近年我国家装材料变化对住宅火灾的影响研究

黄梦瑶，黄丽达，孙占辉，潘 睿，袁宏永

(清华大学工程物理系公共安全研究院，北京，100084)

0 引言

住宅火灾一直是消防领域的关注热点[1]。据统计[2-8]，1997年～2017年之间我国住宅火灾事故占比和死亡人数占比有所增加(见图1)。2021年，住宅火灾事故数和死亡人数占比分别达34.5%和73.8%，是影响全国火灾整体形势的重要部分。在住宅火灾中，各类家具和装修材料(后文简称家装材料)提供了引发火灾的物质条件，并促进火灾进一步蔓延，且燃烧释放的烟气是引起人员伤亡的主要原因[9]。近30年随着材料的发展，我国室内家装材料类别逐渐丰富，如人造板、复合地板以及阻燃材料等被应用于家装领域，研究因家装材料类别变化引起的火灾危险性变化，对防范住宅火灾事故发生、降低住宅火灾事故危害具有重要意义。

图1 住宅火灾事故数据统计 (1993～2017年)Fig. 1 Statistics on house fire accidents (1993～2017)

自1960年代起，国内外学者出于评估住宅火灾危险性的目的，对室内家装材料类别及其火灾特性开展了大量研究。部分学者对某特定地区住宅内的常见家装材料种类及数量展开实地调研，并测定了常见材料或物品的热值，统计了住宅火灾荷载等参数，形成了对住宅火灾危险性大小的初步认识[10,11]。部分学者在调研中发现部分地区现代住宅中塑料、人造板等合成材料在家具中应用的占比较老式住宅有所增加[12,13]，使得住宅火灾危险性有所改变。但由于我国不同地区家装材料应用受到材料发展、经济条件、地域偏好等多种因素影响，室内家装材料往往呈现出多样性变化，近几十年全国住宅家装材料的普遍性变化规律尚不明确。为进一步分析材料各方面的火灾特性，美国国家标准与技术研究院、欧洲材料燃烧分级标准工作组、国内中国人民警察大学和中国科学技术大学等[14-20]机构借助各种尺寸的实验测定，对比了各类单一家装材料的点燃时间、热释放速率以及CO产生率等火灾特性参数，建立了多个材料火灾特性数据库。部分学者基于已有数据，考虑热危害、烟气危害等指标，结合层次分析法完成了对某些聚合物材料的火灾危险性评价[21,22]。此外，实际住宅火灾中往往包括多种家装材料，部分学者[23,24]设置了包含两种家装材料组合(老式/现代)的住宅场景开展火灾实验，发现现代家装材料组合引起的火灾热释放速率峰值更高，现代家装材料组合引起的火灾房间温度上升更快，产生的CO和CO2浓度更高，为认识不同材料组合的火灾危险性提供了部分参考。但现有研究仍未能结合近几十年家装材料变化趋势分析住宅火灾危险性变化趋势。

本文旨在弥补现有研究不足，研究近年我国家装材料变化对住宅火灾的影响：首先借助问卷调查和文献调研了近30年我国家装材料变化趋势，进而根据已有实验数据分析了单一家装材料的火灾特性变化趋势；接着基于层次分析法原理对不同年代单一家装材料和家装材料组合的火灾危险性进行评价，阐述了不同年代常见家装材料组合可能引起的住宅火灾特点。

1 近30年家装材料变化趋势分析

本节研究目的为分析近30年家装材料变化趋势，明确不同年代的常见家装材料具体类别。已有研究一般通过前往实际住宅中对室内家装材料的材料大类(如沙发、木质家具、床架等)和数量进行统计，以便后续进行火灾荷载计算。但为了解家装材料变化特征，对其具体材料类别或者组分还需借助购买信息或者寻求专业人员进行鉴定。因此，本节首先调研了常见家装材料大类的变化趋势(如沙发中的实木沙发、布艺沙发以及皮质沙发在不同年代的占比情况)统计了应用最为广泛的材料大类。接着分析了材料大类在不同年代所对应的具体材料类别(如布艺沙发的面料和内衬)，以期为后续分析家装材料火灾特性变化做铺垫。

