火场建筑坍塌的结构分析及预判方法探讨

吴朝亮，刘海燕

(1.益阳市消防支队，湖南 益阳 413000； 2.湖南省消防总队，湖南 长沙 410000)



火场建筑坍塌的结构分析及预判方法探讨

吴朝亮1，刘海燕2

(1.益阳市消防支队，湖南 益阳 413000； 2.湖南省消防总队，湖南 长沙 410000)

建筑物坍塌是建筑火灾的次生灾害之一，大量实例表明，火灾引起建筑坍塌事故对人民群众生命财产安全和现场抢救人员的生命构成了严重威胁。介绍了几种常见的建筑结构形式，分析火灾引起建筑坍塌的原因，并提出了判定建筑火灾坍塌事故的方法和处置对策。

火灾；结构；建筑坍塌；预判方法

随着我国经济社会的快速发展，各种大型、复杂、不同结构的建筑迅猛增加，各类致灾因素明显增多，消防部队面临的任务更加艰巨。从衡阳“11·3”、哈尔滨“1·2”等火灾事故来看，建筑坍塌已成为建筑火灾处置中不容忽视和回避的问题。火灾中建筑倒塌的最终原因是建筑物承重构件失去承载能力而造成了结构性破坏，因此，处置较大规模的建筑火灾时，火场指挥人员特别是现场作战指挥部精准研判、果断采取科学的处置方法尤为重要。

一、火灾中建筑坍塌的特点

(一)坍塌具有突发性

建筑物受到火灾的高温作用，如不及时有效扑灭火灾，坍塌是必然的结果。但一个完整建筑物结构应力的破坏过程，是一个量变到质变的过程，是多种因素综合发生作用的结果，难以精确量化，一旦达到临界点，就会发生脆性破坏，坍塌往往发生在一瞬间。建筑内的救援人员，即使外部设立安全员，约定撤离信号，由于坍塌的前兆性不强，有时救援人员也难以在短时间内安全撤离。

(二)坍塌具有不可控性

建筑是由分散的建筑构件彼此连接、组合而成的整体，其耐火性能与多个构件的组合方式即建筑的结构形式息息相关。一般而言，局部构件的受损或失去承载能力，不会造成建筑物的整体坍塌，但有的建筑结构由于设计思路和执行标准不同，较少考虑建筑构件受损后的整体牢固性，局部构件的受损就有可能导致建筑的连续性坍塌或整体坍塌。这样的建筑结构发生火灾，除非能在有效时间内完全控制火势，降低建筑内部温度，否则建筑的坍塌将是不可控制的，随时存在坍塌的可能，这时的火场应严格控制盲目内攻。

(三)厂房、仓库和商业建筑发生坍塌的比例大

我国一些从事防灾减灾的研究人员，对国内1960—2005年火场建筑坍塌实例进行统计分析发现，厂房、仓库和商业建筑发生坍塌的比例较大[1]。这些坍塌建筑绝大部分为砖木结构、钢结构和多层商住楼，足以警示火场指挥员在组织实施内攻灭火时，一定要认真分析不同着火建筑物的结构类型。

二、各类建筑物的结构分析

目前，我国常见的建筑结构形式有木结构、砖木结构、钢结构、砖混结构、钢筋混凝土结构(含框架结构、底层框架-抗震墙砌体结构、剪力墙结构、筒体结构等)，这些建筑结构又主要分为墙承重、骨架承重及内骨架承重等几种形式，对建筑整体而言，在火灾高温作用下，会发生不同程度的破坏。

(一)木结构和砖木结构

木结构指以木材为主要受力体系的建筑结构，砖木结构是指竖向承重为砖或砌块砌筑，横向承重多为木材的建筑结构，两种结构的耐火极限均主要以木材构件作为判断基准。木材表面着火时被烧蚀，会削弱荷重的断面，当炭化程度加深，木材荷重断面缩小到临界值时，就可能发生断裂坍塌。一般而言，木结构和砖木结构的耐火极限在1 h以内，以200 mm×280 mm的胶合承重木柱和200 mm×400 mm的胶合木梁为例，其耐火极限就是1 h，这个尺寸大小已经略大于湖南省郊区、乡镇常见木结构、砖木结构的简易厂房、仓库、老旧居民住宅木材承重构件的尺寸大小。

