,设置砖石防火间,阻挡火势蔓延。

2)防火分区 运用防火墙、防火卷帘、水幕系统等分隔物,将建筑分为多个水平防火分区,在木质楼板夹层内设置不燃楼板等材料,进行竖向防火分区分隔,同时在每个防火分区设置安全疏散出口。

3)技术处理 现代建筑中大量使用非木结构,对必须使用的木构件进行防腐和阻燃处理。仿古建筑中使用木构件时,不仅要采用传统方法进行外露构件面层处理,还要对材料本身进行防腐和阻燃处理。通过技术处理延缓火灾发展,给后续扑救工作争取时间。

 

3 消防安全部署及管理

3.1 加强消防管理

施工现场设置明显的防火宣传标志,制定防火措施和防火安全规章制度,强化电气防火体制,建立电气防火队伍,并成立义务消防队,定期进行防火安全检查和消防学习,配置专业防火工作人员进行监督和检查。

3.2 排查消防隐患

施工现场木工加工场地内不得有明火,配备满足消防规范要求的灭火器材。仓库或堆料场内,根据灭火对象的特性,分组布置酸碱、泡沫、二氧化碳等灭火器,每组灭火器4个,间距30m,定时进行检查,杜绝火灾隐患。

木料堆场及木材加工场内木料应分组堆放,组与组之间设置消防通道,设专人每日清扫木屑、刨花,倒入指定地点,并用苫布苫盖。避免环境污染,减少火灾隐患。

3.3 开展安全培训

根据木结构材质、布局、构造等因素,结合实际设计进行总平面防火布置,确定防火分区及防火间距,建立消防通道、水源及扑救面,设置防烟、防雷系统及安全疏散通道等,并提前对火灾事故救援进行现场应急演练,确保防火措施及消防通道有效运行。

3.4 提高防范意识

施工现场严格执行用火证制度,并设专人监护。对高大设备及可能产生静电的电气设备做好防雷接地和防静电接地,以免雷电及静电火花引起火灾。

 

4 工程实例

曲沃县显耀山寺是晋南地区占地面积最大的仿明清庙宇,该工程位于山西省曲沃县县册村境内,占地面积52.87亩,主要包括大雄宝殿,东、西耳殿,山门,观音殿,上、下配殿,连廊,钟鼓楼,牌楼等单位工程(见图2)。其中,中轴线建筑为混凝土框架木结构,两侧附属建筑为纯木结构。大木构件采用落叶松,斗类构件采用榆槐木,门窗类构件采用红松,几十座佛像雕塑均采用香樟木,最高达10m,木料总用量为3300m3 。该工程由山西一建集团有限公司承建(以下简称“山西一建”)。

为确保该工程施工质量及防火安全性能,通过各项防火试验对比最终确定:①对小型构件采用现代防火处理措施——真空高压浸注法,将木材放入压力容器内处理,处理前确保木材已去皮且含水率满足施工条件;②大型构件本身具有一定的耐火性(采用合理组装耐火极限可达到0.75h),采用表面覆涂法,选用油溶性防腐剂,对木材表面进行涂刷,使其充分渗透木材内部,提高木材耐火性能,并做专业抽检测试,确保木构件防腐、防火阻燃达到耐火要求。

在高压浸注法防火处理过程中,木材构造是影响阻燃剂的主要因素之一,因此,根据不同树种采用不同浸注工艺参数。如红松属针叶材,其构造决定阻燃剂溶液主要是以管胞之间具缘纹孔对为通道,通过管胞向木材内部流动,由于具缘纹孔对中央存在纹孔膜,溶液通过具缘纹孔对时,纹孔膜会偏至纹孔口而闭塞纹孔,溶液只能通过纹孔膜上的小孔流动,固阻力较大。此外,针叶材管胞直径(毛细管直径)较小,带来较大的毛细管内摩擦阻力,因此工艺过程中需要较高的压力和较长的持续加压时间。施工中对于较难浸注的木材,采用正负频压法(OPM)工艺,从而达得要求的浸透深度,确保木构件阻燃效果。对于大多数木材,采用普通深度的阻燃剂即可达到B1级阻燃标准,少数难浸注的木材,需要提高阻燃剂深度并适当调整前后真空时间及加压时间,确保阻燃剂渗透深度达到5~7mm,即可达到耐火要求。

通过对木结构的火灾原因分析及防火研究,使现行建筑防火规范与仿古建筑的具体实际相结合,采取切实、有效的防火措施,达到消防安全的目标和要求。目前,显耀山寺工程已施工完毕,从根本上解决了木结构易燃、腐朽现象,积累了施工经验,对传播古建文化,唤醒古建保护意识,推动仿古建筑健康发展具有积极作用。

 

【延伸阅读】

山西一建在园林古建工程施工中开创了古建维修与保护的先河,承接了中国古代四大名楼之首的“鹳雀楼”复建工程,荣获“鲁班奖”“詹天佑奖”及建设部重点实施技术示范工程、全国用户满意工程、全国优秀质量管理小组等称号。应用了10多项仿古建筑创新施工技术,取得国家级工法1项,省级工法2项。在仿古构件制作、异形模板设计应用等方面形成了一整套钢筋混凝土仿古建筑综合施工技术。

甘肃大云寺景区舍利塔工程,荣获国家优质工程奖,甘肃省工程质量最高奖——“飞天奖”,取得国家级工法1项,省级工法3项,为甘肃省科技示范工程。该工程创新研发的科技成果“钢-木组合结构仿古建筑综合成套施工技术”获甘肃省建设科技进步一等奖。

曲村天马遗址晋侯墓地保护工程(晋国博物馆)为大型遗址博物馆,荣获国家优质工程奖,住房和城乡建设部科学技术计划项目绿色施工类科技示范工程,山西省汾水杯工程质量最高奖,山西省太行杯土木工程大奖,取得国家级工法1项,发明专利1项。

此外,集团还承接了天津霍元甲纪念馆、临汾华门、大同华严寺、天津天狮集团办公楼、天津杨柳青修缮工程等一批园林古建工程。作为第一主编单位编制国家标准《传统建筑施工技术标准》,报审稿已经通过审查,将于2018年正式发布实施。

2017年是集团实施“十三五”规划的重要一年,也是提质增效、转型攻坚取得实效的一年。岢岚光伏项目、太原市公安局项目创下攻坚会战的新奇迹;“国优四连冠”拔高了工程质量创优的新高度;收获了首个PPP项目落地的新成果;机电安装、钢结构、装饰装修等专业板块承揽规模实现了新增长;开拓海外市场、BIM技术应用推广、成立设计研究院,不断积蓄转型发展的新动能……这一年,在“以业绩论英雄”的征程上,山西一建的建设者们不忘初心、砥砺奋进,在新旧交替之际,集团捧回“全国文明单位”殊荣,创下精神文明建设领域的最高荣誉,为2017年各项工作圆满收官再献厚礼。

2018年,是以党的十九大精神为指引,深入贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想的开局之年,是集团推动转型发展升级,适应国企国资改革攻坚的关键之年。展望发展之路,依然任重而道远。新时代,山西一建将以新的风貌迎接新的挑战,把各项转型发展目标向纵深推进,让“走出去”发展战略更加行稳致远,在探索建筑产业化、发展装配式建筑上争取新的建树,为全力打造与特级资质相匹配的工程总承包企业接续奋斗。

 

 

文/山西一建集团有限公司 苗 丰 梁国艳 王江平 张兰香

 

 

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