大跨度建筑火災(zāi)坍塌規(guī)律及預(yù)防對(duì)策

孟 慶 林

(山東省菏澤市消防救援支隊(duì)，山東 菏澤 274000)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大跨度大空間建筑在企業(yè)廠房、倉(cāng)儲(chǔ)、商場(chǎng)為主的生產(chǎn)、生活中應(yīng)用越來越多。建筑內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備密集，物品高度集中，原料和成品大多屬可燃物，甚至是易燃易爆品、有毒化學(xué)品。一旦發(fā)生火災(zāi)，短時(shí)間內(nèi)極易大面積的坍塌。文章主要對(duì)大跨度建筑結(jié)構(gòu)溫升與失效概率進(jìn)行計(jì)算，闡明火災(zāi)中溫度變化、著火點(diǎn)位置、通風(fēng)狀態(tài)對(duì)大跨度建筑物的影響，在此基礎(chǔ)上，提出預(yù)防措施。

1 大跨度建筑火災(zāi)的坍塌規(guī)律

1.1 大跨度建筑火災(zāi)特點(diǎn)

1)建筑火災(zāi)可以分成四個(gè)階段，即初起期、成長(zhǎng)期、旺盛期和衰減期，如圖1所示。在火災(zāi)的成長(zhǎng)期內(nèi)，釋熱效率(kW)與時(shí)間(t)呈現(xiàn)二次方的正比規(guī)律，即Q=at2。當(dāng)火災(zāi)達(dá)到旺盛期時(shí)，釋熱效率受到空氣氧氣、換氣速度、可燃物供給等因素限制，時(shí)間因素的制約力較小，可維持到可燃物燒盡，即Q=constant。當(dāng)可燃物燒盡后，呈現(xiàn)快速衰減狀態(tài)，直至火種熄滅，如圖2所示。

2)火災(zāi)的成長(zhǎng)主要受到建筑物材料、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、煙氣排放效率影響，系數(shù)a值越大，火災(zāi)成長(zhǎng)期越短。旺盛期的火災(zāi)火勢(shì)越大、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，建筑物坍塌的可能性越大，同時(shí)也與建筑物結(jié)構(gòu)(窗口高度和面積)、空氣流通程度、建筑物的火災(zāi)荷載等因素有關(guān)。在成長(zhǎng)期，火災(zāi)的核心區(qū)域火焰溫度可達(dá)到300 ℃～800 ℃；旺盛期的核心火焰最高溫度能夠達(dá)到3 000 ℃。

1.2 大跨度建筑物體特點(diǎn)

1)大跨度建筑物一般指跨度30 m以上的混凝土建筑物，或跨度60 m以上的鋼結(jié)構(gòu)建筑物。通常，大跨度的結(jié)構(gòu)形式主要有殼體、網(wǎng)架、懸索、充氣和敞篷張力結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)的大跨度建筑的面積、結(jié)構(gòu)、性能和用途各不相同。鋼結(jié)構(gòu)(建筑用鋼Q23鋼材、Q345鋼材等)的建筑體受不同溫度的強(qiáng)度下降明顯，當(dāng)250 ℃左右時(shí)，鋼材出現(xiàn)“藍(lán)脆”現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)，韌性變差，至350 ℃的鋼體強(qiáng)度下降1/3,500 ℃強(qiáng)度加強(qiáng)1/2，600 ℃下降2/3。

2)鋼材受熱后的物理影響明顯，受熱膨脹后發(fā)生扭曲、變形等塑性形變，難以復(fù)原。具體數(shù)值如表1所示。

表1 建筑用鋼溫度與強(qiáng)度變化表

3)鋼結(jié)構(gòu)的建筑物內(nèi)部的晶體組織對(duì)溫度變化敏感，通常在450 ℃～650 ℃時(shí)失去承載能力。具體數(shù)值如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)工字鋼梁耐火測(cè)試結(jié)果

4)采用防火材料能有效提升鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鋼混結(jié)構(gòu)的建筑主體在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，主要受到含水量影響。當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，混凝土失去自由水分，強(qiáng)度增加；當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃以上時(shí)，混凝土材料的強(qiáng)度開始下降。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 建筑用鋼筋混凝土溫度與強(qiáng)度變化表

