建筑火災倒塌事故救援過程風險分析

成錫平，雷思聰，張 鵬

(1.揚州市公安消防支隊，江蘇 揚州 225000； 2.武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

0 引言

進入21世紀以來，災害事故、恐怖活動等造成建筑倒塌的現象逐漸增多，如湖南衡陽“11·3”大火和美國“9·11”事件造成的建筑倒塌都帶來了巨大的人員傷亡和財產損失[1]。同時《中華人民共和國消防法》賦予消防部隊防止和控制火災發生，減少災害帶來的經濟建設、公共財產以及人民生命財產安全方面的損失的任務，而建筑倒塌事故救援技術難度大，救援危險性高，急需對建筑倒塌救援過程進行風險分析。

近年來，建筑結構隨著經濟的迅速發展而愈發復雜，多樣化的建筑結構給消防部隊的滅火救援工作帶來了巨大挑戰。建筑倒塌是建筑火災帶來的次生災害之一，也是在救援過程中，對消防官兵們危險性最高的災害。如，在2015年哈爾濱陶瓷市場大火中，11層的建筑整體倒塌，瞬間就致使5名消防戰士犧牲，11人身負重傷；2008年上海塑料包裝廠的廠房倒塌，令3名年輕的消防戰士英勇犧牲。在USFA(美國聯邦應急管理署消防管理局)的統計數據中，建筑火災倒塌事故中犧牲的消防員已經達到了20世紀80年代的3倍[2]。建筑結構因為火災的發生而變得危險重重，但有時因為救援需要，消防員必須采取內攻才能完成任務，此時救援過程中全程進行風險評估至關重要。

由于火災、地震等引起的建筑倒塌事故頻發，引起了人們的高度關注，國內外學者對此類事故的研究也逐步加深。國內，消防部門和相關行業的學者對建筑倒塌事故的誘因和處置對策做了詳盡的分析，侯健等指出掌握建筑材料、結構在高溫下的性能變化是消防員規避建筑倒塌風險的關鍵[3]；李耀莊等分析火災荷載下的建筑倒塌，總結出建筑防火設計和消防滅火方法這兩個主要方向[4]。國外，2002年馬德里高層建筑起火，造成大規模鋼結構倒塌，美國學者Jason針對高層建筑火災的研究表明，要確保在消防員進入室內救援前進行切實可靠的風險評估[2]。

目前救援過程中對于建筑倒塌的風險評估，主要依靠的是建筑結構及風險評估專家根據現場破壞程度、設計合理程度等直觀信息賦以自身所具備的專業知識，從而得出分析結果。這種方法所得出的結果有一定參考價值，但仍有需改善之處。大多專家并不具備現場救援能力，且專家到場時間較消防救援隊伍晚，在有人員被困等緊急情況下，現實情況使救援人員無法等待專家到場再展開操作，因此對建筑倒塌救援風險評估就是保障被困人員和救援人員安全的關鍵。本文基于火災時建筑結構的力學效應及建筑火災風險評估基本知識，對建筑救援過程進行風險分析，力求能為保障救援人員安全、提高救援效率提供建議。

1 建筑火災救援中的問題分析

1.1 建筑火災發生倒塌的原因分析

1.1.1 高溫作用

建筑火災使建筑物長時間處于高溫環境甚至直接處在火災烘烤下，過高的溫度使木質結構發生炭化，使承載斷面值縮小，當剩余截面不能承受荷載時，就容易發生倒塌；鋼材在500 ℃高溫下烘烤15～20 min就易發生塑性形變，鋼結構廠房等在這樣的條件下就容易發生倒塌；磚混結構雖剛性較高，整體結構不易倒塌，但建筑易出現裂縫，在高溫下，局部結構墜落容易發生，增加救援人員的風險；而鋼筋混凝土結構，耐火性能較好，使用范圍廣，但事故率最高，超過200 ℃其整體性能就會下降45%左右[5]。救援人員往往因為缺乏不同建筑結構在不同溫度情況下的耐火時間的知識，從而無法準確判斷風險概率，導致事故的發生。

1.1.2 火災荷載

火災荷載是建筑物容積所有可燃物由于燃燒而釋放出的總能量，直接決定著火災持續時間的長短和室內溫度的變化情況。火災荷載和火災嚴重程度之間的關系非常明顯，火災荷載越大，燃燒就越猛烈，釋放能量也越多，從而導致室內溫度急劇升高，當達到建筑物的耐火極限時，就極易發生建筑物倒塌。

著火空間不同，火災形勢會有較大的變化，而通過分析火災荷載密度，就能較好地掌握火災發展過程和火災荷載數據[6]。火災荷載密度計算公式為：

式中，Mi為第i種可燃物質量；qri為每公斤材料所含熱量；mi是描述第i種材料燃燒行為的因子；φi為材料在被保護火災荷載時的估算系數；A為防火分區水平地面面積，通常mi和φi取1。

