高层建筑火灾风险分析

《高层建筑火灾风险分析》文献综述概述近年来，随着我国城市建设的步伐加快，建筑用地日益紧张，使建筑物向高空发展，城市的高层、超高层建筑数量日益增多。截止2011年底，我国高层建筑数量超过162000栋，其中超高层建筑高达1500余栋[1]。与此同时，我国高层建筑火灾也呈不断上升的趋势，而且火灾规模越来越大，危害也越来越严重。据《中国消防年鉴》[2]统计，2002～2006年7年间全国共发生高层建筑火灾1054起，而2007～2009年仅3年全国就发生了2040起，增长了3.5倍。同时由于高层建筑人群高度密集、财产高度集中，其火灾发生给人民群众的生命财产造成了巨大损失。据公安部统计的数据表明，我国城市社区火灾逐年呈明显上升趋势，尤其是高层建筑火灾占相当比例[3]，因此针对高层建筑现有的火灾隐患状况、分析评价其风险，并提出有效对策具有重要的现实意义。高层建筑的定义各国对于高层建筑的起始高度规定不尽相同，主要与本国的经济条件和消防登高设备状况有关。例如：德国的高层建筑为22m以上（至底层室内地板面）的建筑；法国的高层建筑为住宅类建筑高度超过50m，其他建筑超过28m；日本的高层建筑起始高度为31m；比利时的高层建筑起始高度为25m；英国的高层建筑起始高度为24.3m；美国的高层建筑起始高度为22-25m或7层以上[4]。根据我国《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95（2005年版），高层民用建筑是指十层及十层以上的居住建筑（包括首层设置商业服务网点的住宅）以及建筑高度超过24m的公共建筑[5]。高层建筑火灾特点及其风险综述高层建筑火灾特点通过阅读大量的文献以及国内外的一些典型高层建筑火灾案例[6-14]得出，高层建筑火灾的主要特点是蔓延迅速，易形成烟囱效应，极易向上迅速蔓延，导致数个楼层同时燃烧，形成立体火灾，而且热烟毒气危害严重，直接威胁着人们的生命安全。其火灾特点可以概括为以下四个方面。火势蔓延途径多，速度快，危害严重高层建筑火势可通过门、窗、吊顶、走廊等途径横向蔓延，也能通过竖向的孔洞、管道、电缆桥架蔓延。竖向管井、竖向孔洞、共享空间、玻璃幕墙缝隙等常常是高层建筑火势垂直蔓延的主要途径。设计、施工或管理不好时，这些部位易产生烟囱效应；当火势突破外墙窗框时，火势还会向临近建筑物蔓延。实验证明，在火灾燃烧猛烈阶段，烟气扩散速率为0.5～0.8m/s，沿楼梯间等竖向管井的垂直扩散速率为3～4m/s。即一座高度为100密度高层建筑，在25～33s左右，烟气即能顺着垂直通道从底层扩散到顶层。且建筑越高，风速越大。风常常能使通常不具威胁的火源变得非常危险，或使蔓延范围较小的火灾急剧扩大。通常在高处，着火物所需要的氧气供应越加充分，燃烧越猛烈，火势蔓延更为加快，因而更加难以控制和扑灭火灾，往往造成重大损失。安全疏散困难，容易造成群死群伤事故高层建筑的热点：一是层数多，垂直疏散距离长，建筑面积大，使得疏散距离比较远，常常需要比较长的疏散时间。二是人员密集，拥挤影响严重，从而严重影响人员疏散速度。三是火灾发生时烟气和火势竖向蔓延较快，给安全疏散带来困难。高层建筑发生火灾时会产生大量烟雾，这些烟雾不仅浓度大，能见度低，而且流动扩散极快，约在30s烟雾即可传到一栋100m高的建筑物顶部，给人员疏散逃生带来了极大困难。火灾实例分析表明，火灾中由于烟气导致死亡的占死亡人数1/2以上，有的事故中甚至高达70%。空间和功能复杂，起火因素多高层建筑是一个复杂的空间结构，其平面布置和立面体型日趋复杂，不仅平面形状多变，立面体型也各种各样。除整体结构外，大型高层建筑内的通道都比较复杂，偶尔到其中的人常常如入迷宫，迷失方向。这不仅给人员正确疏散带来困扰也使火灾时消防人员铺设水带造成不便。高层建筑层数多，面积大，大多综合性较强，使用功能复杂，往往集餐饮、娱乐、宾馆、商店、办公等于一身。