蘇心偉
(山東省菏澤市消防救援支隊(duì),山東 菏澤 274000)
伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,廣泛應(yīng)用于企業(yè)廠房、倉(cāng)庫(kù)、商場(chǎng)等生產(chǎn)和生活場(chǎng)所的大跨度建筑數(shù)量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)大跨度大空間建筑火災(zāi)坍塌事故案例的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,2000年以后,此類事故的發(fā)生率顯著高于2000年之前[1]。這類建筑內(nèi)部通常儲(chǔ)存大量可燃物品,人流量大,內(nèi)部通道復(fù)雜,生產(chǎn)設(shè)備繁多,物品高度密集,如發(fā)生火災(zāi),非常容易引發(fā)重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的嚴(yán)重事故。本文主要對(duì)大跨度建筑火災(zāi)特點(diǎn)及坍塌規(guī)律進(jìn)行分析研究,在此基礎(chǔ)上,提出有效的處置對(duì)策。
按照GB 55307—2002建筑防火通用規(guī)范,大跨度建筑為C級(jí)建筑防火等級(jí),耐火極限非常低,梁、柱的耐火極限僅為0.2 h,火災(zāi)初期,若消防報(bào)警系統(tǒng)不能及時(shí)發(fā)揮作用,極易造成火勢(shì)的蔓延擴(kuò)大。有的單位由于工藝生產(chǎn)需要,生產(chǎn)線要連續(xù)貫穿幾個(gè)防火分區(qū),為保證生產(chǎn)需要,防火分割處采用水幕或防火卷簾代替防火墻,加之大跨度建筑空間高而大,通風(fēng)條件較好,可燃物荷載大,發(fā)生火災(zāi)后火勢(shì)發(fā)展蔓延的速度快,在短時(shí)間內(nèi)很快就會(huì)發(fā)展到猛烈階段[2]。鋼結(jié)構(gòu)部件的良好導(dǎo)熱性質(zhì)同時(shí)也導(dǎo)致了火焰容易通過(guò)被加熱的部件迅速擴(kuò)散發(fā)展。如大型商場(chǎng)、展覽館等大跨度鋼結(jié)構(gòu)公共建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí),火勢(shì)很容易通過(guò)受熱的鋼構(gòu)件引燃相鄰防火分區(qū)內(nèi)的可燃物著火,從而形成跳躍式發(fā)展蔓延態(tài)勢(shì),火勢(shì)易通過(guò)受熱的鋼構(gòu)件引起著火層上層的可燃物燃燒;密閉的大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑著火時(shí),火勢(shì)極易沿建筑外墻或屋頂彩鋼板的夾層隱蔽蔓延。
當(dāng)大跨度建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí),因其通風(fēng)口很少,著火產(chǎn)生的大量濃煙和熱量很難散出,容易使室內(nèi)的煙霧和熱量積累得非常迅速。空間相對(duì)密閉且無(wú)通風(fēng)條件的大跨度建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí),受底層或低洼處通風(fēng)條件的影響,燃燒產(chǎn)生出的大量濃煙和釋放的熱量會(huì)快速在垂直空間向上部蔓延,從而會(huì)產(chǎn)生“煙囪效應(yīng)”[3]。由于因煙囪效應(yīng)而形成的不易控制的大量煙霧移動(dòng),使通過(guò)開窗自然通風(fēng)排煙都很難排出。當(dāng)封閉式的鋼結(jié)構(gòu)建筑著火時(shí),會(huì)引起室內(nèi)溫度的快速升高和氣體的快速擴(kuò)張。在熱壓效應(yīng)下,高溫?zé)煔庖约s2 m/s的速度在室內(nèi)擴(kuò)散,這極有可能迅速在室內(nèi)形成大范圍的煙霧聚集,從而增加了火災(zāi)偵察和室內(nèi)火災(zāi)撲救等救援行動(dòng)的困難程度。
