一 钢结构二维模块防火设计

1、防火设计对话框中各参数含义

图1 防火设计对话框

1）、是否进行抗火设计：勾选时则按照《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）（后面全部简称为《钢结构防火规范》）中“临界温度法”进行防火设计；不勾选则不进行防火设计。

2）、建筑耐火等级：即建筑物的耐火等级，该耐火等级应按《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)的3.2条或5.1条确定。注意此处为建筑物的耐火等级，一般情况下设置好该参数后，程序会自动判断出构件的耐火等级，但不能保证构件的耐火等级一定是符合实际的，因此还需要在后面的构件级防火设计菜单中查看或单独指定构件的防火设计参数。

3）、初始室内温度Tg：即火灾发生前的初始室内温度，该参数用于后续计算中火灾升温曲线（见《钢结构防火规范》6.1.1节），可根据实际情况进行输入，《钢结构防火规范》6.1.1条中讲到可取20℃。

4）、热对流传热系数：用于钢结构升温计算。《钢结构防火规范》6.2.1条中讲到可取25。

5）、火灾升温曲线模型：用于选择火灾升温曲线。根据《钢结构防火规范》6.1.1条，以纤维类物质为主的火灾（即普通大火）可选择标准火灾升温曲线，而以烃类物质为主的火灾（石油化工建筑）则选择烃类火灾升温曲线。

6）、火灾升温计算步长：用于钢构件升温计算时的迭代步长，该值越大迭代次数越少，《钢结构防火规范》6.2.1条中规定不宜大于5秒，程序默认3秒。

7）、钢材比热：即钢材的比热容，用于钢构件的升温计算，程序默认值600（《钢结构防火规范》5.1.1条）。

8）、钢材类型：即建筑的钢材为普通钢还是耐火钢，此选项影响高温条件下钢材强度设计值和弹性模量的计算方法（见《钢结构防火规范》5.1.2 条~5.1.5 条），默认为普通钢。耐火钢的升温相对普通钢会较慢。

9）、保护层类型：即防火保护层的做法，主要影响有防火保护钢构件的形状系数计算，分截面周边类型（外边缘型保护）和截面矩形类型（非外边缘型保护），具体见《钢结构防火规范》条文说明6.2.2条。截面周边类型是指沿构件截面周边做防火涂料，截面矩形类型是指用防火涂料将构件做成矩形。对于工字形截面而言，截面矩形类型升温速度更慢；而对箱型截面，两种类型效果一样。

10）、防火材料：防火材料分膨胀型防火涂料（俗称“薄涂型”）和非膨胀型防火涂料（俗称“厚涂型”）

11）、防火材料热传导系数：即防火材料的等效热传导系数，用于计算非膨胀型防火涂料的厚度（《钢结构防火规范》公式7.2.8-2），该参数应根据防火涂料本身的性质而定，程序中非膨胀型默认取值0.1（《钢结构防火规范》条文说明8.1.8条）；由于膨胀型防火涂料厚度的计算用不到这个参数，因此不用输入。

12）、防火材料密度：该参数应根据防火涂料本身的性质而定，用于计算构件升温（《钢结构防火规范》6.2.2-1条）和防火涂料总重统计（该重量仅用来确定涂料用量，未考虑在结构荷载中，因此荷载输入阶段需要考虑加上涂料自身的荷载）。

13）、膨胀型涂料参数；该参数用于膨胀型防火涂料的厚度计算，由于膨胀型防火涂料的厚度与等效热阻不是线性关系，根据《钢结构防火规范》5.3.3条：“膨胀型防火涂料应给出最大使用厚度、最小使用厚度的等效热阻以及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递增的等效热阻，其他厚度下的等效热阻可采用线性插值方法确定”。因此要计算膨胀型防火涂料厚度，必须要输入这个参数；该参数应由防火涂料厂家提供，自V6和2021V1版本程序（官网2021年8月及以后的版本）中默认添加了一组参数，因此也能输出膨胀型防火涂料的厚度，在此之前的版本中膨胀型防火涂料仅能输出等效热阻但不能输出涂料厚度。非膨胀型不需要设置该参数。

2、构件抗火设计菜单
通过该菜单可查看梁柱构件的耐火等级、耐火时间及防火涂料类别，或单独指定梁柱构件对应的耐火等级、耐火时间及防火涂料类别。若要单独修改或指定，则在对话框中设置好耐火等级、耐火时间及防火涂料类别，点击“确定”后选中要指定的构件即可。

图2 构件抗火设计对话框

3、防火设计结果查看

结构计算完成后，可在“计算结果查询”——“抗火设计”菜单、“构件信息”菜单或“结果文件——防火计算书”中查看防火设计结果。防火设计结果图分为“防火设计结果简图”和“火灾下钢结构荷载比简图”，图中构件上各数据代表的含义见下方说明。

