火災(zāi)引發(fā)建筑坍塌預(yù)防對(duì)策探討

●孫文海，朱飛勇

(1．陜西省消防總隊(duì)，陜西 西安 710016;2．贛州市消防支隊(duì)，江西贛州 341000)

火災(zāi)引發(fā)建筑坍塌有必然規(guī)律可循，比如遵循建筑構(gòu)件的耐火極限原理。但是，在研究建筑坍塌規(guī)律時(shí)，也發(fā)現(xiàn)一些典型建筑火災(zāi)坍塌時(shí)間，遠(yuǎn)超出了建筑耐火極限時(shí)間，卻始終沒(méi)有出現(xiàn)建筑坍塌事故，這除了滅火作戰(zhàn)延遲了建筑坍塌時(shí)間以外還有諸多影響因素。

一、典型案例

2000年以來(lái)，因火災(zāi)引發(fā)建筑坍塌實(shí)例屢見(jiàn)不鮮，頻次逐年升高。例如:2001年6月2日11時(shí)5分，北京市西城區(qū)綠緣酒樓發(fā)生火災(zāi)。著火建筑為2層鋼結(jié)構(gòu)的餐廳，火災(zāi)1 h后屋頂全部塌落。2003年11月3日4時(shí)40分，湖南省衡陽(yáng)市衡州大廈發(fā)生火災(zāi)。著火建筑為8層磚混結(jié)構(gòu)的商住樓，火災(zāi)3．5 h后建筑的西部樓層整體坍塌。2004年12月21日7時(shí)許，湖南省常德市橋南市場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)。著火建筑為4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的商業(yè)用房，火災(zāi)5 h后建筑的西南角發(fā)生坍塌。2005年11月15日16時(shí)30分，吉林省遼源市中心醫(yī)院發(fā)生火災(zāi)。著火建筑為4層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的門(mén)診樓，火災(zāi)引起屋頂坍塌。2014年2月4日10時(shí)52分，上海市寶山區(qū)上海環(huán)震包裝制品有限公司發(fā)生火災(zāi)。著火建筑5、6號(hào)樓均為2層混凝土結(jié)構(gòu)的廠房，火災(zāi)2 h后5號(hào)樓坍塌。

二、影響建筑火災(zāi)坍塌的因素

火災(zāi)發(fā)生后會(huì)導(dǎo)致建筑坍塌，建筑坍塌的主要原因是建筑構(gòu)件受高溫作用后其承載能力降低，因此，影響構(gòu)件高溫穩(wěn)定性的因素就是導(dǎo)致建筑坍塌的因素。

(一)建筑內(nèi)火災(zāi)荷載與重力荷載

通常情況下，建筑內(nèi)火災(zāi)荷載越大，重力荷載越大，燃燒越猛烈，室內(nèi)溫度越高，越容易達(dá)到建筑耐火極限，易引起建筑物坍塌事故。建筑構(gòu)件所承受的實(shí)際重力荷載越大，產(chǎn)生的內(nèi)力也越大，構(gòu)件失去承載能力的時(shí)間越短。［1］所以耐火性能差，其穩(wěn)定性也差。

(二)構(gòu)件的燃燒性能與材料強(qiáng)度

可燃材料構(gòu)件由于本身發(fā)生燃燒，截面積不斷縮小，承載力不斷下降，其穩(wěn)定性也不斷減弱。因此，可燃材料構(gòu)件的穩(wěn)定性不如不燃和難燃材料構(gòu)件的穩(wěn)定性好。如木材承重構(gòu)件的穩(wěn)定性總是比鋼筋混凝土構(gòu)件差。構(gòu)件材料實(shí)際測(cè)定強(qiáng)度越高，耐火性越好，其穩(wěn)定性也好。

