1 前言

我國木結構建筑歷史悠久，是世界上最早應用木結構的國家之一。據統計，在20 世紀50 年代，我國約46% 的工業(yè)廠(chǎng)房采用木屋蓋，民用建筑也普遍采用木結構或磚木結構。但在其后的一段時(shí)期，國內結構用木材幾乎消耗殆盡，導致木結構建筑的發(fā)展在我國停滯了長(cháng)達20 多年。我國留存至今仍然完好的木結構建筑多為梁柱式的傳統木結構( 圖1)，主要是寺廟、宮廷建筑，如北京故宮、五臺山南禪寺和佛光寺等?，F代木結構建筑起源于歐美國家，采用先進(jìn)的設計和結構構造技術(shù)，充分利用木材本身的優(yōu)勢，將木結構廣泛應用于住宅、旅館、學(xué)生宿舍等居住建筑，以及辦公建筑、體育館、圖書(shū)館、藝術(shù)中心等公共建筑。近十多年來(lái)，隨著(zhù)新的工程木產(chǎn)品的出現，以及裝配式木結構和木結構混合結構建造技術(shù)的發(fā)展，不少?lài)业哪窘Y構建筑逐步向高層發(fā)展。

圖1 我國古代代表性木結構建筑

2 國內外多高層木結構建筑發(fā)展現狀

本世紀初，歐美一些國家的木業(yè)協(xié)會(huì )和木結構企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入中國市場(chǎng)，在中國推廣現代木結構建筑。但因國內相關(guān)設計、建造技術(shù)及標準研究相對滯后，目前我國已建成的現代木結構建筑多數為3 層及以下的住宅，未出現現代高層木結構建筑。據不完全統計，國際上已建成的多高層木結構建筑約有40~50 棟，主要分布在歐洲、美洲和大洋洲的澳大利亞，且樓體高度越來(lái)越高。自2009 年英國建造了全球第一棟9 層的木結構住宅“Murray Grove Tower”后，英國、瑞典、德國等相繼建造了多棟6~8 層住宅建筑，如瑞典的Strandparken和Limnologen、英國的Bridport House、德國的8-Story Timber Building 都是8 層高的住宅。澳大利亞于2013 年在墨爾本建成了“FortéTower”10 層木結構住宅。挪威于2015 年在卑爾根市建成了14 層木結構住宅Treet。加拿大于2017 年建成了UBC 大學(xué)18 層（53m）學(xué)生公寓Brock Commons。2019 年是更多高層木結構建筑豐收的年份，如奧地利集酒店、辦公、公寓和健身中心于一身的24 層（約84m）的木結構綜合體HoHo。挪威在布魯孟德?tīng)柺械?8 層（85.4m）辦公、賓館和公寓綜合體建筑Mj?saTower（圖2）。至此，Mj?saTower 成為了目前國際上已建成的最高的木結構建筑。

圖2 國際上最高的木結構建筑Mj?saTower

3 國內外高層木結構建筑耐火試驗研究

國際上多高層木結構建筑不斷爭高，與其背后較強大的試驗研究和技術(shù)支持密不可分。其中，用于建造高層木結構建筑的建筑材料的炭化速率、木結構構件的耐火性能以及相關(guān)足尺耐火試驗研究結果，是高層木結構建筑消防安全的重要保證。美國、加拿大、歐洲的相關(guān)研究機構對用于高層木結構建筑的CLT（正交膠合木）的炭化速率、CLT 構件的耐火性能，以及裸露的CLT墻體和樓板對房間火災荷載的貢獻等進(jìn)行了大量的研究。

3.1 炭化速率試驗

重型木材本身具有一定的防火能力。燃燒過(guò)程中，木材在其表面形成一定厚度的炭化層。該炭化層能夠阻止火焰繼續燒入木材內部。國外大量的試驗研究表明，標準耐火試驗條件下，木材的炭化速率基本不變。對于實(shí)木和膠合木，北美一般采用0.635mm/min；歐洲根據木材的軟硬來(lái)分別確定，軟木一般采用0.65mm/min，硬木則采用0.5mm/min。

