建筑火災(zāi)蔓延的機(jī)理與途徑

建筑火災(zāi)蔓延的機(jī)理與途徑

通常情況下，火災(zāi)都有一個(gè)由小到大、由發(fā)展到熄滅的過(guò)程，其發(fā)生、發(fā)展直至熄滅的過(guò)程在不同的環(huán)境下會(huì)呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。本節(jié)主要介紹建筑火災(zāi)蔓延的傳熱基礎(chǔ)、煙氣蔓延及火災(zāi)發(fā)展的幾個(gè)階段。

一、建筑火災(zāi)蔓延的傳熱基礎(chǔ)

熱量傳遞有3三種基本方式，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。建筑火災(zāi)中，燃燒物質(zhì)所放出的熱能通常是以上述三種方式來(lái)傳播，并影響火勢(shì)蔓延擴(kuò)大的。熱傳播的形式與起火點(diǎn)、建筑材料、物質(zhì)的燃燒性能和可燃物的數(shù)量等因素有關(guān)。

（一）熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱，屬于接觸傳熱，是連續(xù)介質(zhì)就地傳遞熱量而又沒(méi)有各部分之間相對(duì)的宏觀位移的一種傳熱方式。從微觀角度講，之所以發(fā)生導(dǎo)熱現(xiàn)象，是由于微觀粒子(分子、原子或它們的組成部分)的碰撞、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)等熱運(yùn)動(dòng)而引起能量從高溫部分傳向低溫部分。/在固體內(nèi)部，只能依靠導(dǎo)熱的方式傳熱;在流體中，盡管也有導(dǎo)熱現(xiàn)象發(fā)生，但通常被對(duì)流運(yùn)動(dòng)所掩蓋。不同物質(zhì)的導(dǎo)熱能力各異，通常用熱導(dǎo)率，即用單位溫度的梯度時(shí)的熱通量來(lái)表示物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。同種物質(zhì)的熱導(dǎo)率也會(huì)因材料的結(jié)構(gòu)、密度、溫度、溫度等因素的變化而變化。常用材料的熱導(dǎo)率見(jiàn)表1-2-1。

對(duì)于起火的場(chǎng)所，熱導(dǎo)率大的物體，由于能受到高溫作用迅速加熱，又會(huì)很快地把熱能傳導(dǎo)出去，在這種情況下就可能引起起沒(méi)有直接受到火焰作用的可燃物質(zhì)發(fā)生燃燒，利于火勢(shì)傳播和蔓延。

（二）熱對(duì)流

熱對(duì)流又稱對(duì)流，是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混引起熱量傳遞的方式。熱對(duì)流中熱量的傳遞與流體流動(dòng)有密切的關(guān)系。當(dāng)然，由于流體中存在溫度差，所以也必然存在導(dǎo)熱現(xiàn)象，但導(dǎo)熱在整個(gè)傳熱中處于次要地位。工程上，常把具有相對(duì)位移的流體與所接觸的固體表面之間的熱傳遞過(guò)程稱為對(duì)流換熱。

建筑發(fā)生火災(zāi)過(guò)程中，一般來(lái)說(shuō)，通風(fēng)孔面積越大。熱對(duì)流的速度越快；通風(fēng)孔洞所處位置越高，對(duì)流速度越快。熱對(duì)流對(duì)初期火災(zāi)發(fā)展起重要作用。

（三）熱輻射

輻射是物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式。熱輻射是因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象。輻射換熱是物體間以輻射的方式進(jìn)行的熱量傳遞。與導(dǎo)熱和對(duì)流不同的是，熱輻射在傳遞能量時(shí)不需要互相接觸即可進(jìn)行，所以它是一種非接觸傳遞能量的方式，即使空間是高度稀薄的太空，熱輻射也能照常進(jìn)行。最典型的例子是太陽(yáng)向地球表面?zhèn)鬟f熱量的過(guò)程。部的開口流出來(lái)，也可進(jìn)入建筑物上部與豎井相連的樓層;若中性面以上的樓層起火，當(dāng)火勢(shì)較弱時(shí)，由煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的空氣流動(dòng)可限制煙氣流進(jìn)豎井，如果著火層的燃燒強(qiáng)烈，熱煙氣的浮力足以克服豎井內(nèi)的煙囪效應(yīng)，仍可進(jìn)入豎井而繼續(xù)向上蔓延。因此，對(duì)高層建筑中的樓梯間、電梯井、管渲井、天井、電纜井、排氣道、中庭等堅(jiān)向孔道，如果防火處理不當(dāng)，就形同一座高聳的煙囪，強(qiáng)大的抽拔力將使火沿著豎向孔道迅速蔓延。

