1 前言

我國木結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久，是世界上最早應(yīng)用木結(jié)構(gòu)的國家之一。據(jù)統(tǒng)計，在20 世紀50 年代，我國約46% 的工業(yè)廠房采用木屋蓋，民用建筑也普遍采用木結(jié)構(gòu)或磚木結(jié)構(gòu)。但在其后的一段時期，國內(nèi)結(jié)構(gòu)用木材幾乎消耗殆盡，導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展在我國停滯了長達20 多年。我國留存至今仍然完好的木結(jié)構(gòu)建筑多為梁柱式的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)( 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。現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑起源于歐美國家，采用先進的設(shè)計和結(jié)構(gòu)構(gòu)造技術(shù)，充分利用木材本身的優(yōu)勢，將木結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于住宅、旅館、學生宿舍等居住建筑，以及辦公建筑、體育館、圖書館、藝術(shù)中心等公共建筑。近十多年來，隨著新的工程木產(chǎn)品的出現(xiàn)，以及裝配式木結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的發(fā)展，不少國家的木結(jié)構(gòu)建筑逐步向高層發(fā)展。

圖1 我國古代代表性木結(jié)構(gòu)建筑

2 國內(nèi)外多高層木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展現(xiàn)狀

本世紀初，歐美一些國家的木業(yè)協(xié)會和木結(jié)構(gòu)企業(yè)開始進入中國市場，在中國推廣現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑。但因國內(nèi)相關(guān)設(shè)計、建造技術(shù)及標準研究相對滯后，目前我國已建成的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑多數(shù)為3 層及以下的住宅，未出現(xiàn)現(xiàn)代高層木結(jié)構(gòu)建筑。據(jù)不完全統(tǒng)計，國際上已建成的多高層木結(jié)構(gòu)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，且樓體高度越來越高。自2009 年英國建造了全球第一棟9 層的木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)住宅。挪威于2015 年在卑爾根市建成了14 層木結(jié)構(gòu)住宅Treet。加拿大于2017 年建成了UBC 大學18 層（53m）學生公寓Brock Commons。2019 年是更多高層木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)綜合體HoHo。挪威在布魯孟德爾市的18 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(jié)構(gòu)建筑。

圖2 國際上最高的木結(jié)構(gòu)建筑Mj?saTower

3 國內(nèi)外高層木結(jié)構(gòu)建筑耐火試驗研究

國際上多高層木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑的建筑材料的炭化速率、木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火性能以及相關(guān)足尺耐火試驗研究結(jié)果，是高層木結(jié)構(gòu)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(gòu)對用于高層木結(jié)構(gòu)建筑的CLT（正交膠合木）的炭化速率、CLT 構(gòu)件的耐火性能，以及裸露的CLT墻體和樓板對房間火災(zāi)荷載的貢獻等進行了大量的研究。

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(xù)燒入木材內(nèi)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。對于實木和膠合木，北美一般采用0.635mm/min；歐洲根據(jù)木材的軟硬來分別確定，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?qū)嵞灸菢佑靡粋€相對固定的數(shù)值來標定呢？加拿大FPInnovations、加拿大木業(yè)協(xié)會、美國木業(yè)協(xié)會等機構(gòu)在進行CLT 墻體和樓板耐火試驗的同時，在部分構(gòu)件內(nèi)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(shù)據(jù)可以看出，CLT 墻體和樓板構(gòu)件有效炭化速率變化較大，從0.64mm/min~0.88mm/min 不等。由此可見，對于CLT 構(gòu)件，不能像膠合木或者實木那樣用一個炭化速率數(shù)值來表征。同時，試驗發(fā)現(xiàn)，當CLT 膠縫溫度達到150℃ ~200℃時，膠黏劑黏度消失，可能導(dǎo)致第一層層板脫落，致使下一層層板在沒有預(yù)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?？梢姡珻LT 炭化速率受膠黏劑的影響很大。

挪威科技大學Kathinka Leikanger Friguin 等也對CLT 的炭化速率進行了對比試驗，確定火災(zāi)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(shù)火災(zāi)曲線、EN1991-1-2 標準火災(zāi)曲線和瑞典的火災(zāi)曲線三種火災(zāi)曲線，如圖3 所示。

圖3 EN 1991-1-2 標準火災(zāi)曲線、參數(shù)火災(zāi)曲線和瑞典火災(zāi)曲線

對3 組6 個試件進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脂）。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根據(jù)三種火災(zāi)曲線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間變化曲線

