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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% 的工業廠房采用木屋蓋，民用建筑也普遍采用木結構或磚木結構。但在其后的一段時期，國內結構用木材幾乎消耗殆盡，導致木結構建筑的發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。現代木結構建筑起源于歐美國家，采用先進的設計和結構構造技術，充分利用木材本身的優勢，將木結構廣泛應用于住宅、旅館、學生宿舍等居住建筑，以及辦公建筑、體育館、圖書館、藝術中心等公共建筑。近十多年來，隨著新的工程木產品的出現，以及裝配式木結構和木結構混合結構建造技術的發展，不少國家的木結構建筑逐步向高層發展。

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展現狀

本世紀初，歐美一些國家的木業協會和木結構企業開始進入中國市場，在中國推廣現代木結構建筑。但因國內相關設計、建造技術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18 層（53m）學生公寓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。對于實木和膠合木，北美一般采用0.635mm/min；歐洲根據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實木那樣用一個相對固定的數值來標定呢？加拿大FPInnovations、加拿大木業協會、美國木業協會等機構在進行CLT 墻體和樓板耐火試驗的同時，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，對于CLT 構件，不能像膠合木或者實木那樣用一個炭化速率數值來表征。同時，試驗發現，當CLT 膠縫溫度達到150℃ ~200℃時，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。可見，CLT 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，確定火災發展的不同階段、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、EN1991-1-2 標準火災曲線和瑞典的火災曲線三種火災曲線，如圖3 所示。

圖3 EN 1991-1-2 標準火災曲線、參數火災曲線和瑞典火災曲線

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）。試驗結果發現，根據三種火災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 參照火災曲線T2C、T2D 為EN1991-1-2 標準火災曲線T3E、T3F 為瑞典火災曲線

炭化速率值最大的是根據參照火災曲線進行的實驗。該實驗中，溫升速率最快，溫度也最高。對于標準火災實驗，溫升速率最低，溫度處于中等。根據該火災曲線所測得的炭化速率比參照火災曲線所測得的炭化速率低，跟瑞典火災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。

應急管理部天津消防研究所“十三五”國家重點研發項目中的課題一“特殊建筑結構耐火性能評價與耐火技術”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律，為進行足尺CLT 墻體和樓板構件的耐火性能測試提供技術支持。

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、加拿大木業協會、美國木業協會等機構，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，以及加拿大木業協會和美國木業協會合作的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。

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

CLT 是相對新的工程木產品，我國對其性能的研究剛剛開始。應急管理部天津消防研究所“十三五”國家重點研發項目中的課題一“特殊建筑結構耐火性能評價與耐火技術”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保障，為有關國家標準的制修訂提供了技術支持。

表2 耐火試驗結果匯總

3.3 CLT 房間火試驗

隨著近年來現代木結構建筑的快速發展，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，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，房間內部高度為2.5m。墻上設一個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）。試驗研究結果表明，如果CLT構件完全暴露在火焰中，則其會加快室內火災的蔓延，同時房間達到轟燃狀態的時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，室內火災會自動熄滅，CLT構件本身對火災增長、火災持續時間和火災烈度沒有明顯影響。

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。實驗結果跟卡爾頓大學做的實驗結果類似。CLT 構件暴露得越多，其對室內火災增長、火災持續時間和火災烈度的影響越大。當只有兩面墻體（相對）暴露時，室內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，通過對實驗結果進行分析計算，實驗者（Medina）認為，室內曝火面積小于30% 時，外露的CLT 構件不會助長室內火災的發展。

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，是一個逐步放寬的過程。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，幾乎都是通過一事一議的方式解決其消防問題。但不管其防火設計如何千差萬別，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，同時加強疏散設施設計，保證建筑內的人員能夠在一定時間內撤離到安全區域。本文以加拿大UBC 大學的學生公寓Brock Commons 為例，對其防火設計進行分析。

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，其上是重型木結構。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《國家建筑規范》2015 版規定，木結構建筑的最高允許層數為6 層。魁北克省允許重木結構的建筑可以建到12 層。很明顯，Brock Commons 超出了相關規范對木結構建筑最高層數的規定。為了確保Brock Commons 住戶的健康和安全防護水平等同或優于同規模不可燃建筑，防火設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生后能夠安全逃生。同時，加強不同功能區之間的防火分隔，確保火災發生后能夠將火災限制在起火區域內，不會向其他區域蔓延。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 經石膏板保護的CLT 及膠合木柱構件

主動防火設計方面，Brock Commons 全部安裝了火災報警系統、自動噴水滅火系統、室內消火栓系統及滅火器。火災報警系統包括聲音和視覺信號報警設備。自動噴水滅火系統可直接連接到市政供水管網，并設置了20000L 消防水箱，可供火災初期30min 供水量。為了確保無防火保護的開口不會成為火災和煙氣蔓延的通道，在本建筑內所有無防火保護的開口處均設置了水幕系統。同時，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報警信號可直接發送至當地消防部門，確保一旦發生火災，當地消防部門能夠立即做出響應。

5 我國多高層木結構防火技術要求

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。《多高層木結構建筑技術標準》（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，確保發生火災時，建筑內人員能夠快速疏散至安全區域。同時，為了早期報警和有效控火，《多高層木結構建筑技術標準》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噴水滅火系統。住宅建筑的公共部位應設置火災自動報警系統，戶內應設置家用火災自動報警裝置。木結構辦公建筑內應全部設置火災自動報警系統。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 構件的耐火性能？歐洲有的CLT 產品，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，多高層木結構建筑防火技術研究，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