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

高新華 嚴文芳

摘要：民用建筑火災(zāi)初、中期階段，火勢的發(fā)展通常隨時間逐步增大，火災(zāi)的危害性隨之增強，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”，試驗數(shù)據(jù)的正面論證和大量規(guī)范要求的側(cè)面說明都指向這個5min關(guān)鍵期。對此時間窗口的有效運用和準確把握，對初期火災(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，基本都具備起火點開始向周圍蔓延但燃燒面積不大，煙氣量及流動速度緩慢，輻射熱低，對人員和周圍物體、結(jié)構(gòu)的傷害不大這樣一些特點。針對這樣的特點，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預(yù)案的合理展開，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)害損失措施民用場所區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，時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。在此類火災(zāi)中，火災(zāi)從初起到初期的5分鐘可以稱之為“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，外界救援幾乎沒有可能趕到，有研究表明，某城市35.9%的火災(zāi)中，消防中隊到場時間超過20min，2015年出警平均到場時間為23.6min;城區(qū)出警平均到場時間為11.5min。即使消防隊伍到達火場后34.1%的火災(zāi)中，消防中隊到場后的戰(zhàn)斗展開時間超過5min。

對于“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、中期和衰退期四個階段的完整過程。

一、火災(zāi)發(fā)展蔓延控制

燃燒速率可以看成燃燒發(fā)展程度與時間的函數(shù)，t2火災(zāi)模型中，熱釋放速率與燃燒時間的關(guān)系如式Q=at2，其中，a=Q0/tg2，tg指達到熱釋放速率Q0的時間。在燃料控制型或通風控制型火災(zāi)中，火災(zāi)燃燒速率通常假定為一個常數(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)，以無棉織品聚酯床墊為代表的可燃固體材料類火災(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。可以看出，在300s內(nèi)火勢處于逐步增大階段，在這個階段如果有主動或被動的滅火措施介入，尤其利于火災(zāi)的控制與撲滅。

以較常見的具有空調(diào)設(shè)備的售貨商場內(nèi)火災(zāi)初期煙氣擴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，在商場大廳內(nèi)進行充煙試驗，并對各類參數(shù)進行測量，通過試驗可以確定，煙氣對疏散救援通道的負面影響，約是在4min以后開始的，大約在10min以后，大廳的整個高度空間完全充滿煙氣。

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，我國現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范均對建筑物內(nèi)的人員密度和疏散距離作了強制性要求，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間內(nèi)到達安全區(qū)域。疏散時間的長短取決于多個因素，但選取較為典型的場景后，可以得到以下的推論。

（一）人數(shù)對疏散時間的影響。人數(shù)在一定程度上決定著多室建筑的疏散時間。當需要疏散的人數(shù)與疏散路線的通行能力相比較少時，疏散人流一般不會超過疏散路線的通行能力，此時，疏散時間主要由最后幾個離開房間人員的預(yù)動作時間、步行速度和到達建筑最終出口的距離決定。對于人員密集的多層建筑，當多層或整個建筑同時疏散，疏散運動時間要由前幾個離開房間進入樓梯間人員的預(yù)動作對間和進入并通過樓梯間的通行時間決定。

