民用建筑火災(zāi)發(fā)生初期撲救與疏散“5min黃金時(shí)間”理論探討

高新華 嚴(yán)文芳

摘要：民用建筑火災(zāi)初、中期階段，火勢(shì)的發(fā)展通常隨時(shí)間逐步增大，火災(zāi)的危害性隨之增強(qiáng)，人員疏散的難度和火災(zāi)撲救的難度逐步增加。較多研究和文獻(xiàn)表明，在火災(zāi)初起的5min內(nèi)，是火災(zāi)撲救和人員疏散的“黃金期”，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正面論證和大量規(guī)范要求的側(cè)面說(shuō)明都指向這個(gè)5min關(guān)鍵期。對(duì)此時(shí)間窗口的有效運(yùn)用和準(zhǔn)確把握，對(duì)初期火災(zāi)特征的深入研究、火災(zāi)預(yù)防與撲救措施的調(diào)整及人員疏散關(guān)鍵點(diǎn)的把握都具有典型意義。

關(guān)鍵詞：火災(zāi);發(fā)生初期;5min;黃金時(shí)間

一般民用住宅和公共建筑內(nèi)的火災(zāi)初起階段，基本都具備起火點(diǎn)開(kāi)始向周?chē)拥紵娣e不大，煙氣量及流動(dòng)速度緩慢，輻射熱低，對(duì)人員和周?chē)矬w、結(jié)構(gòu)的傷害不大這樣一些特點(diǎn)。針對(duì)這樣的特點(diǎn)，把火災(zāi)控制和撲滅在初起階段是成本最低而成效最大的選擇，在此階段，不同策略的選擇和多個(gè)預(yù)案的合理展開(kāi)，能夠把火災(zāi)危害降低到最小程度。采取合理預(yù)防和減輕災(zāi)害損失措施民用場(chǎng)所區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，時(shí)間成為了最為寶貴的和關(guān)鍵的因素。在大部分民用建筑中，固體燃燒較為典型而常見(jiàn)。在此類(lèi)火災(zāi)中，火災(zāi)從初起到初期的5分鐘可以稱(chēng)之為“黃金5分鐘”，幾乎決定了該次火災(zāi)后續(xù)的絕大部分延展可能、撲救難度和災(zāi)害損失。在此階段，外界救援幾乎沒(méi)有可能趕到，有研究表明，某城市35.9%的火災(zāi)中，消防中隊(duì)到場(chǎng)時(shí)間超過(guò)20min，2015年出警平均到場(chǎng)時(shí)間為23.6min;城區(qū)出警平均到場(chǎng)時(shí)間為11.5min。即使消防隊(duì)伍到達(dá)火場(chǎng)后34.1%的火災(zāi)中，消防中隊(duì)到場(chǎng)后的戰(zhàn)斗展開(kāi)時(shí)間超過(guò)5min。

對(duì)于“黃金5分鐘”，以火災(zāi)發(fā)生初期為基本假設(shè)，本文從預(yù)防、疏散和滅火三個(gè)大的方面加以論述證明。除此以外，一種特殊情況需要預(yù)先說(shuō)明，火災(zāi)的定義首先界定為：如果不加以外界干預(yù)，將能夠完成初期、發(fā)展期、中期和衰退期四個(gè)階段的完整過(guò)程。

一、火災(zāi)發(fā)展蔓延控制

燃燒速率可以看成燃燒發(fā)展程度與時(shí)間的函數(shù)，t2火災(zāi)模型中，熱釋放速率與燃燒時(shí)間的關(guān)系如式Q=at2，其中，a=Q0/tg2，tg指達(dá)到熱釋放速率Q0的時(shí)間。在燃料控制型或通風(fēng)控制型火災(zāi)中，火災(zāi)燃燒速率通常假定為一個(gè)常數(shù)，根據(jù)火災(zāi)發(fā)展系數(shù)a，火災(zāi)發(fā)展階段可分為極快、快速、中速和慢速四種。在300s內(nèi)，以無(wú)棉織品聚酯床墊為代表的可燃固體材料類(lèi)火災(zāi)由初期階段轉(zhuǎn)為危害最大和疏散難度大大增加，撲救難度也大大增加的火災(zāi)發(fā)展階段?？梢钥闯觯?00s內(nèi)火勢(shì)處于逐步增大階段，在這個(gè)階段如果有主動(dòng)或被動(dòng)的滅火措施介入，尤其利于火災(zāi)的控制與撲滅。

以較常見(jiàn)的具有空調(diào)設(shè)備的售貨商場(chǎng)內(nèi)火災(zāi)初期煙氣擴(kuò)散的模化研究也得出近似的結(jié)論。在防排煙設(shè)施配備齊全且能正常工作的條件下，在商場(chǎng)大廳內(nèi)進(jìn)行充煙試驗(yàn)，并對(duì)各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)試驗(yàn)可以確定，煙氣對(duì)疏散救援通道的負(fù)面影響，約是在4min以后開(kāi)始的，大約在10min以后，大廳的整個(gè)高度空間完全充滿(mǎn)煙氣。

