高層建筑火災(zāi)蔓延關(guān)鍵要素分析

摘要：文章依托高層建筑火災(zāi)蔓延基本理論，將高層建筑火災(zāi)蔓延的條件、影響因素和后果作為蔓延關(guān)鍵要素，從火源、蔓延介質(zhì)、蔓延通道等方面確定了高層建筑火災(zāi)蔓延的條件，定性分析了建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)消防系統(tǒng)和滅火力量因素對火災(zāi)蔓延造成的影響，以期為高層建筑火災(zāi)防控工作提供有益的參考。關(guān)鍵詞：火災(zāi)；高層建筑；火災(zāi)蔓延隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，高層建筑體量不斷變大，數(shù)量快速增加，高層建筑因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和火災(zāi)蔓延規(guī)律的特殊性，給火災(zāi)防控工作帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。如何利用高層建筑火災(zāi)蔓延的特點和規(guī)律指導(dǎo)工作實踐，是當(dāng)前亟須解決的重要問題。文章通過對高層建筑火災(zāi)蔓延關(guān)鍵要素進行分析，力求為高層建筑火災(zāi)防控工作提供一定的指導(dǎo)和幫助。一、高層建筑火災(zāi)蔓延基本理論（一）高層建筑火災(zāi)煙氣蔓延理論在高層建筑火災(zāi)中，受到建筑結(jié)構(gòu)的影響，火災(zāi)煙氣流動具有以下幾種基本形態(tài)[1]：1.串聯(lián)流動串聯(lián)流動指高層建筑火災(zāi)中，在一定壓力條件下，火災(zāi)煙氣順序通過一個出口流動，蔓延過程中，煙氣蔓延路徑集中，不易擴散。如圖1所示。2.并聯(lián)流動并聯(lián)流動指高層建筑火災(zāi)中，在一定壓力條件下，火災(zāi)煙氣通過幾個出口同時流動。如圖2所示。3.混聯(lián)流動混聯(lián)流動是結(jié)合并聯(lián)與串聯(lián)流動的一種流動形式。高層建筑火災(zāi)煙氣流動的驅(qū)動力主要包括室內(nèi)外溫差引起的煙囪效應(yīng)、氣體浮力和膨脹力、通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機的循環(huán)抽吸等，其中煙囪效應(yīng)是高層建筑中火災(zāi)煙氣流動的主要因素。（二）高層建筑火災(zāi)熱量傳遞理論高層建筑火災(zāi)中主要包括導(dǎo)熱、對流傳熱和熱輻射三種熱量傳遞方式。導(dǎo)熱主要是與固體相關(guān)的一種傳熱現(xiàn)象，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，熱量在固體內(nèi)部從高溫區(qū)向低溫區(qū)的流動可以通過公式1表達[2]。（1）式中：K為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位是W/（m·K）。導(dǎo)熱問題可被劃分為穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)問題，例如著火、室內(nèi)火災(zāi)蔓延、建筑物對不同發(fā)展階段火災(zāi)的響應(yīng)問題等，均為非穩(wěn)態(tài)問題。對流傳熱主要通過流通介質(zhì)進行熱量傳遞。對于高層建筑火災(zāi)，對流傳熱在整個火災(zāi)過程中都存在，不存在強迫對流的情況下，氣體運動是由溫度差引起的密度差驅(qū)動產(chǎn)生的，氣體運動是由浮力控制，在強迫對流的情況下，氣體運動是由浮力和壓力差造成的，主要受到溫度差控制。輻射傳熱在火勢發(fā)展和傳播中具有重要作用，特別是在大型火災(zāi)中，熱輻射是火災(zāi)中主要傳熱方式，決定著火災(zāi)的蔓延和發(fā)展。