图3 防火设计结果简图

图4 火灾下钢结构荷载比图

图5 “构件信息”中的防火设计结果

图6 防火设计计算书

二 钢框架三维模块防火设计

1、防火设计对话框中各参数含义

图7 防火设计对话框

钢框架三维模块防火设计对话框各参数基本和二维模块一样，不一致的地方解释如下：

1）、钢构件升温计算方法：程序默认“精确算法”且仅支持“精确算法”。所谓“精确算法”是指钢构件按照《钢结构防火规范》6.2.1和6.2.2条进行迭代计算钢构件在耐火极限下的升温；“简易方法”是指按照《钢结构防火规范》6.2.3条的方法计算钢构件升温。

2）、防火涂料类型增加了“金属网抹M5普通水泥砂浆”，该类型主要用于钢管混凝土柱构件的防火（具体见《钢结构防火规范》条文说明8.1.8条。

2、构件抗火设计菜单
通过该菜单可查看梁、柱和支撑构件的耐火等级、耐火时间、防火涂料类别和是否为耐火钢，或单独修改、指定构件对应的耐火等级、耐火时间、防火涂料类别和是否为耐火钢。

图8 构件抗火设计对话框

若要单独修改或指定梁、柱和支撑的防火设计信息，则在左侧抗火设计定义树状目录下点击相应的构件，在弹出的对话框中设置好耐火等级、耐火时间、防火涂料类别和是否为耐火钢，点击“定义”后选中要指定的构件即可，修改后构件上的抗火设计信息则为红色显示。

图9 构件抗火设计对话框

这里解释一下“本层删除”、“全楼删除”和“防火材料定义”的含义。“本层删除”是指仅删除本层由用户自定义的防火设计信息，本层删除后构件的防火设计信息全部恢复为程序最开始默认的防火信息（即用户交互修改之前的，也就是将图9中红色显示的防火设计信息恢复为最开始灰色显示的防火设计信息）；“全楼删除”的效果和“本层删除”基本一样，只是范围变成了全楼，而不仅仅是本层；“防火材料定义”是如果在前面定义的防火材料不是现在想用的，则可以不用返回到前面而在这里重新定义一种新的防火材料，比如前面定义了非膨胀型防火涂料，但是现在想用膨胀型，这时可以不用返回到前面而在这里直接定义膨胀型防火涂料即可。

3、防火设计结果查看

结构计算完成后（钢框架三维模块防火设计也是采用“临界温度法”计算），可在“结果”——“配筋”——“防火保护层厚度”菜单、“构件信息”菜单或“钢结构防火书”中查看防火设计结果。防火验算结果图分为“应力比”和“防火参数”，图中构件上各数据代表的含义见下方说明。

图10 防火验算结果

三 PKPM结构设计软件钢结构防火设计常见问题

1、钢结构二维模块进行防火设计，为何防火设计计算结果都是0.00？

答：经检查，该模型中使用了薄壁型构件，程序目前不支持薄壁型钢构件和格构式钢构件的防火设计（包括钢框架三维设计），建议更换非薄壁型（即自定义截面）钢构件后再进行防火设计即可输出非膨胀型防火涂料的厚度，不过这样操作后计算的涂料厚度可能会比较大，这主要是这种截面的形状系数会比较大造成。当程序给出的防火设计结果全为0.00时，除了截面为薄壁型钢构件的原因外还可能是防火设计参数设置不对，可通过构件级防火设计菜单查看防火设计参数设置是否正确（如耐火极限设置为0小时，则计算结果也将全部为0.00）。

2、三维钢框架结构进行防火设计时，防火涂料选为膨胀型，涂层厚度计算结果为-99998是什么意思？

答：出现涂料厚度为-99998主要是程序目前无法在钢框架三维中计算膨胀型防火涂料的厚度，只能计算到膨胀型防火涂料的等效热阻，厚度则显示为-99998。根据《建筑钢结构防火技术规程》5.3.3条，膨胀型防火涂料应给出最大使用厚度、最小使用厚度的等效热阻以及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递增的等效热阻，其他厚度下的等效热阻可采用线性插值方法确定。目前在钢框架三维中还没有增加膨胀型防火涂料的等效热阻和厚度的之间的关系，因此无法输出涂料厚度。

3、三维钢框架结构进行防火设计时，为什么等效热阻计算结果为-99999.000？

答：经查该柱为钢管混凝土柱，对于钢管混凝土柱要满足一些条件才能进行防火设计，具体的条件可以看一下《钢结构防火规范》8.1.1，由于该柱不满足规范要求无法进行防火设计，故等效热阻输出为-99999.000（异常）。

4、钢结构二维模块进行防火设计，为何防火设计计算结果没有防火涂料厚度？

答：如果防火计算结果中仅有三个数值，没有防火涂料厚度，说明该模型中使用了膨胀型防火涂料且使用的软件版本为V6及2021V1之前的版本，由于膨胀型防火涂料厚度与等效热阻不是线性关系，但V6及2021V1之前的版本没有添加膨胀型防火涂料厚度与等效热阻之间的对应关系，因此无法输出厚度（具体原因见第一部分二维模块防火设计对话框“膨胀型防火涂料参数”）

