火災(zāi)下建筑倒塌事故原因分析及對策研究

劉喜 許星 孫春輝 王偉 周嵐 杜進芳 洪詩藝

摘要：建筑倒塌是火災(zāi)次生災(zāi)害，造成經(jīng)濟財產(chǎn)損失及消防員傷亡較大，因此本文對國內(nèi)外傷亡較多戰(zhàn)例開展統(tǒng)計、對近十年以來5起國內(nèi)典型火災(zāi)引發(fā)建筑倒塌原因、倒塌監(jiān)測方法等開展分析。建筑倒塌的原因一方面是建筑結(jié)構(gòu)自身承重柱被破壞，另一方面是爆炸等外界因素引發(fā)倒塌。監(jiān)測建筑倒塌的方法首先是無人機等進行整體環(huán)境的偵察，然后觀察溫度等指標(biāo)是否異常，最后注意是否有異響聲，有吱吱聲意味著墻體隨時倒塌。

關(guān)鍵詞：火災(zāi);建筑倒塌;監(jiān)測

無論國外還是國內(nèi)，以廠房、倉庫為代表的大跨度結(jié)構(gòu)和城市中超高層建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)頻發(fā)，由于建筑物倒塌具有突發(fā)性和不可控性，火災(zāi)引發(fā)的建筑倒塌事故數(shù)量也逐年增加，消防員由于火災(zāi)中建筑突然倒塌犧牲事故也逐年增多。因此為了提高我國消防救援隊伍能夠及時預(yù)測火災(zāi)中典型建筑倒塌的技能、增強指揮員內(nèi)攻輔助決策的實戰(zhàn)能力，保證消防員能夠在建筑物倒塌之前安全撤離，從而保障消防員的自身生命安全，增大被困人員的被救幾率和消防員的救助效率，因此有必要開展火災(zāi)下建筑倒塌事故原因分析及對策研究。

一、國內(nèi)外部分傷亡較多戰(zhàn)例統(tǒng)計

建筑倒塌是火災(zāi)產(chǎn)生的次生災(zāi)害，火場上建筑倒塌事故頻發(fā)，這已經(jīng)成為消防員傷亡的重要原因。據(jù)USFA統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，建筑火災(zāi)倒塌事故中犧牲的消防員已經(jīng)是20世紀80年代的3倍[1]。國內(nèi)外由于火災(zāi)導(dǎo)致建筑倒塌從而使消防員傷亡的戰(zhàn)例非常多，表1展示國內(nèi)外部分傷亡較多戰(zhàn)例。

上述事故造成的經(jīng)濟和人員傷亡較大，根據(jù)表1可以看出，發(fā)生事故的建筑結(jié)構(gòu)、建筑用途都有所不同。眾所周知，建筑結(jié)構(gòu)分為磚混結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)等七大類。不同建筑結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件、建筑材料種類和用量、建筑用途等不同，這些因素都增加建筑發(fā)生火災(zāi)救援難度。在火場內(nèi)攻救援過程中，無法判斷建筑倒塌時間會增加消防員救援的恐懼感，且一旦建筑突然倒塌，消防員很難逃生，因此需要開展火災(zāi)下建筑倒塌預(yù)測技術(shù)及裝備的研究。

二、近10年典型事故原因及對策分析

接下來，筆者對近10年5起典型戰(zhàn)例進行分析，這些戰(zhàn)例都是在火災(zāi)發(fā)生過程中發(fā)生建筑倒塌事故，從建筑結(jié)構(gòu)類型、倒塌原因、倒塌時間、傷亡情況、倒塌征兆、倒塌監(jiān)測方法、事故反思等方面加以闡述，具體見表2。

根據(jù)五起戰(zhàn)例可以得知，火災(zāi)下建筑倒塌的主要原因是：一、火場溫度高，火災(zāi)荷載大，導(dǎo)致承重柱受到破壞，失去承載能力，無法承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載，從而導(dǎo)致整體倒塌。二、建筑結(jié)構(gòu)違規(guī)修建，導(dǎo)致構(gòu)件抵抗外力作用能力差，導(dǎo)致建筑構(gòu)件強度低，或是擅自改造，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)不易辨識，從而無法掌握建筑總體情況，延緩救援進度;三、由于火災(zāi)引起的其他因素的沖擊力，比如爆炸等因素，導(dǎo)致樓板倒塌。四、由于部分樓板倒塌在牽拉作用下引發(fā)毗鄰未著火建筑發(fā)生倒塌。