1.1 不同年代家装材料大类应用统计

由于前往实际住宅内开展家装材料应用调研涉及一定隐私性，且在全国范围内开展调研的工作量巨大，难以在短时间内完成。对于从外观上较易辨认的家装材料大类(如沙发中的实木沙发、布艺沙发以及皮质沙发)，本文首先利用网络问卷调查针对家装材料大类展开调研。问卷中主要考虑沙发、床垫、吊顶装饰以及墙面装饰这4类住宅火灾常见起火物。为便于统计，问卷中以2000年和2010年为界限设置了3个年代，并提供了常见材料大类的样图，以供作答人结合本人的住宅装修年限进行比较和选择。问卷通过网络发放，最终回收来自全国各省份的有效问卷共371份，其中南、北方省市占比分别约为27%和26%。问卷结果来源统计见图2，问卷结果见图3。

图2 问卷结果来源统计Fig. 2 Statistics on the sources of the questionnaire results

图3 不同年代常见家装材料大类应用统计Fig. 3 Statistics on the application of common classes of furnishing materials in different ages

据统计，近30年我国家装材料大类未发生较大变化。软体家具方面，绝大多数住宅内布艺沙发和弹簧床垫的应用比例最高(虽然2000年以前实木沙发的应用比例高达48.57%，但严格意义上实木沙发应归类为木质家具)；吊顶装饰方面，绝大多数住宅内多采用石膏线/乳胶漆(实际为难燃材料)，2010年后仍高达58.69%；墙面装饰方面，绝大多数住宅内多采用乳胶漆涂饰(实际为难燃材料)，2000年后壁纸材料应用增多，并在2010年达到35.41%。

1.2 不同年代家装材料具体类别变化趋势

上述调查统计虽明确了软体家具、吊顶装饰以及墙面装饰材料大类的应用情况，但并不清楚这些家装材料(以及肉眼不能辨识的木质家具)的具体材料类别(如布艺沙发的面料和内衬等)。结合家装材料大类的统计情况，本文进一步调研有关家装材料发展应用的文献书籍[25-32]，并考察了部分实际住宅陈设，根据某建筑设计院专家咨询意见，同样以2000年和2010年为界限，整理出了不同年代常用家装材料具体类别，见表1(对于地板装饰仅考虑可燃材料，忽略瓷砖、大理石等材料的应用)。

近30年家装材料具体类别主要发生了如下变化：

1)近30年桌类、柜类木质家具材料类别由实木(如榆木、胡桃木)向普通人造板(如胶合板、中纤板、刨花板)再向阻燃饰面人造板(如三聚氰胺贴面板、白橡板)转变；

2)近30年沙发、床垫类软体家具的内衬材料几乎未发生变化，主要是聚氨酯，而面料由天然织物(如棉麻)向化纤(如聚酯纤维、尼龙、涤纶)再向阻燃织物(如阻燃尼龙、阻燃聚酯纤维)转变；

3)近30年木质地板类地面装饰发展较为迅速，由木、竹等天然地板(如榆木地板、柞木地板)向复合地板(如中密度纤维板、刨花板为基材制成的强化复合地板)再向具有阻燃、环保等多种功能的绿色环保地板(如绿色基层复合地板)转变；

4)2000年以前住宅内墙面装饰多采用难燃涂料进行涂饰。2000年后住宅内壁纸材料应用增多，且由塑料壁纸(如PVC壁纸)向阻燃壁纸(如阻燃PVC壁纸)转变。

表1 不同年代常见家装材料具体类别

综上，我国住宅内不同年代常见的可燃家装材料类别有着从半合成材料(如实木、棉麻以及聚氨酯)到合成材料(人造板和塑料壁纸)再到阻燃合成材料(阻燃壁纸和阻燃织物)的变化趋势。