二、火災(zāi)發(fā)生后的人員疏散

盡量避免和減少人員傷害是消防安全的首要原則，我國(guó)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范均對(duì)建筑物內(nèi)的人員密度和疏散距離作了強(qiáng)制性要求，其目的就是讓建筑物內(nèi)處于火災(zāi)威脅下的人能夠在盡可能短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)安全區(qū)域。疏散時(shí)間的長(zhǎng)短取決于多個(gè)因素，但選取較為典型的場(chǎng)景后，可以得到以下的推論。

（一）人數(shù)對(duì)疏散時(shí)間的影響。人數(shù)在一定程度上決定著多室建筑的疏散時(shí)間。當(dāng)需要疏散的人數(shù)與疏散路線(xiàn)的通行能力相比較少時(shí)，疏散人流一般不會(huì)超過(guò)疏散路線(xiàn)的通行能力，此時(shí)，疏散時(shí)間主要由最后幾個(gè)離開(kāi)房間人員的預(yù)動(dòng)作時(shí)間、步行速度和到達(dá)建筑最終出口的距離決定。對(duì)于人員密集的多層建筑，當(dāng)多層或整個(gè)建筑同時(shí)疏散，疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間要由前幾個(gè)離開(kāi)房間進(jìn)入樓梯間人員的預(yù)動(dòng)作對(duì)間和進(jìn)入并通過(guò)樓梯間的通行時(shí)間決定。

觀測(cè)資料和實(shí)驗(yàn)都顯示人群的疏散速度是人員密度的函數(shù)，水平疏散和垂直疏散會(huì)有所不同。對(duì)于人員密度小于0.54人/m2的疏散通道，人們各自按照自己的速度疏散，不會(huì)受到其他人速度的影響;人員密度超過(guò)3.8人/m2時(shí)，疏散將無(wú)法進(jìn)行。典型的未受阻礙的行進(jìn)速度大約為1.2m/s，以這樣的疏散速度為參考，考慮到火災(zāi)發(fā)生初期的混亂情況和不同人群的特點(diǎn)，實(shí)際行進(jìn)速度可取1.0m/s，在300s內(nèi)，水平方向上可以移動(dòng)300m的距離，足以到達(dá)最近的安全出口。在采用計(jì)算機(jī)模擬方法對(duì)某個(gè)實(shí)例的疏散時(shí)間計(jì)算示例中，一個(gè)簡(jiǎn)單的有4個(gè)可用疏散出口的四方零售店（邊長(zhǎng)為42.4m，直線(xiàn)行走距離為30m），設(shè)計(jì)人員數(shù)量為900人，在試驗(yàn)情況下，第一組人幾乎是在警鈴響起的一剎那開(kāi)始行動(dòng)，因此第一組人的預(yù)動(dòng)作時(shí)間只有幾秒鐘。每個(gè)人的行進(jìn)距離由計(jì)算機(jī)計(jì)算得出，行進(jìn)速度分布的平均數(shù)為1.2m/s（標(biāo)準(zhǔn)差為0.2m/s，最小速度為0.3m/s），在此典型示例場(chǎng)景中，5min內(nèi)，建筑內(nèi)所有人員已經(jīng)可以完全疏散完畢。

（二）在5min環(huán)境時(shí)間段內(nèi)，人員疏散途徑的選擇更多樣化。研究表明，在火災(zāi)初期5min內(nèi)進(jìn)行有效的人員疏散，可以選擇的疏散途徑更加多樣化，疏散效果提升明顯。例如，一般認(rèn)為電梯在火災(zāi)情況下不能使用，但在1994年，美國(guó)學(xué)者Klote等在研究美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）的航空交通控制塔工程中，首次將電梯疏散作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮，提出了電梯緊急疏散系統(tǒng)的概念，從理論上初步確定了電梯在高層建筑中用于人員疏散的可行性，多國(guó)也展開(kāi)了電梯疏散可能性的研究。目前我國(guó)電梯使用量和增長(zhǎng)量都非常巨大，電梯又是高層建筑中最常用的交通工具，火災(zāi)情況下如合理使用電梯進(jìn)行疏散，可充分利用現(xiàn)有資源，在最短的時(shí)間內(nèi)疏散盡可能多的人員。在此基礎(chǔ)上，按照高層建筑樓梯、電梯混合疏散策略。以學(xué)生公寓樓為例，計(jì)算了不同疏散策略下的所需安全疏散時(shí)間，結(jié)果表明該混合疏散策略最優(yōu)，比僅用樓梯疏散時(shí)間縮短了28.1s，且得出該條件下單梯5min輸送能力為4.94%，為以后緊急疏散情況下電梯交通流量分析提供了參考。該項(xiàng)研究主要考慮了在火災(zāi)初期5min內(nèi)混合疏散策略對(duì)疏散效果的明顯提升，對(duì)時(shí)間的選取顯然考慮了火災(zāi)發(fā)生后如果火勢(shì)已經(jīng)充分發(fā)展，電梯絕對(duì)不再作為疏散途徑選擇的情況。