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

炭化速率值最大的是根據(jù)參照火災(zāi)曲線進行的實驗。該實驗中，溫升速率最快，溫度也最高。對于標準火災(zāi)實驗，溫升速率最低，溫度處于中等。根據(jù)該火災(zāi)曲線所測得的炭化速率比參照火災(zāi)曲線所測得的炭化速率低，跟瑞典火災(zāi)曲線所測得的炭化速率相等或者稍低。這說明，溫升速率和爐內(nèi)溫度的高低直接影響著試件的炭化速率。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(jié)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、樹種等對CLT 炭化速率的影響，還有待開展更多的試驗研究。

應(yīng)急管理部天津消防研究所“十三五”國家重點研發(fā)項目中的課題一“特殊建筑結(jié)構(gòu)耐火性能評價與耐火技術(shù)”將開展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試驗爐開展小尺和中尺試驗。希望通過系列試驗，找出不同層板厚度、膠黏劑、樹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(guī)律，為進行足尺CLT 墻體和樓板構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑的墻體和樓板。墻體和樓板是阻止火災(zāi)和煙氣蔓延的主要構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑的消防安全。加拿大FPInnovations、加拿大木業(yè)協(xié)會、美國木業(yè)協(xié)會等機構(gòu)，對CLT墻體和樓板進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)會和美國木業(yè)協(xié)會合作的CLT 標準耐火試驗結(jié)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(jié)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行了試驗。試驗結(jié)果顯示，CLT 板材具有良好的耐火性能，可以滿足多高層木結(jié)構(gòu)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始。應(yīng)急管理部天津消防研究所“十三五”國家重點研發(fā)項目中的課題一“特殊建筑結(jié)構(gòu)耐火性能評價與耐火技術(shù)”將研究正交膠合木（CLT）墻體和樓板等典型構(gòu)件在火災(zāi)條件下的力學變化規(guī)律和失效模式，提出多高層木結(jié)構(gòu)建筑典型構(gòu)件的耐火構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)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(jié)果匯總

3.3 CLT 房間火試驗

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

為了明確CLT 外露構(gòu)件本身對火災(zāi)增長的貢獻程度，加拿大卡爾頓大學的研究人員Medina 開展了房間火試驗[3]，如圖6 所示。試驗用CLT 房間3.5m 寬，4.5m 長，房間內(nèi)部高度為2.5m。墻上設(shè)一個2.0X1.1m的開口，試驗時通風自由。該房間所用的CLT 厚度為105mm（3 層層板）。試驗研究結(jié)果表明，如果CLT構(gòu)件完全暴露在火焰中，則其會加快室內(nèi)火災(zāi)的蔓延，同時房間達到轟燃狀態(tài)的時間比內(nèi)部貼石膏板的情況快。如果CLT 構(gòu)件外貼兩層16mm 厚耐火石膏板，則在室內(nèi)可燃物完全燃燒后，室內(nèi)火災(zāi)會自動熄滅，CLT構(gòu)件本身對火災(zāi)增長、火災(zāi)持續(xù)時間和火災(zāi)烈度沒有明顯影響。

圖6 CLT 房間火實驗（卡爾頓大學）

此外，Medina 又做了三次房間火實驗，考慮了不同的墻體暴露程度。實驗結(jié)果跟卡爾頓大學做的實驗結(jié)果類似。CLT 構(gòu)件暴露得越多，其對室內(nèi)火災(zāi)增長、火災(zāi)持續(xù)時間和火災(zāi)烈度的影響越大。當只有兩面墻體（相對）暴露時，室內(nèi)的熱釋放速率會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，室內(nèi)熱釋放速率上升情況跟相對墻體暴露時類似。如果只有一面墻體暴露，則室內(nèi)的燃料得以全部燃燒，其他墻體不參與燃燒。因此，通過對實驗結(jié)果進行分析計算，實驗者（Medina）認為，室內(nèi)曝火面積小于30% 時，外露的CLT 構(gòu)件不會助長室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展。

4 多高層木結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計

世界各國對木結(jié)構(gòu)建筑層數(shù)的規(guī)定，是一個逐步放寬的過程。上世紀90 年代，歐洲大部分國家規(guī)定，木結(jié)構(gòu)建筑最高允許層數(shù)不能超過2 層。到2010 年左右，大部分國家對木結(jié)構(gòu)建筑的最高允許層數(shù)已經(jīng)放寬到5層及以上。目前國際上已建多高層木結(jié)構(gòu)建筑，多數(shù)超出了本國規(guī)格式規(guī)范的規(guī)定，幾乎都是通過一事一議的方式解決其消防問題。但不管其防火設(shè)計如何千差萬別，其防火理念是一致的，即盡量將火災(zāi)控制在起火區(qū)域，防止其蔓延擴大，同時加強疏散設(shè)施設(shè)計，保證建筑內(nèi)的人員能夠在一定時間內(nèi)撤離到安全區(qū)域。本文以加拿大UBC 大學的學生公寓Brock Commons 為例，對其防火設(shè)計進行分析。