通過火災荷載密度，可以了解火災危險性，也可以推算出火災持續時間，從而結合不同結構建筑耐火極限，進行風險分析。火災持續時間的計算：首先計算可燃物總發熱量Qr，其次由燃燒型支配因子x得出可燃物每秒的平均發熱量qb，最后通過Qr和qb得出燃燒時間tf，計算式如下：

1.1.3 爆炸

建筑物多為密閉場所且存儲物質復雜，一旦發生火災，就會使可燃物、氧化劑與著火源相結合，使物質發生化學反應，產生升溫、體積膨脹等現象，最終致使化學爆炸的發生。同時，建筑物內部的液化氣罐及管道等也易因燃燒而爆炸。爆炸產生的沖擊波使建筑結構發生形變，使承重構件失去承載能力而引發建筑物倒塌。

1.1.4 外力影響

在建筑火災的救援過程中，需要對建筑物進行大量射水，當上層滅火積水不能及時排出并且建筑物內易吸水物質大量吸水時，就會使建筑物負載大大增大。同時，燃燒中的建筑物表面溫度極高，當水源打在溫度過高的鋼筋以及磚石結構上時，因為冷卻不均，會導致物體表面快速收縮，出現脫落、變形等現象，最終導致結構性破壞，發生碎裂[7]。無論是負載增大，抑或突然冷卻，都使建筑物倒塌的風險增大。

1.1.5 建筑物質量

在建筑物倒塌后的戰評總結以及火災調研過程中，總能發現建筑物本身存在的各種各樣的問題。如：有廠家違規增加建筑物層數，增大負載；有違背建筑防火設計規范，不按規定儲存可燃物質和設置防火等級；有違規隨意拆動建筑構件，致使建筑物整體質量大幅度下滑等[8]。這些都是在滅火救援過程中給救援人員帶來風險的因素，再精確的預判和計算也是建立在原始數據正確的基礎上的，如果最根本的數據和材料都發生了變化，無疑會使風險和隱患極大增加。

1.2 消防部隊建筑火災倒塌造成事故的原因分析

1.2.1 缺乏救援過程風險評估

消防人員往往一到達現場就立刻展開滅火救援，但火災中的建筑，很可能會瞬間倒塌，從而造成消防員的傷亡。為了防止此類事故，作為指揮員，需要運用專業知識和豐富的經驗對建筑物進行風險評估，才能保證作戰命令的可靠性。建筑火災救援的展開，依據的不是報警人的只言片語，指揮員需要對現場進行細致評估，如過火面積、建筑結構、毗鄰建筑等都是評估的依據。可靠的風險評估，才能讓指揮員做出盡可能準確的決定，最大限度地降低建筑火災風險。

1.2.2 自身素質需進一步提高

當前消防官兵綜合素質過硬，資歷較深的指戰員有豐富的救援經驗，但是，多數剛入伍的新兵或者資歷豐富的班長，缺乏專業的消防知識。因此，在建筑火災救援過程中，他們很難自主進行風險評估，同樣也不能很好地規避風險。目前，全國消防部隊都在大力開展實戰化訓練，以建筑火災的實戰化訓練為例，不僅使消防官兵提升了身體素質，更是通過授課、講解、示范等方式，提升了“頭腦素質”。通過救援過程風險評估增強救援人員風險預判能力，用科學和專業技能開展滅火救援戰斗。

2 建筑倒塌救援過程風險評估

2.1 按照救援過程進行風險初步評估

在建筑火災救援過程中，對于火場的初步估計是關鍵。而風險評估必須在危害發生前完成，主要包括建筑本身、外部因素兩方面風險評估[9]。

2.1.1 建筑本身風險評估

一是建筑存在的時間。從我國改革開放至今，房屋的結構發生了翻天覆地的變化，從土房到磚瓦，再到現如今的鋼筋混凝土以及鋼架結構的摩天大樓，建筑的形式多樣，質量標準也隨之提升。但是隨著建成時間的推移，年限較長的建筑，基礎和支撐結構會慢慢損壞，如遇火災很容易發生倒塌。因此房屋的建設時間是風險評估過程中必須考慮的因素。

二是建筑本身質量。現如今常出現建筑本身設計、結構存在較大問題的現象，再加上監理人員責任意識不強，工作監理不到位，建筑質量難以保證，給滅火救援過程造成了非常大的隱患，所以，建筑本身質量是否合格，是風險評估的重要環節。

