高層建筑火災結構滅火救援應用分析

王有恒

（山西省大同市消防救援支隊，山西大同 037009）

0.引言

隨著當今社會經濟的發展與城市化進程的加快，越來越多的高層建筑開始投入應用。在高層建筑的使用過程中，一旦發生火災，便會面臨體能消耗大、供水困難、通風排煙困難、火災救援困難和人員疏散困難等的諸多問題。基于此，消防部門與相關單位一定要加強高層建筑火災結構及其滅火救援措施的研究，通過火災自動報警系統的科學建立、消防車輛裝備的合理設置、人員疏散與排煙的有序安排、建筑內部供水系統的良好利用、建筑內部整體環境的全面熟悉以及滅火救援專項技能的有效提升來確保高層建筑的滅火救援效果。

1.高層建筑火災結構機理分析

1.1 建筑構件內部的熱傳導機理

當高層建筑發生火災時，其內部將會伴隨著大量的熱量產生，這些熱量會不斷傳遞和釋放到周邊。高層建筑中的熱量共有3 種傳遞方式：第一是熱傳導，第二是熱對流，第三是熱輻射。由于火災而形成的高溫煙氣和構件之間的熱量主要以熱輻射和對流的方式傳遞，在接收到熱量之后，建筑構件局部便會升溫，而熱量在構件內部的主要傳遞方式則是熱傳導。經分析發現，在高層建筑火災條件下，導致其構件升溫的主要原因是熱輻射和熱對流，火災所形成的高溫煙氣可以和建筑構件表面之間產生熱交換，而建筑構件內部的溫度場邊界條件則可通過熱輻射和對流的熱量來確定[1]。根據傅里葉導熱定律以及熱平衡原理，可按照以下的微分方程對建筑構件截面導熱進行計算：

其中，ρ代表建筑構件密度，其單位是kg/m3；c代表比熱容，其單位是J/(kg·K)；T代表熱力學溫度，其單位是K；t代表時間，其單位是s；k代表導熱系數，其單位是W/(m·℃)；x和y代表坐標，其單位是m。

1.2 熱空氣和建筑構件之間的傳熱機理

在高層建筑火災發生時，其空間內部的火災區域和構件之間的熱量傳遞方式主要包括熱對流以及熱輻射兩種。其中，熱對流主要是通過對流的方式將熱量從空氣傳遞給構件，其公式為：

其中，qc代表傳遞的熱量，其單位是J；hc代表對流換熱系數，在通常情況下的取值為25W/（m2·K）；Tg代表空氣溫度，其單位是K；Tb代表構件表面溫度，其單位是K。

熱輻射傳遞給構件的熱量可以用以下公式表示：

其中，γ代表輻射火修正系數；ε代表鋼結構折合輻射率；δ代表斯蒂芬-波爾茲曼常數，其取值是5.67×10-8W/（m2·K4）。

1.3 鋼結構構件在高溫條件下的失效機理

經大量的研究與測試發現，當高層建筑火災時的溫度上升到350℃時，鋼材強度便會明顯降低，當溫度達到500℃的情況下，鋼材強度將會降低到原來的50%左右，如果溫度達到600℃，鋼材強度將降低到原來的30%左右。除此之外，隨著溫度的升高，鋼材屈服點也會明顯降低，經研究發現，當溫度達到500℃的情況下，鋼材屈服點會降低到原來的50%。另外，在火災所引發的高溫條件下，高層建筑鋼材的彈性模量也會明顯降低，從而使其塑性顯著增大，其伸長率以及截面收縮率都會出現顯著增加趨勢。

1.4 混凝土結構構件在高溫條件下的失效機理

經研究發現，在溫度為100℃的情況下，高層建筑混凝土構件中的水分便會蒸發，構件內部也會伴隨著細微的裂縫和孔隙產生，同時會伴隨著應力集中和構件抗壓強度降低等現象出現。如果溫度上升到了200℃～300℃，混凝土構件中的水分將幾乎完全蒸發，加之水泥和骨料具有不同的膨脹系數，混凝土構件強度將進一步降低。在溫度達到500℃的情況下，混凝土構件中的水泥和骨料變異將會顯著增大，裂縫也會繼續擴展，從而顯著降低混凝土構件強度。在溫度達到600℃后，混凝土構件強度將會呈現出急劇下降趨勢[2]。表1 為高溫條件下的高層建筑混凝土構件強度折減系數。

表1 高溫條件下的高層建筑混凝土構件強度折減系數

2.高層建筑火災救援中的主要難點分析

2.1 供水困難

在高層建筑的滅火救援工作中，供水困難是消防員面臨的一個主要問題。首先是高層建筑中的固定消防設施并不完善，加之材料、技術和日常維護等各方面的影響，使得高層建筑消防供水系統故障甚至難以啟用的情況都十分常見。其次是移動供水管路難以建立，目前的很多高層建筑中公共開窗和走道都比較少，加之底部有裙房等設置，導致其外部的水帶鋪設面不足，水帶只能夠在建筑內部的樓梯或樓梯縫隙中蜿蜒鋪設，不僅會影響到滅火救援速度，也會增加人力消耗。最后是移動供水能力不足，消防車泵供水高度有限，從而加大了高層建筑滅火救援中的供水難度。

2.2 通風排煙困難

當高層建筑發生火災時，其通風排煙難度也會更大。之所以會出現這樣的情況，第一是由于高層建筑中的自然排煙口以及窗戶數量少，煙霧很容易在其中積聚不散。第二是由于高層建筑中的通道比較狹窄，且具有較多的彎折路線，煙氣和熱量的排散渠道明顯不足。第三是高層建筑本身存在顯著的煙囪效應。第四是在高空特殊環境下，人工排煙難度更大[3]。

