高層建筑外立面消防安全問題分析

■ 景影 貴州省安順市西秀區(qū)消防救援大隊(duì)

從技術(shù)角度來看，高層建筑通常具有顯著的多功能性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，其維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能較好，立面系統(tǒng)具有創(chuàng)新性。然而最近的許多火災(zāi)事件表明，高層建筑消防安全亟須改進(jìn)外墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)和設(shè)計(jì)步驟。特別是當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目涉及建筑立面改造時(shí)，必須提高建筑質(zhì)量，使相關(guān)的隔熱性能與防火安全性能保持一致[1]。選擇和使用合適的材料，以及優(yōu)化所有能夠滿足項(xiàng)目目標(biāo)的相關(guān)因素，就變得至關(guān)重要。研究建筑外立面的火勢蔓延，首先要分析建筑外立面火勢蔓延的規(guī)律，外立面構(gòu)件的組合不僅有助于防止火勢在外墻蔓延，而且避免了過度依賴絕緣材料，更有效地防止了火勢蔓延。因此，對建筑外立面火災(zāi)蔓延研究以及保障人身和財(cái)產(chǎn)安全具有重要作用。

一、高層建筑外立面火焰蔓延

（一）高層建筑外立面火災(zāi)蔓延的過程

1.火災(zāi)的形成

建筑外立面發(fā)生火災(zāi)的原因有很多，主要包括相鄰建筑物的外部火源，或施工期間使用的明火，這種火災(zāi)比較偶然，火災(zāi)初期，火勢相對較小，熱輻射較弱，如果外立面沒有易燃材料，則火蔓延性能較弱。因此，這種火災(zāi)對建筑外立面裝飾、保溫材料的耐火性有較高的要求[2]。建筑外立面的火災(zāi)也可能是由建筑物內(nèi)部的火災(zāi)引起的，一旦建筑室內(nèi)著火，如果房間通風(fēng)良好，燃燒進(jìn)一步增強(qiáng)，很容易達(dá)到轟燃階段。如果建筑物內(nèi)發(fā)生室內(nèi)火災(zāi)，打開窗戶會(huì)將室內(nèi)的煙霧釋放到室外，同時(shí)新鮮的室外空氣會(huì)被釋放到室內(nèi)，因此窗戶對于室內(nèi)燃燒、火勢蔓延率有非常重要的影響。

2.建筑外部火災(zāi)的蔓延

建筑外立面著火引起的火災(zāi)點(diǎn)燃外墻上的可燃物，并通過外墻的中空結(jié)構(gòu)和外墻上的可燃材料迅速蔓延到建筑外立面，進(jìn)入火勢蔓延階段。外墻裝飾和保溫材料的可燃性和結(jié)構(gòu)直接影響火勢蔓延速度。如果發(fā)生火災(zāi)，立面上的熱塑性絕緣材料會(huì)收縮、熔化甚至燃燒，從而對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響并產(chǎn)生火勢蔓延的空腔，同時(shí)外覆面脫落并造成人員傷亡。并且，火焰從窗外溢出后，向上、向左、向右蔓延，加速火勢蔓延，造成更大的火災(zāi)損失。

（二）高層建筑外立面火災(zāi)蔓延的特點(diǎn)

1.火焰蔓延速度快，易形成立體火災(zāi)

許多建筑物的外墻保溫材料燃燒率高，釋放出大量的燃燒熱，同時(shí)建筑物外墻保溫材料的連續(xù)分布，由于風(fēng)等天氣因素的影響，建筑外立面的火災(zāi)快速蔓延，容易發(fā)生大規(guī)模的立體火災(zāi)。

2.容易形成二次火災(zāi)

當(dāng)建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火焰沿外墻向上蔓延，當(dāng)上窗附近的溫度達(dá)到極限溫度時(shí)，窗玻璃破裂并沿破裂的外窗進(jìn)入房間，點(diǎn)燃窗簾、沙發(fā)等易燃材料，形成二次燃燒，因此防止二次火災(zāi)和防止外窗爆裂是防止火勢蔓延的有效方法。

3.現(xiàn)有外墻保溫材料易燃

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑物的能源消耗問題越來越嚴(yán)重，由于建筑外立面保溫系統(tǒng)的節(jié)能效果良好，被用于越來越多的建設(shè)項(xiàng)目中。但是，我國既有建筑的隔熱材料很多，尤其是EPS和XPS，都是易燃的隔熱材料，雖然它們具有優(yōu)良的隔熱性能和廣泛的應(yīng)用空間，但在使用時(shí)存在火災(zāi)安全隱患。

4.煙氣蔓延迅速

由于火災(zāi)發(fā)生后會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧，其中含有大量的有毒氣體，可能會(huì)造成大量人身傷害。煙氣水平方向流動(dòng)速度可達(dá)0.3～0.8m/s，垂直方向擴(kuò)散速度可達(dá)1～5m/s，而在樓梯井、管井中，煙囪效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致煙氣流速達(dá)到6～8m/s。