(二)钢结构

钢结构是由型钢和钢板等制成钢梁、钢柱、钢桁架等构件，采用焊接、螺栓或铆钉连接的结构。在火灾高温作用下，裸露的钢材达到500 ℃左右时，15～20 min就会出现塑性变形，随着局部钢结构的破坏，造成整体失去稳定形成垮塌。钢材的力学性能对温度变化是很敏感的，可以看出，钢结构作为一种建筑结构体系，耐火性能很差。一种情况，在扑救单层、多层钢结构厂房、仓库火灾时，除非钢材构件上涂刷了防火涂料，过火钢材表面确实膨胀发泡形成致密坚硬的阻燃隔热层，这时的整体钢结构有1～3 h的耐火极限，否则，就一定要认真分析现场过火时间、火势发展、排烟散热等具体情况，慎重考虑内攻的实施；另一种情况，城市中逐步出现和增加的超高层全钢结构建筑，有的高度超过300 m甚至更高，一旦发生火灾，应严格对着火时间、过火区域、直接受火建筑构件进行分析，认真研判承载应力和建筑结构的受损情况。以世贸中心大楼这栋典型的超高层全钢结构建筑为例，重达156 t的波音767和104 t的波音757以1 000 km·h-1的速度分别撞击北楼和南楼时，如此巨大的冲击力大楼晃动仅1 m左右，建筑内部和外部并无严重塌落，但在熊熊大火面前，大楼的钢结构防火涂料分别抵抗了103 min和62 min失去隔热能力，北楼、南楼钢结构温度上升，失去结构承载力后垂直塌落(并非倾斜倒塌)，造成2 996人遇难和6 291人受伤的惨烈后果，遇难人员含343名消防员。以纽约消防局长为首的事故总指挥部制定的方案考虑了有限和局部的倒塌，而未考虑完全坍塌的情况，坍塌发生时设在一楼大厅和西街的指挥部被完全摧毁，指挥人员全部丧生。

(三)砖混结构

砖混结构是指竖向承重结构的墙、柱等采用砖或者砌块砌筑，横向承重的梁、楼板、屋面板等采用钢筋混凝土结构的建筑物，是耐火性能较好的一种建筑结构。砖的耐火性能很好，经得起高温，砖石砌块受热不易变形开裂，但砖墙受砌筑的质量和砂浆的耐火性能所限，耐火性能有所下降，也还有3～10 h的耐火极限，如常见的240 mm的承重砖墙，耐火极限就达5.5 h。楼板的情况就要区别对待，一般而言，钢筋混凝土的预应力楼板，按混凝土保护层厚度的不同，耐火极限为0.4～0.85 h；简支或现浇的楼板，耐火极限为1.5～2.5 h。可以看出，砖混结构竖向承重的耐火性能较好，楼板等横向承重的耐火性能相对较差，因此，在火灾延续时间较长的砖混结构建筑中，整体建筑结构很少倒塌，而在火势猛烈的局部区域，常常在1～2 h后会出现楼板塌落的现象，这是火场内攻人员值得高度注意和警觉的问题。

(四)钢筋混凝土结构

钢筋混凝土结构是指主要承重构件由配有钢筋增强的混凝土构建的结构，其耐火极限主要是由钢筋混凝土构件的截面尺寸大小和保护层厚度来决定，如钢筋混凝土支撑柱，直径300 mm的耐火极限在3 h左右，直径450 mm的大约4 h；简支的钢筋混凝土梁，保护层30 mm的耐火极限在2.3 h左右，保护层50 mm的大约3.5 h。单从承重构件的物理性质来看，钢筋混凝土结构的耐火性能是比较可靠的，但由于这种结构的类型众多，设计理念和侧重点各有不同，因而各种类型的实际耐火极限差别较大，有的看似牢固，其实迷惑性很大，我国重大以上火灾的建筑物坍塌事故，绝大部分都是这些类型。下面对钢筋混凝土结构进行逐一分析。

1.框架结构

框架结构是指由钢筋混凝土梁和柱连接而成，由梁和柱组成框架共同承担水平和竖向荷载的结构，其墙体不承重，仅起到围护和分隔作用。从全框架结构的设计来看，耐火性能是比较好的，一方面建筑物自身的承重负荷相对较小，另一方面框架整体是一种“网格”状结构，大小“网格”相互连接和支撑，即使局部受到高温破坏，也较少出现连续坍塌和整体坍塌，对于需要实施内攻的战斗，还算属于比较可靠的建筑结构。当然，全框架结构也有大面积坍塌的案例，如常德桥南市场“12·21”特大火灾的全框架结构建筑坍塌，除存在变更设计擅自加层等隐患问题外，主要还与过火时间和火势大小有关。如火灾发生后136 min第8栋建筑整体坍塌，271 min后第5栋部分坍塌和第9栋整体坍塌，造成现场消防官兵的埋压和受伤。全框架结构的建筑耐火极限主要是由钢筋混凝土梁、柱的截面尺寸大小和保护层厚度来决定的。同时，还存在一些要注意的问题：一般来说，由于多点支撑的缘故，连续梁的抗火性能远远好于简支梁；楼板同样是框架结构火灾过程中最薄弱的部位，尤其是预应力的楼板结构等。这些特点，在某些现场缺乏图纸和有效信息支撑的特殊情况下，常常是一些有经验的火场指挥人员作出直观经验判断的依据。

