火灾引发建筑坍塌预防对策探讨

●孙文海，朱飞勇

(1．陕西省消防总队，陕西 西安 710016;2．赣州市消防支队，江西赣州 341000)

火灾引发建筑坍塌有必然规律可循，比如遵循建筑构件的耐火极限原理。但是，在研究建筑坍塌规律时，也发现一些典型建筑火灾坍塌时间，远超出了建筑耐火极限时间，却始终没有出现建筑坍塌事故，这除了灭火作战延迟了建筑坍塌时间以外还有诸多影响因素。

一、典型案例

2000年以来，因火灾引发建筑坍塌实例屡见不鲜，频次逐年升高。例如:2001年6月2日11时5分，北京市西城区绿缘酒楼发生火灾。着火建筑为2层钢结构的餐厅，火灾1 h后屋顶全部塌落。2003年11月3日4时40分，湖南省衡阳市衡州大厦发生火灾。着火建筑为8层砖混结构的商住楼，火灾3．5 h后建筑的西部楼层整体坍塌。2004年12月21日7时许，湖南省常德市桥南市场发生火灾。着火建筑为4层钢筋混凝土框架结构的商业用房，火灾5 h后建筑的西南角发生坍塌。2005年11月15日16时30分，吉林省辽源市中心医院发生火灾。着火建筑为4层钢筋混凝土结构的门诊楼，火灾引起屋顶坍塌。2014年2月4日10时52分，上海市宝山区上海环震包装制品有限公司发生火灾。着火建筑5、6号楼均为2层混凝土结构的厂房，火灾2 h后5号楼坍塌。

二、影响建筑火灾坍塌的因素

火灾发生后会导致建筑坍塌，建筑坍塌的主要原因是建筑构件受高温作用后其承载能力降低，因此，影响构件高温稳定性的因素就是导致建筑坍塌的因素。

(一)建筑内火灾荷载与重力荷载

通常情况下，建筑内火灾荷载越大，重力荷载越大，燃烧越猛烈，室内温度越高，越容易达到建筑耐火极限，易引起建筑物坍塌事故。建筑构件所承受的实际重力荷载越大，产生的内力也越大，构件失去承载能力的时间越短。［1］所以耐火性能差，其稳定性也差。

(二)构件的燃烧性能与材料强度

可燃材料构件由于本身发生燃烧，截面积不断缩小，承载力不断下降，其稳定性也不断减弱。因此，可燃材料构件的稳定性不如不燃和难燃材料构件的稳定性好。如木材承重构件的稳定性总是比钢筋混凝土构件差。构件材料实际测定强度越高，耐火性越好，其稳定性也好。

(三)构件支承条件与截面形状

连续梁或框架梁的耐火性和稳定性优于简支梁。柱子长度越大，纵向弯曲作用越明显，其耐火性和稳定性越差。建筑构件截面尺寸越大，热量越不易传到构件内部，耐火性和稳定性越好。同样截面积的建筑构件，圆形的要比矩形的耐火性能、稳定性能好。同样为矩形截面，截面周长与截面面积之比大的构件，接受热量多，内部温度高，其耐火性能和稳定性能差。矩形截面积小的构件，热能易损伤内部材料，其耐火性能和稳定性能较差。［2］

(四)表面防护与保护层厚度

构件表面涂有不燃性保护层时，如抹灰、喷涂防火涂料等，增加了构件的耐火性，其稳定性也相应增加。钢筋的保护层厚度对于梁、楼板等抗拉性钢筋混凝土结构构件的耐火极限影响非常大。

(五)钢材品种与配筋方式

不同的钢材受热后其强度降低系数不同。强度降低系数越小，钢构件稳定性越好。普通低合金钢优于普通碳素钢，普通碳素钢优于冷加工钢，预应力构件最差。［3］对于配筋方式，当截面双层配筋，或大直径钢筋配于中部小直径钢筋配于角部时，则里层和中部钢筋温度低，强度高，耐火性和稳定性都好。

(六)建筑材料与施工问题

施工过程中出现如下情况，容易提前出现建筑坍塌:一是建筑完工后，盲目事后加层;二是施工中水泥、钢筋、石灰等材料质量不符合标准;三是施工时抢工期进度，影响了施工质量;四是建筑承重梁柱保护层厚度不达标。

三、着火建筑坍塌的基本规律

(一)构件的耐火极限和材料的高温力学性能是保障建筑稳固的主要因素

构件耐火极限即构件抵抗火作用的时间。我国对抗火试验中梁和板的破坏标志规定为:在试验过程中垮坍或试件的最大挠度超过L/20(mm)，表明试件达到耐火极限(L为构件跨度);柱子在试验过程中垮坍或轴向变形速率大于H/100(mm)或轴向变形速率大于3H/1 000(mm·min-1)，表明达到耐火极限(H为试件的受火高度)。国际标准化协会(ISO)对抗火试验中梁、板的破坏标准为:最大挠度超过L/30后，挠度达到或超过L2/(400 d)(mm)，同时挠度变形率达到或超过L2/(9 000 d)(mm·min-1)，表明达到耐火极限(d为拉、压边缘间距离)。［4］对于材料的高温力学性能，普通混凝土构件的抗压强度，在400℃以内可近似认为不变，700℃时约为常温时的40%;普通钢材的屈服强度，在200℃以内可近似认为不变，550℃时约为其常温时的40%;预应力筋用高强钢材的屈服强度随温度升高将逐渐降低，到400℃时约为常温时的40%。［5］