CLT 為重木的一種，其炭化速率是否能像膠合木或實(shí)木那樣用一個(gè)相對固定的數值來(lái)標定呢？加拿大FPInnovations、加拿大木業(yè)協(xié)會(huì )、美國木業(yè)協(xié)會(huì )等機構在進(jìn)行CLT 墻體和樓板耐火試驗的同時(shí)，在部分構件內部埋入了熱電偶，測量CLT 的炭化深度。表1 給出了幾組代表性的炭化速率值[1]。

表1 CLT 炭化速率

從表1 給出的數據可以看出，CLT 墻體和樓板構件有效炭化速率變化較大，從0.64mm/min~0.88mm/min 不等。由此可見(jiàn)，對于CLT 構件，不能像膠合木或者實(shí)木那樣用一個(gè)炭化速率數值來(lái)表征。同時(shí)，試驗發(fā)現，當CLT 膠縫溫度達到150℃ ~200℃時(shí)，膠黏劑黏度消失，可能導致第一層層板脫落，致使下一層層板在沒(méi)有預熱和分解情況下即突然暴露在火焰中。在缺乏炭化層保護的情況下，第二層層板的炭化速率增加?？梢?jiàn)，CLT 炭化速率受膠黏劑的影響很大。

挪威科技大學(xué)Kathinka Leikanger Friguin 等也對CLT 的炭化速率進(jìn)行了對比試驗，確定火災發(fā)展的不同階段、不同升溫條件，以及不同層板厚度對CLT 板材炭化速率的影響[2]。該試驗采用了EN1991-1-2 參數火災曲線(xiàn)、EN1991-1-2 標準火災曲線(xiàn)和瑞典的火災曲線(xiàn)三種火災曲線(xiàn)，如圖3 所示。

圖3 EN 1991-1-2 標準火災曲線(xiàn)、參數火災曲線(xiàn)和瑞典火災曲線(xiàn)

對3 組6 個(gè)試件進(jìn)行了炭化速率對比試驗，試件用膠為MUF（三聚氰胺改性尿醛樹(shù)脂）。試驗結果發(fā)現，根據三種火災曲線(xiàn)所測得的炭化速率變化較大，從0.31mm/min 到0.95mm/min 不等，如圖4 所示。

圖4 所有試件炭化速率的時(shí)間變化曲線(xiàn)

注：T1A、T1B 為EN 1991-1-2 參照火災曲線(xiàn)T2C、T2D 為EN1991-1-2 標準火災曲線(xiàn)T3E、T3F 為瑞典火災曲線(xiàn)

炭化速率值最大的是根據參照火災曲線(xiàn)進(jìn)行的實(shí)驗。該實(shí)驗中，溫升速率最快，溫度也最高。對于標準火災實(shí)驗，溫升速率最低，溫度處于中等。根據該火災曲線(xiàn)所測得的炭化速率比參照火災曲線(xiàn)所測得的炭化速率低，跟瑞典火災曲線(xiàn)所測得的炭化速率相等或者稍低。這說(shuō)明，溫升速率和爐內溫度的高低直接影響著(zhù)試件的炭化速率。溫升速率和溫度高低是影響炭化速率的關(guān)鍵因素。

從上述北美和歐洲的炭化速率試驗結果看，CLT 板材的炭化速率受多種因素影響。目前國際上還未有普遍認可的CLT 炭化速率值。關(guān)于CLT 層板厚度、膠黏劑、升溫曲線(xiàn)、樹(shù)種等對CLT 炭化速率的影響，還有待開(kāi)展更多的試驗研究。