(三)構(gòu)件支承條件與截面形狀

連續(xù)梁或框架梁的耐火性和穩(wěn)定性優(yōu)于簡(jiǎn)支梁。柱子長(zhǎng)度越大，縱向彎曲作用越明顯，其耐火性和穩(wěn)定性越差。建筑構(gòu)件截面尺寸越大，熱量越不易傳到構(gòu)件內(nèi)部，耐火性和穩(wěn)定性越好。同樣截面積的建筑構(gòu)件，圓形的要比矩形的耐火性能、穩(wěn)定性能好。同樣為矩形截面，截面周長(zhǎng)與截面面積之比大的構(gòu)件，接受熱量多，內(nèi)部溫度高，其耐火性能和穩(wěn)定性能差。矩形截面積小的構(gòu)件，熱能易損傷內(nèi)部材料，其耐火性能和穩(wěn)定性能較差。［2］

(四)表面防護(hù)與保護(hù)層厚度

構(gòu)件表面涂有不燃性保護(hù)層時(shí)，如抹灰、噴涂防火涂料等，增加了構(gòu)件的耐火性，其穩(wěn)定性也相應(yīng)增加。鋼筋的保護(hù)層厚度對(duì)于梁、樓板等抗拉性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限影響非常大。

(五)鋼材品種與配筋方式

不同的鋼材受熱后其強(qiáng)度降低系數(shù)不同。強(qiáng)度降低系數(shù)越小，鋼構(gòu)件穩(wěn)定性越好。普通低合金鋼優(yōu)于普通碳素鋼，普通碳素鋼優(yōu)于冷加工鋼，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件最差。［3］對(duì)于配筋方式，當(dāng)截面雙層配筋，或大直徑鋼筋配于中部小直徑鋼筋配于角部時(shí)，則里層和中部鋼筋溫度低，強(qiáng)度高，耐火性和穩(wěn)定性都好。

(六)建筑材料與施工問(wèn)題

施工過(guò)程中出現(xiàn)如下情況，容易提前出現(xiàn)建筑坍塌:一是建筑完工后，盲目事后加層;二是施工中水泥、鋼筋、石灰等材料質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn);三是施工時(shí)搶工期進(jìn)度，影響了施工質(zhì)量;四是建筑承重梁柱保護(hù)層厚度不達(dá)標(biāo)。

三、著火建筑坍塌的基本規(guī)律

(一)構(gòu)件的耐火極限和材料的高溫力學(xué)性能是保障建筑穩(wěn)固的主要因素

構(gòu)件耐火極限即構(gòu)件抵抗火作用的時(shí)間。我國(guó)對(duì)抗火試驗(yàn)中梁和板的破壞標(biāo)志規(guī)定為:在試驗(yàn)過(guò)程中垮坍或試件的最大撓度超過(guò)L/20(mm)，表明試件達(dá)到耐火極限(L為構(gòu)件跨度);柱子在試驗(yàn)過(guò)程中垮坍或軸向變形速率大于H/100(mm)或軸向變形速率大于3H/1 000(mm·min-1)，表明達(dá)到耐火極限(H為試件的受火高度)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ISO)對(duì)抗火試驗(yàn)中梁、板的破壞標(biāo)準(zhǔn)為:最大撓度超過(guò)L/30后，撓度達(dá)到或超過(guò)L2/(400 d)(mm)，同時(shí)撓度變形率達(dá)到或超過(guò)L2/(9 000 d)(mm·min-1)，表明達(dá)到耐火極限(d為拉、壓邊緣間距離)。［4］對(duì)于材料的高溫力學(xué)性能，普通混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度，在400℃以內(nèi)可近似認(rèn)為不變，700℃時(shí)約為常溫時(shí)的40%;普通鋼材的屈服強(qiáng)度，在200℃以內(nèi)可近似認(rèn)為不變，550℃時(shí)約為其常溫時(shí)的40%;預(yù)應(yīng)力筋用高強(qiáng)鋼材的屈服強(qiáng)度隨溫度升高將逐漸降低，到400℃時(shí)約為常溫時(shí)的40%。［5］

