高層建筑火災(zāi)結(jié)構(gòu)安全性評估與滅火救援應(yīng)用研究

姚恩波

（營口市鲅魚圈區(qū)消防救援大隊，遼寧 營口 115000）

1 建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)整體失穩(wěn)機理

火災(zāi)時，火焰釋放出的熱量以輻射、對流、熱傳導等形式向建筑物內(nèi)部傳輸，使建筑物內(nèi)部的溫度持續(xù)上升。在溫度較高的情況下，建筑物的材料會發(fā)生力學性能的劣化。與此同時，當某區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時，事故會誘發(fā)區(qū)域出現(xiàn)熱量集中的現(xiàn)象，此種現(xiàn)象會導致建筑內(nèi)部應(yīng)力分布不均，進而破壞部分構(gòu)件。

在建筑坍塌過程中，如果結(jié)構(gòu)部分受熱破壞較大，或者整個結(jié)構(gòu)都處于高溫環(huán)境中，就有可能出現(xiàn)“鏈式”坍塌，尤其是部分倒塌的構(gòu)件還會對其他部分造成動態(tài)影響，從而導致結(jié)構(gòu)的鏈式坍塌（連鎖事故）。

火災(zāi)會使該環(huán)境下的構(gòu)件受到一定的溫度影響，從而造成結(jié)構(gòu)的損壞和綜合性能的下降。由于受到了外界的隨機載荷影響，部分結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)局部損傷[1]。出現(xiàn)部分損傷的構(gòu)件將會對其他部分造成影響，引起連鎖反應(yīng)，使房屋建筑的承受力不斷下降，最終導致房屋倒塌，由部分部件損壞導致的建筑損壞被稱之為連續(xù)性破壞。

隨著溫度的升高，建筑結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)的屈服強度、彈性模數(shù)逐漸降低。結(jié)果表明，在400℃以上，鋼骨的強度將呈現(xiàn)顯著的下降趨勢[2]。根據(jù)已知數(shù)據(jù)與相關(guān)案例，火災(zāi)發(fā)生時，火場溫度普遍高于800℃，高溫對建筑結(jié)構(gòu)造成的損傷十分明顯，嚴重時建筑會發(fā)生局部坍塌現(xiàn)象，如未能及時采取有效措施，還會發(fā)生結(jié)構(gòu)整體坍塌的事故，從而對建筑內(nèi)群體的生命安全造成嚴重威脅[3]。其中鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1 所示。

圖1 鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 高層建筑火災(zāi)結(jié)構(gòu)安全性評估

2.1 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的安全性評估模型構(gòu)建

為了更合理地判定高層建筑火災(zāi)結(jié)構(gòu)的安全性，引入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)完成對安全性評估模型的構(gòu)建。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以用公式（1）表示.

式中：G代表貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；V代表具備獨立性特征的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，V中包括變量集合X，一般條件下，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中X可以以節(jié)點形式存在；E代表有向弧集合，可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間關(guān)聯(lián)性的描述；P代表變量相關(guān)的局部條件概率分布。

結(jié)合上述論述，先確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)形式，即假設(shè)存在2 個事件A和B并且P（A）＞0，則存在公式（2）所示的等式關(guān)系。

按照公式（2）計算火災(zāi)結(jié)構(gòu)中各個節(jié)點變量出現(xiàn)的概率，以對火災(zāi)后果進行預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果實現(xiàn)對其安全性的判定。高層建筑火災(zāi)結(jié)構(gòu)中選取的節(jié)點記錄見表1。

表1 高層建筑火災(zāi)結(jié)構(gòu)中選取的節(jié)點記錄表

結(jié)合表1 中的各節(jié)點，構(gòu)建如圖2 所示的有向無環(huán)圖，以實現(xiàn)對各節(jié)點變量之間關(guān)系的描述。

圖2 高層建筑火災(zāi)結(jié)構(gòu)中節(jié)點變量關(guān)系有向無環(huán)圖

根據(jù)上述構(gòu)建，結(jié)合統(tǒng)計分析和專家打分，給每個節(jié)點變量對應(yīng)的概率值賦值，并完成對節(jié)點關(guān)聯(lián)程度的描述。

