孟 慶 林

(山東省菏澤市消防救援支隊，山東 菏澤 274000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，大跨度大空間建筑在企業(yè)廠房、倉儲、商場為主的生產(chǎn)、生活中應(yīng)用越來越多。建筑內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備密集，物品高度集中，原料和成品大多屬可燃物，甚至是易燃易爆品、有毒化學(xué)品。一旦發(fā)生火災(zāi)，短時間內(nèi)極易大面積的坍塌。文章主要對大跨度建筑結(jié)構(gòu)溫升與失效概率進行計算，闡明火災(zāi)中溫度變化、著火點位置、通風(fēng)狀態(tài)對大跨度建筑物的影響，在此基礎(chǔ)上，提出預(yù)防措施。

1 大跨度建筑火災(zāi)的坍塌規(guī)律

1.1 大跨度建筑火災(zāi)特點

1)建筑火災(zāi)可以分成四個階段，即初起期、成長期、旺盛期和衰減期，如圖1所示。在火災(zāi)的成長期內(nèi)，釋熱效率(kW)與時間(t)呈現(xiàn)二次方的正比規(guī)律，即Q=at2。當火災(zāi)達到旺盛期時，釋熱效率受到空氣氧氣、換氣速度、可燃物供給等因素限制，時間因素的制約力較小，可維持到可燃物燒盡，即Q=constant。當可燃物燒盡后，呈現(xiàn)快速衰減狀態(tài)，直至火種熄滅，如圖2所示。

2)火災(zāi)的成長主要受到建筑物材料、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、煙氣排放效率影響，系數(shù)a值越大，火災(zāi)成長期越短。旺盛期的火災(zāi)火勢越大、持續(xù)時間越長，建筑物坍塌的可能性越大，同時也與建筑物結(jié)構(gòu)(窗口高度和面積)、空氣流通程度、建筑物的火災(zāi)荷載等因素有關(guān)。在成長期，火災(zāi)的核心區(qū)域火焰溫度可達到300 ℃～800 ℃；旺盛期的核心火焰最高溫度能夠達到3 000 ℃。

1.2 大跨度建筑物體特點

1)大跨度建筑物一般指跨度30 m以上的混凝土建筑物，或跨度60 m以上的鋼結(jié)構(gòu)建筑物。通常，大跨度的結(jié)構(gòu)形式主要有殼體、網(wǎng)架、懸索、充氣和敞篷張力結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)的大跨度建筑的面積、結(jié)構(gòu)、性能和用途各不相同。鋼結(jié)構(gòu)(建筑用鋼Q23鋼材、Q345鋼材等)的建筑體受不同溫度的強度下降明顯，當250 ℃左右時，鋼材出現(xiàn)“藍脆”現(xiàn)象，抗拉強度增強，韌性變差，至350 ℃的鋼體強度下降1/3,500 ℃強度加強1/2，600 ℃下降2/3。

2)鋼材受熱后的物理影響明顯，受熱膨脹后發(fā)生扭曲、變形等塑性形變，難以復(fù)原。具體數(shù)值如表1所示。

表1 建筑用鋼溫度與強度變化表

3)鋼結(jié)構(gòu)的建筑物內(nèi)部的晶體組織對溫度變化敏感，通常在450 ℃～650 ℃時失去承載能力。具體數(shù)值如表2所示。

表2 標準工字鋼梁耐火測試結(jié)果

4)采用防火材料能有效提升鋼結(jié)構(gòu)強度。鋼混結(jié)構(gòu)的建筑主體在發(fā)生火災(zāi)時，主要受到含水量影響。當溫度達到150 ℃時，混凝土失去自由水分，強度增加；當溫度達到300 ℃以上時，混凝土材料的強度開始下降。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 建筑用鋼筋混凝土溫度與強度變化表