(二)著火建筑坍塌時(shí)間與建筑結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系

多起坍塌的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)表明:著火建筑坍塌時(shí)間與建筑結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑通常很難經(jīng)得住0．5 h的高溫烘烤，而對(duì)于無(wú)爆炸發(fā)生和無(wú)先天質(zhì)量問(wèn)題的鋼筋混凝土建筑，一般火災(zāi)持續(xù)5 h都不會(huì)發(fā)生整體坍塌。消防官兵到場(chǎng)后，可以抓住時(shí)機(jī)組織內(nèi)攻，隨著內(nèi)攻冷卻降溫的開(kāi)始，建筑坍塌的時(shí)間逐漸延緩?fù)七t。至于延緩?fù)七t多長(zhǎng)時(shí)間，這與內(nèi)攻作戰(zhàn)的冷卻效果有關(guān)。應(yīng)該說(shuō)，凡是出現(xiàn)坍塌的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，其內(nèi)攻滅火均存在組織不利和冷卻效果不佳的因素。

(三)北方比南方建筑抗燒，震區(qū)比非震區(qū)建筑抗塌

我國(guó)北方地區(qū)的建筑比南方地區(qū)的建筑普遍抗燒塌性能強(qiáng)，主要原因是建筑成本、建筑材料、墻體厚度、保護(hù)層性能等。震區(qū)建筑按防震等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其火災(zāi)抗塌性能明顯增強(qiáng)。［6］2010年12月1日我國(guó)新頒布實(shí)施的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)規(guī)定對(duì)非震區(qū)新建建筑也應(yīng)作防震設(shè)計(jì)，這將顯著提高建筑火災(zāi)抗塌性能。

四、建筑火災(zāi)坍塌事故預(yù)防對(duì)策

(一)著火建筑坍塌前兆信息獲取

在建筑火災(zāi)撲救過(guò)程中，獲取建筑坍塌前兆信息非常重要。要持續(xù)多處測(cè)量著火層、著火上層、著火下層、梁柱的溫度，及時(shí)研判建筑構(gòu)件的承載能力和可能坍塌的位置;建筑火災(zāi)發(fā)生一段時(shí)間后，由于火災(zāi)高溫和消防水流不均衡冷卻作用會(huì)造成構(gòu)件材料爆裂進(jìn)而形成縫隙?，F(xiàn)場(chǎng)指揮員要從建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縫隙的情況，研判可能出現(xiàn)坍塌的位置，并進(jìn)行事先防控、重點(diǎn)保護(hù);在建筑火災(zāi)過(guò)程中，會(huì)不斷有爆裂聲和吱吱混響聲等聲音的出現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)指戰(zhàn)員要善于傾聽(tīng)其變化，及時(shí)判斷是否有坍塌現(xiàn)象的出現(xiàn)。［6］另外，在總指揮員綜合分析建筑情況時(shí)，要參考?jí)?、梁、樓板的理論耐火極限值，通過(guò)綜合分析，確定現(xiàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)時(shí)間，確定部隊(duì)撤離時(shí)間，科學(xué)有效地完成建筑滅火救援任務(wù)。