2 近30年单一家装材料火灾特性变化

本节将结合已有实验数据分析随材料变化的各类家装材料火灾特性变化。对材料火灾特性的测试一般是利用专门的实验设备模拟材料燃烧时的环境，并按一定标准方法进行实验。目前国内外已发展的材料火灾特性测试仪器和标准多达37种。在已有火灾特性测试仪器和标准中，锥形量热仪所模拟的燃烧环境和实际环境相似，实验结果也与全尺寸实验相关性较好[33]。国内各大消防部门、高校及研究机构在近30年内广泛利用该方法开展实验研究，获取了大量材料的火灾特性参数，包括点燃时间、质量损失速率、热释放速率均值、热释放速率峰值、平均比消光面积以及CO产生率等。在进行锥形量热仪实验时会对结果产生显著影响的实验条件主要是热辐射强度。为分析不同年代常见家装材料的火灾特性变化，本文调研了近30年内利用锥形量热仪(设定热辐射强度为35 kW/m2时，此时绝大多数家装材料可充分燃烧)测量家装材料火灾特性参数的文献[34-38]，统计了不同年代上述4类家装材料火灾特性参数均值，见图4。其中，各类软体家具材料的CO产生率有缺失，参考了同作者全尺寸实验中的CO产生率数据。

图4 不同年代家装材料火灾特性参数统计(基于锥形量热仪)Fig. 4 Statistics of fire characteristic parameters of furnishing materials in different ages (based on cone calorimeter)

2.1 材料燃烧性能变化

住宅火灾的蔓延程度很大程度上受到材料燃烧产热性能的影响，通常以点燃时间描述材料被点燃的难易程度，以质量损失速率和热释放速率描述材料的燃烧强度。据图4(a～d)，点燃时间较短的是软体家具和壁纸(在46 s以内)，且质量损失速率和热释放速率均值/峰值相对较高的同样是软体家具(质量损失速率可达0.133 g/s，热释放速率峰值可达388.8 kW/m2)，其次是木质家具和地板。已有住宅火灾研究证实[39,40]，多数住宅火灾是由软体家具引起，壁纸通常不是第一起火物，但一旦发生火灾，火焰易沿壁纸纵向蔓延，使得火势迅速扩大，且贴有壁纸的房间容易在火灾时发生室内轰燃现象。此外，木质家具和地板会为火灾的持续发展提供能量，且易导致火焰横向蔓延[41,42]。近30年随材料变化，软体家具的点燃时间延长且热释放速率峰值有所降低，但相对其他家装材料其热释放速率均值/峰值仍然较高，其对火灾的影响依然较大。木质家具和地板的点燃时间有所延长，质量损失速率和热释放速率均值/峰值无明显变化。壁纸的质量损失速率稍有增加，但点燃时间延长且热释放速率有所降低，壁纸在火灾中的作用将进一步降低。

2.2 材料产烟性能变化

火灾烟气会对人员的疏散逃生造成影响。锥形量热仪虽不能直接测量烟气产生量，但可以通过比消光面积反映出材料的挥发产烟性能。据图4(e)，平均比消光面积相对较大的是壁纸和软体家具(壁纸平均比消光面积可达347.03 m2/kg)，其次是木质家具和地板。在部分装修相对豪华的场所内，软体家具和壁纸在燃烧时易产生大量烟气产物，严重影响人员的疏散逃生。过去不少发生于歌舞厅、商厦等场所的火灾案例对此现象有所证实[9]。随着近30年家装材料的变化，软体家具平均比消光面积有所上升，将会进一步降低烟气能见度，影响住宅内人员疏散逃生。壁纸平均比消光面积先上升后下降，2000年～2010年间常见的塑料壁纸平均比消光面积相对最高，能见度影响最大。木质家具和地板的平均比消光面积无明显变化。

2.3 材料烟气毒性变化

CO一直被视为火灾中造成大量人员伤亡的主要有毒气体，因此CO产生率可作为衡量材料烟气毒性的关键指标。据图4(f)，CO产生率相对较大的是软体家具(最高可达0.030 0 kg/kg)，其次是木质家具和地板，最后是壁纸(最高仅0.000 7 kg/kg)。已有住宅火灾事故数据表明[9]，软体家具材料所导致的死亡人数约占了全部死亡人数的12.5%～81%。随着近30年家装材料的变化，2000年～2010年间常见合成材料如聚氨酯/化纤组合、普通人造板以及复合地板的CO产生率无明显变化，但软体家具的CO产生率仍普遍高于其他家装材料，仍是引起住宅火灾人员死亡的主要原因之一。

