高层建筑火灾蔓延关键要素分析

摘要：文章依托高层建筑火灾蔓延基本理论，将高层建筑火灾蔓延的条件、影响因素和后果作为蔓延关键要素，从火源、蔓延介质、蔓延通道等方面确定了高层建筑火灾蔓延的条件，定性分析了建筑结构、室内消防系统和灭火力量因素对火灾蔓延造成的影响，以期为高层建筑火灾防控工作提供有益的参考。关键词：火灾；高层建筑；火灾蔓延随着社会经济的飞速发展，高层建筑体量不断变大，数量快速增加，高层建筑因其结构的复杂性和火灾蔓延规律的特殊性，给火灾防控工作带来了严峻的挑战。如何利用高层建筑火灾蔓延的特点和规律指导工作实践，是当前亟须解决的重要问题。文章通过对高层建筑火灾蔓延关键要素进行分析，力求为高层建筑火灾防控工作提供一定的指导和帮助。一、高层建筑火灾蔓延基本理论（一）高层建筑火灾烟气蔓延理论在高层建筑火灾中，受到建筑结构的影响，火灾烟气流动具有以下几种基本形态[1]：1.串联流动串联流动指高层建筑火灾中，在一定压力条件下，火灾烟气顺序通过一个出口流动，蔓延过程中，烟气蔓延路径集中，不易扩散。如图1所示。2.并联流动并联流动指高层建筑火灾中，在一定压力条件下，火灾烟气通过几个出口同时流动。如图2所示。3.混联流动混联流动是结合并联与串联流动的一种流动形式。高层建筑火灾烟气流动的驱动力主要包括室内外温差引起的烟囱效应、气体浮力和膨胀力、通风系统风机的循环抽吸等，其中烟囱效应是高层建筑中火灾烟气流动的主要因素。（二）高层建筑火灾热量传递理论高层建筑火灾中主要包括导热、对流传热和热辐射三种热量传递方式。导热主要是与固体相关的一种传热现象，根据傅里叶导热定律，热量在固体内部从高温区向低温区的流动可以通过公式1表达[2]。（1）式中：K为材料的导热系数，单位是W/（m·K）。导热问题可被划分为稳态与非稳态问题，例如着火、室内火灾蔓延、建筑物对不同发展阶段火灾的响应问题等，均为非稳态问题。对流传热主要通过流通介质进行热量传递。对于高层建筑火灾，对流传热在整个火灾过程中都存在，不存在强迫对流的情况下，气体运动是由温度差引起的密度差驱动产生的，气体运动是由浮力控制，在强迫对流的情况下，气体运动是由浮力和压力差造成的，主要受到温度差控制。辐射传热在火势发展和传播中具有重要作用，特别是在大型火灾中，热辐射是火灾中主要传热方式，决定着火灾的蔓延和发展。根据Stefan-Boltzmann方程[3]：（2）式中：表示Stefan-Boltzmann常数，为5.667×10-8W/（m2·K）；T表示絕对温度；ε表示辐射率，表征辐射物体表面性质。由公式可见，辐射传热大小与辐射物体表面性质和温度有关。此外，辐射传热的大小还与物体的相互位置有关，辐射强度随距离的平方呈反比例下降。在探讨高层建筑火灾时，当火源无法被假设为点源时，火源对热辐射的贡献不再符合辐射强度随距离的平方而下降的规律，而与火源与被辐射表面的角系数有关[3]。（三）高层建筑室内火灾蔓延理论高层建筑室内火灾指发生在建筑内能够控制基本空气供给和热环境的受限空间内的火灾，包括简单几何结构的房间、封闭的楼梯间、封闭电梯前室等。通过分析室内火灾质量和能量关系，提出了用以描述火灾过程的方程组，称之为“区域模型”，具体表述如下[4]：1.质量守恒[室内质量变化速率]+[流出室内质量流量总和]-[流入控制体的质量流量总和]=02.能量守恒[室内混合物变化速率]+[室内热量和焓的输运速率]=[室内净吸热速率]+[化学能释放速率]-[室内流体做功]-[可燃物质移动做功]以上守恒关系的提出，为分析研究室内火灾蔓延特点奠定了基本理论依据。二、高层建筑火灾蔓延条件（一）火源条件火源是火灾蔓延的起点，为初期阶段火灾的蔓延提供着足够的辐射功率和基本的燃料保证，是高层建筑火灾得以蔓延的基本条件，火源条件主要包括火源燃烧条件和火源环境条件两部分。火源燃烧条件是指支撑火源稳定存在的基本物质条件，表现为可燃物质的着火方式与燃烧特点。可燃物的着火主要有自燃和点燃两种。由于高层建筑中高温热源分布广泛，可燃物多是被点燃而起火的。当火源为气态或者高分子有机物时，燃烧释放的热量较高，会加速火势的蔓延。火源环境条件主要包括火源周围可燃物分布情况及通风情况。