多高层木结构建筑防火技术研究

1 前言

我国木结构建筑历史悠久，是世界上最早应用木结构的国家之一。据统计，在20 世纪50 年代，我国约46% 的工业厂房采用木屋盖，民用建筑也普遍采用木结构或砖木结构。但在其后的一段时期，国内结构用木材几乎消耗殆尽，导致木结构建筑的发展在我国停滞了长达20 多年。我国留存至今仍然完好的木结构建筑多为梁柱式的传统木结构( 图1)，主要是寺庙、宫廷建筑，如北京故宫、五台山南禅寺和佛光寺等。现代木结构建筑起源于欧美国家，采用先进的设计和结构构造技术，充分利用木材本身的优势，将木结构广泛应用于住宅、旅馆、学生宿舍等居住建筑，以及办公建筑、体育馆、图书馆、艺术中心等公共建筑。近十多年来，随着新的工程木产品的出现，以及装配式木结构和木结构混合结构建造技术的发展，不少国家的木结构建筑逐步向高层发展。

图1 我国古代代表性木结构建筑

2 国内外多高层木结构建筑发展现状

本世纪初，欧美一些国家的木业协会和木结构企业开始进入中国市场，在中国推广现代木结构建筑。但因国内相关设计、建造技术及标准研究相对滞后，目前我国已建成的现代木结构建筑多数为3 层及以下的住宅，未出现现代高层木结构建筑。据不完全统计，国际上已建成的多高层木结构建筑约有40~50 栋，主要分布在欧洲、美洲和大洋洲的澳大利亚，且楼体高度越来越高。自2009 年英国建造了全球第一栋9 层的木结构住宅“Murray Grove Tower”后，英国、瑞典、德国等相继建造了多栋6~8 层住宅建筑，如瑞典的Strandparken和Limnologen、英国的Bridport House、德国的8-Story Timber Building 都是8 层高的住宅。澳大利亚于2013 年在墨尔本建成了“FortéTower”10 层木结构住宅。挪威于2015 年在卑尔根市建成了14 层木结构住宅Treet。加拿大于2017 年建成了UBC 大学18 层（53m）学生公寓Brock Commons。2019 年是更多高层木结构建筑丰收的年份，如奥地利集酒店、办公、公寓和健身中心于一身的24 层（约84m）的木结构综合体HoHo。挪威在布鲁孟德尔市的18 层（85.4m）办公、宾馆和公寓综合体建筑MjøsaTower（图2）。至此，MjøsaTower 成为了目前国际上已建成的最高的木结构建筑。

图2 国际上最高的木结构建筑MjøsaTower

3 国内外高层木结构建筑耐火试验研究

国际上多高层木结构建筑不断争高，与其背后较强大的试验研究和技术支持密不可分。其中，用于建造高层木结构建筑的建筑材料的炭化速率、木结构构件的耐火性能以及相关足尺耐火试验研究结果，是高层木结构建筑消防安全的重要保证。美国、加拿大、欧洲的相关研究机构对用于高层木结构建筑的CLT（正交胶合木）的炭化速率、CLT 构件的耐火性能，以及裸露的CLT墙体和楼板对房间火灾荷载的贡献等进行了大量的研究。

3.1 炭化速率试验

重型木材本身具有一定的防火能力。燃烧过程中，木材在其表面形成一定厚度的炭化层。该炭化层能够阻止火焰继续烧入木材内部。国外大量的试验研究表明，标准耐火试验条件下，木材的炭化速率基本不变。对于实木和胶合木，北美一般采用0.635mm/min；欧洲根据木材的软硬来分别确定，软木一般采用0.65mm/min，硬木则采用0.5mm/min。

CLT 为重木的一种，其炭化速率是否能像胶合木或实木那样用一个相对固定的数值来标定呢？加拿大FPInnovations、加拿大木业协会、美国木业协会等机构在进行CLT 墙体和楼板耐火试验的同时，在部分构件内部埋入了热电偶，测量CLT 的炭化深度。表1 给出了几组代表性的炭化速率值[1]。