5、防火设计时为何构件采用工字形截面计算的涂料厚度会比采用箱型截面计算的要大？

答：根据《钢结构防火设计规范》6.2.1和6.2.2条，钢构件的升温计算公式与构件的截面形状系数相关，由于工字形截面的形状系数比箱型截面的形状系数大，导致其他条件不变的前提下工字形截面计算的涂料厚度会箱型截面大。

6、软件中膨胀型和非膨胀型防火涂料的厚度，程序是如何确定的？

答：V6、2021V1及之后的软件版本中可以输出膨胀型防火涂料的厚度，软件参照建筑钢结构防火技术规范7.2条，采用临界温度法进行防火设计，对于膨胀型防火涂料，参照7.2.8第一条计算出其等效热阻，再根据等效热阻与厚度之间关系插值得到涂料厚度；对于非膨胀型防火涂料，参照7.2.8第二条，根据非膨胀型防火涂料的等效热传导系数（由试验获得，厂家提供），软件能够计算出非膨胀型的防火保护层厚度。

建筑钢结构防火技术规范5.3.3条是膨胀型防火涂料等效热阻和厚度的关系，需要给定五个厚度对应的等效热阻（厂家提供），采用线性插值，才能求出某个特定厚度下的等效热阻。这也是之前版本软件对于膨胀型防火涂料，只输出等效热阻，没有输出保护层厚度的原因。

注意：当程序计算的厚度在设定的最大厚度和最小厚度之间时，厚度可以使用。但如果超出了最大厚度或最小厚度，则不建议使用，因为超出这个范围时插值的结果不一定正确，主要时厂家只给出了最小和最大厚度内的等效热阻，超过此范围的厚度和等效热阻间的关系无法确定，因此超过此范围的插值结果并不适用。

7、临界温度法计算时荷载比是如何计算的？荷载组合是怎么组合的？

答：现在satwe和门刚二维的防火验算是按临界温度法计算的，荷载比按照《钢结构防火技术规范》7.2节的相关公式进行计算，计算时没有考虑温度荷载效应（也就是火灾升温产生的内力），也不考虑吊车荷载；网架网壳模块的防火计算是考虑温度效应的，因为网架都是按轴心受力构件设计的。

8、《建筑钢结构防火技术规范》与《高层民用建筑钢结构技术规程》的防火设计公式不一样，对于框架梁、框架柱部分PKPM程序是否可以增加按《高层民用建筑钢结构技术规程》验算的选项？

答：目前程序各个模块的防火设计均是按照《钢结构防火技术规范》来设计的，暂时没有计划要增加高钢规的防火设计功能。

9、程序中输出的形状系数为有防火保护下的还是无防火保护下的？

答：该形状系数为无防火保护下钢构件的形状系数，有防火保护下钢构件的形状系数未输出，因此如需手工复核等效热阻需要手动再计算有防火保护下钢构件的形状系数。

10、三维钢框架模型进行防火设计，梁提示应力比超限，无法进行防火设计，是何原因？该如何解决？

答：程序采用临界温度法进行防火设计，而临界温度法中构件的荷载比上限为0.9（《钢结构防火规范》7.2节），因此当构件的荷载比超过0.9时会提示无法进行防火设计（二维和三维中是一样的，荷载比超过0.9时将无法按照临界温度法进行防火设计）；此时如果一定要进行防火设计，只能是调整梁截面将荷载比降低到0.9以下方可。

11、钢管混凝土柱防火设计时，构件信息中提示不满足规范要求是何原因？

答：对于钢管混凝土柱的防火设计，需要满足《建筑钢结构防火技术规范》中8.1.1条中的相关要求，包括材料强度、含钢率、长细比及偏心率等，一旦有不满足，程序将无法进行防火设计，并提示不满足规范要求。

12、Spas+PMSAP计算的钢结构，防火在哪里计算？

答：Spas+PMSAP计算，目前没有增加防火验算，程序现在对二维门刚，satwe和网架网壳模块有增加防火验算。

13、请问系杆，支撑，檩条墙梁等构件能进行防火设计么？

答：系杆和支撑用柱建模模拟，是可以考虑防火验算的。工具箱有防火设计工具，可以提供梁柱和支撑构件的防火设计。

14、程序在计算防火时是否考虑防火涂料的重量？

答：程序在计算防火时是没有考虑防火涂料的重量的，因此在荷载布置时需要自行考虑；构件信息中输出的构件重量不包括防火涂料的重量。

15、三维钢框架中定义了门式钢梁的构件，为什么没有进行防火设计？

答：因目前satwe程序接口问题，导致在三维钢框架模型中定义了门式钢梁的梁构件无法进行防火设计，这种情况可以在工具箱——防火设计工具中计算。后续版本程序将解决这一问题。

17、二维钢结构模块，5.1.2版本，剪力包络图中的剪力不是最大值，这是为何？

答：剪力包络图当点了防火设计时，剪力包络图不是最大值。这个是程序问题，防火设计时，剪力包络图输出了防火计算偶然组合的剪力包络值（之后的版本已解决这个问题）。