大跨度建筑火災坍塌規(guī)律及預防對策

孟 慶 林

(山東省菏澤市消防救援支隊，山東 菏澤 274000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，大跨度大空間建筑在企業(yè)廠房、倉儲、商場為主的生產、生活中應用越來越多。建筑內生產設備密集，物品高度集中，原料和成品大多屬可燃物，甚至是易燃易爆品、有毒化學品。一旦發(fā)生火災，短時間內極易大面積的坍塌。文章主要對大跨度建筑結構溫升與失效概率進行計算，闡明火災中溫度變化、著火點位置、通風狀態(tài)對大跨度建筑物的影響，在此基礎上，提出預防措施。

1 大跨度建筑火災的坍塌規(guī)律

1.1 大跨度建筑火災特點

1)建筑火災可以分成四個階段，即初起期、成長期、旺盛期和衰減期，如圖1所示。在火災的成長期內，釋熱效率(kW)與時間(t)呈現(xiàn)二次方的正比規(guī)律，即Q=at2。當火災達到旺盛期時，釋熱效率受到空氣氧氣、換氣速度、可燃物供給等因素限制，時間因素的制約力較小，可維持到可燃物燒盡，即Q=constant。當可燃物燒盡后，呈現(xiàn)快速衰減狀態(tài)，直至火種熄滅，如圖2所示。

2)火災的成長主要受到建筑物材料、內部空間結構、煙氣排放效率影響，系數(shù)a值越大，火災成長期越短。旺盛期的火災火勢越大、持續(xù)時間越長，建筑物坍塌的可能性越大，同時也與建筑物結構(窗口高度和面積)、空氣流通程度、建筑物的火災荷載等因素有關。在成長期，火災的核心區(qū)域火焰溫度可達到300 ℃～800 ℃；旺盛期的核心火焰最高溫度能夠達到3 000 ℃。

1.2 大跨度建筑物體特點

1)大跨度建筑物一般指跨度30 m以上的混凝土建筑物，或跨度60 m以上的鋼結構建筑物。通常，大跨度的結構形式主要有殼體、網(wǎng)架、懸索、充氣和敞篷張力結構，不同結構的大跨度建筑的面積、結構、性能和用途各不相同。鋼結構(建筑用鋼Q23鋼材、Q345鋼材等)的建筑體受不同溫度的強度下降明顯，當250 ℃左右時，鋼材出現(xiàn)“藍脆”現(xiàn)象，抗拉強度增強，韌性變差，至350 ℃的鋼體強度下降1/3,500 ℃強度加強1/2，600 ℃下降2/3。

2)鋼材受熱后的物理影響明顯，受熱膨脹后發(fā)生扭曲、變形等塑性形變，難以復原。具體數(shù)值如表1所示。

表1 建筑用鋼溫度與強度變化表

3)鋼結構的建筑物內部的晶體組織對溫度變化敏感，通常在450 ℃～650 ℃時失去承載能力。具體數(shù)值如表2所示。

表2 標準工字鋼梁耐火測試結果

4)采用防火材料能有效提升鋼結構強度。鋼混結構的建筑主體在發(fā)生火災時，主要受到含水量影響。當溫度達到150 ℃時，混凝土失去自由水分，強度增加；當溫度達到300 ℃以上時，混凝土材料的強度開始下降。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 建筑用鋼筋混凝土溫度與強度變化表

1.3 大跨度建筑火災的坍塌規(guī)律

1)大跨度建筑物內部空間大、物理分割少、空氣流通好、可燃物多，為火災的火種蔓延提供了足夠氧氣。大跨度建筑本身的空氣對流強，熱輻射效應明顯，因此，出現(xiàn)火災時通常面積較大，無法將火種控制在一定區(qū)域內。從火災能量釋放的角度看，在火災的初步階段，單位時間內的熱能釋放量較小，以常規(guī)的撲救手段能夠轉移火災熱能，控制火情。在火種的發(fā)展期和蔓延期，單位內能量釋放高，常規(guī)撲救手段無法做到熱能轉移，火勢較大、熱能積累較高，導致鋼結構建筑物體失去承重強度，繼而出現(xiàn)建筑物坍塌情況。

2)以殼體結構的大跨度建筑為例：高溫使鋼材的屈服強度和彈性模量等參數(shù)發(fā)生明顯變化，由于網(wǎng)殼的橫截面系數(shù)均大于300，結構點、杠桿較多，火災升溫至250 ℃，火源附近的腹桿軸力由壓力變?yōu)槔Γ芗c首先被破壞，其次火源附近的溫度450 ℃以上時，杠件依次推出工作，當溫度繼續(xù)升高，使建筑結構轉變?yōu)闄C構，進而發(fā)生坍塌。