應急管理部天津消防研究所“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)項目中的課題一“特殊建筑結構耐火性能評價(jià)與耐火技術(shù)”將開(kāi)展CLT 板材炭化速率試驗，分別考慮不同膠黏劑、不同板材厚度、不同樹(shù)種、不同安裝方式等工況下，采用錐形量熱器及標準升溫曲線(xiàn)試驗爐開(kāi)展小尺和中尺試驗。希望通過(guò)系列試驗，找出不同層板厚度、膠黏劑、樹(shù)種和不同安裝方式等對CLT 板材炭化速率的影響，掌握不同工況下CLT板材炭化速率的變化規律，為進(jìn)行足尺CLT 墻體和樓板構件的耐火性能測試提供技術(shù)支持。

3.2 CLT 墻體和樓板試驗

CLT 板材主要用作多高層木結構建筑的墻體和樓板。墻體和樓板是阻止火災和煙氣蔓延的主要構件。全面掌握CLT 墻體和樓板的耐火性能，可最大限度地保證多高層木結構建筑的消防安全。加拿大FPInnovations、加拿大木業(yè)協(xié)會(huì )、美國木業(yè)協(xié)會(huì )等機構，對CLT墻體和樓板進(jìn)行了不同工況下的耐火試驗研究，如圖5所示。

表2 給出了FPInnovations 與加拿大國家研究院，以及加拿大木業(yè)協(xié)會(huì )和美國木業(yè)協(xié)會(huì )合作的CLT 標準耐火試驗結果[1]。

從表2 中可以看出，試驗考慮了不同的保護方式和加載情況。從試驗結果看，未加保護的CLT 墻體和樓板具有良好的耐火性能。石膏板可有效提高CLT 墻體和樓板的耐火極限。

歐洲很多木業(yè)企業(yè)也對CLT 墻體和樓板的耐火性能進(jìn)行了試驗。試驗結果顯示，CLT 板材具有良好的耐火性能，可以滿(mǎn)足多高層木結構建筑防火技術(shù)要求。

CLT 是相對新的工程木產(chǎn)品，我國對其性能的研究剛剛開(kāi)始。應急管理部天津消防研究所“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)項目中的課題一“特殊建筑結構耐火性能評價(jià)與耐火技術(shù)”將研究正交膠合木（CLT）墻體和樓板等典型構件在火災條件下的力學(xué)變化規律和失效模式，提出多高層木結構建筑典型構件的耐火構造技術(shù)方法，確保CLT 墻和樓板的耐火極限達到2.00h。這為我國多高層木結構建筑防火設計提供了技術(shù)保障，為有關(guān)國家標準的制修訂提供了技術(shù)支持。

表2 耐火試驗結果匯總

3.3 CLT 房間火試驗

隨著(zhù)近年來(lái)現代木結構建筑的快速發(fā)展，其外露構件的功能性和裝飾性愈加突顯。木結構外露構件多變的造型，木材天然的色澤和美麗的紋理，皆成為木結構審美主體中相當重要的部分。外露構件在提高建筑物結構審美的同時(shí)，也增加了木結構建筑的火災危險性。

為了明確CLT 外露構件本身對火災增長(cháng)的貢獻程度，加拿大卡爾頓大學(xué)的研究人員Medina 開(kāi)展了房間火試驗[3]，如圖6 所示。試驗用CLT 房間3.5m 寬，4.5m 長(cháng)，房間內部高度為2.5m。墻上設一個(gè)2.0X1.1m的開(kāi)口，試驗時(shí)通風(fēng)自由。該房間所用的CLT 厚度為105mm（3 層層板）。試驗研究結果表明，如果CLT構件完全暴露在火焰中，則其會(huì )加快室內火災的蔓延，同時(shí)房間達到轟燃狀態(tài)的時(shí)間比內部貼石膏板的情況快。如果CLT 構件外貼兩層16mm 厚耐火石膏板，則在室內可燃物完全燃燒后，室內火災會(huì )自動(dòng)熄滅，CLT構件本身對火災增長(cháng)、火災持續時(shí)間和火災烈度沒(méi)有明顯影響。

