大跨度建筑火灾坍塌规律及灭火救援对策

苏心伟

(山东省菏泽市消防救援支队,山东 菏泽 274000)

伴随着社会经济的快速发展,广泛应用于企业厂房、仓库、商场等生产和生活场所的大跨度建筑数量呈现增长趋势。通过对近年来国内大跨度大空间建筑火灾坍塌事故案例的统计分析结果显示,2000年以后,此类事故的发生率显著高于2000年之前[1]。这类建筑内部通常储存大量可燃物品,人流量大,内部通道复杂,生产设备繁多,物品高度密集,如发生火灾,非常容易引发重大人员伤亡和财产损失的严重事故。本文主要对大跨度建筑火灾特点及坍塌规律进行分析研究,在此基础上,提出有效的处置对策。

1 大跨度建筑火灾特点

1.1 火势发展蔓延快

按照GB 55307—2002建筑防火通用规范,大跨度建筑为C级建筑防火等级,耐火极限非常低,梁、柱的耐火极限仅为0.2 h,火灾初期,若消防报警系统不能及时发挥作用,极易造成火势的蔓延扩大。有的单位由于工艺生产需要,生产线要连续贯穿几个防火分区,为保证生产需要,防火分割处采用水幕或防火卷帘代替防火墙,加之大跨度建筑空间高而大,通风条件较好,可燃物荷载大,发生火灾后火势发展蔓延的速度快,在短时间内很快就会发展到猛烈阶段[2]。钢结构部件的良好导热性质同时也导致了火焰容易通过被加热的部件迅速扩散发展。如大型商场、展览馆等大跨度钢结构公共建筑发生火灾时,火势很容易通过受热的钢构件引燃相邻防火分区内的可燃物着火,从而形成跳跃式发展蔓延态势,火势易通过受热的钢构件引起着火层上层的可燃物燃烧;密闭的大跨度钢结构建筑着火时,火势极易沿建筑外墙或屋顶彩钢板的夹层隐蔽蔓延。

1.2 浓烟高温易积聚

当大跨度建筑发生火灾时,因其通风口很少,着火产生的大量浓烟和热量很难散出,容易使室内的烟雾和热量积累得非常迅速。空间相对密闭且无通风条件的大跨度建筑发生火灾时,受底层或低洼处通风条件的影响,燃烧产生出的大量浓烟和释放的热量会快速在垂直空间向上部蔓延,从而会产生“烟囱效应”[3]。由于因烟囱效应而形成的不易控制的大量烟雾移动,使通过开窗自然通风排烟都很难排出。当封闭式的钢结构建筑着火时,会引起室内温度的快速升高和气体的快速扩张。在热压效应下,高温烟气以约2 m/s的速度在室内扩散,这极有可能迅速在室内形成大范围的烟雾聚集,从而增加了火灾侦察和室内火灾扑救等救援行动的困难程度。

1.3 结构易变形坍塌

大跨度建筑坍塌和变形的原理有多种形式,除高温影响外,还涉及到钢构件的热冷骤变、结构压力之间作用的破坏、超额的建筑荷载、火灾爆炸和外力撞击等因素。高温主要通过对柱的稳定性破坏和脆裂性破坏、对钢梁的弯曲度破坏、对楼板的形状破坏以及对支撑系统的失效破坏等方式破坏钢制构件。大跨度建筑钢结构失去静态平衡稳定性的极限温度大约是500 ℃,但一般火灾的温度能够达到1 000 ℃左右,暴露的钢构件将迅速扭曲变形,导致部分或整个建筑体发生坍塌[4]。2002年7月11日,安徽佳通轮胎有限公司半钢子午胎车间发生火灾。该车间为一座纯钢结构单层厂房,长612 m、宽96 m、高10 m,由西向东分割成3个工段和3个库区,着火的成品库区长153 m,面积1.47万m2,由于火势蔓延迅速,燃烧猛烈,最终导致该成品库区建筑全部坍塌。