接下來，通過鋼材拉伸試驗對鋼筋受到火災(zāi)破壞的過程進行分析。鋼材（低碳鋼）膨脹的四個階段分別為：彈性階段、屈服階段、強化階段、頸縮階段。彈性階段：剛發(fā)生火災(zāi)時，隨著火災(zāi)荷載增加，鋼筋應(yīng)變隨應(yīng)力成正比增加。屈服階段：隨著火災(zāi)時間的增加，建筑火災(zāi)荷載不斷增大，燃燒時間長，內(nèi)部溫度高，建筑內(nèi)鋼筋支撐結(jié)構(gòu)受熱產(chǎn)生塑性變形。強化階段：鋼筋抵抗塑性變形的能力又重新提高，變形發(fā)展速度比較快，隨著應(yīng)力的提高而增強。頸縮階段（破壞）：鋼筋變形迅速增大，而應(yīng)力反而下降。鋼筋在拉斷前，于薄弱處截面顯著縮小，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象”，直至斷裂。鋼筋經(jīng)歷頸縮階段之后，鋼筋被拉斷，建筑結(jié)構(gòu)承載力下降，結(jié)構(gòu)整體遭到破壞，進而導(dǎo)致建筑開裂發(fā)生倒塌。

根據(jù)這五起戰(zhàn)例總結(jié)，可以通過以下方法進行現(xiàn)場監(jiān)測：1.要觀察倒塌前會出現(xiàn)揚塵及異響現(xiàn)象。2.針對不宜內(nèi)攻的火災(zāi)現(xiàn)場，充分利用無人機、紅外熱視儀等先進裝備進行偵察。3.建筑承重過大可能導(dǎo)致坍塌，應(yīng)該嚴控人員進入數(shù)量化。4.火場救援前，要熟悉建筑結(jié)構(gòu)圖，了解建筑用途及荷載分布情況等。5.消防員要掌握建筑倒塌前征兆，在現(xiàn)場及時觀察動態(tài)，時刻注意是否需要撤離。

因此在火災(zāi)現(xiàn)場，我們可以開展建筑倒塌的監(jiān)測，具體監(jiān)測指標(biāo)[5]為：（1）建筑溫度;對火場著火點及建筑物容易倒塌部位進行溫度監(jiān)測，溫度升高，會導(dǎo)致鋼筋和混凝土發(fā)生破壞，因此尤其要重點觀測承重柱的位置。（2）荷載：建筑結(jié)構(gòu)的恒荷載和活荷載的組合計算，要考慮到消防員數(shù)量和打水量等活荷載對建筑結(jié)構(gòu)承重的影響。（3）裂縫：隨時觀察建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的裂縫。開始裂縫是墻體坍塌前明顯征兆，建筑火災(zāi)現(xiàn)場由于溫度過高，鋼筋會受熱膨脹，從而產(chǎn)生裂縫。往往裂縫的出現(xiàn)會伴隨著吱吱聲，這意味著墻體隨時可能倒塌。

三、結(jié)語

本文通過對火災(zāi)引起建筑倒塌事故進行統(tǒng)計，對建筑倒塌事故的倒塌原因、倒塌時間、傷亡情況、倒塌征兆、倒塌監(jiān)測方法、事故反思進行分析，總結(jié)出建筑倒塌的原因主要是結(jié)構(gòu)自身承重柱被破壞，引發(fā)建筑倒塌;另一方面，爆炸、其他樓板倒塌牽拉等外界因素引起的倒塌。在現(xiàn)場火災(zāi)救援過程中，監(jiān)測建筑倒塌的方法是首先要用無人機、紅外熱視儀等設(shè)備進行整體環(huán)境的偵察，然后觀測溫度、荷載、裂縫指標(biāo)是否出現(xiàn)異常，最后注意是否有異響聲，當(dāng)出現(xiàn)裂縫且出現(xiàn)吱吱聲，這意味著墻體隨時可能倒塌。

參考文獻：

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作者簡介：劉喜（1994-），女，上海市人，應(yīng)急管理部上海消防研究所研究實習(xí)員，碩士研究生，主要從事消防應(yīng)急救援技術(shù)與裝備等方面的研究。