三、初期火災(zāi)的撲救

在火災(zāi)發(fā)生后，疏散與撲救幾乎是同時(shí)開(kāi)始的，合理完善的火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案對(duì)此應(yīng)該有相應(yīng)的描述和要求，并且已經(jīng)經(jīng)過(guò)了模擬應(yīng)急訓(xùn)練的初步檢驗(yàn)。在最短的時(shí)間內(nèi)控制住火勢(shì)，是能否依靠建筑主動(dòng)力量滅火的關(guān)鍵，這個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)，也通常在5min這個(gè)關(guān)鍵事件點(diǎn)附近。

以民用建筑中最常用和有效的兩種滅火手段為例。

（一）自動(dòng)滅火系統(tǒng)。在火災(zāi)初期采用自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可以將火撲滅。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，幾乎80%的火災(zāi)都能夠被有效的自動(dòng)滅火系統(tǒng)撲滅在初期階段，而這個(gè)初期階段與5min的黃金時(shí)間高度重合，在我國(guó)現(xiàn)行消防規(guī)范中也有多處體現(xiàn)。例如在《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50974-2014關(guān)于消火栓有如下規(guī)定：“7.1.6干式消火栓系統(tǒng)的充水時(shí)間不應(yīng)大于5min?！痹凇蹲詣?dòng)噴水滅火系統(tǒng)施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50261-2017中，關(guān)于濕式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)水泵啟動(dòng)時(shí)間有如下規(guī)定：“8.0.6-3……濕式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的最不利點(diǎn)做末端放水試驗(yàn)時(shí)，自放水開(kāi)始至水泵啟動(dòng)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)5min?！痹凇蹲詣?dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50084-2017國(guó)家規(guī)范中明確規(guī)定：“采用臨時(shí)高壓給水系統(tǒng)的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，當(dāng)規(guī)范規(guī)定可不設(shè)置高位消防水箱時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)氣壓供水設(shè)備。氣壓供水設(shè)備的有效容積，應(yīng)按系統(tǒng)最不利處4只噴頭在最低工作壓力下的5min用水量確定?！?/p>

（二）滅火器的使用。關(guān)于滅火器在火災(zāi)發(fā)生后的使用時(shí)間，主要取決于滅火器的布置位置和人的行動(dòng)速度，在計(jì)算單元內(nèi)配置的滅火器能完全保護(hù)到該計(jì)算單元內(nèi)的任一可能著火點(diǎn)，不能出現(xiàn)空白區(qū)。即任一可能著火點(diǎn)（包括最不利點(diǎn)）都應(yīng)在至少1個(gè)滅火器設(shè)置點(diǎn)的保護(hù)圓（以滅火器設(shè)置點(diǎn)為圓心，以滅火器的最大保護(hù)距離為半徑）的范圍內(nèi)。對(duì)于常見(jiàn)民用建筑區(qū)域（ABC類(lèi)火災(zāi)，中危險(xiǎn)級(jí)），滅火器的最大保護(hù)距離為手提式20m（BC類(lèi)12米），這款條文從另一個(gè)角度可以理解為，無(wú)論你身處建筑的任意位置，都應(yīng)該可以在不超過(guò)這個(gè)距離范圍內(nèi)取用到按照規(guī)范要求在建筑中配備的滅火器。很顯然，對(duì)于一個(gè)擁有正常反應(yīng)能力和行動(dòng)能力的人，依靠自身感覺(jué)（視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等）感覺(jué)到起火并發(fā)現(xiàn)起火點(diǎn)一般不會(huì)距離自身太遠(yuǎn)，通常是在自身附近，在5min內(nèi)從這樣的距離范圍內(nèi)取到一具滅火器并到達(dá)起火點(diǎn)進(jìn)行撲救，是較為正常與合理的。

四、結(jié)語(yǔ)

結(jié)合實(shí)踐，我國(guó)相關(guān)規(guī)范在制定中已經(jīng)高度體現(xiàn)了對(duì)火災(zāi)重預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)、早疏散、早撲救的原則，其目的就是緊緊扣住火災(zāi)初期的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行各類(lèi)措施、手段的運(yùn)用。在美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)該時(shí)間段的運(yùn)用體現(xiàn)更加明顯，例如從美國(guó)消防相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中就可以明顯看出，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)流量比中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)都明顯高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，其意圖之一也就是在火災(zāi)初期階段就集中優(yōu)勢(shì)手段把火災(zāi)控制住。參閱相關(guān)消防標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)可以得出，以燃燒機(jī)理和火災(zāi)發(fā)展蔓延速度為理論基礎(chǔ)，人員疏散、初期火災(zāi)撲救兩大火災(zāi)撲救工作核心都表明，在火災(zāi)初期5min時(shí)間可謂火災(zāi)撲救“黃金時(shí)間”，從消防設(shè)計(jì)、方案規(guī)劃和資源投入等角度衡量，將優(yōu)勢(shì)資源朝這個(gè)時(shí)間段集中，勢(shì)必會(huì)得到事半功倍的效果。這是消防系統(tǒng)工程的發(fā)展方向，也是目前業(yè)界發(fā)達(dá)國(guó)家的具體實(shí)施取向。

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課題項(xiàng)目編號(hào)：DLNLKY201906