基于因果分析法的高層建筑火災風險評估體系研究

李 巖

(唐山市公安消防支隊，河北 唐山 063000)

隨著我國城市化建設不斷發展，城市人口密度不斷增加，城市土地資源緊張，使得城市建筑向規模化、集約化方向發展[1]，高層建筑應運而生。由于高層建筑具有層數多、人員集中、體量大等特點，一旦發生火災，會造成嚴重的人員傷亡和經濟損失[2]。如2009年，央視北配樓大火造成1人死亡，8人受傷，直接經濟損失高達1.64億元；2010年，上海膠州路高層公寓樓大火，造成58人死亡，70余人受傷。因此，如何有效預防或控制高層建筑火災已成為建筑防火領域的研究熱點。而有效評估高層建筑火災危險性，提出針對性的措施，才能降低高層建筑火災發生幾率。

目前，國內學者對建筑火災風險評估研究處于起步階段，其研究成果主要集中在某一建筑的火災風險評估，并沒有形成統一的風險評估體系，更沒有提出針對高層建筑的火災風險評估方法。本文以高層建筑為研究對象，利用三類危險源理論及因果分析法，建立高層建筑火災風險評估體系，為高層建筑火災的預防、控制提供理論依據。

1 高層建筑火災危險性分析

1.1 煙囪效應明顯

高層建筑內設有電梯井、樓梯井、管道井、電纜井等豎井道。如井道未做好防火分隔，一旦發生火災，井道會起到“煙囪效應”，火勢會迅速竄到上層，煙氣也會快速蔓延至頂部[3-4]。中國科學技術大學進行了煙氣流動試驗，結果表明：一旦發生火災，煙氣在短短十幾秒內就能升到建筑頂部。

1.2 蔓延途徑多

高層建筑火災的蔓延途徑可總結為水平蔓延和豎向蔓延兩類。水平蔓延主要包括：(1)防火分區間蔓延，其原因是防火分區間未設置有效的防火分隔；(2)吊頂間蔓延，其原因是吊頂上部空間未設置防火分隔，仍是大的連通空間[4]。豎向蔓延主要包括：(1)樓梯間蔓延，其原因是部分高層建筑樓梯間未做防火處理，火災后煙氣進入樓梯間并向上蔓延；(2)通過窗口蔓延，火災發生后，窗口噴出的火舌可能引燃上層建筑的可燃物，使得火災向上蔓延。

1.3 疏散困難

高層建筑發生火災時，影響人員疏散的主要原因有：(1)高層建筑樓層高，導致垂直疏散距離長，人員安全疏散需要相對較長時間；(2)高層建筑內人員密度大，且人員集中，火災時易發生群聚現象，降低安全疏散出口的有效性；(3)火災發生后，煙氣會沿著豎井快速向上蔓延，與人員疏散方向相反，導致人員恐慌，降低疏散速度。

1.4 撲救困難

高層建筑火災的撲救困難主要體現在：(1)我國高層建筑滅火系統還不完善，仍以消火栓系統為主，不能滿足火災的撲救要求；(2)高層建筑火災撲救過程需用水量大，僅靠消防水泵和水泵接合器向室內供水，其水量遠遠不足。

2 危險源辨識

危險源辨識是進行火災風險評價的首要任務，可為分析火災發生、發展提供基礎，為確定建筑火災風險評估指標提供依據。目前，危險源的劃分方法有二類危險源、三類危險源、本質和狀態危險源等[5-6]，其中三類危險源理論是以二類危險源為基礎，對危險源進行了更加系統、細致的分類，因此本文以三類危險源理論進行火災危險源辨識。

2.1 第一類危險源

高層建筑內第一類危險源主要包括可燃物、煙氣及有毒有害氣體。根據燃燒三角形可知，可燃物是火災發生的最根本原因[7-8]。而現代高層建筑功能復雜，內部空間會使用大量可燃易燃物品，火災荷載密度相對較大；同時為了滿足功能要求，內部空間會使用大量的裝修材料，增大了室內火災荷載。研究表明，火災中死亡人員主要是由于吸入煙氣或有毒有害氣體所致，比例高達火災死亡人數的85%[9]。高層建筑一旦發生火災，會產生大量的有毒有害氣體，且蔓延速度快，會給疏散人員造成心理恐慌，大大降低人員疏散的效率。