3.外界風(fēng)的作用

風(fēng)的存在可在建筑物的周圍產(chǎn)生壓力分布，而這種壓力分布能夠影響建筑物內(nèi)的煙氣流動(dòng)。建筑物外部的壓力分布受到多種因素的影響，其中包括風(fēng)的速度和方向、建筑物的高度和幾何形狀等。風(fēng)的影響往往可以超過(guò)其他驅(qū)動(dòng)煙氣運(yùn)動(dòng)的力(自然和人工)。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)朝著建筑物吹過(guò)來(lái)會(huì)在建筑物的迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生較高滯止壓力，這可增強(qiáng)建筑物內(nèi)的煙氣向下風(fēng)方向的流動(dòng)。

(三)煙氣蔓延的途徑

火災(zāi)時(shí)，建筑內(nèi)煙氣呈水平流動(dòng)和垂直流動(dòng)。蔓延的途徑主要有:內(nèi)墻門、洞口，外墻門、窗口，房間隔墻，空心結(jié)構(gòu)，悶頂，樓梯間，各種堅(jiān)井管道，樓板上的孔洞及穿越樓板、墻壁的管線和縫隙等。對(duì)主體為耐火結(jié)構(gòu)的建筑來(lái)說(shuō)，造成蔓延的主要原因有:未設(shè)有效的防火分區(qū)，火災(zāi)在未受限制的條件下蔓延;洞口處的分隔處理不完善，火災(zāi)穿越防火分隔區(qū)域蔓延;防火隔墻和房間隔墻未砌至頂板，火災(zāi)在吊頂內(nèi)部空間蔓延;采用可燃構(gòu)件與裝飾物，火災(zāi)通過(guò)可燃的隔墻、吊頂、地毯等蔓延。

1.孔洞開口蔓延

在建筑內(nèi)部，火災(zāi)可以通過(guò)一些開口來(lái)實(shí)現(xiàn)水平蔓延，如可燃的木質(zhì)戶門、無(wú)水幕保護(hù)的普通卷簾、未用不燃材料封堵的管道穿孔處等。此外，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，一些防火設(shè)施未能正常啟動(dòng)，如防火卷簾因卷簾箱開口、導(dǎo)軌等受熱變形，或因卷簾下方堆放物品，或因無(wú)人操作于動(dòng)啟動(dòng)裝置等導(dǎo)致無(wú)法正常放下，同樣造成火災(zāi)蔓延。

2.穿越墻壁的管線和縫隙蔓延

室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，室內(nèi)上半部處于較高壓力狀態(tài)下，該部位穿越墻壁的管線和縫隙很容易把火焰、高溫?zé)煔鈧鞑コ鋈ィ斐陕印４送?，穿過(guò)房間的金屬管線在火災(zāi)高溫作用下，往往會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)方式將熱量傳到相鄰房間或區(qū)域一側(cè)，使與管線接觸的可燃物起火。

3.悶頂內(nèi)蔓延

由于煙火是向上升騰的，因此頂棚上的入孔、通風(fēng)口等都是煙火進(jìn)入的通道。悶頂內(nèi)往往沒(méi)有防火分隔墻，空間大，很容易造成火災(zāi)水平蔓延，并通過(guò)內(nèi)部孔洞再向四周的房間蔓延。