1.3 大跨度建筑火災(zāi)的坍塌規(guī)律

1)大跨度建筑物內(nèi)部空間大、物理分割少、空氣流通好、可燃物多，為火災(zāi)的火種蔓延提供了足夠氧氣。大跨度建筑本身的空氣對(duì)流強(qiáng)，熱輻射效應(yīng)明顯，因此，出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)通常面積較大，無法將火種控制在一定區(qū)域內(nèi)。從火災(zāi)能量釋放的角度看，在火災(zāi)的初步階段，單位時(shí)間內(nèi)的熱能釋放量較小，以常規(guī)的撲救手段能夠轉(zhuǎn)移火災(zāi)熱能，控制火情。在火種的發(fā)展期和蔓延期，單位內(nèi)能量釋放高，常規(guī)撲救手段無法做到熱能轉(zhuǎn)移，火勢(shì)較大、熱能積累較高，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)建筑物體失去承重強(qiáng)度，繼而出現(xiàn)建筑物坍塌情況。

2)以殼體結(jié)構(gòu)的大跨度建筑為例：高溫使鋼材的屈服強(qiáng)度和彈性模量等參數(shù)發(fā)生明顯變化，由于網(wǎng)殼的橫截面系數(shù)均大于300，結(jié)構(gòu)點(diǎn)、杠桿較多，火災(zāi)升溫至250 ℃，火源附近的腹桿軸力由壓力變?yōu)槔Γ芗c(diǎn)首先被破壞，其次火源附近的溫度450 ℃以上時(shí)，杠件依次推出工作，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，使建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)生坍塌。

3)不同位置發(fā)生火災(zāi)的結(jié)果不同。第一，衡陽(yáng)“11·3”世貿(mào)大廈坍塌類型：火災(zāi)發(fā)生在建筑物底層，支撐建筑物的主梁和支柱受到火的作用而失去支撐能力，容易出現(xiàn)坍塌情況。第二，美國(guó)“9·11”世貿(mào)大廈坍塌類型：火災(zāi)發(fā)生在建筑物二層以上，建筑物的支撐柱和主梁受損嚴(yán)重，失去支撐力，發(fā)生側(cè)向坍塌，坍塌事物存在連續(xù)性。第三，哈爾濱亞麻制造廠火災(zāi)事件類型：倉(cāng)房、廠房等工廠生產(chǎn)建筑中，火災(zāi)出現(xiàn)在易燃易爆物以內(nèi)，則建筑物主梁、支柱和屋面受損嚴(yán)重，導(dǎo)致建筑物體整體坍塌。

2 大跨度建筑火災(zāi)的建筑物坍塌預(yù)防對(duì)策

大跨度建筑物著火點(diǎn)位置不易確定，且建筑跨度大、縱深長(zhǎng)，為預(yù)防坍塌情況發(fā)生，需要從多個(gè)角度創(chuàng)新方法，預(yù)防火災(zāi)時(shí)建筑物坍塌。

2.1 從力學(xué)結(jié)構(gòu)和耐熱極限角度進(jìn)行坍塌預(yù)防

1)轟燃是現(xiàn)代火災(zāi)的主要特點(diǎn)，轟燃形成的高熱中心區(qū)，在相對(duì)封閉的大跨度建筑體中，形成大量熱能，形成可燃?xì)怏w。轟燃類型火災(zāi)的發(fā)生速度較快，火災(zāi)載荷空前提升，熱浪急速膨脹，如果不能有效遏制，很可能形成二次轟燃或多次轟燃，中心高熱區(qū)溫度能夠達(dá)到1 000 ℃以上。因此，需要引進(jìn)耐火、隔熱的噴漆等保護(hù)火災(zāi)中鋼體強(qiáng)度的技術(shù)，也要優(yōu)化大跨度建筑的內(nèi)部設(shè)計(jì)。

2)許多企業(yè)為降低施工成本，選擇鋼結(jié)構(gòu)的建筑主體，是火災(zāi)建筑坍塌的極大隱患。鋼結(jié)構(gòu)主體可采用混凝土澆灌技術(shù)，形成鋼結(jié)構(gòu)主體的混凝土保護(hù)層，從而提升鋼結(jié)構(gòu)主體的防火性能。首先，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行球籠網(wǎng)焊接，形成結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，其次進(jìn)行混凝土澆灌，形成一體的混凝土支撐柱，最后更換原有的支撐鋼架，繼而提高鋼結(jié)構(gòu)主體的防火性能。

