加拿大最大规模Mass Timber火灾燃烧试验结果分享

© Canadian Wood Council

©消防人员现场确认试验条件

试验目的

该试验的目的是希望向政府的消防部门、建筑以及保险行业展示重型木结构建筑在火灾中的表现，进而促进未来建筑法规的更新，进一步放宽对高层木结构建筑的限制。另外，试验希望展示裸露重型木结构建筑的耐火性能，同时也为证明重型木结构在施工期间发生火灾时的结构安全性、燃烧性能、火灾蔓延特性和燃烧规律，以及烟气的流动特性等重要内容。最后，试验希望能够支持未来新建筑规范向基于性能要求逐步转型。

试验对象

试验对象是一栋350平米的两层重型木结构建筑。建筑的布局采用了结合办公和住宅特点的设计，并模拟了建筑在建和完工后两种状态。试验对象是模拟加拿大典型12层大型木结构建筑的中部典型楼层。试验未模拟上层的附加荷载，因为试验的目的不是测试重型木构件的结构承载能力，而是研究每个试验场景下的火灾动力和整体火灾严重程度。选择此设计是为了模拟建筑物中的典型楼层，这些楼层代表相对严重的火灾条件，因为较高楼层的构件尺寸相对较小，而较低楼层的构件尺寸往往较大且不具备典型性。

所有结构构件，包括梁、柱、楼板组件和连接，设计耐火极限均为2小时。这是加拿大所有重型木结构建筑的设计要求。

钢连接件的耐火极限通过包覆木质材料来实现。在设计重型木结构连接件时，一个关键问题是钢材在高温下会迅速失去强度，主要的保护方法是将钢连接件嵌入到木构件中，使钢连接件在设计耐火极限内得到隔热保护。

所有试验场景都假设消防喷淋系统不工作，消防部门不能干预。这是为了研究裸露的重型木构件能否自行燃尽。

由于现场条件的限制，只允许使用木材作为燃料。因此，燃料负荷主要使用规格材和胶合板来模拟。

每个试验场景都使用放置在木垛下的小甲醇平底锅点火，以确保火灾能够顺利开始并获得可重复的结果。

© 热电偶布置

* 第一次和第二次试验* 

这两次试验分别在2022年7月7日和14日进行。第一次试验的对象是一栋符合建筑防火规范的的轻型木结构，内部装修采用可燃材料，以此提供一个基值参照对象。第二次试验的对象采用了裸露的重型木框架结构，以比较两栋建筑的在火灾中的表现。第一次试验中，火灾表现和预想的接近，在大约燃烧30分钟后，火自熄灭且未发生复燃。第二次试验中，火灾在进行到28分钟后自熄灭且未发生复燃。这说明裸露的重型木结构在耐火表现上和轻型木结构接近。

* 第三次试验* 

第三次试验模拟了试验对象在施工期间发生火灾的场景。试验对象除楼板、天花板和一面墙裸露外，其余的墙都用耐火石膏板包覆。火源是一个毗邻墙体的垃圾桶。试验在2022年9月29日进行。垃圾桶火源燃烧了30分钟，20分钟时发生轰然，并持续燃烧了约2分钟，24分10秒时火源燃料耗尽后，火势迅速衰减。试验结果显示，控制现场可燃材料的总量是限制建筑施工火灾的重要方面。

* 第四次试验* 

这次试验模拟的场景是一个最不利的情况，现场堆放了大量可燃物且建筑的主体结构全部裸露。试验在2022年9月15日进行，当天的风速较大，达到16公里/小时。经过18分钟的充分燃烧后，火势减弱，但在几个位置继续燃烧了25-30分钟。由于没有对楼板进行防火保护，燃烧点和余烬继续缓慢燃烧了相当长的一段时间。测试进行到1小时时，衰减过程开始停滞，楼板依然燃烧，接缝和交接处偶尔会有小火焰。测试当天，强风是火焰复燃的一个因素。

* 第五次试验 *

通常认为最严重的火灾场景发生在防火分区小，通风条件较差的情况下，因此，迄今为止主要的裸露重型木结构火灾试验都是模拟住宅建筑场景。第五次试验旨在研究重型木结构建筑中典型的办公开放空间的火灾燃烧性能。此次试验场景的建筑空间比之前的要大得多，不仅占地面积更大，而且层高更高。大空间在现代重型木结构办公楼设计中经常出现，这次试验揭示了更大空间内的火灾动态。试验于2022年6月22日进行，当时为东南风，风速6公里/小时。

该试验采用了四个面积为7.3米 x 7.3米、高度为4.0米的区域，是迄今为止在北美进行的最大规模的重型木结构火灾燃烧试验。重型木结构的楼板、梁和柱，以及正交胶合木墙均裸露。通风采用十个窗户，每个窗户开口为2.6米宽、2.0米高（通风系数为0.12米1½）。燃料负荷为362 MJ/m²，是用木材作为燃料，模拟典型的办公室隔间式工位布置。试验中，火势在5分43秒时达到楼板的远端，大量的火焰柱从所有窗口依次喷出，从5分25秒开始持续到6分25秒。从窗口喷出的火焰柱在7分钟时达到最大高度和长度，在窗口开口上方高达7.5米，向外延伸10米。从6分50秒开始，办公空间内的所有隔间，包括胶合板地板，都完全卷入火势之中。从6分50秒到18分，整个开放式办公空间都被火焰完全笼罩。在第16分钟，第4区的火势减弱，因为部分燃料负荷减少。第18分钟后，随着燃料负荷的逐渐消耗，整个空间内的火势显著减弱，地面上的火焰停止向天花板冲击。19分钟时，所有窗口不再喷出火焰柱。21分钟时，楼板、梁、柱和楼梯井墙上不再有明显的火焰燃烧，可见的火焰燃烧仅限于楼板上的碎屑，火焰高度不断降低。在25到30分钟之间，碎屑燃烧停止，之后地板上仅有一些发光的碎屑。在此后的时间里，燃烧继续以些许的间歇火焰为特点，试验在250分钟时终止。试验期间，楼板温度达到1100°C以上。楼板温度在15分钟后持续下降，在80分钟时降至300°C以下，测试结束时楼板大部分区域温度降至100°C以下。试验过程中和试验结束后未发生结构坍塌。

©第五次试验中火势达到最大

©第五次试验后结构仍然保持完整

试验结论汇总

在所有试验中，裸露的重型木构件的平均炭化深度全部完全满足加拿大木结构规范CSA O86中对于耐火极限为2小时的结构构件的规定。

试验中，在火焰冷却期，部分裸露的CLT楼板出现局部分层，但这并未引发复燃或火势重新蔓延。

由于火灾试验后仍存在深层的热点和缓燃，因此需要进行消防作业，以确保这些热点被完全扑灭。

在所有试验中，楼梯井均未受到不利影响。

在经受了五次严重火灾试验，暴露于共计19小时的火焰后，试验结构仍然保持稳定坚固。这在拆除试验结构的过程中得以明显验证。