觀測資料和實驗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有所不同。對于人員密度小于0.54人/m2的疏散通道，人們各自按照自己的速度疏散，不會受到其他人速度的影響;人員密度超過3.8人/m2時，疏散將無法進行。典型的未受阻礙的行進速度大約為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，實際行進速度可取1.0m/s，在300s內(nèi)，水平方向上可以移動300m的距離，足以到達最近的安全出口。在采用計算機模擬方法對某個實例的疏散時間計算示例中，一個簡單的有4個可用疏散出口的四方零售店（邊長為42.4m，直線行走距離為30m），設(shè)計人員數(shù)量為900人，在試驗情況下，第一組人幾乎是在警鈴響起的一剎那開始行動，因此第一組人的預(yù)動作時間只有幾秒鐘。每個人的行進距離由計算機計算得出，行進速度分布的平均數(shù)為1.2m/s（標準差為0.2m/s，最小速度為0.3m/s），在此典型示例場景中，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，一般認為電梯在火災(zāi)情況下不能使用，但在1994年，美國學者Klote等在研究美國聯(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系統(tǒng)來考慮，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，多國也展開了電梯疏散可能性的研究。目前我國電梯使用量和增長量都非常巨大，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行疏散，可充分利用現(xiàn)有資源，在最短的時間內(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。以學生公寓樓為例，計算了不同疏散策略下的所需安全疏散時間，結(jié)果表明該混合疏散策略最優(yōu)，比僅用樓梯疏散時間縮短了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。該項研究主要考慮了在火災(zāi)初期5min內(nèi)混合疏散策略對疏散效果的明顯提升，對時間的選取顯然考慮了火災(zāi)發(fā)生后如果火勢已經(jīng)充分發(fā)展，電梯絕對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開始的，合理完善的火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案對此應(yīng)該有相應(yīng)的描述和要求，并且已經(jīng)經(jīng)過了模擬應(yīng)急訓練的初步檢驗。在最短的時間內(nèi)控制住火勢，是能否依靠建筑主動力量滅火的關(guān)鍵，這個關(guān)鍵的時間點，也通常在5min這個關(guān)鍵事件點附近。

以民用建筑中最常用和有效的兩種滅火手段為例。

（一）自動滅火系統(tǒng)。在火災(zāi)初期采用自動噴水滅火系統(tǒng)可以將火撲滅。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，幾乎80%的火災(zāi)都能夠被有效的自動滅火系統(tǒng)撲滅在初期階段，而這個初期階段與5min的黃金時間高度重合，在我國現(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)的充水時間不應(yīng)大于5min。”在《自動噴水滅火系統(tǒng)施工及驗收規(guī)范》GB50261-2017中，關(guān)于濕式自動噴水滅火系統(tǒng)水泵啟動時間有如下規(guī)定：“8.0.6-3……濕式自動噴水滅火系統(tǒng)的最不利點做末端放水試驗時，自放水開始至水泵啟動時間不應(yīng)超過5min。”在《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB50084-2017國家規(guī)范中明確規(guī)定：“采用臨時高壓給水系統(tǒng)的自動噴水滅火系統(tǒng)，當規(guī)范規(guī)定可不設(shè)置高位消防水箱時，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)生后的使用時間，主要取決于滅火器的布置位置和人的行動速度，在計算單元內(nèi)配置的滅火器能完全保護到該計算單元內(nèi)的任一可能著火點，不能出現(xiàn)空白區(qū)。即任一可能著火點（包括最不利點）都應(yīng)在至少1個滅火器設(shè)置點的保護圓（以滅火器設(shè)置點為圓心，以滅火器的最大保護距離為半徑）的范圍內(nèi)。對于常見民用建筑區(qū)域（ABC類火災(zāi)，中危險級），滅火器的最大保護距離為手提式20m（BC類12米），這款條文從另一個角度可以理解為，無論你身處建筑的任意位置，都應(yīng)該可以在不超過這個距離范圍內(nèi)取用到按照規(guī)范要求在建筑中配備的滅火器。很顯然，對于一個擁有正常反應(yīng)能力和行動能力的人，依靠自身感覺（視覺、嗅覺、聽覺等）感覺到起火并發(fā)現(xiàn)起火點一般不會距離自身太遠，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起火點進行撲救，是較為正常與合理的。

四、結(jié)語

結(jié)合實踐，我國相關(guān)規(guī)范在制定中已經(jīng)高度體現(xiàn)了對火災(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)鍵時間點進行各類措施、手段的運用。在美國、英國等發(fā)達國家，對該時間段的運用體現(xiàn)更加明顯，例如從美國消防相關(guān)標準中就可以明顯看出，美國標準要求的設(shè)計流量比中國標準和英國標準都明顯高出一個數(shù)量級，其意圖之一也就是在火災(zāi)初期階段就集中優(yōu)勢手段把火災(zāi)控制住。參閱相關(guān)消防標準和文獻可以得出，以燃燒機理和火災(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時間可謂火災(zāi)撲救“黃金時間”，從消防設(shè)計、方案規(guī)劃和資源投入等角度衡量，將優(yōu)勢資源朝這個時間段集中，勢必會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)達國家的具體實施取向。

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課題項目編號：DLNLKY201906