4.外墻面蔓延

在外墻面，高溫?zé)釤煔饬鲿?huì)促使火焰竄出窗口向上層蔓延。一方面，由于火焰與外墻面之間的空氣受熱逃逸形成負(fù)壓，周圍冷空氣的壓力致使煙火貼墻面而上，使火蔓延到上一層；另一方面，由于火焰貼附外墻面向上蔓延，致使熱量透過(guò)墻體引燃起火層上面一層房間內(nèi)的可燃物。建筑物外墻窗口的形狀、大小對(duì)火勢(shì)蔓延有很大影響。

三、建筑火災(zāi)發(fā)展的幾個(gè)階段

對(duì)于建筑火災(zāi)而言，最初發(fā)生在室內(nèi)的某個(gè)房間或某個(gè)部位，然后由此蔓延到相鄰的房間或區(qū)域，以及整個(gè)樓層，最后蔓延到整個(gè)建筑物。其發(fā)展過(guò)程大致可分為初期增長(zhǎng)階段、充分發(fā)展階段和衰減階段。圖1-2-2為建筑室內(nèi)火災(zāi)溫度-時(shí)間曲線。

（一）初期增長(zhǎng)階段

初期增長(zhǎng)階段從出現(xiàn)明火起，此階段燃燒面積較小，只局限于著火點(diǎn)處的可燃物燃燒，局部溫度較高，室內(nèi)各點(diǎn)的溫度不平衡，其燃燒狀況與敞開環(huán)境中的燃燒狀況差不多。由于可燃物性能、分布和通風(fēng)、散熱等條件的影響，燃燒的發(fā)展大多比較緩慢，有可能形成火災(zāi)，也有可能中途自行熄滅(見(jiàn)圖1-2-2中虛線)，燃燒發(fā)展不穩(wěn)定。火災(zāi)初期增長(zhǎng)階段持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短不定。

（二）充分發(fā)展階段

在建筑室內(nèi)火災(zāi)持續(xù)燃燒一定時(shí)間后，燃燒范圍不斷擴(kuò)大，溫度升高，室內(nèi)的可燃物在高溫的作用下，不斷分解釋放出可燃?xì)怏w，當(dāng)房間內(nèi)溫度達(dá)到400～600℃時(shí)，室內(nèi)絕大部分可燃物起火燃燒，這種在限定空間內(nèi)可燃物的表面全部卷入燃燒的瞬變狀態(tài)，稱為轟燃。轟燃的出現(xiàn)是燃燒釋放的熱量在室內(nèi)逐漸累積與對(duì)外散熱共同作用、燃燒速率急劇增大的結(jié)果。通常，轟然的發(fā)生標(biāo)志著室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)入全面發(fā)展階段。

轟燃發(fā)生后，室內(nèi)可燃物出現(xiàn)全面燃燒，可燃物熱釋放速率很大，室溫急劇上升，并出現(xiàn)持續(xù)高溫，溫度可達(dá)800～1000℃。之后，火焰和高溫?zé)煔庠诨痫L(fēng)壓的作用下，會(huì)從房間的門窗、孔洞等處大量涌出，沿走廊、吊頂迅速向水平方向蔓延擴(kuò)散。同時(shí)，由于煙囪效應(yīng)的作用，火勢(shì)會(huì)通過(guò)豎向管井、共享空間等向上蔓延。轟然的發(fā)生標(biāo)志了房間火勢(shì)的失控。同時(shí)，產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)建筑物的襯里材料及結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響。但不是每個(gè)火場(chǎng)都會(huì)出現(xiàn)轟燃，大空間建筑、比較潮濕的場(chǎng)所就不易發(fā)生。

（三）衰減階段

在火災(zāi)全面發(fā)展階段的后期，隨著室內(nèi)可燃物數(shù)量的減少，火災(zāi)燃燒速度減慢，燃燒強(qiáng)度減弱，溫度逐漸下降，一般認(rèn)為火災(zāi)衰退階段是從室內(nèi)平均溫度一降到其峰值的80%時(shí)算起，隨后房間內(nèi)溫度下降顯著，直到室內(nèi)外溫度達(dá)到平衡為止，火災(zāi)完全熄滅。

上述后兩個(gè)階段是通風(fēng)良好情況下室內(nèi)火災(zāi)