火災引發建筑坍塌預防對策探討

●孫文海，朱飛勇

(1．陜西省消防總隊，陜西 西安 710016;2．贛州市消防支隊，江西贛州 341000)

火災引發建筑坍塌有必然規律可循，比如遵循建筑構件的耐火極限原理。但是，在研究建筑坍塌規律時，也發現一些典型建筑火災坍塌時間，遠超出了建筑耐火極限時間，卻始終沒有出現建筑坍塌事故，這除了滅火作戰延遲了建筑坍塌時間以外還有諸多影響因素。

一、典型案例

2000年以來，因火災引發建筑坍塌實例屢見不鮮，頻次逐年升高。例如:2001年6月2日11時5分，北京市西城區綠緣酒樓發生火災。著火建筑為2層鋼結構的餐廳，火災1 h后屋頂全部塌落。2003年11月3日4時40分，湖南省衡陽市衡州大廈發生火災。著火建筑為8層磚混結構的商住樓，火災3．5 h后建筑的西部樓層整體坍塌。2004年12月21日7時許，湖南省常德市橋南市場發生火災。著火建筑為4層鋼筋混凝土框架結構的商業用房，火災5 h后建筑的西南角發生坍塌。2005年11月15日16時30分，吉林省遼源市中心醫院發生火災。著火建筑為4層鋼筋混凝土結構的門診樓，火災引起屋頂坍塌。2014年2月4日10時52分，上海市寶山區上海環震包裝制品有限公司發生火災。著火建筑5、6號樓均為2層混凝土結構的廠房，火災2 h后5號樓坍塌。

二、影響建筑火災坍塌的因素

火災發生后會導致建筑坍塌，建筑坍塌的主要原因是建筑構件受高溫作用后其承載能力降低，因此，影響構件高溫穩定性的因素就是導致建筑坍塌的因素。

(一)建筑內火災荷載與重力荷載

通常情況下，建筑內火災荷載越大，重力荷載越大，燃燒越猛烈，室內溫度越高，越容易達到建筑耐火極限，易引起建筑物坍塌事故。建筑構件所承受的實際重力荷載越大，產生的內力也越大，構件失去承載能力的時間越短。［1］所以耐火性能差，其穩定性也差。

(二)構件的燃燒性能與材料強度

可燃材料構件由于本身發生燃燒，截面積不斷縮小，承載力不斷下降，其穩定性也不斷減弱。因此，可燃材料構件的穩定性不如不燃和難燃材料構件的穩定性好。如木材承重構件的穩定性總是比鋼筋混凝土構件差。構件材料實際測定強度越高，耐火性越好，其穩定性也好。

(三)構件支承條件與截面形狀

連續梁或框架梁的耐火性和穩定性優于簡支梁。柱子長度越大，縱向彎曲作用越明顯，其耐火性和穩定性越差。建筑構件截面尺寸越大，熱量越不易傳到構件內部，耐火性和穩定性越好。同樣截面積的建筑構件，圓形的要比矩形的耐火性能、穩定性能好。同樣為矩形截面，截面周長與截面面積之比大的構件，接受熱量多，內部溫度高，其耐火性能和穩定性能差。矩形截面積小的構件，熱能易損傷內部材料，其耐火性能和穩定性能較差。［2］

(四)表面防護與保護層厚度

構件表面涂有不燃性保護層時，如抹灰、噴涂防火涂料等，增加了構件的耐火性，其穩定性也相應增加。鋼筋的保護層厚度對于梁、樓板等抗拉性鋼筋混凝土結構構件的耐火極限影響非常大。

(五)鋼材品種與配筋方式

不同的鋼材受熱后其強度降低系數不同。強度降低系數越小，鋼構件穩定性越好。普通低合金鋼優于普通碳素鋼，普通碳素鋼優于冷加工鋼，預應力構件最差。［3］對于配筋方式，當截面雙層配筋，或大直徑鋼筋配于中部小直徑鋼筋配于角部時，則里層和中部鋼筋溫度低，強度高，耐火性和穩定性都好。

(六)建筑材料與施工問題

施工過程中出現如下情況，容易提前出現建筑坍塌:一是建筑完工后，盲目事后加層;二是施工中水泥、鋼筋、石灰等材料質量不符合標準;三是施工時搶工期進度，影響了施工質量;四是建筑承重梁柱保護層厚度不達標。

三、著火建筑坍塌的基本規律

(一)構件的耐火極限和材料的高溫力學性能是保障建筑穩固的主要因素

構件耐火極限即構件抵抗火作用的時間。我國對抗火試驗中梁和板的破壞標志規定為:在試驗過程中垮坍或試件的最大撓度超過L/20(mm)，表明試件達到耐火極限(L為構件跨度);柱子在試驗過程中垮坍或軸向變形速率大于H/100(mm)或軸向變形速率大于3H/1 000(mm·min-1)，表明達到耐火極限(H為試件的受火高度)。國際標準化協會(ISO)對抗火試驗中梁、板的破壞標準為:最大撓度超過L/30后，撓度達到或超過L2/(400 d)(mm)，同時撓度變形率達到或超過L2/(9 000 d)(mm·min-1)，表明達到耐火極限(d為拉、壓邊緣間距離)。［4］對于材料的高溫力學性能，普通混凝土構件的抗壓強度，在400℃以內可近似認為不變，700℃時約為常溫時的40%;普通鋼材的屈服強度，在200℃以內可近似認為不變，550℃時約為其常溫時的40%;預應力筋用高強鋼材的屈服強度隨溫度升高將逐漸降低，到400℃時約為常溫時的40%。［5］