根據(jù)Stefan-Boltzmann方程[3]：（2）式中：表示Stefan-Boltzmann常數(shù)，為5.667×10-8W/（m2·K）；T表示絕對溫度；ε表示輻射率，表征輻射物體表面性質(zhì)。由公式可見，輻射傳熱大小與輻射物體表面性質(zhì)和溫度有關(guān)。此外，輻射傳熱的大小還與物體的相互位置有關(guān)，輻射強度隨距離的平方呈反比例下降。在探討高層建筑火災(zāi)時，當(dāng)火源無法被假設(shè)為點源時，火源對熱輻射的貢獻不再符合輻射強度隨距離的平方而下降的規(guī)律，而與火源與被輻射表面的角系數(shù)有關(guān)[3]。（三）高層建筑室內(nèi)火災(zāi)蔓延理論高層建筑室內(nèi)火災(zāi)指發(fā)生在建筑內(nèi)能夠控制基本空氣供給和熱環(huán)境的受限空間內(nèi)的火災(zāi)，包括簡單幾何結(jié)構(gòu)的房間、封閉的樓梯間、封閉電梯前室等。通過分析室內(nèi)火災(zāi)質(zhì)量和能量關(guān)系，提出了用以描述火災(zāi)過程的方程組，稱之為“區(qū)域模型”，具體表述如下[4]：1.質(zhì)量守恒[室內(nèi)質(zhì)量變化速率]+[流出室內(nèi)質(zhì)量流量總和]-[流入控制體的質(zhì)量流量總和]=02.能量守恒[室內(nèi)混合物變化速率]+[室內(nèi)熱量和焓的輸運速率]=[室內(nèi)凈吸熱速率]+[化學(xué)能釋放速率]-[室內(nèi)流體做功]-[可燃物質(zhì)移動做功]以上守恒關(guān)系的提出，為分析研究室內(nèi)火災(zāi)蔓延特點奠定了基本理論依據(jù)。二、高層建筑火災(zāi)蔓延條件（一）火源條件火源是火災(zāi)蔓延的起點，為初期階段火災(zāi)的蔓延提供著足夠的輻射功率和基本的燃料保證，是高層建筑火災(zāi)得以蔓延的基本條件，火源條件主要包括火源燃燒條件和火源環(huán)境條件兩部分?；鹪慈紵龡l件是指支撐火源穩(wěn)定存在的基本物質(zhì)條件，表現(xiàn)為可燃物質(zhì)的著火方式與燃燒特點?？扇嘉锏闹鹬饕凶匀己忘c燃兩種。由于高層建筑中高溫?zé)嵩捶植紡V泛，可燃物多是被點燃而起火的。當(dāng)火源為氣態(tài)或者高分子有機物時，燃燒釋放的熱量較高，會加速火勢的蔓延?；鹪喘h(huán)境條件主要包括火源周圍可燃物分布情況及通風(fēng)情況?；鹪粗車扇嘉锓植驾^多，火源會通過熱輻射不斷引燃可燃物，由點源發(fā)展為面源，使火勢迅速蔓延；當(dāng)火源周圍可燃物較少時，則火源可能維持較低程度的燃燒，或者因反應(yīng)物質(zhì)匱乏而熄滅。當(dāng)火源附近通風(fēng)狀況良好且助燃物充足時，火源會進一步發(fā)展，而通風(fēng)情況較差時，由于助燃物缺乏，會限制火源發(fā)展，直至火源熄滅。（二）蔓延介質(zhì)條件火源附近蔓延介質(zhì)的分布情況是影響火源發(fā)展的重要條件。根據(jù)建筑使用功能的不同，對于賓館飯店類高層建筑，蔓延介質(zhì)主要包括沙發(fā)、床墊、桌椅家具等家居用品，地毯、擺件等環(huán)境美化擺設(shè)，壁紙、吊頂、膠合板等可燃物裝修材料，液化氣、天然氣等氣體燃料；對于商場類高層建筑，主要包括衣物、服裝等商品，室內(nèi)可燃裝修材料等；對于辦公類高層建筑，主要包括各類辦公用品；對于住宅類高層建筑，主要包括日常生活用品和家居裝飾物品。建筑外部而言，主要包括高層建筑外保溫材料以及外墻廣告印刷材料等。室溫下常見材料的熱參數(shù)如表1所示：（三）蔓延通道條件高層建筑中允許火災(zāi)蔓延的建筑結(jié)構(gòu)和部位都可被稱為火災(zāi)蔓延的通道。蔓延通道是火災(zāi)煙氣流動和火焰?zhèn)鞑サ闹饕窂?。高層建筑中的走廊等水平蔓延通道在與火災(zāi)煙氣進行較為充分的熱交換后，主要通過湍流對流效應(yīng)促進煙氣的擴散，電梯井、豎井等豎直蔓延通道在煙囪效應(yīng)和熱煙氣的浮力作用下，加速火災(zāi)煙氣的擴散和蔓延。