1.3 大跨度建筑火災(zāi)的坍塌規(guī)律

1)大跨度建筑物內(nèi)部空間大、物理分割少、空氣流通好、可燃物多，為火災(zāi)的火種蔓延提供了足夠氧氣。大跨度建筑本身的空氣對流強，熱輻射效應(yīng)明顯，因此，出現(xiàn)火災(zāi)時通常面積較大，無法將火種控制在一定區(qū)域內(nèi)。從火災(zāi)能量釋放的角度看，在火災(zāi)的初步階段，單位時間內(nèi)的熱能釋放量較小，以常規(guī)的撲救手段能夠轉(zhuǎn)移火災(zāi)熱能，控制火情。在火種的發(fā)展期和蔓延期，單位內(nèi)能量釋放高，常規(guī)撲救手段無法做到熱能轉(zhuǎn)移，火勢較大、熱能積累較高，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)建筑物體失去承重強度，繼而出現(xiàn)建筑物坍塌情況。

2)以殼體結(jié)構(gòu)的大跨度建筑為例：高溫使鋼材的屈服強度和彈性模量等參數(shù)發(fā)生明顯變化，由于網(wǎng)殼的橫截面系數(shù)均大于300，結(jié)構(gòu)點、杠桿較多，火災(zāi)升溫至250 ℃，火源附近的腹桿軸力由壓力變?yōu)槔Γ芗c首先被破壞，其次火源附近的溫度450 ℃以上時，杠件依次推出工作，當溫度繼續(xù)升高，使建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C構(gòu)，進而發(fā)生坍塌。

3)不同位置發(fā)生火災(zāi)的結(jié)果不同。第一，衡陽“11·3”世貿(mào)大廈坍塌類型：火災(zāi)發(fā)生在建筑物底層，支撐建筑物的主梁和支柱受到火的作用而失去支撐能力，容易出現(xiàn)坍塌情況。第二，美國“9·11”世貿(mào)大廈坍塌類型：火災(zāi)發(fā)生在建筑物二層以上，建筑物的支撐柱和主梁受損嚴重，失去支撐力，發(fā)生側(cè)向坍塌，坍塌事物存在連續(xù)性。第三，哈爾濱亞麻制造廠火災(zāi)事件類型：倉房、廠房等工廠生產(chǎn)建筑中，火災(zāi)出現(xiàn)在易燃易爆物以內(nèi)，則建筑物主梁、支柱和屋面受損嚴重，導(dǎo)致建筑物體整體坍塌。

2 大跨度建筑火災(zāi)的建筑物坍塌預(yù)防對策

大跨度建筑物著火點位置不易確定，且建筑跨度大、縱深長，為預(yù)防坍塌情況發(fā)生，需要從多個角度創(chuàng)新方法，預(yù)防火災(zāi)時建筑物坍塌。

2.1 從力學(xué)結(jié)構(gòu)和耐熱極限角度進行坍塌預(yù)防

1)轟燃是現(xiàn)代火災(zāi)的主要特點，轟燃形成的高熱中心區(qū)，在相對封閉的大跨度建筑體中，形成大量熱能，形成可燃氣體。轟燃類型火災(zāi)的發(fā)生速度較快，火災(zāi)載荷空前提升，熱浪急速膨脹，如果不能有效遏制，很可能形成二次轟燃或多次轟燃，中心高熱區(qū)溫度能夠達到1 000 ℃以上。因此，需要引進耐火、隔熱的噴漆等保護火災(zāi)中鋼體強度的技術(shù)，也要優(yōu)化大跨度建筑的內(nèi)部設(shè)計。

2)許多企業(yè)為降低施工成本，選擇鋼結(jié)構(gòu)的建筑主體，是火災(zāi)建筑坍塌的極大隱患。鋼結(jié)構(gòu)主體可采用混凝土澆灌技術(shù)，形成鋼結(jié)構(gòu)主體的混凝土保護層，從而提升鋼結(jié)構(gòu)主體的防火性能。首先，對鋼結(jié)構(gòu)主體進行球籠網(wǎng)焊接，形成結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，其次進行混凝土澆灌，形成一體的混凝土支撐柱，最后更換原有的支撐鋼架，繼而提高鋼結(jié)構(gòu)主體的防火性能。