1.4 灭火作战难度大

对于大跨度建筑结构的特点,由于其复杂的平面布局和庞大的内部延伸区域,加上内部强浓度的烟雾造成视线受到严重干扰,侦察灾情、寻找火源并确认被困人员位置对于消防人员来说颇具挑战。同时,有的单位为了提高场地的利用率,擅自将原有建筑物间的防火间距或消防车道改造成仓库或车间,造成建筑物无消防车道,防火间距不足,安全出口堵塞,导致疏散距离不足,这些不利因素使消防人员掌握火势扩散蔓延方向以及准确掌握火场全貌信息也非常困难[5]。针对这类型空间密闭且空间庞大的建筑火灾,其开口处较少,难以通过自然排烟方式排烟散热,因此通常需采取破拆排烟方法。然而,建筑高大、使用铆焊连接的钢构件的稳固性等均会降低破拆散热的效率。另外,由于大跨度建筑内部通讯不便、烟雾浓度高且热辐射强,并且存在钢结构受热变形风险等因素,火灾现场环境过于复杂,进行灭火进攻作战行动难度相当大。

2 大跨度建筑火灾坍塌规律

2.1 大跨度建筑物体特点

一般而言,大跨度建筑的定义包括跨度超越30 m的混凝土构筑物以及超越60 m的钢构建筑。这些建筑的主要建构成分,例如壳体、网架、悬索、充气以及张力构造等,由于其结构差异,它们的面积、构造设计以及功能用途均有所区分[6]。使用Q23钢材、Q345钢材等建筑用钢料建造的建筑,温度变化对钢结构的影响非常明显。比如,当温度在250 ℃左右,钢材会出现被称为“蓝脆”的现象,此时拉力强度增加,但韧度降低;当温度升至350 ℃,其强度降低1/3;当温度升至500 ℃,强度下降1/2;当温度升至600 ℃时,强度会下降2/3。此外,温度的提升也会引起物理属性的变化,例如受热膨胀可能导致钢结构扭曲、变形等塑性形变,这些变化常常很难得到复原。具体数据见表1。

相应地,内部晶体结构对温度调整反应强烈的钢质结构建筑,其负载能力一般会在温度范围450 ℃～650 ℃中消失。表2已经详细列出了相关的数据。

表2 标准工字钢梁耐火测试结果

利用防火材质可以显著增强钢质结构的稳定性。一旦钢筋混凝土建筑物着火时,含水量对其性能有一定的影响。当火灾温度升至150 ℃时,混凝土会失去其自由水分,这会导致它的强度提高;然而,当火灾温度达到300 ℃以上时,混凝土的强度就会慢慢减少。详细数据参见表3。

表3 钢筋混凝土的温度与强度变化对照表

2.2 大跨度建筑火灾发展规律

建筑火灾在发展过程中大致可以分为初期、发展、猛烈和下降四个阶段,热释放率(kW)和时间(t)显示出二次方正比的关系,也就是说Q=at2。一旦火灾进入到猛烈的阶段,热释放率由空气中的氧气、通风速度、可燃物的供给等要素制约,时间因素对其影响减小,可以维持到可燃物完全燃烧完毕,即Q=常数。当所有可燃物已经完全燃尽后,会出现迅速衰退的状况,直至火焰完全被熄灭。火灾的发展受到内部空间结构、建筑物材料、烟气排放效率等因素影响时,系数a值越大,火灾的发展阶段就会越短[7]。火焰在激烈阶段燃烧的时间越久且火势越强烈,建筑物塌陷的风险就越高。此外,空气的流动程度、建筑的构造以及火灾的荷载也是影响火灾蔓延的因素。在火灾的发展过程中,火场核心区的火焰温度能够达到300 ℃～800 ℃,而在最猛烈的火势阶段,核心火焰的最高温度可以达到3 000 ℃。

2.3 大跨度建筑火灾坍塌规律

大型建筑的物理隔断较少,空气畅通无阻,内部空间高而大,可燃物品众多,为火灾迅速扩散供应了充足的氧气。由于大跨度建筑内的空气对流效应强烈,热辐射强度明显,所以,一旦起火,火势通常影响面积广泛,难以局限在固定区域范围内[8]。以火灾产生能量的角度来看,在火灾的初始阶段,单位时间内产生的热量相对较小,这时,使用普通灭火方法可以有效控制灾情发展,从而达到转移火灾热能的目的。但是到了火灾进一步发展和扩散阶段,单位时间内的能量释放量增高,火势强烈,热能积攒,常规灭火方法无法承受热能转移,导致钢构建筑迅速失去承重能力,之后可能会导致建筑物的倒塌。