2.1.2 外部因素評估

一是火災類型及規模。在建筑火災風險分析中考慮火災的類型及規模是風險評估過程中至關重要的因素。燃燒的物質類型、建筑耐火極限及爆炸可能性大小，都是需要指戰員去考慮的因素。

二是滅火救援過程是否規范。在滅火救援過程中，由于經驗不足，還存在著救援過程不規范的情況，例如盲目破拆、過度射水等都會對建筑結構造成沖擊，所以，消防部隊在滅火救援特別是內攻過程中，必須要依據救援過程的規范與否去進行風險評估。

采訪工作是文獻資源建設的起始，它影響著圖書館館藏的數量和質量，以及對讀者需求的滿足程度[1]。當下高速發展的網絡環境為文獻采訪工作的效率提升提供新的契機，但同時也帶來了不可避免的挑戰。信息爆炸式增長的時代，信息量劇增、種類繁多，傳統的圖書采購模式已不能適應信息資源建設的高度發展，為了節約采購成本和時間，達到資源建設的最優化，國內外圖書館紛紛采取聯合采購的資源共建共享模式來扭轉孤軍奮戰、勢單力薄的局勢。

2.2 建筑倒塌的預判

2.2.1 經驗判斷

火場瞬息萬變，可供救援人員進行完備風險評估的時間有限，因此根據個人經驗對火場情況進行判斷，是非常重要的。隨著建筑物受到火災高溫的炙烤，各類建筑構件過火時間延長，會發生不同程度的損毀，內攻人員若發現內部墻體、梁、柱出現裂縫，橫梁出現位移，或者外部安全員發現建筑整體出現傾斜、混凝土墻爆裂時，必須及時進行匯報，情況緊急時，必須立即撤離。滅火救援過程中建筑物變化的每一個細節，都是救援人員評估判斷確保安全的依據，避免出現盲目內攻的情況。

2.2.2 不同建筑結構及耐火時間

按照建筑結構類型的不同，可以分為磚木結構、磚混結構、鋼筋混凝土結構和鋼結構四大類型[10]。(1)磚木結構。磚木結構的承重主要依靠木結構，建造簡單，現多用于農村房屋建造。其耐火時間主要與木材燃燒速度以及荷載斷面有關。當磚木結構處于火災下，木材中的水分迅速蒸發，發生劇烈燃燒，伴隨著炭化、分解現象，木材的荷載斷面不斷縮小，尤其是房屋大梁，一旦縮小到臨界值，就會導致房屋倒塌，給救援人員造成危險。通常磚木結構的建筑耐火極限較短，多處于1 h左右，如果再加上天氣干燥等外部因素，耐火極限還會大大縮短，如2000年河南焦作的音響俱樂部火災，不到半小時木質結構就發生倒塌[11]。因此，磚木結構建筑在設計過程中，一定要加強防火間距和防火分區設置，并且在木材表面涂刷防火涂料，最大可能的保證安全。(2)磚混結構。磚混結構由磚墻或磚柱和屋頂承重構件組成，整體結構耐火時間較長，能達到3 h左右，但建筑在高溫下易出現裂縫，其中樓板坍塌(對于建筑結構破壞，采用倒塌；對于樓板的破壞，此處采用坍塌作為修飾詞)問題是磚混結構建筑內攻最需要注意之處。據統計，耐火等級為一級的建筑，樓板耐火極限也僅僅達到1.5 h，而鋼筋混凝土樓板，半小時高溫烘烤下，其承載能力就會由于預加應力下降，從而導致坍塌。由2014年上海環震包裝制品有限公司火災樓板坍塌造成兩名消防員犧牲的案例可知，磚混結構建筑火災中豎向框架較橫向樓板耐火性能好，整體框架很少出現倒塌的狀況，因此救援人員內攻時要依靠承重構件，以防樓板坍塌發生危險[1]。(3)鋼筋混泥土結構。如今高層建筑及大型公共建筑多采用鋼筋混凝土結構，此結構主要依靠鋼筋與混凝土的粘合力組成。鋼筋混凝土結構的耐火極限一般由鋼筋混凝土構件的截面尺寸大小和保護層厚度來決定的，耐火極限較長，但受到高溫時，鋼筋與混凝土的粘合力會隨溫度的升高而降低，250 ℃時粘合力就會下降超過60%，而在450 ℃時粘合力幾乎完全消失。一般來說，鋼筋混凝土在300～400 ℃整體強度下降，受火面混凝土裂縫加寬，最終導致鋼筋混凝土失去承載能力而被破壞，甚至出現爆裂的現象，造成嚴重的后果。哈爾濱“1·2”火災就是由于高溫致使鋼筋與混凝土的粘合力消失，承重構件出現裂縫，從而導致事故的發生[12]。(4)鋼結構。鋼結構主要承重構件全部采用鋼材制作，由于其自重輕、強度高，因此高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度建筑多采用此種結構。材料火災荷載下的穩定性與導熱系數Ks有關，Ks=52.57-1.541×10-2T-2.155×10-5T2。由于相比較其他材料，鋼材的比熱容系數較大，達到混凝土的50倍，500 ℃就會使鋼結構強度降低，塑性增大，從而失去穩定性，造成整體倒塌。如紐約的世貿中心大樓受到飛機撞擊依然保持穩定，但在烈火的烘烤下分別在62 min和103 min就發生了整體垮塌[13]。該案例說明，鋼結構的耐火極限需要重新認識，在對鋼結構建筑的救援過程中，要對燃燒時間、過火面積、建筑受損情況等進行嚴格的風險評估，慎重內攻，謹防事故發生。

