火災中建筑物倒塌的對策研究

摘 要:隨著社會經濟的快速發展，建筑物數量的急劇增多，用途不斷地擴展，建筑倒塌事故也日益頻繁，給承擔火災撲救和搶險救援工作的公安消防部隊帶來了極大的挑戰，因此加強對此類災害事故的研究，有效預測和預防火災中建筑倒塌事故的發生和發展，最大限度的減少火災損失和人員傷亡，已是當前消防部隊面臨的一個新的、重要的課題。

關鍵詞:火災 建筑倒塌 預防 對策

中圖分類號:X932文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)12(b)-0031-03

建筑倒塌作為火災的次生災害之一，破壞性性強，災害損失極大，對現場搶救人員的人生安全構成嚴重威脅，美國“9.11”事件和衡陽“11.3”大火給人們留下了深刻的記憶，消防隊員更是付出了慘痛的代價。統計資料也顯示:近幾年來，全國每年有400多起建筑倒塌事故發生，所以加強對火災中建筑物跨塌的研究與探討，積極研究一些行之有效的預測與預防措施，是當前消防部隊滅火救援工作面臨新的、重要而又迫在眉睫的問題。

1 火災中建筑構件的耐火性能分析

1.1 建筑構件的耐火極限和建筑物的耐火等級

1.1.1 耐火極限的定義

專門機構在特定條件下對建筑構件按時間-溫度標準曲線進行耐火實驗，從受到火的作用時起，到失去支持能力或完整性被破壞或失去隔火作用時為止的這段時間。

1.1.2 耐火等級的概念

建筑物的耐火等級是由組成建筑物的梁、板、柱等主要建筑構件的燃燒性能和耐火極限決定的，并以樓板的耐火極限將建筑物的耐火等級劃分為四級，如:二級耐火等級樓板的耐火極限是1小時。

建筑構件的耐火極限與建筑物的耐火等級，它不僅是一個建筑設計概念，也不僅是一個建筑消防審核概念，更應該是一個重要的滅火戰術概念。這也是我們目前在火災中判定建筑物發生火災倒塌的唯一能夠參考的定量標準。

如圖1所示。

1.2 幾種主要建筑構件的耐火性能分析

1.2.1 鋼筋在高溫條件下的性能分析

高溫下鋼筋軟化及內部金相結構發生變化，鋼筋的強度隨著受火場溫度的升高而降低、彈性模量降低、塑性增強產生蠕變、導熱系數減小。經火災實驗結果表明:鋼筋在500℃高溫作用下其屈服強度約為常溫的50%，導熱系數減小為常溫的52%，鋼材的導熱系數大是造成鋼結構在火災條件下極易破壞的主要原因之一。此外，在高溫作用下鋼筋表面脫碳而形成脫碳層，導致含碳量下降，隨著鋼筋內珠光體的減低使強度減低。

如圖2所示。

1.2.２ 火災中混凝土主要力學性能分析

混凝土是一種復合材料，是由骨料和填料所組成。這些材料在高溫受熱之后物

理力學性能發生變化，導致構件混凝土產生裂紋，使填質料與填料之間的粘結強度降低，從而抗壓強度下降、彈性模量降低、導熱系數減小、比熱增大。從混凝土內部結構看，高溫條件下，水泥石組料熱膨脹，CH晶型缺損、破碎，產生微裂縫，結構變得非常松散，導致混凝土強度降低。此外，消防水驟射到高溫混凝土表面，從中游離的氧化鈣遇水發生熟化而迅速膨脹，使受熱表層發生爆裂現象，造成結構產生嚴重破壞。

如圖3所示。

1.2.3 火災中鋼筋混凝土主要構件力學指性能分析

鋼筋混凝土構件集中了鋼筋的抗拉和彈性、混凝土的抗壓和剛性等優良特性，而且二者具有很好的粘結力，火災中鋼筋與混凝土粘結力的急劇降低是鋼筋混凝土構件破壞的重要原因。建筑物的耐火能力主要取決于建筑構件中的梁、板、柱的耐火極限。建筑的荷載設計是:建筑荷載通過梁、樓板等平面承重構件傳遞給承重墻柱等垂直承重構件再傳遞給基礎，形成簡支結構，火災中任何一部分失去承載力都可能造成建筑物的整體或局部倒塌。其結構形式如圖所示。

1.2.3.1 梁板:梁板是受彎承重構件，擾曲率發生突變是失去承載力的象征

火災中，高溫引起鋼筋和混凝土的熱膨脹和高溫徐變，混凝土和鋼筋強度下降，再加之二者的受熱性能的差異，導致構件產生豎向和橫向裂紋，也會致使構件表面龜裂，最終導致構件受壓區混凝土局部壓碎、受壓區混凝土大裂縫和鋼筋拉斷等破壞特征。火災實驗表明:簡支鋼筋混凝土梁、樓板和預應力鋼筋混凝土樓板跨中總撓度值分別達到構件計算長度的五十分之一、三十分之一和十分之一，表明構件失去支持能力。