圖6 CLT 房間火實(shí)驗（卡爾頓大學(xué)）

此外，Medina 又做了三次房間火實(shí)驗，考慮了不同的墻體暴露程度。實(shí)驗結果跟卡爾頓大學(xué)做的實(shí)驗結果類(lèi)似。CLT 構件暴露得越多，其對室內火災增長(cháng)、火災持續時(shí)間和火災烈度的影響越大。當只有兩面墻體（相對）暴露時(shí)，室內的熱釋放速率會(huì )因相對墻體的熱輻射作用而快速升高。當兩面相鄰（形成夾角）墻體暴露時(shí)，室內熱釋放速率上升情況跟相對墻體暴露時(shí)類(lèi)似。如果只有一面墻體暴露，則室內的燃料得以全部燃燒，其他墻體不參與燃燒。因此，通過(guò)對實(shí)驗結果進(jìn)行分析計算，實(shí)驗者（Medina）認為，室內曝火面積小于30% 時(shí)，外露的CLT 構件不會(huì )助長(cháng)室內火災的發(fā)展。

4 多高層木結構建筑防火設計

世界各國對木結構建筑層數的規定，是一個(gè)逐步放寬的過(guò)程。上世紀90 年代，歐洲大部分國家規定，木結構建筑最高允許層數不能超過(guò)2 層。到2010 年左右，大部分國家對木結構建筑的最高允許層數已經(jīng)放寬到5層及以上。目前國際上已建多高層木結構建筑，多數超出了本國規格式規范的規定，幾乎都是通過(guò)一事一議的方式解決其消防問(wèn)題。但不管其防火設計如何千差萬(wàn)別，其防火理念是一致的，即盡量將火災控制在起火區域，防止其蔓延擴大，同時(shí)加強疏散設施設計，保證建筑內的人員能夠在一定時(shí)間內撤離到安全區域。本文以加拿大UBC 大學(xué)的學(xué)生公寓Brock Commons 為例，對其防火設計進(jìn)行分析。

Brock Commons 是加拿大UBC 大學(xué)的學(xué)生公寓，同時(shí)也是校區的教學(xué)和休閑中心。該建筑底層是帶混凝土核心筒的混凝土裙樓，其上是重型木結構。該建筑總建筑面積15120 m2，共18 層，高53m，可提供404 個(gè)學(xué)生床位，如圖7~ 圖9 所示。

圖7 混凝土核心筒施工

圖8 吊裝CLT 墻體

圖9 建成后的Brock Commons

加拿大《國家建筑規范》2015 版規定，木結構建筑的最高允許層數為6 層?？笨耸≡试S重木結構的建筑可以建到12 層。很明顯，Brock Commons 超出了相關(guān)規范對木結構建筑最高層數的規定。為了確保Brock Commons 住戶(hù)的健康和安全防護水平等同或優(yōu)于同規模不可燃建筑，防火設計時(shí)加強了其被動(dòng)和主動(dòng)消防措施，同時(shí)加強了施工期間的防火措施。

被動(dòng)防火設計方面，加強了人員疏散設施的設置，首層為不燃性裙房，樓梯和電梯間為不燃性鋼筋混凝土核心筒，確保建筑內人員在火災發(fā)生后能夠安全逃生。同時(shí)，加強不同功能區之間的防火分隔，確?；馂陌l(fā)生后能夠將火災限制在起火區域內，不會(huì )向其他區域蔓延。其采取的措施是將CLT 構件用4 層耐火石膏板完全包覆，確保結構構件能夠達到2.00h 的耐火極限要求。Brock Commons 的防火設計采取了相對保守的防火措施，其結構構件全部耐火石膏板保護，無(wú)任何外露構件，如圖10 所示。樓層之間及所有豎井的圍護構件的耐火極限不低于2.00h。宿舍單元之間的防火分隔構件的耐火極限也按不低于2.00h 進(jìn)行設計，該設計為加強措施，如果是鋼筋混凝土結構的建筑，其防火分隔構件的耐火極限僅要求達到1.00h 的耐火極限。