3 近30年家装材料组合火灾危险性变化

火灾特性参数虽能直观反映出家装材料各方面火灾特性的优劣，但无法综合评判不同年代家装材料及家装材料组合的火灾危险性。自1970年代起，研究者们便开始寻求能够综合评价材料火灾危险性的方法，其中层次分析法得到了广泛应用。本文基于层次分析法建立火灾危险性评价模型，并根据各类家装材料在住宅内的比重，计算不同年代常见家装材料组合的综合火灾危险性分数，探讨不同年代常见家装材料组合对住宅火灾的影响。

3.1 单一家装材料火灾危险性评价

在构建火灾危险性评价模型前，根据层次分析法原理，需确认模型的目标层和准则层。本模型目标层是家装材料火灾危险性。一般认为，材料火灾危险性包括烟气遮光性、烟气毒性以及高温烟气羽流[43]，因此模型的第一级准则层设置为毒性气体危险性、产烟危险性以及燃烧危险性三个指标。基于锥形量热仪所能测得的参数进一步细化第二级准则层，以点燃时间、质量损失速率、热释放速率均值和热释放速率峰值作为燃烧危险性指标，以平均比消光面积作为产烟危险性指标，以CO产生率作为毒性气体危险性指标。根据火灾事故伤亡原因统计，一般认为烟气毒性危险性>烟尘危险性>高温危险性[44]。参考文献[45]，认为热释放速率峰值>热释放速率均值>质量损失速率>点燃时间。基于此，本文邀请6位专家按照1～9标度法对各指标重要度进行打分，按照层次分析法步骤计算各指标权重，利用一致性检验验证了权重合理性，最终确定了火灾危险性指标的层次总排序，见表2。

表2 火灾危险性指标的层次总排序

结合已统计的各类家装材料火灾特性数据，并对数据进行归一化处理后，代入火灾危险性评价模型中，得到不同年代常见家装材料火灾危险性评价分数，见图5。

图5 不同年代单一家装材料火灾危险性评价结果Fig. 5 Fire hazard evaluation results of single furnishing materials in different ages

据图5，近30年综合火灾危险性最高的是软体家具(评分高达0.634 3)。随着近30年家装材料的变化，软体家具的综合火灾危险性呈增加趋势，壁纸的综合火灾危险性有所减少。2000年～2010年间普通人造板的应用使得木质家具的综合火灾危险性增加，而2010年后阻燃人造板使得其综合火灾危险性降低，地板的综合火灾危险性无明显变化。

3.2 家装材料组合火灾危险性综合评价

一般住宅内的木质家具、软体家具及地板的质量较大，而壁纸的质量较小。为计算不同家装材料组合的火灾危险性，本文忽略其他家具陈设以及住宅面积等因素对这些家装材料数量和质量的影响，设木质家具的权重为0.4，软体家具权重为0.3，地板权重为0.25，壁纸权重为0.05。根据前文调研的家装材料应用趋势以及单一家装材料火灾危险性评价，结合各类家装材料权重，计算出不同年代常见家装材料组合的火灾危险性综合评价分数，见图6。

图6 不同年代家装材料组合的火灾危险性评价结果Fig. 6 Fire hazard evaluation results of furnishing material combinations in different ages

一般认为综合火灾危险性评分越高的材料组合越可能引起亡人火灾事故。随近30年家装材料变化，家装材料组合的综合火灾危险性呈先上升后下降的趋势。2000年以前半合成材料组合的综合火灾危险性评分较低(仅0.265 0)，此时室内比重较大的聚氨酯/棉麻软体家具和人造板家具同样较易被点燃，质量损失速率和热释放速率较快，产生的有毒烟气较少，材料组合的燃烧危险性较高，而产烟危险性和烟气毒性危险性较低。这类材料组合的火灾危险性主要体现在燃烧危险性上，在同样的燃烧时间内其过火面积可能较大，但引起亡人的可能性较小。目前这类材料组合因其性能和价格的原因应用逐渐减少。