二、高層建筑外立面消防安全問題分析

降低能源消耗是可持續(xù)發(fā)展和限制溫室氣體排放的首要任務(wù)之一。當(dāng)前，高層建筑隔熱層的厚度在過去幾年增加了一倍以上，加之部分材料為可燃材料，不可避免地增加了火災(zāi)負(fù)荷。因此，潛在火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間和滅火時(shí)間都會(huì)增加，這些因素會(huì)增加火災(zāi)通過建筑物外墻以及其內(nèi)部，或鄰近建筑物蔓延的風(fēng)險(xiǎn)。雖然火災(zāi)通過可燃材料觸發(fā)并在立面上蔓延的情況不頻繁，然而此類火災(zāi)事件一旦發(fā)生，就會(huì)造成嚴(yán)重的威脅。因此，高層建筑立面改造與消防出口的合理有效設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

當(dāng)前，高層建筑外立面普遍存在以下問題[3]：（1）在外墻上使用易燃材料；（2）沒有阻礙火勢蔓延到外墻或鄰近外墻的障礙；（3）立面上存在通風(fēng)特征，可以促進(jìn)火勢蔓延，向上傳播，或在水平方向上傳播；（4）被燒毀的外墻部分可能會(huì)脫落，而外墻仍然完好無損的部分可能會(huì)被卷入其中。

以可燃材料存在為特征的火勢蔓延到外墻的典型場景主要分為三種類型：（1）通過對相鄰獨(dú)立建筑物的熱輻射，外部火勢蔓延到可燃立面上；（2）由于輻射效應(yīng)或由于立面附近火源的直接火災(zāi)影響（例如，在陽臺(tái)上發(fā)生的火災(zāi)或停在立面附近的汽車起火），造成外部火勢蔓延；（3）發(fā)生在建筑物內(nèi)部空間的火災(zāi)，通過立面的開口（窗戶、門等）蔓延到更高或更低的樓層。對于第三種情況，如果沒有快速滅火干預(yù)，火勢可以到達(dá)“轟燃”，火焰可以通過開口迅速影響外墻。正如一些研究結(jié)果已經(jīng)證明的那樣，在窗戶玻璃破裂后，火焰可以達(dá)到開口邊緣以上5m，與特定的氣流條件相關(guān)，而與外墻系統(tǒng)以及使用的材料無關(guān)。隨后，當(dāng)火焰（無論是源自建筑物外部還是內(nèi)部）到達(dá)外墻最外層時(shí)，火勢的進(jìn)一步傳播主要取決于外墻本身的特性，例如，材料、幾何形狀等。

影響火勢在立面上蔓延的主要因素有：（1）外墻系統(tǒng)材料的火災(zāi)反應(yīng)特性，這會(huì)影響火勢在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的蔓延速度。（2）空洞的存在，這是外墻系統(tǒng)的一部分，或者是由外墻部分在火災(zāi)中分層形成的。如果火焰進(jìn)入空腔，由于煙囪效應(yīng)，無論面向通風(fēng)層的材料特性如何，火焰都可以以其初始速度的五倍到十倍蔓延。如果不使用特殊的防火屏障，這種效果會(huì)導(dǎo)致快速的垂直火勢蔓延。（3）立面開口（窗戶、門等），使火焰能夠進(jìn)入建筑物的室內(nèi)空間。

建筑外立面火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)取決于許多變量，必須逐個(gè)研究，通過消防安全分析可知，即使考慮與特定隔熱材料相關(guān)的火災(zāi)載荷，也可以達(dá)到極高的等效燃料載荷值。特別是在塔式建筑改造的情況下，等效荷載燃料載荷值相當(dāng)大，因?yàn)榕c用于立面的特定技術(shù)解決方案相關(guān)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)增加，通常無法通過建筑消防和緊急出口系統(tǒng)的有效改善來補(bǔ)償[4]。

三、高層建筑外立面的設(shè)計(jì)策略

為了防止和限制立面上的火勢蔓延，可以在材料選擇和技術(shù)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面采用一些簡單的解決方案。例如，首要目標(biāo)是在消防隊(duì)介入之前將火勢蔓延控制在不超過火災(zāi)發(fā)生地兩層以上的區(qū)域。

減少火勢蔓延到建筑外立面的風(fēng)險(xiǎn)措施有：（1）控制材料對火的反應(yīng)，最好使用不燃材料；（2）“防火”元素的設(shè)計(jì)，有助于將建筑物劃分為防火區(qū)間，并詳細(xì)設(shè)計(jì)它們與外墻和屋頂系統(tǒng)的連接；（3）采取相應(yīng)措施，阻止火勢通過外墻開口（使用“防火”元素、不燃材料屏障等）蔓延到外立面。在兩個(gè)建筑之間設(shè)置絕緣保護(hù)、底層絕緣保護(hù)、窗戶隔間絕緣保護(hù)、使用不燃材料保護(hù)逃生路線。同時(shí)，在窗戶外部設(shè)置不燃絕緣材料。

四、結(jié)語

文章主要對高層建筑外立面消防安全問題進(jìn)行分析，主要結(jié)論包括以下三個(gè)方面：

（1）高層建筑外立面消防安全的主要問題為：在外墻上使用易燃材料、沒有阻礙火勢蔓延到外墻或鄰近外墻的障礙、立面上存在通風(fēng)特征。

（2）發(fā)生在外立面的火災(zāi)主要通過熱輻射的方式蔓延到相鄰空間，發(fā)生在建筑內(nèi)部空間的火災(zāi)主要通過立面的開口蔓延到相鄰樓層。

（3）在高層建筑外立面設(shè)計(jì)方面，最好使用不燃材料，并進(jìn)行防火區(qū)間劃分，同時(shí)采取相應(yīng)措施，阻止火勢通過外墻開口蔓延。