《建筑钢结构防火技术规范》实施至今已有 3 年多。各大软件企业也大都跟进并增加了相关的设计功能。然而，对于设计师而言，钢结构防火设计方面的诸多概念并不清晰，特别是构件升温与涂料的关系，他们并未搞清楚。在此，针对这个知识点进行展开讲解，期望能对设计师朋友们有所助益。

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构件升温的计算和涂料的关系

火灾的过程，能够被理解为热量释放与转移的过程。热量释放的来源是可燃物的燃烧。热量转移的过程，一方面是燃烧产生的热能往空气进行转移，另一方面是空气的热能往钢构件中进行转移。举个形象的例子，大家上学时应该都做过这类应用题：有一个水龙头，它下面接着一个桶，并且这个桶与其他桶通过管子相连。水龙头开始放水，需要询问多久之后能够分别把这些桶装满。

我们可以将燃烧的物体视作水龙头，它是热量释放的源头。那么，第一级的桶是空气，第二级的桶是钢构件。水位的高低意味着温度的高低。水龙头的粗细既决定了出水量的大小，也决定了第一个桶的水位上升速度。出水量或出水通量即为我们所说的升温曲线。管越粗，单位时间内出的水量就越多，一级桶的水位上升也就越快，在曲线上体现为切线斜率。第一级和第二级桶连接的管的粗细，会对第二级桶的水位上升速度产生影响。描述这个连接管粗细的变量，是钢构件升温公式中的。

我们可以再思考一下，我只是说了桶的粗细会影响水位上升速度，但这并非唯一影响条件，还有一个重要条件是桶的尺寸。提到尺寸问题，无需多做解释，底面积小的桶水位上升速度必然快，底面积大的桶水位上升速度必然慢。桶的尺寸与规范里钢构件升温公式相关时，就是形状系数，即 Fi/V。

你可能会有疑问，第一个桶是否也会有尺寸方面的问题呢？答案是否定的。因为第一个桶是空气，它没有具体的形状和尺寸，所以在任何时候其等效模型都是相同的，不会受到尺寸因素的制约。

说到这里，有个情况未交代清楚。通常在我们的设计中，大多采用的是轻质的防火保护材料。所以我们可以将其等效为直接联通管的形式，因为在热量通过时，可认为是没有损耗的。然而钢结构防火厂家，如果采用了非轻质的防火保护材料，那就需要考虑热量通过时的损耗了。而损耗的那部分，实际上是被防火保护材料所吸收了，并且导致了其自身的升温。其实说到这里就比较容易理解了。如果用我们之前的水桶模型来比喻，那就相当于在联通管的外面又接出了一个小桶。

再来一个较为刁钻的问题。怎样在这个水桶模型里体现出耐火钢呢？由于耐火钢的特性，其在初期的升温速度比普通钢慢，然而到了后期，其升温性能与普通钢大致相同。这样的话，我们就可以模拟出这样一个水桶。

搞清楚整个钢构件升温的原理之后，涂料的作用就变得清晰了。涂料对升温的影响等同于联通管的粗细。在影响管粗细的关键系数里，规范中对于不同涂料的取值都有明确规定。

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涂料的关键参数的计算方法

设计师需要搞清楚设计的原理，这有助于更好地理解设计结果，也能帮助判断结果的正确性和合理性。然而，这项技能无法解决设计效率的问题。

所以有一项重要技能是简化设计流程，以高效完成设计任务。幸运的是，钢结构防火设计规范已为设计师准备了便于计算厚度的方法。在规范的 7.2.8 条里，对于膨胀型和非膨胀型，都有简单的热阻及厚度的反算方式。

仔细观察规范阅读的话，会发现这两个公式与前面 5.3 章的公式完全相同，只是变量的位置发生了改变。

对公式进行变形后，能得到一个关系式。这显然是一条简化的升温曲线，是在特定区间段内的直线拟合。

查询相关材料并参考规范后得知，在 t≤600℃的情况下适用该公式。对照临界温度的表格可发现，一般满足要求的构件的临界温度很少有超过 600℃的情况，因此这个简化公式适用于绝大部分情况。因为计算程序是通过迭代法获得等效热阻和厚度的，所以我们将程序迭代结果与该公式拟合结果进行了对比。结果表明，在 600℃以下的情况下，差异是极小的。即便超过 600℃，达到临界温度表格里的最大值，差异依然能够控制在 5%以内。因此，对于日常的复核而言，规范所给出的公式是完全能够满足要求的。

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涂料厚度的反算

按规范公式进行反算。然而，仔细观察会发现两个问题：其一，非膨胀型的等效热传导系数是一个需自行确定的系数，规范未给出其取值方法；其二，膨胀型涂料计算得到的不是厚度，而是等效热阻。

第一个问题在规范里有解决办法，其在附录 A 中给出了厚度的换算方法。这表明，能够在设计时假定一个热传导系数，当提交设计方案后，厂家可依据产品的热传导系数换算出实际用于施工的涂料厚度。因此，只需在设计交底时，说明设计时所采用的热传导系数以及通过此系数计算得出的涂料厚度就行。

第二个问题属于厂家方面的问题。在规范的 5.3.3 章里有提及，对于膨胀型的防火涂料，需要给出最大使用厚度，还要给出最小使用厚度的等效热阻，同时也要给出防火涂料使用厚度按最大使用厚度与最小使用厚度之差的 1/4 递增时的等效热阻。非膨胀型涂料的厚度与热传递系数呈线性关系，其斜率即为等效热传导系数。而膨胀型的厚度与等效热阻是非线性相关的，因此，只能借助线性插值的方法来获取厚度值。

规范中所要求的五个点，实际上是用于拟合这个厚度 - 热阻相关曲线的。知晓了这一点钢结构防火厂家，就能够明白为何只能输出等效热阻了，原因在于目前尚未有厂家能够提供相关涂料的参数。然而，在设计师们的努力推动之下，越来越多的厂家开始对这个问题予以重视，并且也开展了一些实验。在最新的 PKPM 结构 2021 规范 V1 版程序里，我们收录了某知名涂料厂家的膨胀型材料 SteelMaster 60WB。这是一个开始，表明厂家开始重视技术因素对产品的影响。

总结而言，厂家应当承担涂料厚度部分的责任，而设计师也有理由摆脱这部分责任。在此，衷心期望各大厂家能稳稳地承担起这一责任，促使国内设计市场朝着更健康的方向发展。

供稿| 朱恒 编辑| 汤天 责编| 张跃飞