(二)抓住有利時(shí)機(jī)組織內(nèi)攻冷卻滅火

滅火冷卻及時(shí)的建筑，其抗塌性明顯增強(qiáng)，一般不易坍塌。在火災(zāi)撲救初期，要調(diào)集精干人員和精良裝備，盡快深入內(nèi)攻，集中兵力消滅火災(zāi)。初期內(nèi)攻的猶豫不決，必將錯(cuò)失良機(jī)，導(dǎo)致后期的騎虎難下。組織內(nèi)攻時(shí)，配齊個(gè)人防護(hù)裝備，利用熱像儀等設(shè)備，第一時(shí)間從大量煙霧中找準(zhǔn)火點(diǎn)，通過(guò)攻堅(jiān)組梯次進(jìn)攻的方法，實(shí)施斬首行動(dòng)。即使內(nèi)攻難以奏效，也要組織水槍、水炮射水冷卻。一是冷卻梁柱，保證承載力不下降，此為防坍塌的關(guān)鍵，是首戰(zhàn)人員的首要任務(wù);二是冷卻樓板，防止突破外殼，形成立體燃燒;三是冷卻可燃物，加大水蒸氣濃度，降低建筑內(nèi)部溫度。另外，要確?；饒?chǎng)供水不間斷，以取得內(nèi)攻冷卻滅火戰(zhàn)斗的成功。

(三)及時(shí)做好火場(chǎng)排煙

火場(chǎng)煙霧是火場(chǎng)可燃物受熱分解的產(chǎn)物，它攜帶著熱能四處流竄。撲救著火建筑火災(zāi)過(guò)程中，應(yīng)將高溫?zé)熿F排到規(guī)定的安全區(qū)域，降低建筑內(nèi)的溫度，使建筑構(gòu)件免受高溫影響，從而推遲或有效的避免建筑坍塌?；饒?chǎng)排煙及時(shí)，也決定內(nèi)攻的質(zhì)量?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)存有大量有毒、高溫?zé)煔?，官兵?nèi)攻時(shí)往往因?yàn)橐暰€不好而害怕膽怯，無(wú)法在大空間的建筑內(nèi)找到火點(diǎn)，內(nèi)攻時(shí)只是在某一處盲目射水，內(nèi)攻達(dá)不到成效，耽誤寶貴時(shí)間，造成建筑坍塌幾率增加。

(四)發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)智囊團(tuán)的作用

要成立現(xiàn)場(chǎng)智囊團(tuán)組織，其主要由現(xiàn)場(chǎng)安全員、建筑建設(shè)專家、建筑設(shè)計(jì)專家及相關(guān)技術(shù)人員組成。安全員一般由經(jīng)驗(yàn)豐富的滅火高工擔(dān)任，設(shè)計(jì)專家一般是城市建筑設(shè)計(jì)院的技術(shù)人員，建設(shè)專家是指建筑施工監(jiān)理或從事建筑施工的綜合性技術(shù)人員。現(xiàn)場(chǎng)智囊團(tuán)組織要認(rèn)真觀察、檢測(cè)并收集起火建筑的坍塌征兆信息，分析判斷征兆信息，評(píng)估建筑坍塌時(shí)間;統(tǒng)一緊急避險(xiǎn)信號(hào)，適時(shí)發(fā)布避險(xiǎn)信號(hào)，全面掌握建筑坍塌的安全工作;提供建筑的圖紙資料，明確建筑內(nèi)部通道、分割、物資儲(chǔ)存等情況;參與滅火救援指揮部的現(xiàn)場(chǎng)決策。

［1］李耀莊，蘇玲紅，吳小華．火災(zāi)下工程結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌分析與設(shè)計(jì)方法探討［J］．災(zāi)害學(xué)，2010，(1)：89-92．

［2］許波，茅艷．影響混凝土構(gòu)件高溫穩(wěn)定性的若干因素［J］．混凝土，2003，(12)．

［3］唐義軍，李耀莊，李博．基于隨機(jī)有限元可靠度的RC結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方法［J］．火災(zāi)科學(xué)，2005，(1)．

［4］許名鑫，鄭文忠．建筑結(jié)構(gòu)抗火知識(shí)及對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗火問(wèn)題的思考［J］．工業(yè)建筑，2006，(12)．

［5］于克強(qiáng)，吳永琳．結(jié)構(gòu)抗火研究現(xiàn)狀［J］．山西建筑，2008，(2)．

［6］李俊華．建筑火災(zāi)坍塌危險(xiǎn)性的評(píng)估［J］．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，(7)．