功能复杂多样，使用单位多，人员密集，流动性大，各项管理制度就不容易落到实处，火灾隐患和漏洞就容易出现，起火因素多。消防灭火设施不够完备，扑救困难现有消防车的供水能力和供水器材的耐压强度一般达不到高层建筑的高度，因此，高层建筑的火灾扑救在设计上主要依靠其固定消防灭火设施。但现有固定消防设施无论在研发、设计上，还是在施工、管理方面，都存在一定的缺陷，还无法做到100%的有效。例如由于管理能力和经验不足，常常导致一些高层建筑在发生火灾的关键时刻，固定消防灭火设施无法正常启动。举高消防车和消防直升机是扑救高层建筑火灾的先进装备，但由于受施展空间的限制，其作用也有限。受高度的局限，目前我国最先进的消防登高车高度为101m。受飞行安全和停放场地的局限，消防直升机一般只能救援那些已经逃到直升机停机坪的被困人员，或输送救援人员到该处。高层建筑火灾风险分析通过查阅相关文献及我国的数起重特大高层建筑火灾事故案例分析可知，当前我国高层建筑面临的火灾风险主要表现在以下几个方面：火灾从外墙面突破防火分区、火灾从建筑内部突破防火分区、疏散通道安全可靠性不够。此外，防火分区内部的房屋或功能区域大量使用可燃或易燃的装修材料、家具组件及电器，以及存放大量可燃物品也给高层建筑带来了潜在的火灾隐患。火灾从外墙面突破防火分区外墙保温材料及系统阻止火焰蔓延的能力不足随着外墙保温技术在我国的广泛推广和应用，由外墙保温材料引起的火灾事故时有发生：如2010年11月15日，上海静安区胶州路728弄1号的一栋高85m的住宅楼发生火灾、2009年2月9日，央视新址大楼北配楼发生大火、2007年7月27日，济南奥体中心正在施工的荷花外形的球类体育馆顶部发生火灾等幕墙系统的防火设计存在缺陷若消防安全措施设计不当，幕墙、外墙保温系统以及幕墙与外墙保温系统复合结构的火灾隐患将十分突出。幕墙结构与外墙之间的缝隙，在发生火灾时很容易导致烟囱效应，同时有毒的燃烧烟气通过这些缝隙蔓延，会导致重大的人员伤亡。广告装饰牌的设置缺乏必要的防火规定许多建筑使用方在进行户外广告设置或外墙装饰时，没有从消防安全的角度去考虑广告牌的设置位置、大小、材质等问题。一旦发生火灾，烟火极有可能沿建筑外墙广告牌迅速蔓延。阳台雨棚的防火要求不明确近年来，由于可燃或易燃的雨棚被引燃，并导致建筑物发生立体火灾的案例时有发生。火灾从内部突破防火分区火灾从建筑内部突破防火分区是建筑火灾水平、垂直蔓延的主要途径。在高层建筑火灾事故案例中发现，建筑往往存在防火分区开口处的防火门、防火卷帘的安装使用不正确问题和建筑中各种竖向管井和孔洞未按规范要求严格封堵或者封堵不合理的问题。疏散通道被燃烧烟气封锁尽管我国建筑设计防火规范针对疏散楼梯、避难层（间）和防火门（窗）进行了相关规定，但是从近年来国内高层建筑发生的一系列恶性火灾事故来看，我国高层建筑疏散楼梯、避难层（间）的安全性和防火门（窗）在实际使用过程中的可靠性还存在一些问题。主要表现为：封闭楼梯间、防烟楼梯间及前室所用的防火门不能保持关闭状态；防火门不具备防烟功能。灭火救援能力无法达到相应的高度我国现有消防车的供水能力和供水器材的耐压强度一般达不到高层建筑的高度，且现有固定消防设施无论在研发、设计上，还是在施工、管理方面，都存在一定的缺陷，举高消防车和消防直升机由于受施展空间的限制，其作用也有限。人员密集场所的火灾风险高层建筑层数多，面积大，可燃和易燃材料多，且人员集中，建筑结构复杂，一旦发生火灾，火势会迅速蔓延，而疏散十分困难，对人员的生命财产安全构成严重的威胁。国内外研究现状综述国外研究现状20世纪80年代中期，加拿大国家研究院（NationalResearchCouncilofCanada，NRCC)在渥太华建造了一座10层火灾研究实验塔，用于开展烟气控制系统的全尺寸实验研究，并出版了《烟气控制系统设计》一书，其内容包括烟气控制系统基本概念、计算机分析、楼梯间加压、区域烟气控制以及一些可以接受的测试方法等，为暖通工程师进行防火设计提供了一定的理论依据和技术指导。