圖10 經(jīng)石膏板保護的CLT 及膠合木柱構件

主動(dòng)防火設計方面，Brock Commons 全部安裝了火災報警系統、自動(dòng)噴水滅火系統、室內消火栓系統及滅火器?；馂膱缶到y包括聲音和視覺(jué)信號報警設備。自動(dòng)噴水滅火系統可直接連接到市政供水管網(wǎng)，并設置了20000L 消防水箱，可供火災初期30min 供水量。為了確保無(wú)防火保護的開(kāi)口不會(huì )成為火災和煙氣蔓延的通道，在本建筑內所有無(wú)防火保護的開(kāi)口處均設置了水幕系統。同時(shí)，該建筑還安裝了人工監控系統，火災報警以及噴淋系統啟動(dòng)報警信號可直接發(fā)送至當地消防部門(mén)，確保一旦發(fā)生火災，當地消防部門(mén)能夠立即做出響應。

5 我國多高層木結構防火技術(shù)要求

我國目前的建筑設計防火規范為規格式規范，明確規定了木結構建筑的最高允許層數，主要構件的燃燒性能和耐火極限，防火分區面積，防火間距，安全疏散，以及消防設施設置等?！抖喔邔幽窘Y構建筑技術(shù)標準》（GB/T 51226-2017）按防水設計規定，木結構建筑最高允許層數為5 層，且僅適用于住宅和辦公建筑。主要構件的燃燒性能和耐火極限不應低于表3 中的規定。

表3 木結構建筑構件的燃燒性能和耐火極限

如果擬建造的木結構建筑為3 層及以下，則仍執行《建筑設計防火規范》GB50016-2014 第11 章的有關(guān)規定。對于4 層或5 層的木結構建筑，要求其疏散樓梯間應至少采用封閉樓梯間，確保發(fā)生火災時(shí)，建筑內人員能夠快速疏散至安全區域。同時(shí)，為了早期報警和有效控火，《多高層木結構建筑技術(shù)標準》規定，4 層和5 層木結構住宅和辦公建筑內應全部設置自動(dòng)噴水滅火系統。住宅建筑的公共部位應設置火災自動(dòng)報警系統，戶(hù)內應設置家用火災自動(dòng)報警裝置。木結構辦公建筑內應全部設置火災自動(dòng)報警系統。此外，還應設置室內外消火栓系統。

6 結論

目前國際上已建的多高層木結構建筑多數采用CLT墻體和樓板。CLT 是相對較新的工程木產(chǎn)品，各國對其耐火性能的研究仍處于相對初期階段。雖然歐美國家對CLT 材料、構件，甚至CLT 足尺房間火進(jìn)行了系列試驗研究，但還有很多不確定的問(wèn)題。目前CLT 層板厚度從16mm ～ 51mm 不等，因此不同的層板厚度對CLT 的炭化速率有何影響？是否會(huì )影響CLT 構件的耐火性能？歐洲有的CLT 產(chǎn)品，其受力方向上的CLT 層板較厚，非受力方向上的CLT 層板較薄。此種構造對CLT 產(chǎn)品的炭化速率及耐火性能又有何影響？此外，CLT 所用的膠黏劑對CLT 炭化速率及耐火性能的影響也需要進(jìn)一步的研究。因此，多高層木結構建筑防火技術(shù)研究，除了木結構建筑層面的研究需要深入外，還應加強CLT 構件耐火性能的研究，從而全面掌握CLT 構件的各項性能，確保多高層木結構建筑的消防安全。

參考文獻

[1] Dagenais, Christian, Fire Performance of Cross-Laminated Timber-Summary Report of North American Fire Research[R], FPInnovations.

[2] Kathinka Leikanger Friquin, Mads Grimsbu, Per Jostein Hovde, Charring Rates for Cross-Laminated Timber Panels Exposed to Standard and Parametric Fires [R], WCTE-2010.

[3] A. Medina, Fire Resistance of Partially Protected Cross-Laminated Timber Rooms [Thesis], Ottawa (Ontario): Carleton University, 2014.

[4] GB/T 51226-2017，多高層木結構建筑技術(shù)標準[S]

作者

應急管理部天津消防研究所  邱培芳 彭磊 倪照鵬