火源周围可燃物分布较多，火源会通过热辐射不断引燃可燃物，由点源发展为面源，使火势迅速蔓延；当火源周围可燃物较少时，则火源可能维持较低程度的燃烧，或者因反应物质匮乏而熄灭。当火源附近通风状况良好且助燃物充足时，火源会进一步发展，而通风情况较差时，由于助燃物缺乏，会限制火源发展，直至火源熄灭。（二）蔓延介质条件火源附近蔓延介质的分布情况是影响火源发展的重要条件。根据建筑使用功能的不同，对于宾馆饭店类高层建筑，蔓延介质主要包括沙发、床垫、桌椅家具等家居用品，地毯、摆件等环境美化摆设，壁纸、吊顶、胶合板等可燃物装修材料，液化气、天然气等气体燃料；对于商场类高层建筑，主要包括衣物、服装等商品，室内可燃装修材料等；对于办公类高层建筑，主要包括各类办公用品；对于住宅类高层建筑，主要包括日常生活用品和家居装饰物品。建筑外部而言，主要包括高层建筑外保温材料以及外墙广告印刷材料等。室温下常见材料的热参数如表1所示：（三）蔓延通道条件高层建筑中允许火灾蔓延的建筑结构和部位都可被称为火灾蔓延的通道。蔓延通道是火灾烟气流动和火焰传播的主要路径。高层建筑中的走廊等水平蔓延通道在与火灾烟气进行较为充分的热交换后，主要通过湍流对流效应促进烟气的扩散，电梯井、竖井等竖直蔓延通道在烟囱效应和热烟气的浮力作用下，加速火灾烟气的扩散和蔓延。蔓延通道应具有一定封闭性，长度应能保证烟气辐射热量的稳定，对于较长的蔓延通道，一方面，部分烟气颗粒在流动中沉降，烟气辐射热量下降，另一方面，高温烟气与常温空气热对流程度加大，使烟气温度下降，辐射热量无法达到可燃物最小点火能，火焰不易蔓延。从火焰传播特点分析，蔓延通道中要有能够维持火焰燃烧的足够数量可燃物质，且蔓延介质之间应保持连续性，以满足火焰延烧条件。[6]综上，只有当高层建筑相关部位达到上述火灾蔓延基本条件，火灾才可进行蔓延和传播。三、高层建筑火灾蔓延的影响因素（一）建筑结构高层建筑中连廊、回廊、通廊式结构和中庭式结构对火灾的蔓延有很大的影响。对于连廊式结构，火灾会通过连廊向未起火建筑蔓延，扩大火势；对于通廊式结构，火势通过走廊向楼梯间、电梯井等蔓延通道进行蔓延，在蔓延过程中高温火灾烟气和火焰热辐射，会引燃走廊内可燃物，造成火势的扩大；对于封闭回廊式结构，火灾的蔓延过程与通廊式结构类似，当火势蔓延至整个回廊时，受到热烟气的叠加作用，会导致火势的进一步加大，火灾燃烧更加猛烈，对于半封闭回廊结构，火灾蔓延过程中会不断卷吸外界空气，蔓延速度稍弱；对于中庭式结构，在中性面以下，火焰受到明显的“拔吸”作用，向上蔓延时引燃中庭两侧可燃物，产生新的火点，引起其他楼层火灾的蔓延，烟气在中性面以上进行蔓延。高层建筑的主要建筑材料是钢材与混凝土，其他材料包括木材、黏土砖、石膏板、胶合板、水泥刨花板、砂浆抹灰层、普通平板玻璃等材料。除木材外，其余几类材料都属于不燃或难燃材料，不会参与火灾的蔓延。但是，钢材耐火极限较低，混凝土材料在600℃左右，其抗拉强度基本为零，抗压强度为常温下的45%左右，普通平板玻璃由于门窗边框的限制，在250℃左右碎裂，水泥刨花板在270℃左右发生碳化。这些材料在火灾条件下会发生不同程度的损坏，导致建筑局部发生形变或者部分建筑构件功能丧失，产生新的火灾蔓延通道。此外，部分可燃或易燃建筑材料会直接参与火灾燃烧，加剧火势的蔓延。（二）建筑消防系统高层建筑室内消防设施对火灾蔓延的具体影响体现在以下三点：1.及时发现火势，明确火灾部位通过高层建筑内设置的火灾探测系统，能够在火灾初期阶段发现火势，确定火灾部位，便于人员及时到场对火势进行控制，将火灾消灭在萌芽阶段，也便于消防人员根据火灾部位，确定着火区域，采取合理的战术战法对火势进行扑救，避免火势的扩大。2.及时响应，启动灭火设备在发现火灾后，灭火系统能够及时启动相应区域自动灭火设施，对火势进行控制，防止火势的蔓延。3.保障灭火救援行动顺利展开高层建筑室内灭火设施为灭火行动的开展提供了有力保障，一定程度上限制了火势的蔓延。（三）灭火力量火灾初期阶段，在消防力量未到场的情况下，高层建筑内人员通过采取有效的措施，能够减弱乃至消除火灾蔓延的危险。例如，利用简易灭火器材对室内火灾进行扑救，能够将火势限制在室内，避免发生大面积的蔓延。消防力量到场后，根据火灾发展情况，在火场侦查的基础上，确定起火具体部位和火灾蔓延区域，对起火部位进行扑救，对蔓延区域和蔓延通道进行