基于因果分析法的高层建筑火灾风险评估体系研究

李 岩

(唐山市公安消防支队，河北 唐山 063000)

随着我国城市化建设不断发展，城市人口密度不断增加，城市土地资源紧张，使得城市建筑向规模化、集约化方向发展[1]，高层建筑应运而生。由于高层建筑具有层数多、人员集中、体量大等特点，一旦发生火灾，会造成严重的人员伤亡和经济损失[2]。如2009年，央视北配楼大火造成1人死亡，8人受伤，直接经济损失高达1.64亿元；2010年，上海胶州路高层公寓楼大火，造成58人死亡，70余人受伤。因此，如何有效预防或控制高层建筑火灾已成为建筑防火领域的研究热点。而有效评估高层建筑火灾危险性，提出针对性的措施，才能降低高层建筑火灾发生几率。

目前，国内学者对建筑火灾风险评估研究处于起步阶段，其研究成果主要集中在某一建筑的火灾风险评估，并没有形成统一的风险评估体系，更没有提出针对高层建筑的火灾风险评估方法。本文以高层建筑为研究对象，利用三类危险源理论及因果分析法，建立高层建筑火灾风险评估体系，为高层建筑火灾的预防、控制提供理论依据。

1 高层建筑火灾危险性分析

1.1 烟囱效应明显

高层建筑内设有电梯井、楼梯井、管道井、电缆井等竖井道。如井道未做好防火分隔，一旦发生火灾，井道会起到“烟囱效应”，火势会迅速窜到上层，烟气也会快速蔓延至顶部[3-4]。中国科学技术大学进行了烟气流动试验，结果表明：一旦发生火灾，烟气在短短十几秒内就能升到建筑顶部。

1.2 蔓延途径多

高层建筑火灾的蔓延途径可总结为水平蔓延和竖向蔓延两类。水平蔓延主要包括：(1)防火分区间蔓延，其原因是防火分区间未设置有效的防火分隔；(2)吊顶间蔓延，其原因是吊顶上部空间未设置防火分隔，仍是大的连通空间[4]。竖向蔓延主要包括：(1)楼梯间蔓延，其原因是部分高层建筑楼梯间未做防火处理，火灾后烟气进入楼梯间并向上蔓延；(2)通过窗口蔓延，火灾发生后，窗口喷出的火舌可能引燃上层建筑的可燃物，使得火灾向上蔓延。

1.3 疏散困难

高层建筑发生火灾时，影响人员疏散的主要原因有：(1)高层建筑楼层高，导致垂直疏散距离长，人员安全疏散需要相对较长时间；(2)高层建筑内人员密度大，且人员集中，火灾时易发生群聚现象，降低安全疏散出口的有效性；(3)火灾发生后，烟气会沿着竖井快速向上蔓延，与人员疏散方向相反，导致人员恐慌，降低疏散速度。

1.4 扑救困难

高层建筑火灾的扑救困难主要体现在：(1)我国高层建筑灭火系统还不完善，仍以消火栓系统为主，不能满足火灾的扑救要求；(2)高层建筑火灾扑救过程需用水量大，仅靠消防水泵和水泵接合器向室内供水，其水量远远不足。

2 危险源辨识

危险源辨识是进行火灾风险评价的首要任务，可为分析火灾发生、发展提供基础，为确定建筑火灾风险评估指标提供依据。目前，危险源的划分方法有二类危险源、三类危险源、本质和状态危险源等[5-6]，其中三类危险源理论是以二类危险源为基础，对危险源进行了更加系统、细致的分类，因此本文以三类危险源理论进行火灾危险源辨识。

2.1 第一类危险源

高层建筑内第一类危险源主要包括可燃物、烟气及有毒有害气体。根据燃烧三角形可知，可燃物是火灾发生的最根本原因[7-8]。而现代高层建筑功能复杂，内部空间会使用大量可燃易燃物品，火灾荷载密度相对较大；同时为了满足功能要求，内部空间会使用大量的装修材料，增大了室内火灾荷载。研究表明，火灾中死亡人员主要是由于吸入烟气或有毒有害气体所致，比例高达火灾死亡人数的85%[9]。高层建筑一旦发生火灾，会产生大量的有毒有害气体，且蔓延速度快，会给疏散人员造成心理恐慌，大大降低人员疏散的效率。

