大跨度建筑火災坍塌規律及滅火救援對策

蘇心偉

(山東省菏澤市消防救援支隊,山東 菏澤 274000)

伴隨著社會經濟的快速發展,廣泛應用于企業廠房、倉庫、商場等生產和生活場所的大跨度建筑數量呈現增長趨勢。通過對近年來國內大跨度大空間建筑火災坍塌事故案例的統計分析結果顯示,2000年以后,此類事故的發生率顯著高于2000年之前[1]。這類建筑內部通常儲存大量可燃物品,人流量大,內部通道復雜,生產設備繁多,物品高度密集,如發生火災,非常容易引發重大人員傷亡和財產損失的嚴重事故。本文主要對大跨度建筑火災特點及坍塌規律進行分析研究,在此基礎上,提出有效的處置對策。

1 大跨度建筑火災特點

1.1 火勢發展蔓延快

按照GB 55307—2002建筑防火通用規范,大跨度建筑為C級建筑防火等級,耐火極限非常低,梁、柱的耐火極限僅為0.2 h,火災初期,若消防報警系統不能及時發揮作用,極易造成火勢的蔓延擴大。有的單位由于工藝生產需要,生產線要連續貫穿幾個防火分區,為保證生產需要,防火分割處采用水幕或防火卷簾代替防火墻,加之大跨度建筑空間高而大,通風條件較好,可燃物荷載大,發生火災后火勢發展蔓延的速度快,在短時間內很快就會發展到猛烈階段[2]。鋼結構部件的良好導熱性質同時也導致了火焰容易通過被加熱的部件迅速擴散發展。如大型商場、展覽館等大跨度鋼結構公共建筑發生火災時,火勢很容易通過受熱的鋼構件引燃相鄰防火分區內的可燃物著火,從而形成跳躍式發展蔓延態勢,火勢易通過受熱的鋼構件引起著火層上層的可燃物燃燒;密閉的大跨度鋼結構建筑著火時,火勢極易沿建筑外墻或屋頂彩鋼板的夾層隱蔽蔓延。

1.2 濃煙高溫易積聚

當大跨度建筑發生火災時,因其通風口很少,著火產生的大量濃煙和熱量很難散出,容易使室內的煙霧和熱量積累得非常迅速。空間相對密閉且無通風條件的大跨度建筑發生火災時,受底層或低洼處通風條件的影響,燃燒產生出的大量濃煙和釋放的熱量會快速在垂直空間向上部蔓延,從而會產生“煙囪效應”[3]。由于因煙囪效應而形成的不易控制的大量煙霧移動,使通過開窗自然通風排煙都很難排出。當封閉式的鋼結構建筑著火時,會引起室內溫度的快速升高和氣體的快速擴張。在熱壓效應下,高溫煙氣以約2 m/s的速度在室內擴散,這極有可能迅速在室內形成大范圍的煙霧聚集,從而增加了火災偵察和室內火災撲救等救援行動的困難程度。

1.3 結構易變形坍塌

大跨度建筑坍塌和變形的原理有多種形式,除高溫影響外,還涉及到鋼構件的熱冷驟變、結構壓力之間作用的破壞、超額的建筑荷載、火災爆炸和外力撞擊等因素。高溫主要通過對柱的穩定性破壞和脆裂性破壞、對鋼梁的彎曲度破壞、對樓板的形狀破壞以及對支撐系統的失效破壞等方式破壞鋼制構件。大跨度建筑鋼結構失去靜態平衡穩定性的極限溫度大約是500 ℃,但一般火災的溫度能夠達到1 000 ℃左右,暴露的鋼構件將迅速扭曲變形,導致部分或整個建筑體發生坍塌[4]。2002年7月11日,安徽佳通輪胎有限公司半鋼子午胎車間發生火災。該車間為一座純鋼結構單層廠房,長612 m、寬96 m、高10 m,由西向東分割成3個工段和3個庫區,著火的成品庫區長153 m,面積1.47萬m2,由于火勢蔓延迅速,燃燒猛烈,最終導致該成品庫區建筑全部坍塌。