(二)着火建筑坍塌时间与建筑结构有直接关系

多起坍塌的火灾现场表明:着火建筑坍塌时间与建筑结构有直接关系。大跨度钢结构建筑通常很难经得住0．5 h的高温烘烤，而对于无爆炸发生和无先天质量问题的钢筋混凝土建筑，一般火灾持续5 h都不会发生整体坍塌。消防官兵到场后，可以抓住时机组织内攻，随着内攻冷却降温的开始，建筑坍塌的时间逐渐延缓推迟。至于延缓推迟多长时间，这与内攻作战的冷却效果有关。应该说，凡是出现坍塌的火灾现场，其内攻灭火均存在组织不利和冷却效果不佳的因素。

(三)北方比南方建筑抗烧，震区比非震区建筑抗塌

我国北方地区的建筑比南方地区的建筑普遍抗烧塌性能强，主要原因是建筑成本、建筑材料、墙体厚度、保护层性能等。震区建筑按防震等级进行设计，其火灾抗塌性能明显增强。［6］2010年12月1日我国新颁布实施的《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)规定对非震区新建建筑也应作防震设计，这将显著提高建筑火灾抗塌性能。

四、建筑火灾坍塌事故预防对策

(一)着火建筑坍塌前兆信息获取

在建筑火灾扑救过程中，获取建筑坍塌前兆信息非常重要。要持续多处测量着火层、着火上层、着火下层、梁柱的温度，及时研判建筑构件的承载能力和可能坍塌的位置;建筑火灾发生一段时间后，由于火灾高温和消防水流不均衡冷却作用会造成构件材料爆裂进而形成缝隙。现场指挥员要从建筑结构出现缝隙的情况，研判可能出现坍塌的位置，并进行事先防控、重点保护;在建筑火灾过程中，会不断有爆裂声和吱吱混响声等声音的出现，现场指战员要善于倾听其变化，及时判断是否有坍塌现象的出现。［6］另外，在总指挥员综合分析建筑情况时，要参考墙、梁、楼板的理论耐火极限值，通过综合分析，确定现场的作战时间，确定部队撤离时间，科学有效地完成建筑灭火救援任务。

(二)抓住有利时机组织内攻冷却灭火

灭火冷却及时的建筑，其抗塌性明显增强，一般不易坍塌。在火灾扑救初期，要调集精干人员和精良装备，尽快深入内攻，集中兵力消灭火灾。初期内攻的犹豫不决，必将错失良机，导致后期的骑虎难下。组织内攻时，配齐个人防护装备，利用热像仪等设备，第一时间从大量烟雾中找准火点，通过攻坚组梯次进攻的方法，实施斩首行动。即使内攻难以奏效，也要组织水枪、水炮射水冷却。一是冷却梁柱，保证承载力不下降，此为防坍塌的关键，是首战人员的首要任务;二是冷却楼板，防止突破外壳，形成立体燃烧;三是冷却可燃物，加大水蒸气浓度，降低建筑内部温度。另外，要确保火场供水不间断，以取得内攻冷却灭火战斗的成功。

(三)及时做好火场排烟

火场烟雾是火场可燃物受热分解的产物，它携带着热能四处流窜。扑救着火建筑火灾过程中，应将高温烟雾排到规定的安全区域，降低建筑内的温度，使建筑构件免受高温影响，从而推迟或有效的避免建筑坍塌。火场排烟及时，也决定内攻的质量。火灾现场存有大量有毒、高温烟气，官兵内攻时往往因为视线不好而害怕胆怯，无法在大空间的建筑内找到火点，内攻时只是在某一处盲目射水，内攻达不到成效，耽误宝贵时间，造成建筑坍塌几率增加。

(四)发挥现场智囊团的作用

要成立现场智囊团组织，其主要由现场安全员、建筑建设专家、建筑设计专家及相关技术人员组成。安全员一般由经验丰富的灭火高工担任，设计专家一般是城市建筑设计院的技术人员，建设专家是指建筑施工监理或从事建筑施工的综合性技术人员。现场智囊团组织要认真观察、检测并收集起火建筑的坍塌征兆信息，分析判断征兆信息，评估建筑坍塌时间;统一紧急避险信号，适时发布避险信号，全面掌握建筑坍塌的安全工作;提供建筑的图纸资料，明确建筑内部通道、分割、物资储存等情况;参与灭火救援指挥部的现场决策。

［1］李耀庄，苏玲红，吴小华．火灾下工程结构连续性倒塌分析与设计方法探讨［J］．灾害学，2010，(1)：89-92．

［2］许波，茅艳．影响混凝土构件高温稳定性的若干因素［J］．混凝土，2003，(12)．

［3］唐义军，李耀庄，李博．基于随机有限元可靠度的RC结构抗火设计参数优化方法［J］．火灾科学，2005，(1)．

［4］许名鑫，郑文忠．建筑结构抗火知识及对建筑结构抗火问题的思考［J］．工业建筑，2006，(12)．

［5］于克强，吴永琳．结构抗火研究现状［J］．山西建筑，2008，(2)．

［6］李俊华．建筑火灾坍塌危险性的评估［J］．中国安全生产科学技术，2012，(7)．