1992年ASHRAE和SFPE共同出版了《烟气管理系统设计》，从烟气控制到烟气管理，在内容上予以较大的丰富和更新。1994年Satoh等人也对高层建筑内中庭大空间内烟气运动进行了一些小尺寸和全尺寸的烟气研究。1995年Zukoski对绝热竖井内的烟气运动规律进行了较为细致的分析，并结合盐水实验建立了烟气羽流填充的动态模型，把竖井内的烟气分为了三个区域即自由上升羽流区、边渡区和湍流混合区。2000年Tanaka等人利用小尺寸竖井实验台，对竖井结构烟气羽流特性进行了一些实验研究，利用简单的量纲分析仅提出了开放竖井内烟气羽流上升时间的确定因素；2004年Chow对竖井内烟气运动进行了尺度模拟，推算出了相应烟气运动时间经验公式。目前，国外高层建筑防火研究主要研究火灾中烟气运动规律及控制理论。研究方法主要采用理论模拟方法和实验方法。RONALDGREHM等建立了评估世界贸易中心火灾行为的模型。国内研究现状我国关于火灾风险评估的研究相对发达国家起步较晚，但随着近年来与国外相关研究机构的交流，目前已经开展了火灾风险评估方面的研究，并取得了一定的成果。1989年，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的成立标志着我国的火灾基础科学研究迈出了新的一步。1995年，范维澄等运用火灾规律双重性理论，探讨建筑火灾综合模拟评估的理论框架，以影院、会堂类大空间建筑为例，运用一些可调试的模拟方法、统计分析及其模型，给出了在火灾评估具体环节和应用程式上的量化描述。1996年，公安部天津消防研究所开始研究火灾模拟的相关方法。特别是在“九五”期间，公安部天津消防研究所在国外相关程序的基础上，开发了主要针对大型地下商场人员疏散的模型Egress，该模型在考虑人流方面具有突出的特点。2001年，韩新等以性能化建筑设计防火规范为背景，以消防安全工程学的实际发展水平和我国现行建筑设计防火规范为基础，初步建立了建筑火灾危险性评估性能化方法的基本框架，确定了此框架所应具有的基本假定、主要特性、功能和三角形模块结构，系统阐述了相应评估方法的基本内容。2002年，杜红兵等针对高层建筑火灾的安全问题，参考高层民用建筑设计防火规范并征求有关专家意见，建立了高层建筑火灾风险的多级多层次评价因素集，运用层次分析法确定了各评价因素的权重。根据模糊综合评价原理提出了高层建筑火灾风险的模糊综合评价模型，并应用此模型对某高层建筑的火灾风险进行了评价，得到此建筑的火灾安全等级。2003年，王鹏飞等应用模糊数学方法对商场火灾进行了研究，建立了评价商场火灾的模糊评价模型，并讨论了指标体系的建立及量化和权重的处理方法。徐敏等通过对模糊综合评价和人工神经网络评价进行分析比较，表明神经网络采用非线性转换函数的处理方法更符合火灾风险评价的非线性特征。针对神经网络易陷入局部极小而引起评价指标权值分布不合理的缺陷，提出运用遗传算法克服神经网络的缺陷，在此基础上建立了基于遗传算法和神经网络的建筑火灾风险评价模型，研究实例证明了此模型的可行性。目前，基于火灾动力学与小样本统计理论耦合的火灾风险评价方法是未来的发展方向。如何结合动力学理论与统计理论，发展建立在对火灾演化机理和规律认识基础上的事故树分析等危险性统计评价方法，是火灾风险方法学的重要研究课题。高层建筑火灾风险评估方法综述高层建筑火灾风险定性评价方法目前，对高层建筑火灾风险定性评估的方法主要有安全检查表法、事故树分析法、事件树分析法、原因—后果分析法和层次分析法。刘爱华、施式亮等人应用层次分析法确定了高层建筑物火灾危险评价的权重[15]；贾水库、田斌采用层次分析法确定了高层学生公寓的建筑物火灾危险评价的权重[16]；王振等［17］采用区间层次分析法（IAHP）对高层建筑火灾的安全因素进行了定性和定量评估；朱力平等[18]基于对高层建筑火灾风险因素的综合分析，确定了高层建筑火灾风险源因素事故树分析方法，为火灾概率预测方法的研究提供一种新的尝试；郑乐[19]、王旭文[8]均采用了事故树分析的方法对高层建筑火灾风险进行评估分析；龙腾腾[11]等在借鉴了事故致因理论的基础上，对高层建筑火灾风险进行了全面的分析。