大跨度建筑坍塌和變形的原理有多種形式,除高溫影響外,還涉及到鋼構(gòu)件的熱冷驟變、結(jié)構(gòu)壓力之間作用的破壞、超額的建筑荷載、火災(zāi)爆炸和外力撞擊等因素。高溫主要通過(guò)對(duì)柱的穩(wěn)定性破壞和脆裂性破壞、對(duì)鋼梁的彎曲度破壞、對(duì)樓板的形狀破壞以及對(duì)支撐系統(tǒng)的失效破壞等方式破壞鋼制構(gòu)件。大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的極限溫度大約是500 ℃,但一般火災(zāi)的溫度能夠達(dá)到1 000 ℃左右,暴露的鋼構(gòu)件將迅速扭曲變形,導(dǎo)致部分或整個(gè)建筑體發(fā)生坍塌[4]。2002年7月11日,安徽佳通輪胎有限公司半鋼子午胎車間發(fā)生火災(zāi)。該車間為一座純鋼結(jié)構(gòu)單層廠房,長(zhǎng)612 m、寬96 m、高10 m,由西向東分割成3個(gè)工段和3個(gè)庫(kù)區(qū),著火的成品庫(kù)區(qū)長(zhǎng)153 m,面積1.47萬(wàn)m2,由于火勢(shì)蔓延迅速,燃燒猛烈,最終導(dǎo)致該成品庫(kù)區(qū)建筑全部坍塌。
對(duì)于大跨度建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),由于其復(fù)雜的平面布局和龐大的內(nèi)部延伸區(qū)域,加上內(nèi)部強(qiáng)濃度的煙霧造成視線受到嚴(yán)重干擾,偵察災(zāi)情、尋找火源并確認(rèn)被困人員位置對(duì)于消防人員來(lái)說(shuō)頗具挑戰(zhàn)。同時(shí),有的單位為了提高場(chǎng)地的利用率,擅自將原有建筑物間的防火間距或消防車道改造成倉(cāng)庫(kù)或車間,造成建筑物無(wú)消防車道,防火間距不足,安全出口堵塞,導(dǎo)致疏散距離不足,這些不利因素使消防人員掌握火勢(shì)擴(kuò)散蔓延方向以及準(zhǔn)確掌握火場(chǎng)全貌信息也非常困難[5]。針對(duì)這類型空間密閉且空間龐大的建筑火災(zāi),其開口處較少,難以通過(guò)自然排煙方式排煙散熱,因此通常需采取破拆排煙方法。然而,建筑高大、使用鉚焊連接的鋼構(gòu)件的穩(wěn)固性等均會(huì)降低破拆散熱的效率。另外,由于大跨度建筑內(nèi)部通訊不便、煙霧濃度高且熱輻射強(qiáng),并且存在鋼結(jié)構(gòu)受熱變形風(fēng)險(xiǎn)等因素,火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境過(guò)于復(fù)雜,進(jìn)行滅火進(jìn)攻作戰(zhàn)行動(dòng)難度相當(dāng)大。
一般而言,大跨度建筑的定義包括跨度超越30 m的混凝土構(gòu)筑物以及超越60 m的鋼構(gòu)建筑。這些建筑的主要建構(gòu)成分,例如殼體、網(wǎng)架、懸索、充氣以及張力構(gòu)造等,由于其結(jié)構(gòu)差異,它們的面積、構(gòu)造設(shè)計(jì)以及功能用途均有所區(qū)分[6]。使用Q23鋼材、Q345鋼材等建筑用鋼料建造的建筑,溫度變化對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響非常明顯。比如,當(dāng)溫度在250 ℃左右,鋼材會(huì)出現(xiàn)被稱為“藍(lán)脆”的現(xiàn)象,此時(shí)拉力強(qiáng)度增加,但韌度降低;當(dāng)溫度升至350 ℃,其強(qiáng)度降低1/3;當(dāng)溫度升至500 ℃,強(qiáng)度下降1/2;當(dāng)溫度升至600 ℃時(shí),強(qiáng)度會(huì)下降2/3。此外,溫度的提升也會(huì)引起物理屬性的變化,例如受熱膨脹可能導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)扭曲、變形等塑性形變,這些變化常常很難得到復(fù)原。具體數(shù)據(jù)見表1。
相應(yīng)地,內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)對(duì)溫度調(diào)整反應(yīng)強(qiáng)烈的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑,其負(fù)載能力一般會(huì)在溫度范圍450 ℃~650 ℃中消失。表2已經(jīng)詳細(xì)列出了相關(guān)的數(shù)據(jù)。
表2 標(biāo)準(zhǔn)工字鋼梁耐火測(cè)試結(jié)果
利用防火材質(zhì)可以顯著增強(qiáng)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一旦鋼筋混凝土建筑物著火時(shí),含水量對(duì)其性能有一定的影響。當(dāng)火災(zāi)溫度升至150 ℃時(shí),混凝土?xí)テ渥杂伤?這會(huì)導(dǎo)致它的強(qiáng)度提高;然而,當(dāng)火災(zāi)溫度達(dá)到300 ℃以上時(shí),混凝土的強(qiáng)度就會(huì)慢慢減少。詳細(xì)數(shù)據(jù)參見表3。