2.2 第二类危险源

为了有效控制高层建筑火灾的发生、发展，人们采取了多种消防措施来限制火灾中的可燃物、烟气等危险源，而根据安全系统工程理论分析可知，本质安全的系统是不存在的[10-11]。因此，第二类危险源是指各种消防对策中存在的火灾隐患，其消防对策主要包括主动防火系统、被动防火系统、安全疏散系统及应急救援系统等。

2.3 第三类危险源

研究表明，人为因素是造成建筑火灾的最主要原因，人员防火意识的强弱直接决定着建筑消防安全水平的高低[12]。因此，将人员防火意识、安全责任制落实、消防检查等指标归为第三类危险源。

根据以上分析可知，高层建筑三类危险源结构图如图1所示。

图1 高层建筑三类危险源结构图

3 因果分析法分析

3.1 因果分析法简介

因果分析法可以有效分析高层建筑火灾的发生、发展、直至整个建筑起火的全过程，可以动态剖析火灾事故的形成原因，进而提出系统、有效的防火措施。本文将高层建筑火灾大致分为5个阶段，主要包括：(1)火灾发生阶段，即可燃物接触能量足够大的点火源，发生有焰燃烧；(2)火灾发展初期，即火灾热释放速率小，发展较为缓慢，可以被水喷淋系统有效控制；(3)火灾发展阶段，即火灾发展较为迅速，热释放速率快速增大，室内温度逐渐升高，水喷淋系统不能有效控制，需要使用消火栓进行灭火；(4)火灾全盛阶段，即发生轰燃，室内火灾热释放速率达到最大，火灾进一步蔓延至整个防火分区；(5)形成立体式火灾，即火灾突破防火分区，通过竖井等通道向上部楼层蔓延。

3.2 高层建筑火灾因果分析

利用因果分析法，针对高层建筑火灾的5个阶段绘制事件树或事故树，并从中提取影响火灾发生、发展的影响因素。通过分析高层建筑火灾全过程，绘制高层建筑火灾因果分析图，如图2所示。

本文针对火灾不同阶段绘制事故树或事件树，并分析不同火灾阶段的详细原因。第一阶段火灾事故树如图3所示。由事故树图分析可知，火灾的发生是可燃物与点火源接触造成的，因此该阶段应该严格控制可燃物与点火源，才能有效降低火灾发生的概率。对于控制可燃物来说，可以采取的措施有：

图2 高层建筑火灾因果分析图

图3 第一阶段火灾事故树图

(1)进行小尺度试验，详细了解可燃物的燃烧特性；(2)严格控制建筑空间内可燃物分布，降低空间内火灾荷载密度；(3)控制装修材料的使用量，并严格限定装修材料的燃烧等级。而点火源主要分为建筑内点火源和周边点火源两类，控制点火源可以采取的措施有：(1)选择合理的建设位置，远离库房、仓库等火灾高危场所；(2)严格控制建筑与周边建筑的防火间距。

第二阶段火灾事故树如图4所示。由第二阶段火灾特点分析可知，火灾发生后，自动喷水灭火系统能有效开启或人员使用灭火器成功，均能将火灾控制在初期阶段，实施有效灭火。由火灾事故树可以看出，自动喷水灭火系统是控制第二阶段火灾发展的关键因素，而其开启信号一般由火灾自动报警系统发出，因此该火灾阶段应该保证火灾自动报警系统能有效探测火情并报警，联动开启自动喷水灭火系统，将火灾控制在初期阶段。

图4 第二阶段火灾事故树图

第三阶段火灾事故树如图5所示。分析可知，该阶段火灾处于发展阶段，火势增长迅猛，热释放速率大幅度增大，如消火栓灭火失败，建筑室内可能发生轰燃而进入下个火灾阶段。火灾发展阶段会产生大量的高温、有毒有害气体，排烟系统如不能将烟气有效排出室外，会影响人员灭火，阻碍人员安全疏散。因此该阶段火灾的主要影响因素是排烟系统及消火栓系统的有效性。