2.2.3 建筑物負載

建筑物的負載在設計之初就是一個既定的值，若超過建筑物本身所能承擔的負載極限，整個建筑物就容易發生倒塌事故。以住宅為例，設計中一般采用恒載(樓板自重需要另外計算)1.5 kN·m-2，活載2 kN·m-2。鋼筋混凝土構件除承受彎矩、軸力、剪力外，還可能承受扭矩的作用，對建筑物負載能力進行計算時必須考慮這些因素。

在滅火救援過程中，由于消防員不斷的射水，在對建筑物冷卻滅火的同時，也在不斷增加負載，并且建筑物中可能存在著極易吸水的物質，導致液體不能及時排出，再加上進入建筑內部人員較多，攜帶器材重，很容易造成超過建筑物負載極限而引發倒塌事故。尤其需要注意的是磚混結構的橫向樓板以及鋼筋混凝土結構中的底層框架結構，這兩種構件最易發生倒塌。因此在滅火救援中，指戰員要合理控制射水量，減少水漬負載，同時控制進入內部人員數量，內攻人員宜精不宜多，要多措并舉，嚴防類似于廣東珠海“6·16”特大火災倒塌事故的發生[14]。

建筑火災現場的風險評估，需要指揮員及每名救援人員在較短時間內完成，提升指揮能力和開展科學訓練，對于規避風險，提高評估能力，具有較為重要的意義。

2.3.1 提升指揮能力

指揮員是滅火救援現場的靈魂，指揮員的好壞，很大程度上決定了救援是否成功。目前消防部隊部分指揮員存在現場指揮能力不足的問題，例如缺乏必要專業知識、心理素質不過關、預判能力不足等。想要成為一名合格的現場指揮員，必須要有過硬的政治素質、心理素質、身體素質，以及統籌能力和良好的官兵關系。

建筑火災救援，雖然面臨著風險，但指揮員不能慌亂，要做到弄清火場情況，例如火災規模、起火位置、建筑結構等，同時做好責任分工，嚴密掌握每名戰斗人員的位置和動態。這就要求指揮員在日常訓練學習中，努力掌握專業知識和能力，與戰友建立良好的協作關系，如此一來，才能在現場指揮中，做到有條不紊、運籌帷幄。

2.3.2 科學組訓

消防部隊日常訓練不能僅局限于身體素質的提高，必須要做到以下幾點：(1)加強重點單位以及轄區的“六熟悉”，在實戰化演練中積累經驗。對轄區重點單位的重要方面，例如建筑結構、平面布局、消防設施等，需要每一名官兵都進行熟悉。在熟悉過程中，指揮員要聯系單位技術人員進行講解，并組織進行實戰化訓練，讓戰士們熟練掌握建筑火災撲救方法，提高對風險的認知及評估能力。(2)加強預案制作，做好明確分工。目前建筑火災救援現場情況較為雜亂，詳細、精準的預案制作是提前要完成的工作。日常的訓練過程中，要嚴格按照預案進行展開，模擬火場進行分工，內攻方案、安全員設置等不能等到現場再去分配，必須提前分工、熟悉、掌握。(3)加強理論知識學習。滅火救援官兵在進入消防部隊前，掌握的專業消防知識與火災救援現場評估所需相差較大，而知識是風險評估的基礎。每名人員都應該加強理論知識的學習，掌握建筑類型、火災荷載、救生方法等消防安全知識，努力提高安全風險評估能力，從而極大地降低建筑火災救援過程中的風險[15]。

3 結語

綜上，在建筑火災中完全避免事故發生或保證消防救援人員的絕對安全難度很大，能夠做的是提前規避各種可能造成建筑倒塌的風險，并從建筑火災中吸取經驗教訓，加強理論知識學習，掌握各類建筑火災的撲救方法及消防器材的性能及操作方法，提高對建筑火災現場的風險評估和現場把控能力，最大限度保障群眾的生命財產和消防救援人員的安全。

參考文獻：

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