高層建筑火災蔓延關鍵要素分析

摘要：文章依托高層建筑火災蔓延基本理論，將高層建筑火災蔓延的條件、影響因素和后果作為蔓延關鍵要素，從火源、蔓延介質、蔓延通道等方面確定了高層建筑火災蔓延的條件，定性分析了建筑結構、室內消防系統和滅火力量因素對火災蔓延造成的影響，以期為高層建筑火災防控工作提供有益的參考。

關鍵詞：火災；高層建筑；火災蔓延

隨著社會經濟的飛速發展，高層建筑體量不斷變大，數量快速增加，高層建筑因其結構的復雜性和火災蔓延規律的特殊性，給火災防控工作帶來了嚴峻的挑戰。如何利用高層建筑火災蔓延的特點和規律指導工作實踐，是當前亟須解決的重要問題。文章通過對高層建筑火災蔓延關鍵要素進行分析，力求為高層建筑火災防控工作提供一定的指導和幫助。

一、高層建筑火災蔓延基本理論

（一）高層建筑火災煙氣蔓延理論

在高層建筑火災中，受到建筑結構的影響，火災煙氣流動具有以下幾種基本形態[1]：

1.串聯流動

串聯流動指高層建筑火災中，在一定壓力條件下，火災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.并聯流動

并聯流動指高層建筑火災中，在一定壓力條件下，火災煙氣通過幾個出口同時流動。如圖2所示。

3.混聯流動

混聯流動是結合并聯與串聯流動的一種流動形式。

高層建筑火災煙氣流動的驅動力主要包括室內外溫差引起的煙囪效應、氣體浮力和膨脹力、通風系統風機的循環抽吸等，其中煙囪效應是高層建筑中火災煙氣流動的主要因素。

（二）高層建筑火災熱量傳遞理論

高層建筑火災中主要包括導熱、對流傳熱和熱輻射三種熱量傳遞方式。

導熱主要是與固體相關的一種傳熱現象，根據傅里葉導熱定律，熱量在固體內部從高溫區向低溫區的流動可以通過公式1表達[2]。

（1）

式中：K為材料的導熱系數，單位是W/（m·K）。

導熱問題可被劃分為穩態與非穩態問題，例如著火、室內火災蔓延、建筑物對不同發展階段火災的響應問題等，均為非穩態問題。

對流傳熱主要通過流通介質進行熱量傳遞。對于高層建筑火災，對流傳熱在整個火災過程中都存在，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動產生的，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。

輻射傳熱在火勢發展和傳播中具有重要作用，特別是在大型火災中，熱輻射是火災中主要傳熱方式，決定著火災的蔓延和發展。根據Stefan-Boltzmann方程[3]：

（2）

式中：表示Stefan-Boltzmann常數，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。

由公式可見，輻射傳熱大小與輻射物體表面性質和溫度有關。此外，輻射傳熱的大小還與物體的相互位置有關，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時，當火源無法被假設為點源時，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律，而與火源與被輻射表面的角系數有關[3]。

（三）高層建筑室內火災蔓延理論

高層建筑室內火災指發生在建筑內能夠控制基本空氣供給和熱環境的受限空間內的火災，包括簡單幾何結構的房間、封閉的樓梯間、封閉電梯前室等。通過分析室內火災質量和能量關系，提出了用以描述火災過程的方程組，稱之為“區域模型”，具體表述如下[4]：

1.質量守恒

[室內質量變化速率]+[流出室內質量流量總和]-[流入控制體的質量流量總和]=0

2.能量守恒

[室內混合物變化速率]+[室內熱量和焓的輸運速率]=[室內凈吸熱速率]+[化學能釋放速率]-[室內流體做功]-[可燃物質移動做功]

以上守恒關系的提出，為分析研究室內火災蔓延特點奠定了基本理論依據。

二、高層建筑火災蔓延條件

（一）火源條件

火源是火災蔓延的起點，為初期階段火災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境條件兩部分。

火源燃燒條件是指支撐火源穩定存在的基本物質條件，表現為可燃物質的著火方式與燃燒特點。可燃物的著火主要有自燃和點燃兩種。由于高層建筑中高溫熱源分布廣泛，可燃物多是被點燃而起火的。當火源為氣態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。

火源環境條件主要包括火源周圍可燃物分布情況及通風情況。火源周圍可燃物分布較多，火源會通過熱輻射不斷引燃可燃物，由點源發展為面源，使火勢迅速蔓延；當火源周圍可燃物較少時，則火源可能維持較低程度的燃燒，或者因反應物質匱乏而熄滅。當火源附近通風狀況良好且助燃物充足時，火源會進一步發展，而通風情況較差時，由于助燃物缺乏，會限制火源發展，直至火源熄滅。