3 大跨度建筑坍塌破坏的原因

3.1 高温作用的影响

在火灾的环境中,建筑结构表面会立即碳化,对其承载断面造成一定影响。热量使钢构件出现塑性形变,内部热分解使其3CaO·SiO2转变得松散,由于热量的影响在主要的负载部位失去预加应力,最终导致其抵抗拉力和压力的能力下降[9]。此外,由于热量的影响,钢筋混凝土建筑的防护出现剥落,钢筋和混凝土甚至发生分离,这些因素都会使得部分结构的承载力下降。如2001年5月12日我国台北科技园发生火灾,火场高温使钢梁发生变形,特别是一些密闭性较好的大跨度钢结构厂房,着火后室内蓄热较快,受高温影响,受热的钢构件极易变形倒塌,甚至导致整体建筑倒塌。

3.2 冷热骤变的影响

在大跨度建筑发生火灾时,建筑结构材料在高温下会受热膨胀,而在水枪射流的冲击下,结构件在迅速冷却后又会突然收缩,这会使其受冲击韧性大幅下滑。特别是钢结构部分在高温作用下对其迅速冷却,极易发生明显形状改变,从而导致了钢结构失去其静态的平衡和稳定,从而会使其扭曲变形,最终可能导致部分或整个建筑物坍塌。

3.3 应力关系的影响

对于钢结构大跨度建筑,它的应力关联性极为关键,如大跨度钢屋顶、网状构造等。在发生火灾的状况下,若是部分建筑因高温产生变形,其与相邻钢构造物的应力关系就会被破坏,可能引发局部变形或整体建筑的扩张倒塌[10]。2003年4月5日,山东青岛正大有限公司食品厂大跨度建筑发生火灾。火势迅猛,炽烈的火焰燃烧,最终导致厂房的钢构造和超过7 000 m2的铁皮屋顶全部倒塌。

3.4 荷载过大的影响

大跨度建筑着火时,由于建筑上部构件坍塌后压住下面的楼层,或扑救火灾时因大量射水不能及时排出等因素,局部荷载加大导致建筑倒塌,当荷载超过建筑构件的设计承载能力时,梁、柱、墙等承重钢构件因失去支撑和承载能力,再加上火场高温作用对构件的影响,会使发生火灾的钢构件发生局部或整体倒塌。

4 大跨度建筑灭火救援对策

4.1 坚持救人第一,积极抢救人命

在大跨度建筑发生火灾时,要坚持“救人第一、科学施救”的作战原则,制定出针对性的救援方案,积极展开被困遇险人员的疏散抢救工作。详细询问知情人是否有被困人员,一旦确认有人员被火势围困,只要有进攻通道能够进入现场,就应立即组织精干力量成立内攻搜救小组,进入内部进行救援[11]。同时,也要积极阻止火势的进一步扩大,以降低对被困人员的危害。如果有人员被火势围困,当火势无法被立即扑灭时,将会增加被困人员的伤亡风险,在这样的情况下,如果救援人员无法进入内部救人,指挥员应立即组织精干力量来投入到救援和灭火的战斗中,同时开辟救生通道,以便为灭火救援创造条件。然而,如果火灾扑救任务并不艰巨,救援力量充足,指挥员可以根据现场情况,一边组织力量进行疏散救人,同时迅速调集其他的力量进行火灾扑救。