1.4 滅火作戰難度大

對于大跨度建筑結構的特點,由于其復雜的平面布局和龐大的內部延伸區域,加上內部強濃度的煙霧造成視線受到嚴重干擾,偵察災情、尋找火源并確認被困人員位置對于消防人員來說頗具挑戰。同時,有的單位為了提高場地的利用率,擅自將原有建筑物間的防火間距或消防車道改造成倉庫或車間,造成建筑物無消防車道,防火間距不足,安全出口堵塞,導致疏散距離不足,這些不利因素使消防人員掌握火勢擴散蔓延方向以及準確掌握火場全貌信息也非常困難[5]。針對這類型空間密閉且空間龐大的建筑火災,其開口處較少,難以通過自然排煙方式排煙散熱,因此通常需采取破拆排煙方法。然而,建筑高大、使用鉚焊連接的鋼構件的穩固性等均會降低破拆散熱的效率。另外,由于大跨度建筑內部通訊不便、煙霧濃度高且熱輻射強,并且存在鋼結構受熱變形風險等因素,火災現場環境過于復雜,進行滅火進攻作戰行動難度相當大。

2 大跨度建筑火災坍塌規律

2.1 大跨度建筑物體特點

一般而言,大跨度建筑的定義包括跨度超越30 m的混凝土構筑物以及超越60 m的鋼構建筑。這些建筑的主要建構成分,例如殼體、網架、懸索、充氣以及張力構造等,由于其結構差異,它們的面積、構造設計以及功能用途均有所區分[6]。使用Q23鋼材、Q345鋼材等建筑用鋼料建造的建筑,溫度變化對鋼結構的影響非常明顯。比如,當溫度在250 ℃左右,鋼材會出現被稱為“藍脆”的現象,此時拉力強度增加,但韌度降低;當溫度升至350 ℃,其強度降低1/3;當溫度升至500 ℃,強度下降1/2;當溫度升至600 ℃時,強度會下降2/3。此外,溫度的提升也會引起物理屬性的變化,例如受熱膨脹可能導致鋼結構扭曲、變形等塑性形變,這些變化常常很難得到復原。具體數據見表1。

相應地,內部晶體結構對溫度調整反應強烈的鋼質結構建筑,其負載能力一般會在溫度范圍450 ℃～650 ℃中消失。表2已經詳細列出了相關的數據。

表2 標準工字鋼梁耐火測試結果

利用防火材質可以顯著增強鋼質結構的穩定性。一旦鋼筋混凝土建筑物著火時,含水量對其性能有一定的影響。當火災溫度升至150 ℃時,混凝土會失去其自由水分,這會導致它的強度提高;然而,當火災溫度達到300 ℃以上時,混凝土的強度就會慢慢減少。詳細數據參見表3。

表3 鋼筋混凝土的溫度與強度變化對照表

2.2 大跨度建筑火災發展規律

建筑火災在發展過程中大致可以分為初期、發展、猛烈和下降四個階段,熱釋放率(kW)和時間(t)顯示出二次方正比的關系,也就是說Q=at2。一旦火災進入到猛烈的階段,熱釋放率由空氣中的氧氣、通風速度、可燃物的供給等要素制約,時間因素對其影響減小,可以維持到可燃物完全燃燒完畢,即Q=常數。當所有可燃物已經完全燃盡后,會出現迅速衰退的狀況,直至火焰完全被熄滅。火災的發展受到內部空間結構、建筑物材料、煙氣排放效率等因素影響時,系數a值越大,火災的發展階段就會越短[7]。火焰在激烈階段燃燒的時間越久且火勢越強烈,建筑物塌陷的風險就越高。此外,空氣的流動程度、建筑的構造以及火災的荷載也是影響火災蔓延的因素。在火災的發展過程中,火場核心區的火焰溫度能夠達到300 ℃～800 ℃,而在最猛烈的火勢階段,核心火焰的最高溫度可以達到3 000 ℃。

2.3 大跨度建筑火災坍塌規律

大型建筑的物理隔斷較少,空氣暢通無阻,內部空間高而大,可燃物品眾多,為火災迅速擴散供應了充足的氧氣。由于大跨度建筑內的空氣對流效應強烈,熱輻射強度明顯,所以,一旦起火,火勢通常影響面積廣泛,難以局限在固定區域范圍內[8]。以火災產生能量的角度來看,在火災的初始階段,單位時間內產生的熱量相對較小,這時,使用普通滅火方法可以有效控制災情發展,從而達到轉移火災熱能的目的。但是到了火災進一步發展和擴散階段,單位時間內的能量釋放量增高,火勢強烈,熱能積攢,常規滅火方法無法承受熱能轉移,導致鋼構建筑迅速失去承重能力,之后可能會導致建筑物的倒塌。