表1 CLT 炭化速率

从表1 给出的数据可以看出，CLT 墙体和楼板构件有效炭化速率变化较大，从0.64mm/min~0.88mm/min 不等。由此可见，对于CLT 构件，不能像胶合木或者实木那样用一个炭化速率数值来表征。同时，试验发现，当CLT 胶缝温度达到150℃ ~200℃时，胶黏剂黏度消失，可能导致第一层层板脱落，致使下一层层板在没有预热和分解情况下即突然暴露在火焰中。在缺乏炭化层保护的情况下，第二层层板的炭化速率增加。可见，CLT 炭化速率受胶黏剂的影响很大。

挪威科技大学Kathinka Leikanger Friguin 等也对CLT 的炭化速率进行了对比试验，确定火灾发展的不同阶段、不同升温条件，以及不同层板厚度对CLT 板材炭化速率的影响[2]。该试验采用了EN1991-1-2 参数火灾曲线、EN1991-1-2 标准火灾曲线和瑞典的火灾曲线三种火灾曲线，如图3 所示。

图3 EN 1991-1-2 标准火灾曲线、参数火灾曲线和瑞典火灾曲线

对3 组6 个试件进行了炭化速率对比试验，试件用胶为MUF（三聚氰胺改性尿醛树脂）。试验结果发现，根据三种火灾曲线所测得的炭化速率变化较大，从0.31mm/min 到0.95mm/min 不等，如图4 所示。

图4 所有试件炭化速率的时间变化曲线

注：T1A、T1B 为EN 1991-1-2 参照火灾曲线T2C、T2D 为EN1991-1-2 标准火灾曲线T3E、T3F 为瑞典火灾曲线

炭化速率值最大的是根据参照火灾曲线进行的实验。该实验中，温升速率最快，温度也最高。对于标准火灾实验，温升速率最低，温度处于中等。根据该火灾曲线所测得的炭化速率比参照火灾曲线所测得的炭化速率低，跟瑞典火灾曲线所测得的炭化速率相等或者稍低。这说明，温升速率和炉内温度的高低直接影响着试件的炭化速率。温升速率和温度高低是影响炭化速率的关键因素。

从上述北美和欧洲的炭化速率试验结果看，CLT 板材的炭化速率受多种因素影响。目前国际上还未有普遍认可的CLT 炭化速率值。关于CLT 层板厚度、胶黏剂、升温曲线、树种等对CLT 炭化速率的影响，还有待开展更多的试验研究。

应急管理部天津消防研究所“十三五”国家重点研发项目中的课题一“特殊建筑结构耐火性能评价与耐火技术”将开展CLT 板材炭化速率试验，分别考虑不同胶黏剂、不同板材厚度、不同树种、不同安装方式等工况下，采用锥形量热器及标准升温曲线试验炉开展小尺和中尺试验。希望通过系列试验，找出不同层板厚度、胶黏剂、树种和不同安装方式等对CLT 板材炭化速率的影响，掌握不同工况下CLT板材炭化速率的变化规律，为进行足尺CLT 墙体和楼板构件的耐火性能测试提供技术支持。

3.2 CLT 墙体和楼板试验

CLT 板材主要用作多高层木结构建筑的墙体和楼板。墙体和楼板是阻止火灾和烟气蔓延的主要构件。全面掌握CLT 墙体和楼板的耐火性能，可最大限度地保证多高层木结构建筑的消防安全。加拿大FPInnovations、加拿大木业协会、美国木业协会等机构，对CLT墙体和楼板进行了不同工况下的耐火试验研究，如图5所示。

图5

表2 给出了FPInnovations 与加拿大国家研究院，以及加拿大木业协会和美国木业协会合作的CLT 标准耐火试验结果[1]。

从表2 中可以看出，试验考虑了不同的保护方式和加载情况。从试验结果看，未加保护的CLT 墙体和楼板具有良好的耐火性能。石膏板可有效提高CLT 墙体和楼板的耐火极限。