4.2 加强冷却,防止结构坍塌

在大跨度建筑发生火灾时,我们必须确保其承重结构得到冷却防护,以免其因受热变形而坍塌。因此,我们需要及时组织救援力量,快速扑灭柱、梁等承重结构或其周围的火势,并持续对其进行射水冷却。那些受到火势威胁严重,或者处在火势蔓延途径上的承重结构,同样需要进行冷却防护。同时,对那些因受火势威胁辐射热强的周围柱、梁等承重钢构件,以及彩钢板顶棚产生大量热量影响的区域,也必须进行充分冷却保护。使用大流量移动消防水炮或者大口径水枪,对受到火势威胁的钢梁、钢构架,以及彩钢板屋顶射水冷却。若着火建筑高度较大,我们可以通过架设消防梯,或利用地形地物登高对着火建筑进行冷却保护[12]。利用举高消防车臂架炮或水罐消防车上的车载炮,在外部向着火建筑物内的钢结构、彩钢板屋顶或者墙体射水冷却降温。

4.3 实施排烟散热,降低烟热强度

在大跨度建筑火灾的灭火救援过程中,增强通风排烟和散热是确保内部进攻和作战行动安全的关键环节。发生火灾初始阶段,消防人员要首先充分利用建筑内部的固定排烟风机进行排烟。水枪架设到位后,要开启上风或者侧上风方向靠外墙的窗户,加强室内通风排烟散热,必要时利用移动排烟装备排烟,如正负压排烟机、排烟消防车等进行排烟散热。全面开启下风向和侧下风向的所有门、窗户、天窗或采光窗,以实现自然排烟和散热。若无外窗,可以拆除下风向和侧下风向的彩钢板外墙加以排烟,必要时也可在上风向的彩钢板墙上开启进风口,建立风循环,以加快排烟和散热的速度。

4.4 采取有效战术,及时控制火势

对于大跨度建筑火灾的扑救,要快速确立作战行动路线,以内部灭火为主,同时兼顾内攻灭火和防御措施结合,室内外同时进攻的作战措施,从而有效遏制火势蔓延扩大。初期火灾时,内攻灭火小组深入火场内部进行近距离灭火,并阻止火势进一步扩大。火势处于发展阶段时,在火势蔓延的方向阻止火势,以及利用下风或侧风位置部署防御力量[13]。内部空间大、起火部位较高时,可在室内架设消防梯登高灭火。火场燃烧面积较大时,要划分作战区域由外向内推进,逐片消灭火势。在建筑的外侧,依托门、窗出入口设置水枪阵地消灭火灾。在需要的情况下,要尽量架设消防梯、利用建筑物外部楼梯或其他平台进行登高灭火[14]。在外部,尽可能利用消防车车载炮、遥控移动炮、大口径水枪及举高消防车臂架炮在外部控制火势。

4.5 坚持固移结合、合理组织供水

扑救大跨度建筑火灾,灭火和冷却作用对建筑结构的影响很大。为此,我们必须确保消防供水系统的正常运行,如果特别紧急情况下,可以适当降低次要阵地的供水,全力以赴保证主战区阵地的供水需求,以达到火灾扑救所需的水量与水压[15]。火灾初始阶段,需立即开启消防泵或喷淋泵,对建筑室内管网进行补充供水。待消防车到达现场后,可以通过水泵接合器,向室内管网供水,同时直接使用室内消防栓扑灭火势。消防车停靠在单位内部消火栓、消防水池、市政消火栓,组织直接供水或接力供水。调集大吨位水罐消防车直接出水灭火,或组织接力供水、运水供水,根据灭火救援需要,可以使用手台机动泵提供水源供水。根据火灾现场实际需求,组织市政环卫洒水车等社会力量进行运水供水。

5 结语

在火灾扑救中,如厂房、仓库等大跨度建筑的倒塌几率大,远超过其他类型的建筑。倒塌的大多数是钢筋混凝土和钢结构建筑,常见的情况是局部坍塌或全部倒塌,甚至会造成大量人员的伤亡。此外,这些倒塌的大跨度建筑存在的问题往往与消防设计不规范、管理不合规定或擅自改变使用性质等因素有关,大跨度建筑火灾灭火救援日益成为一个亟待解决的问题。因此,消防部门应对此进行深入研究,并总结此类建筑火灾的特点和坍塌规律,制定相应的处置对策和战术措施,全面提升消防人员处置大跨度建筑火灾的实战能力。