《建筑钢结构防火技术规范》实施至今已经三年多了，各大软件公司也基本跟进并增加了相关设计功能。但是对于设计师来说，钢结构防火设计中很多概念并不清楚，尤其是构件温升与涂层的关系。这里我就详细讲解一下这个知识点，希望对设计师朋友有所帮助。
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元件温升计算及其与涂层的关系
火灾的过程可以理解为热量的释放和传递的过程。热量释放的来源是可燃物的燃烧，而热量传递的过程则是燃烧产生的热能向空气中传递，以及热能从空气中传递给钢构件。举一个更形象的例子，大家上学的时候应该都做过这样的应用题：有一个水龙头，上面连接着一个水桶，这个水桶通过管子连接到其他的水桶上。水龙头开始放水，请问需要多长时间才能把这些水桶都灌满呢？
我们可以把燃烧物体想象成一个水龙头，它也是热量释放的来源。那么第一级桶就是空气，第二级桶就是钢构件。水位的高低代表着温度的高低，水龙头的粗细决定了出水的多少，以及第一级桶水位上升的速度。出水量或者说水通量就是我们的温升曲线。管子越粗，单位时间内出水量越多，第一级桶水位上升的速度就越快，体现在曲线上就是切线斜率。连接第一级桶和第二级桶的管子粗细，会影响第二级桶水位上升的速度，描述这个连接管子粗细的变量就是钢构件的温升公式。
我们再来思考一下钢结构防火涂料标准，刚才只说了厚度会影响到桶内水位上升的速度，但这并不是唯一的影响因素，还有一个很重要的因素，就是桶的尺寸。说到尺寸问题，就不用我详细解释了，桶底面积小的桶必然上升得快，而桶底面积大的桶必然上升得慢。桶的尺寸，如果跟规范里钢构件温升公式有关系的话，就是形状系数，也就是Fi/V。
你可能会疑惑，第一个桶是否也存在尺寸问题呢？不会的，因为第一个桶是空气，看不见，也没有量纲，所以任意时刻的等效模型都是一样的，不受尺寸的限制。
到这里其实还有一种情况没有解释清楚，一般我们设计中用到的材料大部分都是轻质防火材料，那么我们可以把它等同于直接的连通管，因为热量通过的时候可以认为是没有损失的。但是如果用的是非轻质防火材料，那么就要考虑热量通过时的损失钢结构防火涂料标准，而这些损失其实是被防火材料吸收了，产生了自身的温升。其实这里比较好理解，如果还是用我们之前的桶模型，那么就相当于从连通管里接了一个小桶。
现在，这里有一个比较棘手的问题。我们在这个桶模型中如何表示耐火钢？考虑到耐火钢的特性，它的初始加热速度比普通钢慢，但其后期加热性能与普通钢相似。所以我们可以模拟这样的一个桶。
了解了整个钢结构温升的原理之后，涂层的作用就非常清楚了。它对温升的影响相当于连接管的厚度。在影响管壁厚度的关键系数中，规范对不同涂层的数值都有明确的规定：
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涂层关键参数计算方法
对于设计师来说，搞清楚设计的原理是一回事，有助于更好地理解设计结果，有助于判断结果的正确性、合理性，但这种技巧无法解决设计效率的问题。
因此，简化设计过程，高效完成设计任务，是另一个重要的技巧。幸运的是，钢结构防火设计规范已经为设计人员准备了方便计算厚度的方法。在规范第7.2.8条中，对膨胀型和非膨胀型都有简单的热阻和厚度的反算方法。
如果你仔细阅读规范，你会发现这两个公式与第 5.3 章中的公式完全相同，只是变量被移动了。
经过公式变换，我们可以得到如下关系，这显然是一个简化的加热曲线，是在一定区间内的直线拟合。
通过查阅相关资料和参考规范可知，该公式在t≤600℃时适用。通过对照临界温度表可知，一般满足要求的部件临界温度很少超过600℃，因此该简化公式适用于大多数情况。由于计算程序采用迭代法求得等效热阻和厚度，我们将程序迭代结果与公式拟合结果进行了对比，结果表明，在600℃以下，差别很小，即使超过600℃，达到临界温度表中的最大值，差别仍可控制在5%以内。因此，作为日常复习，规范给出的公式完全可以满足要求。
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涂层厚度反算
上面说了，反向计算都是按照标准公式来进行的，但是仔细看就会发现两个问题：1、非膨胀型的等效热导率系数是一个需要自己确定的系数，标准并没有给出取值的方法；2、膨胀型涂层计算的不是厚度，而是等效热阻。
第一个问题其实在规范中已经得到解决，附录A给出了厚度换算方法，也就是说在设计时可以假设一个导热系数，在提交设计方案后，厂家可以根据产品的导热系数换算出实际施工所用的涂层厚度，因此在设计交底时只需要说明设计时所用的导热系数以及以此为依据计算出的涂层厚度即可。
第二个问题，依然是生产厂家的问题，在规范第5.3.3章中提到，对于膨胀型防火涂料，“应给出最大使用厚度与最小使用厚度的等效热阻和增加最大与最小使用厚度差值1/4的防火涂料厚度的等效热阻”。不同于非膨胀型涂料厚度与传热系数呈线性关系，斜率为等效导热系数，膨胀型涂料厚度与等效热阻呈非线性关系，因此只能通过线性插值得到厚度值。
规范中要求的五个点，其实就是用来拟合厚度-热阻相关性曲线的。了解了这一点，你就会知道为什么只能输出等效热阻：因为目前没有厂家能够提供相关涂层的参数。然而，在设计师的努力推动下，越来越多的厂家开始关注这个问题，并进行了一些实验。在最新的PKPM Structure 2021规范V1版程序中，我们收录了知名涂层厂家的膨胀材料SteelMaster 60WB。这也是一个很好的开始，说明厂家也开始关注技术因素对产品的影响了。
综上所述，油漆厚度的问题应该由厂家来承担，也是设计师可以正当推卸的责任。真心希望各大厂家能够坚定地担起这个责任，推动国内设计市场向更健康的方向发展。
撰稿人 | 编辑朱恒| 编辑 唐天 | 张月飞