2.2 第二類危險源

為了有效控制高層建筑火災的發生、發展，人們采取了多種消防措施來限制火災中的可燃物、煙氣等危險源，而根據安全系統工程理論分析可知，本質安全的系統是不存在的[10-11]。因此，第二類危險源是指各種消防對策中存在的火災隱患，其消防對策主要包括主動防火系統、被動防火系統、安全疏散系統及應急救援系統等。

2.3 第三類危險源

研究表明，人為因素是造成建筑火災的最主要原因，人員防火意識的強弱直接決定著建筑消防安全水平的高低[12]。因此，將人員防火意識、安全責任制落實、消防檢查等指標歸為第三類危險源。

根據以上分析可知，高層建筑三類危險源結構圖如圖1所示。

圖1 高層建筑三類危險源結構圖

3 因果分析法分析

3.1 因果分析法簡介

因果分析法可以有效分析高層建筑火災的發生、發展、直至整個建筑起火的全過程，可以動態剖析火災事故的形成原因，進而提出系統、有效的防火措施。本文將高層建筑火災大致分為5個階段，主要包括：(1)火災發生階段，即可燃物接觸能量足夠大的點火源，發生有焰燃燒；(2)火災發展初期，即火災熱釋放速率小，發展較為緩慢，可以被水噴淋系統有效控制；(3)火災發展階段，即火災發展較為迅速，熱釋放速率快速增大，室內溫度逐漸升高，水噴淋系統不能有效控制，需要使用消火栓進行滅火；(4)火災全盛階段，即發生轟燃，室內火災熱釋放速率達到最大，火災進一步蔓延至整個防火分區；(5)形成立體式火災，即火災突破防火分區，通過豎井等通道向上部樓層蔓延。

3.2 高層建筑火災因果分析

利用因果分析法，針對高層建筑火災的5個階段繪制事件樹或事故樹，并從中提取影響火災發生、發展的影響因素。通過分析高層建筑火災全過程，繪制高層建筑火災因果分析圖，如圖2所示。

本文針對火災不同階段繪制事故樹或事件樹，并分析不同火災階段的詳細原因。第一階段火災事故樹如圖3所示。由事故樹圖分析可知，火災的發生是可燃物與點火源接觸造成的，因此該階段應該嚴格控制可燃物與點火源，才能有效降低火災發生的概率。對于控制可燃物來說，可以采取的措施有：

圖2 高層建筑火災因果分析圖

圖3 第一階段火災事故樹圖

(1)進行小尺度試驗，詳細了解可燃物的燃燒特性；(2)嚴格控制建筑空間內可燃物分布，降低空間內火災荷載密度；(3)控制裝修材料的使用量，并嚴格限定裝修材料的燃燒等級。而點火源主要分為建筑內點火源和周邊點火源兩類，控制點火源可以采取的措施有：(1)選擇合理的建設位置，遠離庫房、倉庫等火災高危場所；(2)嚴格控制建筑與周邊建筑的防火間距。

第二階段火災事故樹如圖4所示。由第二階段火災特點分析可知，火災發生后，自動噴水滅火系統能有效開啟或人員使用滅火器成功，均能將火災控制在初期階段，實施有效滅火。由火災事故樹可以看出，自動噴水滅火系統是控制第二階段火災發展的關鍵因素，而其開啟信號一般由火災自動報警系統發出，因此該火災階段應該保證火災自動報警系統能有效探測火情并報警，聯動開啟自動噴水滅火系統，將火災控制在初期階段。

圖4 第二階段火災事故樹圖

第三階段火災事故樹如圖5所示。分析可知，該階段火災處于發展階段，火勢增長迅猛，熱釋放速率大幅度增大，如消火栓滅火失敗，建筑室內可能發生轟燃而進入下個火災階段。火災發展階段會產生大量的高溫、有毒有害氣體，排煙系統如不能將煙氣有效排出室外，會影響人員滅火，阻礙人員安全疏散。因此該階段火災的主要影響因素是排煙系統及消火栓系統的有效性。