（二）蔓延介質條件

火源附近蔓延介質的分布情況是影響火源發展的重要條件。根據建筑使用功能的不同，對于賓館飯店類高層建筑，蔓延介質主要包括沙發、床墊、桌椅家具等家居用品，地毯、擺件等環境美化擺設，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如表1所示：

（三）蔓延通道條件

高層建筑中允許火災蔓延的建筑結構和部位都可被稱為火災蔓延的通道。蔓延通道是火災煙氣流動和火焰傳播的主要路徑。

高層建筑中的走廊等水平蔓延通道在與火災煙氣進行較為充分的熱交換后，主要通過湍流對流效應促進煙氣的擴散，電梯井、豎井等豎直蔓延通道在煙囪效應和熱煙氣的浮力作用下，加速火災煙氣的擴散和蔓延。蔓延通道應具有一定封閉性，長度應能保證煙氣輻射熱量的穩定，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，高溫煙氣與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。從火焰傳播特點分析，蔓延通道中要有能夠維持火焰燃燒的足夠數量可燃物質，且蔓延介質之間應保持連續性，以滿足火焰延燒條件。[6]

綜上，只有當高層建筑相關部位達到上述火災蔓延基本條件，火災才可進行蔓延和傳播。

三、高層建筑火災蔓延的影響因素

（一）建筑結構

高層建筑中連廊、回廊、通廊式結構和中庭式結構對火災的蔓延有很大的影響。對于連廊式結構，火災會通過連廊向未起火建筑蔓延，擴大火勢；對于通廊式結構，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煙氣和火焰熱輻射，會引燃走廊內可燃物，造成火勢的擴大；對于封閉回廊式結構，火災的蔓延過程與通廊式結構類似，當火勢蔓延至整個回廊時，受到熱煙氣的疊加作用，會導致火勢的進一步加大，火災燃燒更加猛烈，對于半封閉回廊結構，火災蔓延過程中會不斷卷吸外界空氣，蔓延速度稍弱；對于中庭式結構，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可燃物，產生新的火點，引起其他樓層火災的蔓延，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℃左右發生碳化。這些材料在火災條件下會發生不同程度的損壞，導致建筑局部發生形變或者部分建筑構件功能喪失，產生新的火災蔓延通道。此外，部分可燃或易燃建筑材料會直接參與火災燃燒，加劇火勢的蔓延。

（二）建筑消防系統

高層建筑室內消防設施對火災蔓延的具體影響體現在以下三點：

1.及時發現火勢，明確火災部位

通過高層建筑內設置的火災探測系統，能夠在火災初期階段發現火勢，確定火災部位，便于人員及時到場對火勢進行控制，將火災消滅在萌芽階段，也便于消防人員根據火災部位，確定著火區域，采取合理的戰術戰法對火勢進行撲救，避免火勢的擴大。

2.及時響應，啟動滅火設備

在發現火災后，滅火系統能夠及時啟動相應區域自動滅火設施，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

高層建筑室內滅火設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

火災初期階段，在消防力量未到場的情況下，高層建筑內人員通過采取有效的措施，能夠減弱乃至消除火災蔓延的危險。例如，利用簡易滅火器材對室內火災進行撲救，能夠將火勢限制在室內，避免發生大面積的蔓延。

消防力量到場后，根據火災發展情況，在火場偵查的基礎上，確定起火具體部位和火災蔓延區域，對起火部位進行撲救，對蔓延區域和蔓延通道進行冷卻保護和封堵，隔離可燃物，減少助燃物，將火災限制在特定區域，能夠較好地控制火災的蔓延，進而成功撲滅火災。

四、結語

文章利用高層建筑火災煙氣蔓延理論、火災熱量傳遞理論、質量能量守恒區域模型，主要確定了高層建筑火災蔓延的火源條件、可燃物條件和蔓延通道條件，對影響高層建筑火災蔓延的建筑結構、建筑消防系統和滅火力量因素進行了分析，為高層建筑火災防控工作的順利開展提供了一定的借鑒。

參考文獻：

[1] 孫醒遠.高層民用建筑火災特點淺析[J].油氣田地面工程，2002，21（5）：80-81.

[2] 李改.高層建筑火災煙氣流動規律及煙氣控制研究[D].合肥：安徽建筑工業學院，2011.

[3] L Benedict，EE Zukoski.Bouyant flows in shaft[J].NIST Pubs，1996.

[4] 游宇航，李元洲.房間之間火災蔓延過程的網絡模型[J].中國工程科學，2005（07）；86-89.

[5] 公安部消防局.高層建筑滅火對策研究指南[M].上海：上?？茖W普及出版社，2009.

[6] 王華，何濤，汪志明，董慧芳.通風條件對火災蔓延的影響分析[J].河北建筑工程學院學報，2008，26（01）：119-120+123.

作者簡介：王旭（1989—），男，甘肅慶陽人，碩士研究生，中級專業技術職務，研究方向：防火監督，火災調查。