2.3 火災撲救困難

相比較普通建筑而言，高層建筑一旦發生火災，其撲救難度也更大。首先是高層建筑的火勢發展非常快，一旦形成立體燃燒，火勢便很難控制。其次是過火范圍非常廣，比如，在上海的某高層教師公寓火災中，其過火房間總數超過100 個，但是消防救援只能夠逐一進行，由此可見其難度之大。再次是高層建筑的火災燃燒更加猛烈，尤其是在立體火災情況下，供水、排煙和防火系統等都會面臨失效，現場風險和撲救難度顯著增加。最后是外部舉高車停靠地不足，舉高車?？砍鏊y度很大，消防員通常只能通過逐層登高的方式進行滅火救援，圖1 為某高層建筑火災現場實拍圖。

圖1 某高層建筑火災現場實拍圖

2.4 人員疏散困難

因為高層建筑中的人群高度集中，加之樓梯數量有限，人群從高層建筑疏散到地面上需要很長時間，一旦發生人群恐慌，便很可能引發踩踏事件。同時，由于火災高溫和煙氣等的影響，使得高層建筑中的能見度非常低，在這樣的情況下，便會導致被困人員的心理極度恐慌，甚至會出現跳樓等情況[4]。另外，在消防救援中，人員疏散也很容易與滅火行動之間產生對沖，從而使兩者同時受到不良影響。

3.高層建筑滅火救援措施分析

3.1 火災自動報警系統的科學建立

就目前的高層建筑工程來看，其中的大部分都進行了火災自動報警系統的設置，以便在火災發生的第一時間將相應的火警信息提供給消防救援隊伍，使其能夠及時到達著火點，從而實現高層建筑滅火救援效率的良好保障。但是就實際應用情況來看，很多高層建筑中的火災自動報警系統都存在一些問題，尤其是在一些年代比較久遠的高層建筑中，其火災自動報警系統更是由于維修管理不當、設備老化等問題而不能夠及時將報警信息發出?；诖?，相關部門應加強高層建筑的火災自動報警系統建立，并嚴格做好各項系統設備設施的檢查與維修，使其保持可靠運行。通過這樣的方式才可以及時將高層建筑的火災報警發出，以便消防隊伍及時展開滅火救援工作，最大限度降低火災所導致的不必要損失。

3.2 人員疏散與排煙的有序安排

對于高層建筑的滅火救援工作而言，最主要的目的在于救人。因此，在消防員到達了火災現場之后，需立即根據實際的火災情況來進行救援方案的科學制訂，并快速將被困人員疏散。在通常情況下，可通過內外強攻法來進行火災救援，在此過程中，消防員可通過水槍掩護來深入火災現場，在通道盡頭、衛生間和陽臺等位置對被困人員展開搜救，并根據指示來疏散火災現場的被困人員。在此過程中，消防隊伍也需要在高層建筑的外部做好舉高車、消防云梯和繩索等的設置，在必要的情況下可將相應的建筑拆除，以此來為消防救援工作提供足夠的通道。為防止被困人員窒息和中毒等情況的發生，在救援中也應該做好排煙工作，通過機械排煙的方式將火災現場的濃煙及時排除，不僅可以有效保障被困人員的安全，也可以有效降低其恐慌心理，使其能夠積極配合消防員的指揮，達到良好的安全疏散效果[5]。

3.3 建筑內部供水系統的良好利用

在對高層建筑進行滅火救援的過程中，通常需要應用到大量的水資源。因此，消防供水的良好保障是確保高層建筑滅火救援效果的關鍵。就我國目前的高層建筑而言，其中都進行了消防水箱、自動噴淋系統以及消火栓系統等的設置，在火災初期，建筑單位需立即組織專職消防人員通過這些設施來及時進行火災救援。當消防隊伍趕到后，建筑單位需配合其做好建筑內部供水系統的利用，將噴淋泵、自動消火栓泵等啟動，合理做好水槍陣地設置，并及時通過加壓補水的方式來確保消防供水充足。通過這樣的方式才可以讓高層建筑中的火災得以及時撲救，最大限度避免火勢的進一步蔓延。

3.4 滅火救援專項技能的有效提升

為達到良好的高層建筑滅火救援效果，消防員相應的專項技能提升也至關重要。在此過程中，消防單位應對消防員的高層建筑滅火救援專項技能訓練做到足夠重視。首先是負重登高方面的體能訓練，在此過程中，可通過負重登高標準設定、負重登高測試、比賽等的方式來進行消防員訓練，從而有效提升其體能素質，避免高層建筑滅火救援負重登高之后出現體能消耗過大情況，從而有效確保其后續的滅火救援效果。其次是對于轄區內的重點高層建筑做好滅火救援緊急預案，并定期組織消防人員進行學習和演練，使其對轄區內各個高層建筑內部及其周邊環境做到全面熟悉，以此來確保實際的滅火救援作戰質量。最后是滅火救援技能的訓練，在此過程中，消防單位可通過相應的消防演練等方式來不斷提升消防員的滅火救援技能，并對消防員的團隊合作能力加以良好培養，以此來確保實際消防救援中的工作效果。

4.結語

高層建筑一旦發生火災，其火勢蔓延速度會較普通建筑快很多，滅火救援難度也會更大?；诖耍绬挝慌c相關部門一定要對高層建筑的火災結構機理做到充分了解，并明確其滅火救援工作中主要面臨的困難，然后根據實際情況，結合實際的滅火救援需求對相應的滅火救援措施加以合理應用。通過這樣的方式才可以有效確保高層建筑的滅火救援質量，最大限度降低高層建筑火災所造成的人員傷亡和財產損失。