2000年～2010年间合成材料组合的综合火灾危险性评分最高(达0.352 0)，因此时室内比重较大的聚氨酯/化纤软体家具和实木家具较易被点燃，质量损失速率、热释放速率、比消光面积以及CO产生率较大，这类材料组合的燃烧危险性和毒性气体危险性并未得到较大改善，产烟危险性有所增加，在同样的燃烧时间内其过火面积可能更大，引起亡人的可能性更高。对于大多数装修时间较久远、经济水平较低的家庭来说，目前合成材料组合仍然是其室内的主要材料，而这一类材料组合也将带来最大的火灾隐患。对于这类家庭来说，日常应格外注意对火灾的防范，除了避免烟头、电暖器等热源靠近沙发、床垫等易燃材料外，还应多保持住宅的自然通风，防止火灾发生时有毒烟气大量聚集。

2010年以后阻燃材料组合的综合火灾危险性较高(达0.318 4)，此时室内阻燃家装材料虽然质量损失速率和热释放速率依然较快，但较难被点燃，比重较大的聚氨酯/阻燃布软体家具和阻燃人造板家具产生较多的有毒烟气，这类材料组合的燃烧危险性有了一定改善，但毒性气体危险性和产烟危险性并无明显下降，使得材料组合的综合火灾危险性并不比2000年以前的半合成材料组合小，在同样的燃烧时间内其过火面积可能较小，但引起亡人的可能性较大。

整体上，随家装材料的发展，普及阻燃科技将成为未来全国室内家装的必然趋势。对于经济条件较好的家庭，使用阻燃家装材料仍然是避免火灾发生的第一选择。目前阻燃科技主要关注于通过添加阻燃剂延缓材料点燃时间，虽然有效延缓了火灾初期增长速度，但较少考虑其可能增加的烟气危险性，如作为第一起火物的软体家具在使用了阻燃材料后的产烟危险性甚至有所上升。现代住宅火灾事故倾向于“小火亡人”事故[46,47]，即过火面积较小、火灾经济损失较少，但引起了人员死亡的火灾事故。由于其火灾特性的改变，未来阻燃合成材料的应用可能会进一步促进“小火亡人”事故的发生。因此，未来我国研究重点应关注于降低阻燃材料的烟气危险性，在保障材料阻燃功能的前提下，不断改善材料的产烟性能。由此，阻燃科技的发展才能够真正地做到降低住宅火灾危险性。

4 结论

本文以我国家装材料的应用趋势为引线，分析了家装材料类别变化引发的火灾特性变化，并对不同年代常见家装材料组合的火灾危险性进行综合评价，阐述了家装材料变化对住宅火灾的影响，具体如下：

1)根据调研结果，近30年随着家装材料的变化，软体家具的燃烧性能均有改善，但其产烟能力随合成材料以及阻燃材料的应用有所恶化，将进一步影响火灾中的烟气能见度。壁纸的燃烧性能和产烟能力随阻燃材料的应用均改善，在火灾中的作用将有所降低。木质家具和地板的点燃时间随合成材料和阻燃材料的应用有所延长，其他火灾特性无明显改善；

2)根据火灾危险性综合评价结果，随着近30年家装材料的变化，家装材料组合的综合火灾危险性呈先上升后下降的趋势，2000年～2010年常见合成材料组合火灾危险性综合评分最高(0.352 0)，引起大型亡人火灾事故的可能性较大。2000年以前常见半合成组合火灾危险性综合评分最低(0.265 0)，引起大型但无亡人火灾事故的可能性较大。2010年以后常见阻燃材料组合火灾危险性综合评分较高(0.318 4)，引起小型亡人火灾事故的可能性较大。

综合研究结果表明，随着阻燃材料在家装领域的不断普及，阻燃科技对消防安全的作用已经凸显，但阻燃科技同时也可能带来新的火灾隐患，未来我国研究应重点关注降低阻燃材料的烟气危害性。