3 大跨度建筑坍塌破壞的原因

3.1 高溫作用的影響

在火災的環境中,建筑結構表面會立即碳化,對其承載斷面造成一定影響。熱量使鋼構件出現塑性形變,內部熱分解使其3CaO·SiO2轉變得松散,由于熱量的影響在主要的負載部位失去預加應力,最終導致其抵抗拉力和壓力的能力下降[9]。此外,由于熱量的影響,鋼筋混凝土建筑的防護出現剝落,鋼筋和混凝土甚至發生分離,這些因素都會使得部分結構的承載力下降。如2001年5月12日我國臺北科技園發生火災,火場高溫使鋼梁發生變形,特別是一些密閉性較好的大跨度鋼結構廠房,著火后室內蓄熱較快,受高溫影響,受熱的鋼構件極易變形倒塌,甚至導致整體建筑倒塌。

3.2 冷熱驟變的影響

在大跨度建筑發生火災時,建筑結構材料在高溫下會受熱膨脹,而在水槍射流的沖擊下,結構件在迅速冷卻后又會突然收縮,這會使其受沖擊韌性大幅下滑。特別是鋼結構部分在高溫作用下對其迅速冷卻,極易發生明顯形狀改變,從而導致了鋼結構失去其靜態的平衡和穩定,從而會使其扭曲變形,最終可能導致部分或整個建筑物坍塌。

3.3 應力關系的影響

對于鋼結構大跨度建筑,它的應力關聯性極為關鍵,如大跨度鋼屋頂、網狀構造等。在發生火災的狀況下,若是部分建筑因高溫產生變形,其與相鄰鋼構造物的應力關系就會被破壞,可能引發局部變形或整體建筑的擴張倒塌[10]。2003年4月5日,山東青島正大有限公司食品廠大跨度建筑發生火災。火勢迅猛,熾烈的火焰燃燒,最終導致廠房的鋼構造和超過7 000 m2的鐵皮屋頂全部倒塌。

3.4 荷載過大的影響

大跨度建筑著火時,由于建筑上部構件坍塌后壓住下面的樓層,或撲救火災時因大量射水不能及時排出等因素,局部荷載加大導致建筑倒塌,當荷載超過建筑構件的設計承載能力時,梁、柱、墻等承重鋼構件因失去支撐和承載能力,再加上火場高溫作用對構件的影響,會使發生火災的鋼構件發生局部或整體倒塌。

4 大跨度建筑滅火救援對策

4.1 堅持救人第一,積極搶救人命

在大跨度建筑發生火災時,要堅持“救人第一、科學施救”的作戰原則,制定出針對性的救援方案,積極展開被困遇險人員的疏散搶救工作。詳細詢問知情人是否有被困人員,一旦確認有人員被火勢圍困,只要有進攻通道能夠進入現場,就應立即組織精干力量成立內攻搜救小組,進入內部進行救援[11]。同時,也要積極阻止火勢的進一步擴大,以降低對被困人員的危害。如果有人員被火勢圍困,當火勢無法被立即撲滅時,將會增加被困人員的傷亡風險,在這樣的情況下,如果救援人員無法進入內部救人,指揮員應立即組織精干力量來投入到救援和滅火的戰斗中,同時開辟救生通道,以便為滅火救援創造條件。然而,如果火災撲救任務并不艱巨,救援力量充足,指揮員可以根據現場情況,一邊組織力量進行疏散救人,同時迅速調集其他的力量進行火災撲救。