(二)著火建筑坍塌時間與建筑結構有直接關系

多起坍塌的火災現場表明:著火建筑坍塌時間與建筑結構有直接關系。大跨度鋼結構建筑通常很難經得住0．5 h的高溫烘烤，而對于無爆炸發生和無先天質量問題的鋼筋混凝土建筑，一般火災持續5 h都不會發生整體坍塌。消防官兵到場后，可以抓住時機組織內攻，隨著內攻冷卻降溫的開始，建筑坍塌的時間逐漸延緩推遲。至于延緩推遲多長時間，這與內攻作戰的冷卻效果有關。應該說，凡是出現坍塌的火災現場，其內攻滅火均存在組織不利和冷卻效果不佳的因素。

(三)北方比南方建筑抗燒，震區比非震區建筑抗塌

我國北方地區的建筑比南方地區的建筑普遍抗燒塌性能強，主要原因是建筑成本、建筑材料、墻體厚度、保護層性能等。震區建筑按防震等級進行設計，其火災抗塌性能明顯增強。［6］2010年12月1日我國新頒布實施的《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)規定對非震區新建建筑也應作防震設計，這將顯著提高建筑火災抗塌性能。

四、建筑火災坍塌事故預防對策

(一)著火建筑坍塌前兆信息獲取

在建筑火災撲救過程中，獲取建筑坍塌前兆信息非常重要。要持續多處測量著火層、著火上層、著火下層、梁柱的溫度，及時研判建筑構件的承載能力和可能坍塌的位置;建筑火災發生一段時間后，由于火災高溫和消防水流不均衡冷卻作用會造成構件材料爆裂進而形成縫隙。現場指揮員要從建筑結構出現縫隙的情況，研判可能出現坍塌的位置，并進行事先防控、重點保護;在建筑火災過程中，會不斷有爆裂聲和吱吱混響聲等聲音的出現，現場指戰員要善于傾聽其變化，及時判斷是否有坍塌現象的出現。［6］另外，在總指揮員綜合分析建筑情況時，要參考墻、梁、樓板的理論耐火極限值，通過綜合分析，確定現場的作戰時間，確定部隊撤離時間，科學有效地完成建筑滅火救援任務。

(二)抓住有利時機組織內攻冷卻滅火

滅火冷卻及時的建筑，其抗塌性明顯增強，一般不易坍塌。在火災撲救初期，要調集精干人員和精良裝備，盡快深入內攻，集中兵力消滅火災。初期內攻的猶豫不決，必將錯失良機，導致后期的騎虎難下。組織內攻時，配齊個人防護裝備，利用熱像儀等設備，第一時間從大量煙霧中找準火點，通過攻堅組梯次進攻的方法，實施斬首行動。即使內攻難以奏效，也要組織水槍、水炮射水冷卻。一是冷卻梁柱，保證承載力不下降，此為防坍塌的關鍵，是首戰人員的首要任務;二是冷卻樓板，防止突破外殼，形成立體燃燒;三是冷卻可燃物，加大水蒸氣濃度，降低建筑內部溫度。另外，要確保火場供水不間斷，以取得內攻冷卻滅火戰斗的成功。

(三)及時做好火場排煙

火場煙霧是火場可燃物受熱分解的產物，它攜帶著熱能四處流竄。撲救著火建筑火災過程中，應將高溫煙霧排到規定的安全區域，降低建筑內的溫度，使建筑構件免受高溫影響，從而推遲或有效的避免建筑坍塌。火場排煙及時，也決定內攻的質量。火災現場存有大量有毒、高溫煙氣，官兵內攻時往往因為視線不好而害怕膽怯，無法在大空間的建筑內找到火點，內攻時只是在某一處盲目射水，內攻達不到成效，耽誤寶貴時間，造成建筑坍塌幾率增加。

(四)發揮現場智囊團的作用

要成立現場智囊團組織，其主要由現場安全員、建筑建設專家、建筑設計專家及相關技術人員組成。安全員一般由經驗豐富的滅火高工擔任，設計專家一般是城市建筑設計院的技術人員，建設專家是指建筑施工監理或從事建筑施工的綜合性技術人員。現場智囊團組織要認真觀察、檢測并收集起火建筑的坍塌征兆信息，分析判斷征兆信息，評估建筑坍塌時間;統一緊急避險信號，適時發布避險信號，全面掌握建筑坍塌的安全工作;提供建筑的圖紙資料，明確建筑內部通道、分割、物資儲存等情況;參與滅火救援指揮部的現場決策。

［1］李耀莊，蘇玲紅，吳小華．火災下工程結構連續性倒塌分析與設計方法探討［J］．災害學，2010，(1)：89-92．

［2］許波，茅艷．影響混凝土構件高溫穩定性的若干因素［J］．混凝土，2003，(12)．

［3］唐義軍，李耀莊，李博．基于隨機有限元可靠度的RC結構抗火設計參數優化方法［J］．火災科學，2005，(1)．

［4］許名鑫，鄭文忠．建筑結構抗火知識及對建筑結構抗火問題的思考［J］．工業建筑，2006，(12)．

［5］于克強，吳永琳．結構抗火研究現狀［J］．山西建筑，2008，(2)．

［6］李俊華．建筑火災坍塌危險性的評估［J］．中國安全生產科學技術，2012，(7)．