蔓延通道應(yīng)具有一定封閉性，長度應(yīng)能保證煙氣輻射熱量的穩(wěn)定，對于較長的蔓延通道，一方面，部分煙氣顆粒在流動中沉降，煙氣輻射熱量下降，另一方面，高溫?zé)煔馀c常溫空氣熱對流程度加大，使煙氣溫度下降，輻射熱量無法達到可燃物最小點火能，火焰不易蔓延。從火焰?zhèn)鞑ヌ攸c分析，蔓延通道中要有能夠維持火焰燃燒的足夠數(shù)量可燃物質(zhì)，且蔓延介質(zhì)之間應(yīng)保持連續(xù)性，以滿足火焰延燒條件。[6]綜上，只有當(dāng)高層建筑相關(guān)部位達到上述火災(zāi)蔓延基本條件，火災(zāi)才可進行蔓延和傳播。三、高層建筑火災(zāi)蔓延的影響因素（一）建筑結(jié)構(gòu)高層建筑中連廊、回廊、通廊式結(jié)構(gòu)和中庭式結(jié)構(gòu)對火災(zāi)的蔓延有很大的影響。對于連廊式結(jié)構(gòu)，火災(zāi)會通過連廊向未起火建筑蔓延，擴大火勢；對于通廊式結(jié)構(gòu)，火勢通過走廊向樓梯間、電梯井等蔓延通道進行蔓延，在蔓延過程中高溫火災(zāi)煙氣和火焰熱輻射，會引燃走廊內(nèi)可燃物，造成火勢的擴大；對于封閉回廊式結(jié)構(gòu)，火災(zāi)的蔓延過程與通廊式結(jié)構(gòu)類似，當(dāng)火勢蔓延至整個回廊時，受到熱煙氣的疊加作用，會導(dǎo)致火勢的進一步加大，火災(zāi)燃燒更加猛烈，對于半封閉回廊結(jié)構(gòu)，火災(zāi)蔓延過程中會不斷卷吸外界空氣，蔓延速度稍弱；對于中庭式結(jié)構(gòu)，在中性面以下，火焰受到明顯的“拔吸”作用，向上蔓延時引燃中庭兩側(cè)可燃物，產(chǎn)生新的火點，引起其他樓層火災(zāi)的蔓延，煙氣在中性面以上進行蔓延。高層建筑的主要建筑材料是鋼材與混凝土，其他材料包括木材、黏土磚、石膏板、膠合板、水泥刨花板、砂漿抹灰層、普通平板玻璃等材料。除木材外，其余幾類材料都屬于不燃或難燃材料，不會參與火災(zāi)的蔓延。但是，鋼材耐火極限較低，混凝土材料在600℃左右，其抗拉強度基本為零，抗壓強度為常溫下的45%左右，普通平板玻璃由于門窗邊框的限制，在250℃左右碎裂，水泥刨花板在270℃左右發(fā)生碳化。這些材料在火災(zāi)條件下會發(fā)生不同程度的損壞，導(dǎo)致建筑局部發(fā)生形變或者部分建筑構(gòu)件功能喪失，產(chǎn)生新的火災(zāi)蔓延通道。此外，部分可燃或易燃建筑材料會直接參與火災(zāi)燃燒，加劇火勢的蔓延。（二）建筑消防系統(tǒng)高層建筑室內(nèi)消防設(shè)施對火災(zāi)蔓延的具體影響體現(xiàn)在以下三點：1.及時發(fā)現(xiàn)火勢，明確火災(zāi)部位通過高層建筑內(nèi)設(shè)置的火災(zāi)探測系統(tǒng)，能夠在火災(zāi)初期階段發(fā)現(xiàn)火勢，確定火災(zāi)部位，便于人員及時到場對火勢進行控制，將火災(zāi)消滅在萌芽階段，也便于消防人員根據(jù)火災(zāi)部位，確定著火區(qū)域，采取合理的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法對火勢進行撲救，避免火勢的擴大。2.及時響應(yīng)，啟動滅火設(shè)備在發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后，滅火系統(tǒng)能夠及時啟動相應(yīng)區(qū)域自動滅火設(shè)施，對火勢進行控制，防止火勢的蔓延。3.保障滅火救援行動順利展開高層建筑室內(nèi)滅火設(shè)施為滅火行動的開展提供了有力保障，一定程度上限制了火勢的蔓延。（三）滅火力量火災(zāi)初期階段，在消防力量未到場的情況下，高層建筑內(nèi)人員通過采取有效的措施，能夠減弱乃至消除火災(zāi)蔓延的危險。例如，利用簡易滅火器材對室內(nèi)火災(zāi)進行撲救，能夠?qū)⒒饎菹拗圃谑覂?nèi)，避免發(fā)生大面積的蔓延。消防力量到場后，根據(jù)火災(zāi)發(fā)展情況，在火場偵查的基礎(chǔ)上，確定起火具體部位和火災(zāi)蔓延區(qū)域，對起火部位進行撲救，對蔓延區(qū)域和蔓延通道進行