高层建筑火灾风险定量评价方法国外关于建筑火灾风险评价的方法主要有：美国的建筑防火评估方法(TheBuildingFireSafetyEvaluationMethod，BFSEM)[20]，评估特定场所内使用产品火灾风险的FRAMEworks方法；澳大利亚的风险评估模型(CESARE-RISK模型)[21]；英国的用来评估住宅人员生命安全的CrispII[22]；日本的建筑物综合防火安全设计方法;加拿大的FIRECAM方法[23]等。国内关于建筑火灾风险评价的方法主要有：模糊综合评估法[15][24-25]、灰色模糊综合评估[26]、多级物元分析法[27]、灰色关联分析法[28-29]、云模型评价法[30-31]、性能化设计评估[32]等。本文的研究内容及方法研究技术路线图高层建筑火灾风险评估方法综述结高层建筑火灾风险评估方法综述结论高层建筑火灾防控的具体对策措施及建议高层建筑火灾风险定性分析高层建筑火灾风险定量分析文献综述撰写论文国外建筑火灾风险分析研究现状国内建筑火灾风险分析研究现状高层建筑火灾特点及风险综述高层建筑火灾风险分析研究目标：通过理论分析及火灾评估方法对高层建筑火灾风进行分析研究资料收集著作期刊网络检索高层建筑火灾事故案例及评价方法研究与高层建筑火灾风险研究相关的前人研究的成果有关高层建筑火灾防控等书籍标准及年鉴高层建筑防火设计的标准及中国消防年鉴图1研究技术路线图主要研究内容本文在前人研究的基础上，运用安全系统工程、建筑防火、人机工程学等安全工程的相关专业知识，统计归类高层建筑火灾的特点及各种风险,得出引发高层建筑火灾的主要原因和起火的重点部位。采用事故树分析方法,应用安全系统工程理论,判断特定事故,对顶上事件进行演绎分析,层层剖析其发生的基本原因和典型故障,预测引发高层建筑重大或特大火灾事故的可能事件。采用定性和定量分析相结合的方法,对高层建筑火灾风险进行评估分析,并对易失控的初始事件进行量化,得出预防高层建筑火灾基本事件结构的重要度顺序。结合上述事故树分析法辨识出的火灾风险，运用事故致因理论和相关的安全分析方法寻找出各指标之间的层次关系,从而建立一套完整、科学的指标体系，确定各指标权重，最终运用云模型对高层建筑火灾风险进行进一步的定量分析。最终，从安全技术和安全管理两个方面绘制高层建筑火灾防控措施框图,提出有针对性的应对措施和建议,为降低建筑火灾发生率，提高建筑防火能力，减少经济损失和人员伤亡，提供技术思路和理论依据。主要研究方法规范分析与实证分析相结合，以实证分析为主。事故树分析法、指标体系的建立与层次分析法，云模型的应用。创新点及局限性创新点本文的分析方法对高层建筑火灾风险进行了双重评价分析，首先是通过事故树分析法对风险进行了首次定性、定量分析，在此系统分析的基础上建立了高层建筑火灾风险评价指标体系，从而保证了指标体系的准确及有效性。然后进一步运用云模型再次对高层建筑火灾风险进行定量分析。局限性高层建筑结构越来越复杂，评估指标之间的耦合性越来越大,因此,还需进一步研究高层建筑物火灾风险评估指标体系和各评价指标的标准值。小结本文通过对高层建筑火灾进行风险分析,并绘制了事故树,进行了相关的计算分析,并应用云理论来解决高层建筑火灾风险评估的定量分析，提出了合理的高层建筑火灾的控制措施,得出结论如下:高层建筑火灾事故影响因素涉及到人、物、环境、技术和管理等诸多因素,通过对多起高层建筑火灾事故进行研究、分析、归纳和总结出高层建筑发生火灾的诱发因素。高层建筑因高度、跨距、空间大等特点,在火灾事故发生时依靠外部力量实施灭火抢险难度极大。通过火灾事故原因及事故树分析,选定易失控的初始事件进行量化[12],为研究高层建筑火灾事故风险提供参考。