2.2 高層建筑火災(zāi)結(jié)構(gòu)安全判定

建筑火災(zāi)造成的二次破壞也是導致消防人員傷亡的重要因素。因此，在滅火救援中，對被撲救建筑物的安全性進行準確的預(yù)測和判斷，并在最短的時間內(nèi)做出安全的疏散策略，對降低消防人員的傷亡具有非常重要的意義。消防救援決策要求對火災(zāi)現(xiàn)場的實際狀況做出迅速判斷，因此過于繁復(fù)的預(yù)測和判斷方式不適合消防救援指揮。在消防救援中，指揮決策應(yīng)采取簡單的判斷方式，根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場的實際情況快速做出科學的指揮決策[4]。與此同時，由于建筑結(jié)構(gòu)的破壞機理復(fù)雜，高溫致災(zāi)機理不完善，缺乏成熟的預(yù)測和判定手段，因此目前對建筑結(jié)構(gòu)在滅火救災(zāi)中的安全性判斷仍然存在困難。而且建筑物的倒塌一般都是在一瞬間發(fā)生的，很難做出準確的預(yù)測和判斷。

如果建筑構(gòu)件停留在高溫環(huán)境中的時間超過了其耐火極限，則應(yīng)當從火災(zāi)現(xiàn)場表現(xiàn)出的情況對其安全性、可靠性做清晰判斷。對高層建筑而言，其整體崩塌通常是由多個部分出現(xiàn)塌陷所導致。因此，是否出現(xiàn)部分塌陷、崩塌，可以成為判斷建筑物安全性和可靠性的一個重要指標[5]。在進行火災(zāi)救援時，如果高層建筑中重要的承重構(gòu)件所處環(huán)境溫度較高并且高溫持續(xù)時間超過了該結(jié)構(gòu)的耐火極限，則該結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)嚴重的變形現(xiàn)象。同時在高溫條件下，部分墻體也會出現(xiàn)裂縫。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，綜合上述分析，需要從是否存在結(jié)構(gòu)坍塌、構(gòu)件脫落、結(jié)構(gòu)傾斜以及結(jié)構(gòu)異響等多個角度對火場情況進行分析，實現(xiàn)對高層建筑結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的綜合判定，并根據(jù)得出的判定結(jié)果，制定合理的戰(zhàn)術(shù)撤離方案[6]。高層建筑火災(zāi)結(jié)構(gòu)安全判定簡易流程圖如圖3所示。

圖3 高層建筑火災(zāi)結(jié)構(gòu)安全判定簡易流程圖

2.3 基于評估結(jié)果的滅火救援指揮決策

結(jié)合上述評估結(jié)果，制定滅火救援指揮決策。撲救高層建筑火災(zāi)時，一定要堅持“預(yù)案支持，分級響應(yīng)，以固為主，固移結(jié)合，內(nèi)攻為主，攻防并舉”的戰(zhàn)術(shù)思路。判斷內(nèi)攻的適當時機，然后將滅火救援的策略應(yīng)用到最大程度，使火災(zāi)的損失降到最低。因此撲救高層及超高層建筑火災(zāi)時，需要根據(jù)火情的不同階段和火情的發(fā)展變化做出相應(yīng)的指揮決策，選擇針對性的撲救策略，以在最大程度上提高撲救效率。通過綜合判定，如果采取內(nèi)攻的方式能夠確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全，且不會出現(xiàn)轟然等威脅救援人員生命安全的情況，應(yīng)當果斷采取內(nèi)攻的救援方案，有效地撲滅火災(zāi)。如果判斷建筑物有安全隱患或者發(fā)生爆炸時，必須做出疏散決定，以確保救火人員的生命安全。高層建筑在不同火災(zāi)發(fā)生階段滅火救援內(nèi)攻時機變化圖如圖4所示。