4.2 加強冷卻,防止結構坍塌

在大跨度建筑發生火災時,我們必須確保其承重結構得到冷卻防護,以免其因受熱變形而坍塌。因此,我們需要及時組織救援力量,快速撲滅柱、梁等承重結構或其周圍的火勢,并持續對其進行射水冷卻。那些受到火勢威脅嚴重,或者處在火勢蔓延途徑上的承重結構,同樣需要進行冷卻防護。同時,對那些因受火勢威脅輻射熱強的周圍柱、梁等承重鋼構件,以及彩鋼板頂棚產生大量熱量影響的區域,也必須進行充分冷卻保護。使用大流量移動消防水炮或者大口徑水槍,對受到火勢威脅的鋼梁、鋼構架,以及彩鋼板屋頂射水冷卻。若著火建筑高度較大,我們可以通過架設消防梯,或利用地形地物登高對著火建筑進行冷卻保護[12]。利用舉高消防車臂架炮或水罐消防車上的車載炮,在外部向著火建筑物內的鋼結構、彩鋼板屋頂或者墻體射水冷卻降溫。

4.3 實施排煙散熱,降低煙熱強度

在大跨度建筑火災的滅火救援過程中,增強通風排煙和散熱是確保內部進攻和作戰行動安全的關鍵環節。發生火災初始階段,消防人員要首先充分利用建筑內部的固定排煙風機進行排煙。水槍架設到位后,要開啟上風或者側上風方向靠外墻的窗戶,加強室內通風排煙散熱,必要時利用移動排煙裝備排煙,如正負壓排煙機、排煙消防車等進行排煙散熱。全面開啟下風向和側下風向的所有門、窗戶、天窗或采光窗,以實現自然排煙和散熱。若無外窗,可以拆除下風向和側下風向的彩鋼板外墻加以排煙,必要時也可在上風向的彩鋼板墻上開啟進風口,建立風循環,以加快排煙和散熱的速度。

4.4 采取有效戰術,及時控制火勢

對于大跨度建筑火災的撲救,要快速確立作戰行動路線,以內部滅火為主,同時兼顧內攻滅火和防御措施結合,室內外同時進攻的作戰措施,從而有效遏制火勢蔓延擴大。初期火災時,內攻滅火小組深入火場內部進行近距離滅火,并阻止火勢進一步擴大。火勢處于發展階段時,在火勢蔓延的方向阻止火勢,以及利用下風或側風位置部署防御力量[13]。內部空間大、起火部位較高時,可在室內架設消防梯登高滅火。火場燃燒面積較大時,要劃分作戰區域由外向內推進,逐片消滅火勢。在建筑的外側,依托門、窗出入口設置水槍陣地消滅火災。在需要的情況下,要盡量架設消防梯、利用建筑物外部樓梯或其他平臺進行登高滅火[14]。在外部,盡可能利用消防車車載炮、遙控移動炮、大口徑水槍及舉高消防車臂架炮在外部控制火勢。

4.5 堅持固移結合、合理組織供水

撲救大跨度建筑火災,滅火和冷卻作用對建筑結構的影響很大。為此,我們必須確保消防供水系統的正常運行,如果特別緊急情況下,可以適當降低次要陣地的供水,全力以赴保證主戰區陣地的供水需求,以達到火災撲救所需的水量與水壓[15]。火災初始階段,需立即開啟消防泵或噴淋泵,對建筑室內管網進行補充供水。待消防車到達現場后,可以通過水泵接合器,向室內管網供水,同時直接使用室內消防栓撲滅火勢。消防車停靠在單位內部消火栓、消防水池、市政消火栓,組織直接供水或接力供水。調集大噸位水罐消防車直接出水滅火,或組織接力供水、運水供水,根據滅火救援需要,可以使用手臺機動泵提供水源供水。根據火災現場實際需求,組織市政環衛灑水車等社會力量進行運水供水。

5 結語

在火災撲救中,如廠房、倉庫等大跨度建筑的倒塌幾率大,遠超過其他類型的建筑。倒塌的大多數是鋼筋混凝土和鋼結構建筑,常見的情況是局部坍塌或全部倒塌,甚至會造成大量人員的傷亡。此外,這些倒塌的大跨度建筑存在的問題往往與消防設計不規范、管理不合規定或擅自改變使用性質等因素有關,大跨度建筑火災滅火救援日益成為一個亟待解決的問題。因此,消防部門應對此進行深入研究,并總結此類建筑火災的特點和坍塌規律,制定相應的處置對策和戰術措施,全面提升消防人員處置大跨度建筑火災的實戰能力。