图5 第三阶段火灾事故树图

第四阶段火灾事件树如图6所示。建筑室内发生轰燃，火灾进入全盛阶段，并向该防火分区内其他房间蔓延，导致整个防火分区同时燃烧。分析可知，防火卷帘的及时关闭成为控制火灾向其他防火分区蔓延的关键因素，只有防火卷帘关闭成功，才能将火灾有效限制在该防火分区内，而影响该阶段火灾发展的其他因素有防火分区、防烟分区等因素。

图6 第四阶段火灾事件树图

火灾一旦发展到第五阶段，依靠建筑内自救措施已经无法控制火灾，该阶段的首要任务是组织人员安全疏散，因此有效组织人员疏散、建筑内安全出口及疏散通道设计合理成为该阶段火灾的主要影响因素。据调查可知，我国部分建筑存在疏散通道设计不合理、通道存放杂物等现象，影响人员有效疏散。

4 高层建筑火灾评估体系的建立

建立合理的高层建筑火灾风险评估体系，对建筑进行全面的调查与评估分析，能有效地预防与控制火灾的发生。

4.1 评估体系的结构

通过因果分析法分析高层建筑火灾发生、发展的全过程，确定每个火灾阶段的主要影响因素，进而确定每个阶段的关键控火因素，通过评价建筑内关键控火因素的能力来评价高层建筑的防火水平。因此确定高层建筑火灾风险评估体系的一级指标有主动防火能力、被动防火能力、安全疏散能力、应急救援能力及消防管理水平，其结构如图7所示。

图7 火灾风险评估体系一级指标结构图

4.2 评估体系的指标

4.2.1 主动防火能力

主动防火能力是指火灾发生时，能通过自动或手动方式开启的灭火、防排烟、消火栓等系统设备，主要作用是发现初期火灾、及时发出警报信号，主动开启灭火或排烟设施，有效控制初期火灾的发展。主动防火能力主要包括火灾自动报警系统、自动水灭火系统、消防给水系统及防排烟系统，其结构如图8所示。

图8 主动防火能力结构图

4.2.2 被动防火能力

被动防火能力是指通过建筑防火间距、建筑内防火分隔物、耐火构件等起到被动防火作用，使建筑耐火等级符合国家相关规范规定，被动防火能力结构如图9所示。

4.2.3 安全疏散能力

火灾发生后，首要任务是确保人员的疏散安全，保证人员在危险来临之前全部疏散到安全区域。影响人员安全疏散的主要因素有疏散路线的快速制定、疏散距离的长短、疏散楼梯的有效性及安全出口的有效宽度，其结构示意图如图10所示。

图9 被动防火能力结构图

图10 安全疏散能力结构图

4.2.4 应急救援能力

火灾发生时采取有效的应急救援措施，可为人员疏散赢得宝贵时间，提高救援人员作战效率，以降低火灾损失。提高应急救援水平可以采取以下措施：(1)针对建筑火灾特点，制定专项应急救援预案；(2)定期进行应急预案演习，提高作战人员的实战能力；(3)提升消防队灭火作战能力，确保火灾时能有效扑灭火灾；(4)配备应急救援设备设施，为火灾救援提供保障。建筑应急救援能力结构图如图11所示。

图11 应急救援能力结构图

4.2.5 消防管理水平

整个建筑的消防管理水平直接决定着建筑火灾危险性的大小，据调查可知人为过失和不安全行为造成的火灾事故占总数的85%。建筑内消防管理水平的主要影响因素包括管理人员的消防业务水平、人员的消防素质及消防制度的落实情况，其结构示意图如图12所示。

图12 消防管理水平结构图

5 结语

本文以高层建筑为研究对象，分析了高层建筑内火灾危险源，采用因果分析法建立了高层建筑火灾风险评估体系，主要结论为：(1)高层建筑火灾具有烟囱效应明显、蔓延途径多、火灾诱因复杂、疏散困难及扑救困难等特点，并利用三类危险源理论分析了高层建筑内火灾危险源；(2)将高层建筑火灾分为5个阶段，分析不同阶段火灾发生、发展的根本原因，并建立相应的火灾事故树或事件树；(3)以危险源辨识为依据，采用因果分析法分析高层建筑火灾每阶段的影响因素，建立了以主动防火能力、被动防火能力、安全疏散能力、应急救援能力及消防管理水平为指标的火灾风险评估体系。

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