表3 鋼筋混凝土的溫度與強(qiáng)度變化對(duì)照表
建筑火災(zāi)在發(fā)展過(guò)程中大致可以分為初期、發(fā)展、猛烈和下降四個(gè)階段,熱釋放率(kW)和時(shí)間(t)顯示出二次方正比的關(guān)系,也就是說(shuō)Q=at2。一旦火災(zāi)進(jìn)入到猛烈的階段,熱釋放率由空氣中的氧氣、通風(fēng)速度、可燃物的供給等要素制約,時(shí)間因素對(duì)其影響減小,可以維持到可燃物完全燃燒完畢,即Q=常數(shù)。當(dāng)所有可燃物已經(jīng)完全燃盡后,會(huì)出現(xiàn)迅速衰退的狀況,直至火焰完全被熄滅?;馂?zāi)的發(fā)展受到內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、建筑物材料、煙氣排放效率等因素影響時(shí),系數(shù)a值越大,火災(zāi)的發(fā)展階段就會(huì)越短[7]?;鹧嬖诩ち译A段燃燒的時(shí)間越久且火勢(shì)越強(qiáng)烈,建筑物塌陷的風(fēng)險(xiǎn)就越高。此外,空氣的流動(dòng)程度、建筑的構(gòu)造以及火災(zāi)的荷載也是影響火災(zāi)蔓延的因素。在火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程中,火場(chǎng)核心區(qū)的火焰溫度能夠達(dá)到300 ℃~800 ℃,而在最猛烈的火勢(shì)階段,核心火焰的最高溫度可以達(dá)到3 000 ℃。
大型建筑的物理隔斷較少,空氣暢通無(wú)阻,內(nèi)部空間高而大,可燃物品眾多,為火災(zāi)迅速擴(kuò)散供應(yīng)了充足的氧氣。由于大跨度建筑內(nèi)的空氣對(duì)流效應(yīng)強(qiáng)烈,熱輻射強(qiáng)度明顯,所以,一旦起火,火勢(shì)通常影響面積廣泛,難以局限在固定區(qū)域范圍內(nèi)[8]。以火災(zāi)產(chǎn)生能量的角度來(lái)看,在火災(zāi)的初始階段,單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相對(duì)較小,這時(shí),使用普通滅火方法可以有效控制災(zāi)情發(fā)展,從而達(dá)到轉(zhuǎn)移火災(zāi)熱能的目的。但是到了火災(zāi)進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)散階段,單位時(shí)間內(nèi)的能量釋放量增高,火勢(shì)強(qiáng)烈,熱能積攢,常規(guī)滅火方法無(wú)法承受熱能轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致鋼構(gòu)建筑迅速失去承重能力,之后可能會(huì)導(dǎo)致建筑物的倒塌。
在火災(zāi)的環(huán)境中,建筑結(jié)構(gòu)表面會(huì)立即碳化,對(duì)其承載斷面造成一定影響。熱量使鋼構(gòu)件出現(xiàn)塑性形變,內(nèi)部熱分解使其3CaO·SiO2轉(zhuǎn)變得松散,由于熱量的影響在主要的負(fù)載部位失去預(yù)加應(yīng)力,最終導(dǎo)致其抵抗拉力和壓力的能力下降[9]。此外,由于熱量的影響,鋼筋混凝土建筑的防護(hù)出現(xiàn)剝落,鋼筋和混凝土甚至發(fā)生分離,這些因素都會(huì)使得部分結(jié)構(gòu)的承載力下降。如2001年5月12日我國(guó)臺(tái)北科技園發(fā)生火災(zāi),火場(chǎng)高溫使鋼梁發(fā)生變形,特別是一些密閉性較好的大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房,著火后室內(nèi)蓄熱較快,受高溫影響,受熱的鋼構(gòu)件極易變形倒塌,甚至導(dǎo)致整體建筑倒塌。
在大跨度建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí),建筑結(jié)構(gòu)材料在高溫下會(huì)受熱膨脹,而在水槍射流的沖擊下,結(jié)構(gòu)件在迅速冷卻后又會(huì)突然收縮,這會(huì)使其受沖擊韌性大幅下滑。特別是鋼結(jié)構(gòu)部分在高溫作用下對(duì)其迅速冷卻,極易發(fā)生明顯形狀改變,從而導(dǎo)致了鋼結(jié)構(gòu)失去其靜態(tài)的平衡和穩(wěn)定,從而會(huì)使其扭曲變形,最終可能導(dǎo)致部分或整個(gè)建筑物坍塌。
