火災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：建筑倒塌是火災次生災害，造成經濟財產損失及消防員傷亡較大，因此本文對國內外傷亡較多戰例開展統計、對近十年以來5起國內典型火災引發建筑倒塌原因、倒塌監測方法等開展分析。建筑倒塌的原因一方面是建筑結構自身承重柱被破壞，另一方面是爆炸等外界因素引發倒塌。監測建筑倒塌的方法首先是無人機等進行整體環境的偵察，然后觀察溫度等指標是否異常，最后注意是否有異響聲，有吱吱聲意味著墻體隨時倒塌。

關鍵詞：火災;建筑倒塌;監測

無論國外還是國內，以廠房、倉庫為代表的大跨度結構和城市中超高層建筑結構火災頻發，由于建筑物倒塌具有突發性和不可控性，火災引發的建筑倒塌事故數量也逐年增加，消防員由于火災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測火災中典型建筑倒塌的技能、增強指揮員內攻輔助決策的實戰能力，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下建筑倒塌事故原因分析及對策研究。

一、國內外部分傷亡較多戰例統計

建筑倒塌是火災產生的次生災害，火場上建筑倒塌事故頻發，這已經成為消防員傷亡的重要原因。據USFA統計數據中，建筑火災倒塌事故中犧牲的消防員已經是20世紀80年代的3倍[1]。國內外由于火災導致建筑倒塌從而使消防員傷亡的戰例非常多，表1展示國內外部分傷亡較多戰例。

上述事故造成的經濟和人員傷亡較大，根據表1可以看出，發生事故的建筑結構、建筑用途都有所不同。眾所周知，建筑結構分為磚混結構、磚木結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構、剪力墻結構、框架結構、框架一剪力墻結構等七大類。不同建筑結構的承重構件、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生火災救援難度。在火場內攻救援過程中，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，因此需要開展火災下建筑倒塌預測技術及裝備的研究。

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起典型戰例進行分析，這些戰例都是在火災發生過程中發生建筑倒塌事故，從建筑結構類型、倒塌原因、倒塌時間、傷亡情況、倒塌征兆、倒塌監測方法、事故反思等方面加以闡述，具體見表2。

根據五起戰例可以得知，火災下建筑倒塌的主要原因是：一、火場溫度高，火災荷載大，導致承重柱受到破壞，失去承載能力，無法承擔上部結構的荷載，從而導致整體倒塌。二、建筑結構違規修建，導致構件抵抗外力作用能力差，導致建筑構件強度低，或是擅自改造，導致建筑結構不易辨識，從而無法掌握建筑總體情況，延緩救援進度;三、由于火災引起的其他因素的沖擊力，比如爆炸等因素，導致樓板倒塌。四、由于部分樓板倒塌在牽拉作用下引發毗鄰未著火建筑發生倒塌。

接下來，通過鋼材拉伸試驗對鋼筋受到火災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：剛發生火災時，隨著火災荷載增加，鋼筋應變隨應力成正比增加。屈服階段：隨著火災時間的增加，建筑火災荷載不斷增大，燃燒時間長，內部溫度高，建筑內鋼筋支撐結構受熱產生塑性變形。強化階段：鋼筋抵抗塑性變形的能力又重新提高，變形發展速度比較快，隨著應力的提高而增強。頸縮階段（破壞）：鋼筋變形迅速增大，而應力反而下降。鋼筋在拉斷前，于薄弱處截面顯著縮小，產生“頸縮現象”，直至斷裂。鋼筋經歷頸縮階段之后，鋼筋被拉斷，建筑結構承載力下降，結構整體遭到破壞，進而導致建筑開裂發生倒塌。

根據這五起戰例總結，可以通過以下方法進行現場監測：1.要觀察倒塌前會出現揚塵及異響現象。2.針對不宜內攻的火災現場，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致坍塌，應該嚴控人員進入數量化。4.火場救援前，要熟悉建筑結構圖，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，在現場及時觀察動態，時刻注意是否需要撤離。

因此在火災現場，我們可以開展建筑倒塌的監測，具體監測指標[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測，溫度升高，會導致鋼筋和混凝土發生破壞，因此尤其要重點觀測承重柱的位置。（2）荷載：建筑結構的恒荷載和活荷載的組合計算，要考慮到消防員數量和打水量等活荷載對建筑結構承重的影響。（3）裂縫：隨時觀察建筑結構內部和外部的裂縫。開始裂縫是墻體坍塌前明顯征兆，建筑火災現場由于溫度過高，鋼筋會受熱膨脹，從而產生裂縫。往往裂縫的出現會伴隨著吱吱聲，這意味著墻體隨時可能倒塌。

三、結語

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

參考文獻：

[1]成錫平，雷思聰，張鵬.建筑火災倒塌事故救援過程風險分析[J].武警學院學報，2018，34（04）：11-15.

[2]郭滿良，魏璉，黃孚浩，王彥深.災難的遺產——紐約世貿雙塔樓坍塌分析[J].建筑結構，2002（09）：40-44.

[3]李耀莊，李昀暉.中國建筑火災引起坍塌事故的統計與分析[J].安全與環境學報，2006（05）：133-135.

[4]陳洪亮，王麗晶.大跨度大空間建筑火災坍塌事故統計分析[J].消防科學與技術，2017，36（04）：536-539.

[5]朱飛勇.預防建筑火災倒塌事故研究[A].中國消防協會、山東省公安消防總隊.2011中國消防協會科學技術年會論文集[C].中國消防協會，2011：6.

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