民用建筑火災發生初期撲救與疏散“5min黃金時間”理論探討

高新華 嚴文芳

摘要：民用建筑火災初、中期階段，火勢的發展通常隨時間逐步增大，火災的危害性隨之增強，人員疏散的難度和火災撲救的難度逐步增加。較多研究和文獻表明，在火災初起的5min內，是火災撲救和人員疏散的“黃金期”，試驗數據的正面論證和大量規范要求的側面說明都指向這個5min關鍵期。對此時間窗口的有效運用和準確把握，對初期火災特征的深入研究、火災預防與撲救措施的調整及人員疏散關鍵點的把握都具有典型意義。

關鍵詞：火災;發生初期;5min;黃金時間

一般民用住宅和公共建筑內的火災初起階段，基本都具備起火點開始向周圍蔓延但燃燒面積不大，煙氣量及流動速度緩慢，輻射熱低，對人員和周圍物體、結構的傷害不大這樣一些特點。針對這樣的特點，把火災控制和撲滅在初起階段是成本最低而成效最大的選擇，在此階段，不同策略的選擇和多個預案的合理展開，能夠把火災危害降低到最小程度。采取合理預防和減輕災害損失措施民用場所區域發生火災，時間成為了最為寶貴的和關鍵的因素。在大部分民用建筑中，固體燃燒較為典型而常見。在此類火災中，火災從初起到初期的5分鐘可以稱之為“黃金5分鐘”，幾乎決定了該次火災后續的絕大部分延展可能、撲救難度和災害損失。在此階段，外界救援幾乎沒有可能趕到，有研究表明，某城市35.9%的火災中，消防中隊到場時間超過20min，2015年出警平均到場時間為23.6min;城區出警平均到場時間為11.5min。即使消防隊伍到達火場后34.1%的火災中，消防中隊到場后的戰斗展開時間超過5min。

對于“黃金5分鐘”，以火災發生初期為基本假設，本文從預防、疏散和滅火三個大的方面加以論述證明。除此以外，一種特殊情況需要預先說明，火災的定義首先界定為：如果不加以外界干預，將能夠完成初期、發展期、中期和衰退期四個階段的完整過程。

一、火災發展蔓延控制

燃燒速率可以看成燃燒發展程度與時間的函數，t2火災模型中，熱釋放速率與燃燒時間的關系如式Q=at2，其中，a=Q0/tg2，tg指達到熱釋放速率Q0的時間。在燃料控制型或通風控制型火災中，火災燃燒速率通常假定為一個常數，根據火災發展系數a，火災發展階段可分為極快、快速、中速和慢速四種。在300s內，以無棉織品聚酯床墊為代表的可燃固體材料類火災由初期階段轉為危害最大和疏散難度大大增加，撲救難度也大大增加的火災發展階段。可以看出，在300s內火勢處于逐步增大階段，在這個階段如果有主動或被動的滅火措施介入，尤其利于火災的控制與撲滅。

以較常見的具有空調設備的售貨商場內火災初期煙氣擴散的模化研究也得出近似的結論。在防排煙設施配備齊全且能正常工作的條件下，在商場大廳內進行充煙試驗，并對各類參數進行測量，通過試驗可以確定，煙氣對疏散救援通道的負面影響，約是在4min以后開始的，大約在10min以后，大廳的整個高度空間完全充滿煙氣。

二、火災發生后的人員疏散

盡量避免和減少人員傷害是消防安全的首要原則，我國現行的相關規范均對建筑物內的人員密度和疏散距離作了強制性要求，其目的就是讓建筑物內處于火災威脅下的人能夠在盡可能短的時間內到達安全區域。疏散時間的長短取決于多個因素，但選取較為典型的場景后，可以得到以下的推論。

（一）人數對疏散時間的影響。人數在一定程度上決定著多室建筑的疏散時間。當需要疏散的人數與疏散路線的通行能力相比較少時，疏散人流一般不會超過疏散路線的通行能力，此時，疏散時間主要由最后幾個離開房間人員的預動作時間、步行速度和到達建筑最終出口的距離決定。對于人員密集的多層建筑，當多層或整個建筑同時疏散，疏散運動時間要由前幾個離開房間進入樓梯間人員的預動作對間和進入并通過樓梯間的通行時間決定。

觀測資料和實驗都顯示人群的疏散速度是人員密度的函數，水平疏散和垂直疏散會有所不同。對于人員密度小于0.54人/m2的疏散通道，人們各自按照自己的速度疏散，不會受到其他人速度的影響;人員密度超過3.8人/m2時，疏散將無法進行。典型的未受阻礙的行進速度大約為1.2m/s，以這樣的疏散速度為參考，考慮到火災發生初期的混亂情況和不同人群的特點，實際行進速度可取1.0m/s，在300s內，水平方向上可以移動300m的距離，足以到達最近的安全出口。在采用計算機模擬方法對某個實例的疏散時間計算示例中，一個簡單的有4個可用疏散出口的四方零售店（邊長為42.4m，直線行走距離為30m），設計人員數量為900人，在試驗情況下，第一組人幾乎是在警鈴響起的一剎那開始行動，因此第一組人的預動作時間只有幾秒鐘。每個人的行進距離由計算機計算得出，行進速度分布的平均數為1.2m/s（標準差為0.2m/s，最小速度為0.3m/s），在此典型示例場景中，5min內，建筑內所有人員已經可以完全疏散完畢。