Brock Commons 是加拿大UBC 大學的學生公寓，同時也是校區(qū)的教學和休閑中心。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(jié)構(gòu)。該建筑總建筑面積15120 m2，共18 層，高53m，可提供404 個學生床位，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(guī)范》2015 版規(guī)定，木結(jié)構(gòu)建筑的最高允許層數(shù)為6 層?？笨耸≡试S重木結(jié)構(gòu)的建筑可以建到12 層。很明顯，Brock Commons 超出了相關(guān)規(guī)范對木結(jié)構(gòu)建筑最高層數(shù)的規(guī)定。為了確保Brock Commons 住戶的健康和安全防護水平等同或優(yōu)于同規(guī)模不可燃建筑，防火設(shè)計時加強了其被動和主動消防措施，同時加強了施工期間的防火措施。

被動防火設(shè)計方面，加強了人員疏散設(shè)施的設(shè)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(nèi)人員在火災(zāi)發(fā)生后能夠安全逃生。同時，加強不同功能區(qū)之間的防火分隔，確?；馂?zāi)發(fā)生后能夠?qū)⒒馂?zāi)限制在起火區(qū)域內(nèi)，不會向其他區(qū)域蔓延。其采取的措施是將CLT 構(gòu)件用4 層耐火石膏板完全包覆，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠達到2.00h 的耐火極限要求。Brock Commons 的防火設(shè)計采取了相對保守的防火措施，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部耐火石膏板保護，無任何外露構(gòu)件，如圖10 所示。樓層之間及所有豎井的圍護構(gòu)件的耐火極限不低于2.00h。宿舍單元之間的防火分隔構(gòu)件的耐火極限也按不低于2.00h 進行設(shè)計，該設(shè)計為加強措施，如果是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑，其防火分隔構(gòu)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(gòu)件

主動防火設(shè)計方面，Brock Commons 全部安裝了火災(zāi)報警系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、室內(nèi)消火栓系統(tǒng)及滅火器?；馂?zāi)報警系統(tǒng)包括聲音和視覺信號報警設(shè)備。自動噴水滅火系統(tǒng)可直接連接到市政供水管網(wǎng)，并設(shè)置了20000L 消防水箱，可供火災(zāi)初期30min 供水量。為了確保無防火保護的開口不會成為火災(zāi)和煙氣蔓延的通道，在本建筑內(nèi)所有無防火保護的開口處均設(shè)置了水幕系統(tǒng)。同時，該建筑還安裝了人工監(jiān)控系統(tǒng)，火災(zāi)報警以及噴淋系統(tǒng)啟動報警信號可直接發(fā)送至當?shù)叵啦块T，確保一旦發(fā)生火災(zāi)，當?shù)叵啦块T能夠立即做出響應(yīng)。

5 我國多高層木結(jié)構(gòu)防火技術(shù)要求

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

表3 木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限

如果擬建造的木結(jié)構(gòu)建筑為3 層及以下，則仍執(zhí)行《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2014 第11 章的有關(guān)規(guī)定。對于4 層或5 層的木結(jié)構(gòu)建筑，要求其疏散樓梯間應(yīng)至少采用封閉樓梯間，確保發(fā)生火災(zāi)時，建筑內(nèi)人員能夠快速疏散至安全區(qū)域。同時，為了早期報警和有效控火，《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》規(guī)定，4 層和5 層木結(jié)構(gòu)住宅和辦公建筑內(nèi)應(yīng)全部設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)。住宅建筑的公共部位應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，戶內(nèi)應(yīng)設(shè)置家用火災(zāi)自動報警裝置。木結(jié)構(gòu)辦公建筑內(nèi)應(yīng)全部設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。此外，還應(yīng)設(shè)置室內(nèi)外消火栓系統(tǒng)。

6 結(jié)論

目前國際上已建的多高層木結(jié)構(gòu)建筑多數(shù)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(gòu)件，甚至CLT 足尺房間火進行了系列試驗研究，但還有很多不確定的問題。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？是否會影響CLT 構(gòu)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(gòu)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一步的研究。因此，多高層木結(jié)構(gòu)建筑防火技術(shù)研究，除了木結(jié)構(gòu)建筑層面的研究需要深入外，還應(yīng)加強CLT 構(gòu)件耐火性能的研究，從而全面掌握CLT 構(gòu)件的各項性能，確保多高層木結(jié)構(gòu)建筑的消防安全。

參考文獻

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[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(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準[S]

作者

應(yīng)急管理部天津消防研究所  邱培芳 彭磊 倪照鵬