1.2.3.2 柱:柱是受壓承重構件

實驗表明:柱在臨界破壞荷載作用下，柱中四周出現明顯縱向裂縫，縱向鋼筋發生屈服，向外凸出，混凝土被壓碎而整個柱破壞。而火災中，由于混凝土保護層在高溫熱力作用下發生爆裂現象，致使鋼筋直接暴露在火災中，使柱的抗壓性能急劇降低，這是柱結構在火災條件下失去承載能力的最直接原因。

1.2.3.3 “強梁弱柱”現象

鋼筋混凝土結構中，由于梁是簡支受彎構件，薄弱部位在跨中，兩端形成在板和柱的保護作用下形成加強區;而柱為受壓構件，在火災條件下兩端受拉，因此在梁、柱交接的節點處形成薄弱區，從而在火災中存在“強梁弱柱”現象，即節點處的柱先于梁破壞。

2 火災中建筑倒塌的特點

2.1 具有突發性，人員疏散困難

建筑物在較長時間的烈火烘烤下，發生倒塌前會出現一些征兆，但在火災條件下，前期征兆一般難以察覺。再加之一些難以預料的因素，建筑可能隨時遭到破壞而發生倒塌，且具有突然性，往往在短時間內易造成大量人員被困，逃生難度極大。

2.2 具有極強的破壞性，易誘發次生災害

建筑倒塌是整體性的，極易造成建筑內部水、電、氣管道、機器設備、辦公用品等設施損壞，同時由于倒塌時巨大的震動，可能影響周邊不穩定建筑的倒塌，誘發次生災害。特別是周圍有易燃易爆場所時，極易引發有毒有害物質泄漏、燃燒、爆炸等嚴重事故，后果難以預料。

2.3 人員傷亡重，社會影響大

建筑一旦發生倒塌，其樓梯等逃生設施一般損壞非常嚴重，內部生存空間小，人員無路可逃，傷亡必然十分慘重，造成的社會負面影響極大。“9.11”事件造成3000多人死亡，使全世界震驚。

2.4 救援人員撤離困難

如果滅火救援戰術措施運用不當，在發生倒塌征兆和警報時，在建筑物內的滅火救援人員根本無法在較短的時間內撤離，同時由于撤離的空間和渠道有限，更增加了及時撤離的難度。2003年11月3日，湖南衡陽衡州大廈大火中，指揮員在第二次戰斗展開前已設立了安全觀察員，約定了撤離信號，但還是致使20名消防隊員犧牲。

3 火災中建筑物倒塌的預測

建筑物在火災作用下發生倒塌，是一個必然的過程，是一個完整建筑遭破壞的過程，更難以實施前期控制，就目前技術來說，還很難對建筑物的火災倒塌做出準確的預測。但并不是不可預測的。任何事物由一種形態發展到另一種形態，必然經歷一個量變到質變過程，火災中建筑物倒塌也應該是有規律可循的。因此，認真研究火災中建筑物倒塌的成因，掌握倒塌的一般規律，在滅火和搶險救援中有針對性地采取一些預防和應對措施，對于減人員傷亡、降低火災損失具有重要意義。筆者就如何應用中醫“望”、“聞”、“問”、“切”基本理論預測火災中建筑倒塌事故談一點不成熟的看法，與大家共同探討。

3.1 望，即看有沒有異常變化、變形

由于火場情況千變萬化，引起建筑物倒塌的因素很多，原因錯綜復雜，要對建筑火災倒塌作出預測，必須“眼觀六路”。倒塌這一現象和其他事物一樣，在發生之前，總有一些跡象可找，有一定征兆可察，如:鋼結構彎曲、門窗變形卡死;墻體砌筑砂漿會因火災高溫而失去粘結力粉化脫落使砌體產生縱向裂縫;梁跨中混凝土保護層出現裂縫、鋼筋外露、撓度增大;柱兩端混凝土保護層爆裂、鋼筋屈服向外凸出、扭曲變形;樓板呈“鍋底”形狀下沉等等。只要我們多加觀察，認真分析，不難從中找到一些規律性，掌握火災中建筑倒塌預測的第一手資料。