2.2 從性能化防火設(shè)計(jì)角度進(jìn)行坍塌預(yù)防

1)建筑物的使用性質(zhì)和造型，能夠?qū)κ覂?nèi)火災(zāi)荷載的變化進(jìn)行控制。例如，密閉環(huán)境下的室內(nèi)氧氣含量、物理隔火層的使用、錯(cuò)位通風(fēng)結(jié)構(gòu)使用等建筑設(shè)計(jì)，能夠?qū)諝饬魍ā⒒饎?shì)蔓延進(jìn)行有效控制，降低火災(zāi)安全隱患。運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)、熱工理論、材料力學(xué)進(jìn)行研究，論證了大型火災(zāi)建筑部位受損情況對(duì)建筑主體的影響，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)針對(duì)不同樓層、不同用途選擇不同材料、不同設(shè)計(jì)的建筑風(fēng)格，強(qiáng)化大跨度建筑物的使用性能和防火性能。

2)球狀大跨度結(jié)構(gòu)建筑能夠有效應(yīng)對(duì)火災(zāi)坍塌，因此，建筑結(jié)構(gòu)時(shí)可以采用殼狀設(shè)計(jì)。針對(duì)易燃品堆放車間或倉(cāng)庫(kù)，應(yīng)選擇混凝土結(jié)構(gòu)搭建，保持空間密閉，有效隔溫、隔熱。其次，在易燃品堆積倉(cāng)庫(kù)周圍進(jìn)行防火分隔，設(shè)計(jì)防火間隔空間，實(shí)行可燃物集中管理和堆放的管理政策，防止火災(zāi)發(fā)生時(shí)可燃物助燃火勢(shì)。

2.3 從建筑防火監(jiān)管角度進(jìn)行坍塌預(yù)防

1)大跨度建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能較多、形態(tài)豐富，火災(zāi)危險(xiǎn)性大、撲救難度高，因此，需要從行業(yè)監(jiān)管角度進(jìn)行火災(zāi)預(yù)防，從根源上抑制火災(zāi)事件的發(fā)生。許多企業(yè)在搭建大跨度生產(chǎn)車間等建筑時(shí)，不能準(zhǔn)確產(chǎn)生防火意識(shí)，或不具備火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理的能力，所以，火災(zāi)管控需要外界力量輔助和干預(yù)。

2)構(gòu)建建筑模型管理系統(tǒng)，要求企業(yè)上傳3D的建筑模型，專家團(tuán)隊(duì)通過線上判斷風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的形式，對(duì)建筑內(nèi)部的生產(chǎn)安全進(jìn)行管理。線上管理主要負(fù)責(zé)企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的管控，要求企業(yè)合理利用廠房?jī)?nèi)部空間；線下管理主要負(fù)責(zé)考察企業(yè)3D模型與企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否一致，企業(yè)傳輸?shù)母黜?xiàng)數(shù)據(jù)信息是否準(zhǔn)確，企業(yè)整改所用的材料使用是否達(dá)標(biāo)等。建筑模型既可以用于風(fēng)險(xiǎn)判斷和企業(yè)生產(chǎn)管理，又能在發(fā)生火災(zāi)事件時(shí)，直觀了解建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效監(jiān)管。

3 結(jié)語

大跨度建筑內(nèi)部空間、物理風(fēng)格、煙氣流動(dòng)效率是火災(zāi)中火勢(shì)成長(zhǎng)的主要制約因素，對(duì)建筑性能化設(shè)計(jì)，是從根源上解決火災(zāi)導(dǎo)致建筑物坍塌的問題的有效手段。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的建筑物受溫度影響的強(qiáng)度變化較大，在鋼結(jié)構(gòu)體上進(jìn)行防火、隔熱涂層處理，能夠有效提升鋼材本身的強(qiáng)度。如發(fā)生火災(zāi)事故，需整合社會(huì)消防力量和裝備，對(duì)著火點(diǎn)、易燃點(diǎn)、易塌落點(diǎn)進(jìn)行控制，對(duì)火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行分割，但仍需注意水槍不可直接對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)主體，防止鋼材“冷脆”，加速坍塌。