3)不同位置發(fā)生火災的結果不同。第一，衡陽“11·3”世貿大廈坍塌類型：火災發(fā)生在建筑物底層，支撐建筑物的主梁和支柱受到火的作用而失去支撐能力，容易出現(xiàn)坍塌情況。第二，美國“9·11”世貿大廈坍塌類型：火災發(fā)生在建筑物二層以上，建筑物的支撐柱和主梁受損嚴重，失去支撐力，發(fā)生側向坍塌，坍塌事物存在連續(xù)性。第三，哈爾濱亞麻制造廠火災事件類型：倉房、廠房等工廠生產建筑中，火災出現(xiàn)在易燃易爆物以內，則建筑物主梁、支柱和屋面受損嚴重，導致建筑物體整體坍塌。

2 大跨度建筑火災的建筑物坍塌預防對策

大跨度建筑物著火點位置不易確定，且建筑跨度大、縱深長，為預防坍塌情況發(fā)生，需要從多個角度創(chuàng)新方法，預防火災時建筑物坍塌。

2.1 從力學結構和耐熱極限角度進行坍塌預防

1)轟燃是現(xiàn)代火災的主要特點，轟燃形成的高熱中心區(qū)，在相對封閉的大跨度建筑體中，形成大量熱能，形成可燃氣體。轟燃類型火災的發(fā)生速度較快，火災載荷空前提升，熱浪急速膨脹，如果不能有效遏制，很可能形成二次轟燃或多次轟燃，中心高熱區(qū)溫度能夠達到1 000 ℃以上。因此，需要引進耐火、隔熱的噴漆等保護火災中鋼體強度的技術，也要優(yōu)化大跨度建筑的內部設計。

2)許多企業(yè)為降低施工成本，選擇鋼結構的建筑主體，是火災建筑坍塌的極大隱患。鋼結構主體可采用混凝土澆灌技術，形成鋼結構主體的混凝土保護層，從而提升鋼結構主體的防火性能。首先，對鋼結構主體進行球籠網(wǎng)焊接，形成結構網(wǎng)架，其次進行混凝土澆灌，形成一體的混凝土支撐柱，最后更換原有的支撐鋼架，繼而提高鋼結構主體的防火性能。

2.2 從性能化防火設計角度進行坍塌預防

1)建筑物的使用性質和造型，能夠對室內火災荷載的變化進行控制。例如，密閉環(huán)境下的室內氧氣含量、物理隔火層的使用、錯位通風結構使用等建筑設計，能夠對空氣流通、火勢蔓延進行有效控制，降低火災安全隱患。運用火災動力學、熱工理論、材料力學進行研究，論證了大型火災建筑部位受損情況對建筑主體的影響，因此，在結構設計上應針對不同樓層、不同用途選擇不同材料、不同設計的建筑風格，強化大跨度建筑物的使用性能和防火性能。

2)球狀大跨度結構建筑能夠有效應對火災坍塌，因此，建筑結構時可以采用殼狀設計。針對易燃品堆放車間或倉庫，應選擇混凝土結構搭建，保持空間密閉，有效隔溫、隔熱。其次，在易燃品堆積倉庫周圍進行防火分隔，設計防火間隔空間，實行可燃物集中管理和堆放的管理政策，防止火災發(fā)生時可燃物助燃火勢。

2.3 從建筑防火監(jiān)管角度進行坍塌預防

1)大跨度建筑結構復雜、功能較多、形態(tài)豐富，火災危險性大、撲救難度高，因此，需要從行業(yè)監(jiān)管角度進行火災預防，從根源上抑制火災事件的發(fā)生。許多企業(yè)在搭建大跨度生產車間等建筑時，不能準確產生防火意識，或不具備火災風險管理的能力，所以，火災管控需要外界力量輔助和干預。

2)構建建筑模型管理系統(tǒng)，要求企業(yè)上傳3D的建筑模型，專家團隊通過線上判斷風險點的形式，對建筑內部的生產安全進行管理。線上管理主要負責企業(yè)風險點的管控，要求企業(yè)合理利用廠房內部空間；線下管理主要負責考察企業(yè)3D模型與企業(yè)內部結構是否一致，企業(yè)傳輸?shù)母黜棓?shù)據(jù)信息是否準確，企業(yè)整改所用的材料使用是否達標等。建筑模型既可以用于風險判斷和企業(yè)生產管理，又能在發(fā)生火災事件時，直觀了解建筑內部結構，實現(xiàn)高效監(jiān)管。

3 結語

大跨度建筑內部空間、物理風格、煙氣流動效率是火災中火勢成長的主要制約因素，對建筑性能化設計，是從根源上解決火災導致建筑物坍塌的問題的有效手段。同時，鋼結構的建筑物受溫度影響的強度變化較大，在鋼結構體上進行防火、隔熱涂層處理，能夠有效提升鋼材本身的強度。如發(fā)生火災事故，需整合社會消防力量和裝備，對著火點、易燃點、易塌落點進行控制，對火災區(qū)域進行分割，但仍需注意水槍不可直接對準結構主體，防止鋼材“冷脆”，加速坍塌。