3.2 聞，即聽有沒有異常聲音

火災條件下，由于大量煙霧的存在，僅僅靠“眼觀六路”是遠遠不夠的，還必須做到“耳聽八方”。一是要特別留意滅火過程中“劈劈啪啪”的聲響，火災初期混凝土保護層在高溫作用下會產生“爆裂”現象，使鋼筋外露，直接過火燃燒，此外，梁、板跨中危險部位混凝土在冷熱水流沖擊下可能被拉裂導致結構破壞;二是要特別注意火災現場的異常響聲，室內煤氣爆炸震動、建筑物內自來水管道爆裂、附屬建筑物及建筑構件的倒塌等等，這些都極有可能對建筑主體結構造成影響。盡管火場情況復雜、瞬息萬變，但在倒塌這一現象出現前總有一定的征兆，哪怕是這種征兆發生在倒塌前幾秒鐘，只要細心觀察，還是可以發現的，它是火災中建筑倒塌預測的最直接、有效手段。

3.3 問，即現場詢情，全面掌握起火建筑物的基本情況

孫子兵法有云:知己知彼，百戰不殆。火場如戰場，要準確預測火災中建筑倒塌就必須對火場情況了然于胸，即通過詢問、訊問、偵察等手段向現場當事人、業主和有關工程技術人員詳細了解火災中建筑屋的有關情況:一是建筑物的結構類型和耐火等級，通過了解火災中建筑物主要承重構件是不是直接受到火燒，直接火燒的持續時間是否接近與到達了構件的耐火極限最低標準時間，來判斷建筑物倒塌的時間極限和危險程度;二是火災荷載，火災荷載大，火場溫度高，對建筑結構的破壞就大，倒塌機率高。經驗認為:一般物質體積超過建筑容積的三分之一，建筑耐火等級在二級以下，發生火災后燃燒時間較長時，火場指揮員就應當考慮房屋倒塌的可能性和帶給現場滅火人員的危險性。特別是商場、市場和物資倉庫發生火災后，火災條件下發生倒塌的可能性較大，且極易造成重大人員傷亡和財產損失;三是起火燃燒時間和使用功能、性質。到場后，必須了解起火時間，從而判斷該建筑物在火中已經燃燒的時間，并從現場撲救力量和火勢大小估計控制火勢的時間，同時要特別注意火災中的商住樓，在燃燒時間長、滅火水漬重的情況下，只要局部受損，就有可能造成大面積的坍塌。

3.4 切:即“測”，用高科技測量儀器測定火災中建筑主要承重構件的技術參數，科學推斷建筑物倒塌時間極限

即利用紅外線測溫儀測定建筑物內火場中心溫度;利用機械力學、光學、電學或紅外線測量儀器測量梁、板跨中的撓度和裂縫寬度以及承重柱薄弱截面的壓應變，充分掌握第一手資料。然后根據建筑構件的耐火極限和結構特性參數(如:鋼結構失去平衡穩定性的臨界溫度是500攝氏度，800-1000攝氏度火災條件下，無保護鋼材耐火極限為15分鐘;火場溫度超過1000攝氏度時，受彎構件(梁、板)可能因撓度值超過五十分之一而導致建筑物倒塌)，科學推定建筑物倒塌時間極限，為推定戰術轉移時間提供科學依據。

4 火災中建筑物倒塌的預防

火災中建筑倒塌的根本原因為承重構件在火災作用下超過其耐火極限失去承載力而破壞。所以，要有效預防火災中建筑物倒塌，可以采取積極和消極兩種預防策略，積極預防即加強建筑結構本身耐火極限，提高建筑物耐火等級;消極預防即最大限度減小火災高溫對建筑結構的破壞。

4.1 積極預防，從源頭上預防建筑物倒塌事故的發生

據有關資料表明，世貿大樓就是因內部鋼梁上的防火物質在悶燒的情況下被破壞，導致失去支撐能力而倒塌;湖南衡州大廈原因是因為施工中使用不合格建筑材料。因此，提前采取積極有效手段，嚴把建筑消防設計審核關，提高建筑構件的耐火極限和建筑物耐火等級，從源頭上杜絕建筑倒塌“先天”隱患，這是預防火災中建筑倒塌事故最可取的方法。

4.1.1 嚴格審核，把好源頭關

建筑物的耐火等級取決于構件的耐火極限，要提高建筑物的耐火性能，就必須采取科學的方法提高其結構構件的耐火極限。如:采用噴涂、包敷、水淋等技術手段對鋼結構進行科學防火保護，提高其耐火極限，從而達到建筑物的耐火等級和人員疏散要求;對鋼筋混泥土結構，應采用高標號水泥和一級鋼筋，同時加大混泥土保護層厚度，梁、柱不小于40毫米，板不小于30毫米，在結構設計時應考慮消防撲救水漬荷載，盡量不使用裝配式結構和預應力構件，提高其耐火性能和承載能力。