针对高层建筑火灾发生的因素,提出科学、客观、有针对性安全对策措施,为有效的预防和控制高层建筑火灾提供决策的依据。参考文献[1]卢国建.高层建筑及大型地下空间火灾防控技术[M].北京:国防工业出版社,2014:1-3.[2]公安部消防局.中国消防年鉴[M].香港:国际文化出版社,2012.[3]陈炳龙.高层建筑大厦防火安全浅析[J].安全管理,2005(2):30-31.[4]司戈.美国高层建筑火灾[J].消防技术与产品信息,2011(1):79-80.[5]GB.2005.GB50045-95.高层民用建筑设计防火规范[S].北京:中华人民共和国公安部,2005.[6]倪明.超高层民用建筑火灾危险性分析和火灾防范[J].消防技术与产品信息,2014(8):28-30.[7]王剑文,曹刚.当前我国高层建筑消防安全管理现状及对策研究[J].中国应急救援,2013(5):18-20.[8]王旭文.对高层建筑火灾风险的分析及对策研究[J].中国新技术新产品,2012(4):164.[9]肖冰.高层建筑典型功能区火灾风险分析与人员逃生研究[D].广州:华南理工大学,2010:4-5.[10]陈景来.高层建筑火灾成因及预防对策分析[J].低温建筑技术,2014(2):149-150[11]龙腾腾,王辉东,王秋华,张辉.高层建筑火灾事故致因理论模型构建及研究[J].中国安全生产科学技术,2011,7(5):16-17.[12]孙建东.关于高层建筑火灾事故的防控措施探析[J].科技创新导报,2015(1):232-233.[13]高汉卿.浅谈高层建筑存在火灾危险性[J].江西化工,2014(1):224-225[14]鲁磊,洪克宽,杨庆军,邹媛.高层建筑火灾特性与防控对策研究[J].火灾科学,2010(2):92-94.[15]刘爱华,施式亮,吴超.基于模糊模式识别的模糊综合评价[J].中国安全科学学报,2005,15(11):7-8.[16]贾水库,田斌.层次分析法在高层学生公寓火灾危险性评价中的应用[M].北京:科学出版社,2009.[17]王振,刘茂.应用区间层次分析法(IAHP)研究高层建筑火灾安全因素[J].安全与环境学报,2006,6(1):12-15.[18]朱力平,杨政,张姣.高层建筑火灾概率预测FTA分析方法的研究[J].消防科学技术,2007,26(5):469-471.[19]郑乐.高层建筑火灾风险分析及对策研究[J].中国安全科学学报,2009,19(10):73-76.[20]FitzgeraldRobertW.Buildingfiresafetyengineeringmethod,WorcesterPolytechnicInstitute,Worcester,Massachusetts,USA:1993.[21]Beck,VR,CESARE-RISK:Atoolforperformance-basedfireengineeringdesign.Proceedingsofthe2ndInternationalConferenceonPerformance-basedCodesandFireSafetyDesignMethods,Maul,Hawaii,May3-9,1998.[22]Fraser-Mitchell,J.N.(1994).Anobject-orientedsimulation(CRISPII)forfireriskassessment.Proceedingsofthe4thInternationalSymposiumonFireSafetyScience.InternationalAssociationonFireSafetyScience,793-804.[23]Yung,D,Hadjisophocleous,G.V,Proulx,G.andKyle,B.R.Cost-effectivefire-safetyup