（二）在5min環境時間段內，人員疏散途徑的選擇更多樣化。研究表明，在火災初期5min內進行有效的人員疏散，可以選擇的疏散途徑更加多樣化，疏散效果提升明顯。例如，一般認為電梯在火災情況下不能使用，但在1994年，美國學者Klote等在研究美國聯邦航空局（FAA）的航空交通控制塔工程中，首次將電梯疏散作為一個系統來考慮，提出了電梯緊急疏散系統的概念，從理論上初步確定了電梯在高層建筑中用于人員疏散的可行性，多國也展開了電梯疏散可能性的研究。目前我國電梯使用量和增長量都非常巨大，電梯又是高層建筑中最常用的交通工具，火災情況下如合理使用電梯進行疏散，可充分利用現有資源，在最短的時間內疏散盡可能多的人員。在此基礎上，按照高層建筑樓梯、電梯混合疏散策略。以學生公寓樓為例，計算了不同疏散策略下的所需安全疏散時間，結果表明該混合疏散策略最優，比僅用樓梯疏散時間縮短了28.1s，且得出該條件下單梯5min輸送能力為4.94%，為以后緊急疏散情況下電梯交通流量分析提供了參考。該項研究主要考慮了在火災初期5min內混合疏散策略對疏散效果的明顯提升，對時間的選取顯然考慮了火災發生后如果火勢已經充分發展，電梯絕對不再作為疏散途徑選擇的情況。

三、初期火災的撲救

在火災發生后，疏散與撲救幾乎是同時開始的，合理完善的火災應急預案對此應該有相應的描述和要求，并且已經經過了模擬應急訓練的初步檢驗。在最短的時間內控制住火勢，是能否依靠建筑主動力量滅火的關鍵，這個關鍵的時間點，也通常在5min這個關鍵事件點附近。

以民用建筑中最常用和有效的兩種滅火手段為例。

（一）自動滅火系統。在火災初期采用自動噴水滅火系統可以將火撲滅。據相關統計，幾乎80%的火災都能夠被有效的自動滅火系統撲滅在初期階段，而這個初期階段與5min的黃金時間高度重合，在我國現行消防規范中也有多處體現。例如在《消防給水及消火栓系統技術規范》GB50974-2014關于消火栓有如下規定：“7.1.6干式消火栓系統的充水時間不應大于5min。”在《自動噴水滅火系統施工及驗收規范》GB50261-2017中，關于濕式自動噴水滅火系統水泵啟動時間有如下規定：“8.0.6-3……濕式自動噴水滅火系統的最不利點做末端放水試驗時，自放水開始至水泵啟動時間不應超過5min。”在《自動噴水滅火系統設計規范》GB50084-2017國家規范中明確規定：“采用臨時高壓給水系統的自動噴水滅火系統，當規范規定可不設置高位消防水箱時，系統應設氣壓供水設備。氣壓供水設備的有效容積，應按系統最不利處4只噴頭在最低工作壓力下的5min用水量確定。”

（二）滅火器的使用。關于滅火器在火災發生后的使用時間，主要取決于滅火器的布置位置和人的行動速度，在計算單元內配置的滅火器能完全保護到該計算單元內的任一可能著火點，不能出現空白區。即任一可能著火點（包括最不利點）都應在至少1個滅火器設置點的保護圓（以滅火器設置點為圓心，以滅火器的最大保護距離為半徑）的范圍內。對于常見民用建筑區域（ABC類火災，中危險級），滅火器的最大保護距離為手提式20m（BC類12米），這款條文從另一個角度可以理解為，無論你身處建筑的任意位置，都應該可以在不超過這個距離范圍內取用到按照規范要求在建筑中配備的滅火器。很顯然，對于一個擁有正常反應能力和行動能力的人，依靠自身感覺（視覺、嗅覺、聽覺等）感覺到起火并發現起火點一般不會距離自身太遠，通常是在自身附近，在5min內從這樣的距離范圍內取到一具滅火器并到達起火點進行撲救，是較為正常與合理的。

四、結語

結合實踐，我國相關規范在制定中已經高度體現了對火災重預防、早發現、早疏散、早撲救的原則，其目的就是緊緊扣住火災初期的關鍵時間點進行各類措施、手段的運用。在美國、英國等發達國家，對該時間段的運用體現更加明顯，例如從美國消防相關標準中就可以明顯看出，美國標準要求的設計流量比中國標準和英國標準都明顯高出一個數量級，其意圖之一也就是在火災初期階段就集中優勢手段把火災控制住。參閱相關消防標準和文獻可以得出，以燃燒機理和火災發展蔓延速度為理論基礎，人員疏散、初期火災撲救兩大火災撲救工作核心都表明，在火災初期5min時間可謂火災撲救“黃金時間”，從消防設計、方案規劃和資源投入等角度衡量，將優勢資源朝這個時間段集中，勢必會得到事半功倍的效果。這是消防系統工程的發展方向，也是目前業界發達國家的具體實施取向。

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課題項目編號：DLNLKY201906