對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)大跨度建筑,它的應(yīng)力關(guān)聯(lián)性極為關(guān)鍵,如大跨度鋼屋頂、網(wǎng)狀構(gòu)造等。在發(fā)生火災(zāi)的狀況下,若是部分建筑因高溫產(chǎn)生變形,其與相鄰鋼構(gòu)造物的應(yīng)力關(guān)系就會(huì)被破壞,可能引發(fā)局部變形或整體建筑的擴(kuò)張倒塌[10]。2003年4月5日,山東青島正大有限公司食品廠大跨度建筑發(fā)生火災(zāi)?;饎?shì)迅猛,熾烈的火焰燃燒,最終導(dǎo)致廠房的鋼構(gòu)造和超過(guò)7 000 m2的鐵皮屋頂全部倒塌。
大跨度建筑著火時(shí),由于建筑上部構(gòu)件坍塌后壓住下面的樓層,或撲救火災(zāi)時(shí)因大量射水不能及時(shí)排出等因素,局部荷載加大導(dǎo)致建筑倒塌,當(dāng)荷載超過(guò)建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)承載能力時(shí),梁、柱、墻等承重鋼構(gòu)件因失去支撐和承載能力,再加上火場(chǎng)高溫作用對(duì)構(gòu)件的影響,會(huì)使發(fā)生火災(zāi)的鋼構(gòu)件發(fā)生局部或整體倒塌。
在大跨度建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí),要堅(jiān)持“救人第一、科學(xué)施救”的作戰(zhàn)原則,制定出針對(duì)性的救援方案,積極展開被困遇險(xiǎn)人員的疏散搶救工作。詳細(xì)詢問(wèn)知情人是否有被困人員,一旦確認(rèn)有人員被火勢(shì)圍困,只要有進(jìn)攻通道能夠進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng),就應(yīng)立即組織精干力量成立內(nèi)攻搜救小組,進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行救援[11]。同時(shí),也要積極阻止火勢(shì)的進(jìn)一步擴(kuò)大,以降低對(duì)被困人員的危害。如果有人員被火勢(shì)圍困,當(dāng)火勢(shì)無(wú)法被立即撲滅時(shí),將會(huì)增加被困人員的傷亡風(fēng)險(xiǎn),在這樣的情況下,如果救援人員無(wú)法進(jìn)入內(nèi)部救人,指揮員應(yīng)立即組織精干力量來(lái)投入到救援和滅火的戰(zhàn)斗中,同時(shí)開辟救生通道,以便為滅火救援創(chuàng)造條件。然而,如果火災(zāi)撲救任務(wù)并不艱巨,救援力量充足,指揮員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,一邊組織力量進(jìn)行疏散救人,同時(shí)迅速調(diào)集其他的力量進(jìn)行火災(zāi)撲救。
在大跨度建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí),我們必須確保其承重結(jié)構(gòu)得到冷卻防護(hù),以免其因受熱變形而坍塌。因此,我們需要及時(shí)組織救援力量,快速撲滅柱、梁等承重結(jié)構(gòu)或其周圍的火勢(shì),并持續(xù)對(duì)其進(jìn)行射水冷卻。那些受到火勢(shì)威脅嚴(yán)重,或者處在火勢(shì)蔓延途徑上的承重結(jié)構(gòu),同樣需要進(jìn)行冷卻防護(hù)。同時(shí),對(duì)那些因受火勢(shì)威脅輻射熱強(qiáng)的周圍柱、梁等承重鋼構(gòu)件,以及彩鋼板頂棚產(chǎn)生大量熱量影響的區(qū)域,也必須進(jìn)行充分冷卻保護(hù)。使用大流量移動(dòng)消防水炮或者大口徑水槍,對(duì)受到火勢(shì)威脅的鋼梁、鋼構(gòu)架,以及彩鋼板屋頂射水冷卻。若著火建筑高度較大,我們可以通過(guò)架設(shè)消防梯,或利用地形地物登高對(duì)著火建筑進(jìn)行冷卻保護(hù)[12]。利用舉高消防車臂架炮或水罐消防車上的車載炮,在外部向著火建筑物內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)、彩鋼板屋頂或者墻體射水冷卻降溫。