2.底层框架-抗震墙砌体结构和剪力墙结构

底层框架-抗震墙砌体结构是指底部的大空间楼层横向与纵向均为框架-抗震墙体系，大空间以上楼层为砌体墙承重体系构成的房屋，多用于多层商住楼。剪力墙结构是指用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁、柱，来承担横向和纵向应力的建筑结构。剪力墙结构中又分全部落地剪力墙和部分框支剪力墙结构，全部落地剪力墙结构多用于高层建筑中功能较为单一的建筑，如高层的纯住宅楼；部分框支剪力墙结构多用于高层建筑底部需要大空间的建筑类型，如高层商住楼。全部落地剪力墙结构的耐火性能是很强的，这里不作过多说明。

上述两种不同类型的建筑结构为什么放到一起来说呢？底层框架-抗震墙砌体结构和剪力墙结构中的部分框支剪力墙结构有一个共同的特点，就是大多应用于建筑底部需要大空间结构的房屋，比如上面所说的多层和高层商住楼，这两种结构的底部大空间和上部的小空间楼层结构中间，存在结构类型的转换，通常采用过渡层和转换层结构，因而上部的楼层结构承重未连续贯通落地，而是由底部梁、柱、墙共同承担上面所有重量荷载的一种“组合结构”，也就是说，这些建筑在底部框架的基础上实施砌体，该类建筑的承重形式是建筑上部的重量通过底部框架传递至基础层，上部建筑的“基础”实际是建筑中部的过渡层和转换层结构，叫其“空中楼阁”也丝毫没有说错。在我国20世纪90年代初期，这种框架结构与砌体结构相结合的建筑形式开始大量出现，由于该类建筑的底部使用用途大多为商业，火灾荷载较大，并且该类建筑的上部砌体重量承重在下部底框的结构上，一旦下部底框楼层失火受到破坏，底框结构失去承重能力时，上部建筑的重量将失去支撑，造成上部建筑“悬空”的状态，从而使得着火建筑物发生整体坍塌和连续坍塌[2]。这类结构应该说，在建筑设计上不存在什么问题，但对火灾状态下的破坏作用估计不足，底部结构哪怕是局部破坏，如果上部小面积高楼层的砌体结构正好在这个位置的承重被破坏，“悬空”造成的坍塌将会在瞬间迅猛而剧烈的发生，这时建筑内部的人员根本无法作出有效的反应和采取有效的措施，从而将对消防部队内攻灭火人员造成最大而致命的威胁，前面列举的衡阳“11·3”和哈尔滨“1·2”等火灾建筑坍塌，都是这两种建筑结构类型。衡阳的衡州大厦，共8层，局部9层，一层为框架结构门面，存有大量可燃物资，二楼以上为砌体砖混住宅；哈尔滨北方南勋市场，共11层，1～3层为大跨度框架仓库，同样火灾荷载很大，4～11层为砌体砖混住宅，如上所述，只要底部承重框架突破临界受到不可逆的破坏，上部建筑的摧毁性坍塌就会在瞬间爆发。实践证明，带有过渡层和转换层结构的建筑在同样程度的火灾中，大面积坍塌的危险远大于“落地生根”的整体建筑结构，面对这些结构的建筑火灾，一线指挥人员在指挥决策上一定要科学预判、慎之又慎。