2.2 從性能化防火設(shè)計角度進行坍塌預(yù)防

1)建筑物的使用性質(zhì)和造型，能夠?qū)κ覂?nèi)火災(zāi)荷載的變化進行控制。例如，密閉環(huán)境下的室內(nèi)氧氣含量、物理隔火層的使用、錯位通風(fēng)結(jié)構(gòu)使用等建筑設(shè)計，能夠?qū)諝饬魍?、火勢蔓延進行有效控制，降低火災(zāi)安全隱患。運用火災(zāi)動力學(xué)、熱工理論、材料力學(xué)進行研究，論證了大型火災(zāi)建筑部位受損情況對建筑主體的影響，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)針對不同樓層、不同用途選擇不同材料、不同設(shè)計的建筑風(fēng)格，強化大跨度建筑物的使用性能和防火性能。

2)球狀大跨度結(jié)構(gòu)建筑能夠有效應(yīng)對火災(zāi)坍塌，因此，建筑結(jié)構(gòu)時可以采用殼狀設(shè)計。針對易燃品堆放車間或倉庫，應(yīng)選擇混凝土結(jié)構(gòu)搭建，保持空間密閉，有效隔溫、隔熱。其次，在易燃品堆積倉庫周圍進行防火分隔，設(shè)計防火間隔空間，實行可燃物集中管理和堆放的管理政策，防止火災(zāi)發(fā)生時可燃物助燃火勢。

2.3 從建筑防火監(jiān)管角度進行坍塌預(yù)防

1)大跨度建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能較多、形態(tài)豐富，火災(zāi)危險性大、撲救難度高，因此，需要從行業(yè)監(jiān)管角度進行火災(zāi)預(yù)防，從根源上抑制火災(zāi)事件的發(fā)生。許多企業(yè)在搭建大跨度生產(chǎn)車間等建筑時，不能準確產(chǎn)生防火意識，或不具備火災(zāi)風(fēng)險管理的能力，所以，火災(zāi)管控需要外界力量輔助和干預(yù)。

2)構(gòu)建建筑模型管理系統(tǒng)，要求企業(yè)上傳3D的建筑模型，專家團隊通過線上判斷風(fēng)險點的形式，對建筑內(nèi)部的生產(chǎn)安全進行管理。線上管理主要負責企業(yè)風(fēng)險點的管控，要求企業(yè)合理利用廠房內(nèi)部空間；線下管理主要負責考察企業(yè)3D模型與企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否一致，企業(yè)傳輸?shù)母黜棓?shù)據(jù)信息是否準確，企業(yè)整改所用的材料使用是否達標等。建筑模型既可以用于風(fēng)險判斷和企業(yè)生產(chǎn)管理，又能在發(fā)生火災(zāi)事件時，直觀了解建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高效監(jiān)管。

3 結(jié)語

大跨度建筑內(nèi)部空間、物理風(fēng)格、煙氣流動效率是火災(zāi)中火勢成長的主要制約因素，對建筑性能化設(shè)計，是從根源上解決火災(zāi)導(dǎo)致建筑物坍塌的問題的有效手段。同時，鋼結(jié)構(gòu)的建筑物受溫度影響的強度變化較大，在鋼結(jié)構(gòu)體上進行防火、隔熱涂層處理，能夠有效提升鋼材本身的強度。如發(fā)生火災(zāi)事故，需整合社會消防力量和裝備，對著火點、易燃點、易塌落點進行控制，對火災(zāi)區(qū)域進行分割，但仍需注意水槍不可直接對準結(jié)構(gòu)主體，防止鋼材“冷脆”，加速坍塌。