在大跨度建筑火災(zāi)的滅火救援過(guò)程中,增強(qiáng)通風(fēng)排煙和散熱是確保內(nèi)部進(jìn)攻和作戰(zhàn)行動(dòng)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。發(fā)生火災(zāi)初始階段,消防人員要首先充分利用建筑內(nèi)部的固定排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙。水槍架設(shè)到位后,要開啟上風(fēng)或者側(cè)上風(fēng)方向靠外墻的窗戶,加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)排煙散熱,必要時(shí)利用移動(dòng)排煙裝備排煙,如正負(fù)壓排煙機(jī)、排煙消防車等進(jìn)行排煙散熱。全面開啟下風(fēng)向和側(cè)下風(fēng)向的所有門、窗戶、天窗或采光窗,以實(shí)現(xiàn)自然排煙和散熱。若無(wú)外窗,可以拆除下風(fēng)向和側(cè)下風(fēng)向的彩鋼板外墻加以排煙,必要時(shí)也可在上風(fēng)向的彩鋼板墻上開啟進(jìn)風(fēng)口,建立風(fēng)循環(huán),以加快排煙和散熱的速度。
對(duì)于大跨度建筑火災(zāi)的撲救,要快速確立作戰(zhàn)行動(dòng)路線,以內(nèi)部滅火為主,同時(shí)兼顧內(nèi)攻滅火和防御措施結(jié)合,室內(nèi)外同時(shí)進(jìn)攻的作戰(zhàn)措施,從而有效遏制火勢(shì)蔓延擴(kuò)大。初期火災(zāi)時(shí),內(nèi)攻滅火小組深入火場(chǎng)內(nèi)部進(jìn)行近距離滅火,并阻止火勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大。火勢(shì)處于發(fā)展階段時(shí),在火勢(shì)蔓延的方向阻止火勢(shì),以及利用下風(fēng)或側(cè)風(fēng)位置部署防御力量[13]。內(nèi)部空間大、起火部位較高時(shí),可在室內(nèi)架設(shè)消防梯登高滅火?;饒?chǎng)燃燒面積較大時(shí),要?jiǎng)澐肿鲬?zhàn)區(qū)域由外向內(nèi)推進(jìn),逐片消滅火勢(shì)。在建筑的外側(cè),依托門、窗出入口設(shè)置水槍陣地消滅火災(zāi)。在需要的情況下,要盡量架設(shè)消防梯、利用建筑物外部樓梯或其他平臺(tái)進(jìn)行登高滅火[14]。在外部,盡可能利用消防車車載炮、遙控移動(dòng)炮、大口徑水槍及舉高消防車臂架炮在外部控制火勢(shì)。
撲救大跨度建筑火災(zāi),滅火和冷卻作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響很大。為此,我們必須確保消防供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行,如果特別緊急情況下,可以適當(dāng)降低次要陣地的供水,全力以赴保證主戰(zhàn)區(qū)陣地的供水需求,以達(dá)到火災(zāi)撲救所需的水量與水壓[15]。火災(zāi)初始階段,需立即開啟消防泵或噴淋泵,對(duì)建筑室內(nèi)管網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充供水。待消防車到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后,可以通過(guò)水泵接合器,向室內(nèi)管網(wǎng)供水,同時(shí)直接使用室內(nèi)消防栓撲滅火勢(shì)。消防車停靠在單位內(nèi)部消火栓、消防水池、市政消火栓,組織直接供水或接力供水。調(diào)集大噸位水罐消防車直接出水滅火,或組織接力供水、運(yùn)水供水,根據(jù)滅火救援需要,可以使用手臺(tái)機(jī)動(dòng)泵提供水源供水。根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求,組織市政環(huán)衛(wèi)灑水車等社會(huì)力量進(jìn)行運(yùn)水供水。
在火災(zāi)撲救中,如廠房、倉(cāng)庫(kù)等大跨度建筑的倒塌幾率大,遠(yuǎn)超過(guò)其他類型的建筑。倒塌的大多數(shù)是鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)建筑,常見的情況是局部坍塌或全部倒塌,甚至?xí)斐纱罅咳藛T的傷亡。此外,這些倒塌的大跨度建筑存在的問(wèn)題往往與消防設(shè)計(jì)不規(guī)范、管理不合規(guī)定或擅自改變使用性質(zhì)等因素有關(guān),大跨度建筑火災(zāi)滅火救援日益成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。因此,消防部門應(yīng)對(duì)此進(jìn)行深入研究,并總結(jié)此類建筑火災(zāi)的特點(diǎn)和坍塌規(guī)律,制定相應(yīng)的處置對(duì)策和戰(zhàn)術(shù)措施,全面提升消防人員處置大跨度建筑火災(zāi)的實(shí)戰(zhàn)能力。