3.筒体结构

筒体结构是由框架-剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变和发展而来，是将剪力墙或密柱框架集中到房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体，适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层或超高层建筑。钢筋混凝土的筒体结构具有节约钢材、造价较低、可模性好、耐火性能高等优点，在今后一段时期内，仍是高层建筑的一种主要结构形式。筒体结构的耐火性能也可以用构件尺寸和保护层厚度作为参考依据，这类高层、超高层建筑，从目前笔者所看到的设计实例来说，内筒剪力墙的截面厚度一般在300 mm以上，外柱的尺寸一般也在800 mm×800 mm以上，从理论上讲，这些建筑构件的耐火极限可以在8～10 h以上，应该说是比较可靠的。目前在实际中遇到的高层建筑特别是超高层建筑火灾，一旦火灾发生在较高的楼层，灭火救援主要采用内攻的方法，因此，面对这类火灾，指挥人员主要考虑的还是如何在最短的时间内将足够的灭火力量部署和投入到着火区域、楼层；消防中队官兵应当在平时的“六熟悉”过程中，强化对辖区内超高层建筑的实战演练，熟练掌握室外车辆高层供水、供A类压缩空气泡沫的方法和水泵接合器、室内消防给水系统、消防电梯等的使用方法，以达到在有效时间内快速扑灭火灾的效果。需要提醒的是，超高层建筑自身的室内消防给水方式有几种类型，如高度在150 m以下的超高层建筑一般采用“一次加压减压给水方式”，150～250 m的一般采用“串联加压给水方式”，250 m以上的一般采用“高位水池重力给水方式”，在内攻灭火时的使用方法有所不同，应在预案演练中加以熟悉和掌握。

三、建筑坍塌的预判和处置方法

(一)通过建筑构件的破坏顺序进行预判

在《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)中，不同耐火等级建筑相应建筑构件有不同的燃烧性能和耐火极限。以常见的二级耐火等级的民用建筑为例，耐火极限吊顶一般为0.25 h，屋顶承重构件和楼板一般为1 h，疏散楼梯一般为1～1.5 h，梁一般为1.5～2 h，柱和承重墙一般在2.5 h以上。可以看出，在火场环境中，建筑构件的破坏遵循着一定的规律和顺序，被破坏的过程存在着一定的时间差，也就是先吊顶，再屋顶承重构件和楼板，再疏散楼梯，再到梁，最后承重墙和柱的顺序。内攻战斗中很多的现场处置方法，都是基于这个规律。比如，火灾前期深入内攻的人员，要先对进攻路线和阵地上方着火的吊顶使用水枪进行清理和扫落，防止被破坏的吊顶坠落伤人；火灾中期火场温度较高时，应注意不要使用直流水枪对梁、楼板等构件直接射水冷却，尽可能采用开花、喷雾水枪对这些部位进行全面、均匀的冷却，防止突然的冷却反而加重高温承重构件的破坏；火灾持续较长时间，火势未得到有效控制，而楼板等横向承重建筑构件出现局部塌落等迹象时(楼板的塌落较为常见，特别是预应力楼板，因此具体情况应具体分析)，指挥人员应慎重考虑内攻战术是否继续实施等。

(二)通过建筑的烧损程度与细部特征进行预判

在火灾中，建筑物由于受到火灾高温的破坏，各类建筑构件随着过火时间的延续会出现不同程度的烧损，当内攻人员发现梁、柱、墙、板等承重构件的保护层严重剥落，钢筋混凝土构件内部的钢筋出现露筋、松脱甚至断裂，个别主体构件倾斜或塌落等严重烧损迹象时，可以暂缓和撤出内攻。此外，建筑物受火势高温影响，受到较大破坏时，会出现一些细部特征，比如，墙体出现较大的纵向裂缝，混凝土爆裂，楼板呈“锅底”状下沉，建筑倾斜[3]、位移导致的管道爆裂、门窗卡死，局部坍塌和室内爆炸造成的震动等。这些细部特征可以作为内攻指挥人员是否撤出比较直接、有效的预判手段，但火灾现场的情况复杂，瞬息万变，指挥人员一定要细之又细，综合判定，不要死守“建筑火灾放弃内攻就等于接受失败”的信条，而应该科学施救。