圖5 第三階段火災事故樹圖

第四階段火災事件樹如圖6所示。建筑室內發生轟燃，火災進入全盛階段，并向該防火分區內其他房間蔓延，導致整個防火分區同時燃燒。分析可知，防火卷簾的及時關閉成為控制火災向其他防火分區蔓延的關鍵因素，只有防火卷簾關閉成功，才能將火災有效限制在該防火分區內，而影響該階段火災發展的其他因素有防火分區、防煙分區等因素。

圖6 第四階段火災事件樹圖

火災一旦發展到第五階段，依靠建筑內自救措施已經無法控制火災，該階段的首要任務是組織人員安全疏散，因此有效組織人員疏散、建筑內安全出口及疏散通道設計合理成為該階段火災的主要影響因素。據調查可知，我國部分建筑存在疏散通道設計不合理、通道存放雜物等現象，影響人員有效疏散。

4 高層建筑火災評估體系的建立

建立合理的高層建筑火災風險評估體系，對建筑進行全面的調查與評估分析，能有效地預防與控制火災的發生。

4.1 評估體系的結構

通過因果分析法分析高層建筑火災發生、發展的全過程，確定每個火災階段的主要影響因素，進而確定每個階段的關鍵控火因素，通過評價建筑內關鍵控火因素的能力來評價高層建筑的防火水平。因此確定高層建筑火災風險評估體系的一級指標有主動防火能力、被動防火能力、安全疏散能力、應急救援能力及消防管理水平，其結構如圖7所示。

圖7 火災風險評估體系一級指標結構圖

4.2 評估體系的指標

4.2.1 主動防火能力

主動防火能力是指火災發生時，能通過自動或手動方式開啟的滅火、防排煙、消火栓等系統設備，主要作用是發現初期火災、及時發出警報信號，主動開啟滅火或排煙設施，有效控制初期火災的發展。主動防火能力主要包括火災自動報警系統、自動水滅火系統、消防給水系統及防排煙系統，其結構如圖8所示。

圖8 主動防火能力結構圖

4.2.2 被動防火能力

被動防火能力是指通過建筑防火間距、建筑內防火分隔物、耐火構件等起到被動防火作用，使建筑耐火等級符合國家相關規范規定，被動防火能力結構如圖9所示。

4.2.3 安全疏散能力

火災發生后，首要任務是確保人員的疏散安全，保證人員在危險來臨之前全部疏散到安全區域。影響人員安全疏散的主要因素有疏散路線的快速制定、疏散距離的長短、疏散樓梯的有效性及安全出口的有效寬度，其結構示意圖如圖10所示。

圖9 被動防火能力結構圖

圖10 安全疏散能力結構圖

4.2.4 應急救援能力

火災發生時采取有效的應急救援措施，可為人員疏散贏得寶貴時間，提高救援人員作戰效率，以降低火災損失。提高應急救援水平可以采取以下措施：(1)針對建筑火災特點，制定專項應急救援預案；(2)定期進行應急預案演習，提高作戰人員的實戰能力；(3)提升消防隊滅火作戰能力，確保火災時能有效撲滅火災；(4)配備應急救援設備設施，為火災救援提供保障。建筑應急救援能力結構圖如圖11所示。

圖11 應急救援能力結構圖

4.2.5 消防管理水平

整個建筑的消防管理水平直接決定著建筑火災危險性的大小，據調查可知人為過失和不安全行為造成的火災事故占總數的85%。建筑內消防管理水平的主要影響因素包括管理人員的消防業務水平、人員的消防素質及消防制度的落實情況，其結構示意圖如圖12所示。

圖12 消防管理水平結構圖

5 結語

本文以高層建筑為研究對象，分析了高層建筑內火災危險源，采用因果分析法建立了高層建筑火災風險評估體系，主要結論為：(1)高層建筑火災具有煙囪效應明顯、蔓延途徑多、火災誘因復雜、疏散困難及撲救困難等特點，并利用三類危險源理論分析了高層建筑內火災危險源；(2)將高層建筑火災分為5個階段，分析不同階段火災發生、發展的根本原因，并建立相應的火災事故樹或事件樹；(3)以危險源辨識為依據，采用因果分析法分析高層建筑火災每階段的影響因素，建立了以主動防火能力、被動防火能力、安全疏散能力、應急救援能力及消防管理水平為指標的火災風險評估體系。

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