圖4 高層建筑在不同火災(zāi)發(fā)生階段滅火救援內(nèi)攻時機變化圖

結(jié)合圖4 所示，對高層建筑火災(zāi)滅火救援中內(nèi)攻時機的判定應(yīng)當以下述內(nèi)容為依據(jù)：判定的火災(zāi)發(fā)生階段，如果火災(zāi)處于增長階段或衰減階段，則可采取內(nèi)攻戰(zhàn)術(shù)；對火災(zāi)中的建筑物進行預(yù)判，當判定建筑物受到的破壞較小，且建筑物在短期內(nèi)不會倒塌時，則可以采用內(nèi)攻方案。

3 滅火救援應(yīng)用

3.1 火災(zāi)概況

救援前需要先根據(jù)建筑的實際情況，對其外部結(jié)構(gòu)與基本構(gòu)成進行分析，如圖5 所示。

圖5 建筑結(jié)構(gòu)基本構(gòu)成

掌握建筑基本構(gòu)成后再對其火災(zāi)概況進行分析。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，圖5 中的建筑在下午18:00 發(fā)生火災(zāi)，轄區(qū)消防支隊先后調(diào)出58 輛滅火救援車輛進行現(xiàn)場救援。

起火點位于建筑的首層南側(cè)區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場的初步判斷，起火原因是電路短路。結(jié)合現(xiàn)場專業(yè)人員的檢測結(jié)果可知，火災(zāi)現(xiàn)場溫度超過800℃。

3.2 滅火救援決策流程

為實現(xiàn)對火災(zāi)救援的科學決策，應(yīng)按照如下內(nèi)容進行滅火救援決策。

首先，火情偵查。在滅火救援的整個過程中均需要對高層建筑的火情進行偵查，采用調(diào)派專人實地勘察、詢問火災(zāi)現(xiàn)場知情人士等方式，初步掌握火災(zāi)的發(fā)生時間、火勢變化情況與人員受傷情況。同時，使用遙感技術(shù)、無人機等對火災(zāi)現(xiàn)場進行高空拍攝，通過無人機等攝像、錄像畫面的實時傳送掌握現(xiàn)場的起火點。可根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用溫度傳感器等智能化設(shè)備進行建筑主體結(jié)構(gòu)溫度的實時記錄。

其次，預(yù)判建筑內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展趨勢。根據(jù)勘查結(jié)果，進行火災(zāi)在不同時段內(nèi)發(fā)展趨勢的預(yù)判。火勢一旦進入轟燃、完全燃燒狀態(tài)，就會危及救火人員的生命安全。為此，必須根據(jù)火災(zāi)的具體發(fā)展階段，并結(jié)合火災(zāi)的特點，在保證消防人員生命安全的前提下采用“內(nèi)攻”策略。

最后，制定滅火救援決策方案。由于高層建筑火災(zāi)撲救難度大、作戰(zhàn)時間長，因此針對火災(zāi)特點制定科學的火災(zāi)撲救策略顯得尤為重要。在高層建筑的火災(zāi)救援過程中，要清楚地了解應(yīng)急撤離的信號和聯(lián)系方法，提前確定好撤離的方向和路線，將應(yīng)急撤離道路上的障礙物全部清除。出現(xiàn)緊急情況時，參與救火的人員可以放棄救火車輛及救火器材，快速進行現(xiàn)場疏散。在進行內(nèi)攻滅火之前，要事先通知群眾撤離的路線，并將火場中明顯的參照物確定為自己的落腳點，撤離時，撤離隊要根據(jù)參照物選擇一條最優(yōu)、最快、最安全的路線。

4 結(jié)論

按照該文提出的方案對圖5 中建筑的火災(zāi)現(xiàn)場進行救援，根據(jù)現(xiàn)場記者與相關(guān)負責人的記錄，該次消防救援工作共進行了11 個小時，成功援救了建筑內(nèi)被困的群眾，并疏散了位于火災(zāi)建筑周邊的群眾，在極大程度上降低了火災(zāi)引起的人員傷亡事故與財產(chǎn)損失。同時，根據(jù)后續(xù)有關(guān)人員的調(diào)查可知，該次救援成功保住了火災(zāi)現(xiàn)場周圍的建筑，事后統(tǒng)計，火災(zāi)現(xiàn)場無人員傷亡。