鋼結構防火設計很重要。但一直以來，我們對防火設計投入的時間和精力與力學分析是沒法比的。大多數工程僅是在設計總說明中對鋼構件的耐火極限、涂料性能、施工操作等提一些原則性的要求，類似下圖：
其實，上述說明不能算作防火設計。比如，對耐火極限至關重要的涂層厚度并沒有明確，而是交由涂料廠家或防火專項設計去完成，搞不好就是一種放任的狀態。盡管在《建筑鋼結構防火技術規范》CECS200：2006中就有抗火承載力極限狀態驗算的要求，但因計算復雜，不借助軟件是無法完成的；加之結構工程師對工程熱物理不熟悉，所以該規范并沒有被很好執行。隨著國標《建筑鋼結構防火技術規范》GB51249-2017的頒布，PKPM和盈建科增加了耐火驗算功能，且審圖機構要求提供耐火驗算結果，所以按耐火承載力極限狀態進行防火設計已經成了鋼結構設計的重要內容。耐火驗算的基礎是工程熱物理，這對于大多數結構工程師來說是陌生的。要想在短時間內準確理解規范、正確使用軟件并不容易，甚至想理出個頭緒都是很難的。所以，本文對《鋼結構防火規范》的基本脈絡進行梳理，希望能幫助初學者理解設計原理，正確選用計算參數，借助設計程序完成耐火驗算和防火設計。
一、耐火驗算和防火設計涉及到的三個方面
要做耐火驗算和防火設計，就要對火的燃燒進程、鋼材強度與溫度的關系、防火保護層的屬性這三方面進行定量描述。下文提及的公式均見《建筑鋼結構防火技術規范》GB51249-2017，本文不再列出。
火是主因，相當于荷載。規范用熱煙氣的平均溫度與火災持續時間的關系曲線進行描述，即火災升溫曲線，分為標準升溫曲線和烴類升溫曲線。烴類升溫曲線用于石油、化工類建筑，標準升溫曲線用于除石油、化工類以外的建筑。如下圖：
（1）鋼材強度與溫度的關系，用公式（5.1.2）表示。（2）在熱煙氣的作用下，鋼材升溫與火災持續時間的關系，用公式（6.2.1-1、6.2.2-1）表示。公式中的參數有鋼材的密度、比熱容、熱傳遞系數、截面形狀系數（受火表面積和體積之比）等。除截面形狀系數外，其它參數均為常數，見表5.1.1。有的防火保護層質量較輕，相對于鋼構件來說，其自身吸收的熱量可忽略。這種防火保護層稱為輕質保護層。如，非膨脹型防火涂料、膨脹型防火涂料、蛭石防火板、硅酸鈣防火板、硅酸鋁纖維氈等。有的防火保護層自身所吸收的熱量必須加以考慮，這種防火保護層稱為非輕質保護層。如，混凝土、金屬網抹砂漿、砌體等。分類如下圖。棕色部分即為我們最常用最熟悉的防火涂料。
防火保護層的屬性用“綜合熱傳遞系數
”來描述，見公式（6.2.2）。
與防火保護層的密度、比熱容和等效熱傳導系數、涂層厚度等參數有關。除涂層厚度外，其它參數均是材料的自身性能，同種材料為常數。
防火涂料屬于輕質保護層，可忽略密度和比熱容的影響。也就是說，密度和比熱容的取值對計算結果沒有影響。
二、耐火驗算和防火設計用到的參數和術語
密度和熱膨脹系數比較熟悉，這里略去。
1. 比熱容，簡稱比熱，含義是指“每kg物質當溫度升高1℃時所需的熱量”。反應了這種物質的蓄熱能力，單位是焦耳每千克每攝氏度，J⁄kg•℃。
比熱容是材料的自身性能。鋼材的比熱容為600，非膨脹防火涂料的比熱容為1000。
2. 熱傳導系數也熱系數，含義是指“在穩定傳熱條件下，1m厚的材料、兩側表面的溫差為1℃，在1小時內通過1m2面積傳遞的熱量”，單位為。
熱傳導系數也是材料的自身性能。鋼材的熱傳導系數為45，非膨脹防火涂料的熱傳導系數為0.1。
3. 等效熱阻，是耐火驗算和防火設計所要求得的數據。有了等效熱阻值，就可以確定防火涂料的厚度。等效熱阻不是材料的性能，而是已知厚度的保護層的阻熱能力，可與電阻類比。等效熱阻的單位是，表示1W熱流量所引起的溫升大小。
三、耐火驗算和防火設計的基本過程
以臨界溫度法為例，該過程可以用下圖比較直觀地表達出來。
水平軸表示鋼材溫度，正向豎軸表示鋼材強度，負向豎軸表示火災持續時間。
1.由軟件對整體結構進行計算，得到火災工況下各構件的應力組合設計值，即圖中正向豎軸上的A點。該點代表火災中鋼構件能夠承受的最大應力。
2.過A點作橫軸的平行線，與圖中紫色曲線“鋼材強度與溫度關系曲線”相較于B點。B點在橫軸上對應的點C，即是該構件允許達到的最高溫度，即臨界溫度Td。
3.在負向豎軸上標出耐火極限對應的E點，過E點作橫軸的平行線，與BC延長線交于D點，該點表示該構件所需的等效熱阻的最小值。
4.連接坐標原點O和點D，可得到該直線的斜率為，則可求得該構件所需的等效熱阻為：
5.由等效熱阻值確定涂層厚度：
（1）對于非膨脹型防火涂料，涂層厚度；
（2）對于膨脹型防火涂料，因涂層厚度與膨脹層厚度和等效熱傳導系數均為非線性關系，也就是說，等效熱傳導系數不是常數。所以不宜用等效熱傳導系數計算涂層厚度，而是根據廠家提供的涂層厚度與等效熱阻的對應關系確定。廠家應提供下表所示的涂層厚度與等效熱阻對應關系，其它厚度的等效熱阻可線性插值。