(三)通过建筑物重量负荷的情况分析进行预判

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)的相关设计规定，我国各类建筑物的楼面活荷载都有规定的标准值，也是建筑结构设计、施工的法定依据之一。如住宅、办公的楼面活荷载一般不小于200 kg·m-2，剧院、影院等一般不小于300 kg·m-2，商业建筑一般不小于350 kg·m-2，工业生产车间的楼面一般不小于300 kg·m-2，仓库(储藏楼面)一般不小于500 kg·m-2。可以看出，国家有设计规定，除违章建筑、伪劣工程等个别情况外，建筑工程大都会按上述标准加上保护系数施工，但火灾中建筑物的受损可能还会影响上述数值，因此，内攻指挥人员可以通过对室内楼面的重量负荷情况分析，作为坍塌预判的一种方法。例如，水渍的荷载，有的火场由于受门槛或其他障碍物的影响，局部积水深达几厘米，这就有几十公斤的重量荷载；人员的荷载，由于楼内人员逃生和消防人员进入，容易造成人员的拥挤和集中，超过承载能力就有可能发生垮塌，因此内攻处置中应尽可能采取分流疏散和有序疏散的方法，内攻人员不要大量集中，宜精不宜多；物资的荷载，一般住宅内的物资荷载能达到50 kg·m-2，而公共建筑一般在100 kg·m-2以上，有的物资还容易吸水，吸附水渍后重量增大等。还有一种情况要引起内攻人员的警觉和注意，就是一些住宅，被随意改为公共用途甚至是改为仓库使用，楼板重量负荷严重超标，按住宅的楼面活荷载来进行预判，就能很容易地判断其在火灾中的坍塌危险性大小。在楼面承重方面导致的坍塌，国内也有典型案例和惨痛教训，如广东珠海“6·16”特大火灾坍塌事故，造成93人死亡，156人受伤，坍塌厂房18 135 m2的严重后果。这起火灾坍塌事故，发生在火灾扑灭后清理火灾现场的过程中，教训极为深刻。一方面，火灾延续十多个小时，即使被扑灭，建筑结构已经严重受损；另一方面，工厂擅自将厂房改为棉花仓库，起火后在二楼、三楼扑救火灾时均喷射了大量的水，水渍重量和棉花吸水后的重量，导致楼面重量负荷严重超标；同时，火灾扑救完毕后，工厂立即组织了大量工人进入仓库内清理仍在阴燃的棉花，几百工人集中在楼内，造成更大的楼面重量负荷，这些因素每一项都很致命，综合在一起，最终导致的后果自然不言而喻。

(四)通过对火场灭火救援力量的估算进行预判

一起建筑火灾，消防部队到场后，面临的主要作战任务无非是救人和灭火，这就要求现场指挥人员迅速展开火情侦查，全面掌握起火位置、着火面积、火势蔓延速度方向、被困人员数量位置、建筑结构、建筑消防设施启动等基本情况。在此基础上，针对灭火救人任务，设定战术方法和力量部署，这就需要现场指挥人员对灭火救援过程中实施侦查、警戒、破拆、供水、疏散、内攻灭火所需要的车辆装备器材、官兵数量和水源、灭火剂等，进行大致估算。如果可以在有效时间救出被困人员、扑灭火灾，就可以预判火灾中建筑物不会发生坍塌，而坚决实施内攻战术；反之，如果现场灭火救援力量无法有效控制火势，就应该迅速调集增援力量，同时采取灵活机动的战术措施，救人第一，速战速决。

(五)通过一些简易的技术设备进行预判

在建筑火灾中，可以引入一些仪器设备，通过技术手段获得一些预判的依据。比如，基层部队配备的红外测温仪，是通过红外感应和光学原理，无需接触就能检测到远处物体的表面温度，测温范围在-50～600 ℃之间，可以方便的测量建筑构件的温度；还有，在建筑工地常见的“电子全站仪”，即全站型电子测速仪，能方便的测量建筑物的距离和角度，其具备的沉降测量和倾斜测量功能，可以为火场建筑坍塌，提供一定的预判参考依据。

四、结语

总之，建筑火灾现场的情况复杂多变，消防指挥人员一定要全面掌握现场情况，特别是建筑结构方面的信息，结合燃烧时间、火势大小、扑救情况等，正确分析判断建筑结构坍塌的可能性，正确采用科学合理的战术方法，确保火灾现场消防官兵的自身安全，准确快速地完成灭火救援战斗任务。

[1] 李耀庄,李呁晖.中国建筑火灾引起坍塌事故的统计与分析[J].安全与环境学报,2006,6(5):133-135.

[2] 屈立军.钢筋混凝土底框架商住楼耐火设计审核与火灾扑救[J].消防科学与技术，2005,24(5):570-572.

[3] 翁茂贵.可能引起建筑物坍塌的几种情况及应对措施[J].消防科学与技术,2005，24(2):231-232.

(责任编辑 马 龙)

Key works: fire; structure; building collapse; forecasting method

On the Causes of Fire-induced Building Collapses and Forecasting Methods

WU Chaoliang1， LIU Haiyan2

(1.YiyangMunicipalFireBrigade,Hu’nanProvince413000,China; 2.FireCorpsofHu’nanProvince,Changsha410000,China)

The collapse of the building is one of the secondary disasters of a building fire,and a large number of cases show that the building collapse caused by a fire results in people’s lives and property safety and constitutes a serious threat for rescuing personnel life. In this paper, through the introduction of the structure of several common forms, the analysis was made about the causes of a building collapse, and a method to determine the fire collapse was also puts forward.

2016-04-21

吴朝亮(1977— )，男，湖南长沙人，高级工程师； 刘海燕(1976— )，女，湖南邵东人，高级工程师。

D631.6;TU311.2

A

1008-2077(2016)10-0021-05