欧洲很多木业企业也对CLT 墙体和楼板的耐火性能进行了试验。试验结果显示，CLT 板材具有良好的耐火性能，可以满足多高层木结构建筑防火技术要求。

CLT 是相对新的工程木产品，我国对其性能的研究刚刚开始。应急管理部天津消防研究所“十三五”国家重点研发项目中的课题一“特殊建筑结构耐火性能评价与耐火技术”将研究正交胶合木（CLT）墙体和楼板等典型构件在火灾条件下的力学变化规律和失效模式，提出多高层木结构建筑典型构件的耐火构造技术方法，确保CLT 墙和楼板的耐火极限达到2.00h。这为我国多高层木结构建筑防火设计提供了技术保障，为有关国家标准的制修订提供了技术支持。

表2 耐火试验结果汇总

3.3 CLT 房间火试验

随着近年来现代木结构建筑的快速发展，其外露构件的功能性和装饰性愈加突显。木结构外露构件多变的造型，木材天然的色泽和美丽的纹理，皆成为木结构审美主体中相当重要的部分。外露构件在提高建筑物结构审美的同时，也增加了木结构建筑的火灾危险性。

为了明确CLT 外露构件本身对火灾增长的贡献程度，加拿大卡尔顿大学的研究人员Medina 开展了房间火试验[3]，如图6 所示。试验用CLT 房间3.5m 宽，4.5m 长，房间内部高度为2.5m。墙上设一个2.0X1.1m的开口，试验时通风自由。该房间所用的CLT 厚度为105mm（3 层层板）。试验研究结果表明，如果CLT构件完全暴露在火焰中，则其会加快室内火灾的蔓延，同时房间达到轰燃状态的时间比内部贴石膏板的情况快。如果CLT 构件外贴两层16mm 厚耐火石膏板，则在室内可燃物完全燃烧后，室内火灾会自动熄灭，CLT构件本身对火灾增长、火灾持续时间和火灾烈度没有明显影响。

图6 CLT 房间火实验（卡尔顿大学）

此外，Medina 又做了三次房间火实验，考虑了不同的墙体暴露程度。实验结果跟卡尔顿大学做的实验结果类似。CLT 构件暴露得越多，其对室内火灾增长、火灾持续时间和火灾烈度的影响越大。当只有两面墙体（相对）暴露时，室内的热释放速率会因相对墙体的热辐射作用而快速升高。当两面相邻（形成夹角）墙体暴露时，室内热释放速率上升情况跟相对墙体暴露时类似。如果只有一面墙体暴露，则室内的燃料得以全部燃烧，其他墙体不参与燃烧。因此，通过对实验结果进行分析计算，实验者（Medina）认为，室内曝火面积小于30% 时，外露的CLT 构件不会助长室内火灾的发展。

4 多高层木结构建筑防火设计

世界各国对木结构建筑层数的规定，是一个逐步放宽的过程。上世纪90 年代，欧洲大部分国家规定，木结构建筑最高允许层数不能超过2 层。到2010 年左右，大部分国家对木结构建筑的最高允许层数已经放宽到5层及以上。目前国际上已建多高层木结构建筑，多数超出了本国规格式规范的规定，几乎都是通过一事一议的方式解决其消防问题。但不管其防火设计如何千差万别，其防火理念是一致的，即尽量将火灾控制在起火区域，防止其蔓延扩大，同时加强疏散设施设计，保证建筑内的人员能够在一定时间内撤离到安全区域。本文以加拿大UBC 大学的学生公寓Brock Commons 为例，对其防火设计进行分析。

Brock Commons 是加拿大UBC 大学的学生公寓，同时也是校区的教学和休闲中心。该建筑底层是带混凝土核心筒的混凝土裙楼，其上是重型木结构。该建筑总建筑面积15120 m²，共18 层，高53m，可提供404 个学生床位，如图7~ 图9 所示。

图7 混凝土核心筒施工

图8 吊装CLT 墙体

图9 建成后的Brock Commons

加拿大《国家建筑规范》2015 版规定，木结构建筑的最高允许层数为6 层。魁北克省允许重木结构的建筑可以建到12 层。很明显，Brock Commons 超出了相关规范对木结构建筑最高层数的规定。为了确保Brock Commons 住户的健康和安全防护水平等同或优于同规模不可燃建筑，防火设计时加强了其被动和主动消防措施，同时加强了施工期间的防火措施。