4.1.2 加強施工過程中的消防監理

由于建筑結構施工多為隱蔽工程，消防部門在施工過程中進行1—2次檢查的很難形成監管力度，最行之有效的方法就是將建筑消防部分納入施工監理范圍，實行全日制、全過程的消防監理，確保按圖施工。這樣才能避免“11·3”火災“豆腐渣”工程的出現。目前這一做法已在上海、南京等地推行。

4.1.3 審驗分離，嚴把驗收關

驗收過程中，消防部門一定要嚴防以下幾種“先天”隱患的發生:一是擅自改變建筑物的使用功能和性質;二是私自拆除建筑物部分承重結構;三是使用大面積可燃裝修材料。這幾種違法行為無形增加建筑物的安全隱患，增加了火災中建筑物的倒塌的可能性和突然性，使其更難以預測和預防。

4.2 正確運用滅火戰術，科學處理進攻與防御，有效減小消防射水對建筑結構的影響

在滅火救援過程中，消防水漬會增加結構設計荷載，同時建筑承重構件在受到加熱冷卻交替沖擊下，極易造成失去穩定性而破壞;此外建筑構件中水泥等水硬性凝膠材料在火災作用下，水泥石發生不可逆的粉化過程，水的加入會增強水泥構件粉化砂粒的自重與粉化沙粒的流動性，使構件的破壞進程加快，導致建筑構件加速承載等設計能力的喪失，引發倒塌的發生。因此，合理運用戰術、科學進攻、有效減少消防射水對結構的影響是預防火災中建筑物倒塌的最實用有效方法。

4.2.1 科學制定滅火戰術，合理進攻與防御

在建筑火災的滅火救援中，在建筑物可能倒塌之前的第一階段，應采取集中兵力滅火救人的內攻為主的主動進攻的整體戰術。而一旦進入有倒塌危險的第二階段，就應該采取“外部多點滅火，內部重點突破”的戰術，按照“少而精、準而快”的指導思想，選擇素質好、業務精、經驗豐富的人員，重點撲救承重結構火點，對高溫焙烤可能變形的承重結構進行冷卻;優先撲救承重結構附近的大火，其次是外墻附近的大火，然后是橫向平面線性結構下面的大火。確保承重構件火燒時間短，受熱量少，以最大限度減小建筑物出現結構性倒塌的危險。

4.2.2 正確選擇水槍陣地，嚴格控制水槍射流方向和著點部位

在選擇水槍陣地時，要嚴格遵循“便于觀察、便于射水、便于轉移”的原則，同時要“有利于進攻、有利于撤退、有利于安全”。要以堅固的結構為依托或屏障，如門、窗口外側、樓梯口平臺、陽臺等，嚴禁在柱、梁、非承重墻、屋頂等下面設置水槍陣地。要嚴格控制水槍射流的方向和著點部位，水流盡量避免落在高溫的磚石、混凝土或鋼筋混凝土結構表面，防止突然的冷卻造成結構表面因收縮開裂，表皮剝落，造成鋼筋混凝土結構的保護層破壞，使鋼筋直接暴露火中而失去強度，使整個結構破壞。

4.2.3 正確運用水槍射流，防止水漬增加建筑荷載

建筑火災滅火過程中盡量使用多功能輕質材料新型水槍，根據需要合理選擇射流方式。如:根據燃燒的物質和部位控制水槍的射流和著點，對不燃結構不要過多射水，以免造成大量積水，增加荷載，加速破壞;注意避免對梁、樓板直接噴水冷卻，盡可能采用開花或噴霧水流降溫，冷卻時要均勻、全面，防止局部溫升過高加重對建筑構件的破壞;對樓板以上吸水性強的物資要嚴格控制滅火用水量，同時應注意對水漬疏通，防止積水增加樓板荷載而垮塌。

4.2.4 科學推定戰術轉移時間，確保救援人員安全

要根據建筑物耐火等級科學推定建筑倒塌的極限時間，合理推定戰術轉移的時間，滅火救援過程中應加強對一線指戰員的監護，最大限度的確保消防指戰員的自身安全。

參考文獻

[1]建筑防火設計原理．中國人民公安大學出版社，1997.

[2]孫訓方，關來泰編.材料力學．高等教育出版社.

[3]李家寶編.結構力學．高等教育出版社.

[4]同濟大學主編.混泥土結構．中國建筑工業出版社.

[5]清華大學主編.鋼結構．中國工業大學出版社.

①作者簡介:徐洪錦，男，漢族，生于1979年4月，1999年12月入黨，2002年7月畢業于昆明理工大學建筑工程專業獲工學學士，同年應征入伍，2007年獲南開大學民商法學碩士，現服役于中國人民武裝部警察部隊云南消防總隊。