被动防火设计方面，加强了人员疏散设施的设置，首层为不燃性裙房，楼梯和电梯间为不燃性钢筋混凝土核心筒，确保建筑内人员在火灾发生后能够安全逃生。同时，加强不同功能区之间的防火分隔，确保火灾发生后能够将火灾限制在起火区域内，不会向其他区域蔓延。其采取的措施是将CLT 构件用4 层耐火石膏板完全包覆，确保结构构件能够达到2.00h 的耐火极限要求。Brock Commons 的防火设计采取了相对保守的防火措施，其结构构件全部耐火石膏板保护，无任何外露构件，如图10 所示。楼层之间及所有竖井的围护构件的耐火极限不低于2.00h。宿舍单元之间的防火分隔构件的耐火极限也按不低于2.00h 进行设计，该设计为加强措施，如果是钢筋混凝土结构的建筑，其防火分隔构件的耐火极限仅要求达到1.00h 的耐火极限。

图10 经石膏板保护的CLT 及胶合木柱构件

主动防火设计方面，Brock Commons 全部安装了火灾报警系统、自动喷水灭火系统、室内消火栓系统及灭火器。火灾报警系统包括声音和视觉信号报警设备。自动喷水灭火系统可直接连接到市政供水管网，并设置了20000L 消防水箱，可供火灾初期30min 供水量。为了确保无防火保护的开口不会成为火灾和烟气蔓延的通道，在本建筑内所有无防火保护的开口处均设置了水幕系统。同时，该建筑还安装了人工监控系统，火灾报警以及喷淋系统启动报警信号可直接发送至当地消防部门，确保一旦发生火灾，当地消防部门能够立即做出响应。

5 我国多高层木结构防火技术要求

我国目前的建筑设计防火规范为规格式规范，明确规定了木结构建筑的最高允许层数，主要构件的燃烧性能和耐火极限，防火分区面积，防火间距，安全疏散，以及消防设施设置等。《多高层木结构建筑技术标准》（GB/T 51226-2017）按防水设计规定，木结构建筑最高允许层数为5 层，且仅适用于住宅和办公建筑。主要构件的燃烧性能和耐火极限不应低于表3 中的规定。

表3 木结构建筑构件的燃烧性能和耐火极限

如果拟建造的木结构建筑为3 层及以下，则仍执行《建筑设计防火规范》GB50016-2014 第11 章的有关规定。对于4 层或5 层的木结构建筑，要求其疏散楼梯间应至少采用封闭楼梯间，确保发生火灾时，建筑内人员能够快速疏散至安全区域。同时，为了早期报警和有效控火，《多高层木结构建筑技术标准》规定，4 层和5 层木结构住宅和办公建筑内应全部设置自动喷水灭火系统。住宅建筑的公共部位应设置火灾自动报警系统，户内应设置家用火灾自动报警装置。木结构办公建筑内应全部设置火灾自动报警系统。此外，还应设置室内外消火栓系统。

6 结论

目前国际上已建的多高层木结构建筑多数采用CLT墙体和楼板。CLT 是相对较新的工程木产品，各国对其耐火性能的研究仍处于相对初期阶段。虽然欧美国家对CLT 材料、构件，甚至CLT 足尺房间火进行了系列试验研究，但还有很多不确定的问题。目前CLT 层板厚度从16mm ～ 51mm 不等，因此不同的层板厚度对CLT 的炭化速率有何影响？是否会影响CLT 构件的耐火性能？欧洲有的CLT 产品，其受力方向上的CLT 层板较厚，非受力方向上的CLT 层板较薄。此种构造对CLT 产品的炭化速率及耐火性能又有何影响？此外，CLT 所用的胶黏剂对CLT 炭化速率及耐火性能的影响也需要进一步的研究。因此，多高层木结构建筑防火技术研究，除了木结构建筑层面的研究需要深入外，还应加强CLT 构件耐火性能的研究，从而全面掌握CLT 构件的各项性能，确保多高层木结构建筑的消防安全。

参考文献

[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，多高层木结构建筑技术标准[S]

应急管理部天津消防研究所  邱培芳 彭磊 倪照鹏