建筑火灾倒塌事故救援过程风险分析

成锡平，雷思聪，张 鹏

(1.扬州市公安消防支队，江苏 扬州 225000； 2.武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

0 引言

进入21世纪以来，灾害事故、恐怖活动等造成建筑倒塌的现象逐渐增多，如湖南衡阳“11·3”大火和美国“9·11”事件造成的建筑倒塌都带来了巨大的人员伤亡和财产损失[1]。同时《中华人民共和国消防法》赋予消防部队防止和控制火灾发生，减少灾害带来的经济建设、公共财产以及人民生命财产安全方面的损失的任务，而建筑倒塌事故救援技术难度大，救援危险性高，急需对建筑倒塌救援过程进行风险分析。

近年来，建筑结构随着经济的迅速发展而愈发复杂，多样化的建筑结构给消防部队的灭火救援工作带来了巨大挑战。建筑倒塌是建筑火灾带来的次生灾害之一，也是在救援过程中，对消防官兵们危险性最高的灾害。如，在2015年哈尔滨陶瓷市场大火中，11层的建筑整体倒塌，瞬间就致使5名消防战士牺牲，11人身负重伤；2008年上海塑料包装厂的厂房倒塌，令3名年轻的消防战士英勇牺牲。在USFA(美国联邦应急管理署消防管理局)的统计数据中，建筑火灾倒塌事故中牺牲的消防员已经达到了20世纪80年代的3倍[2]。建筑结构因为火灾的发生而变得危险重重，但有时因为救援需要，消防员必须采取内攻才能完成任务，此时救援过程中全程进行风险评估至关重要。

由于火灾、地震等引起的建筑倒塌事故频发，引起了人们的高度关注，国内外学者对此类事故的研究也逐步加深。国内，消防部门和相关行业的学者对建筑倒塌事故的诱因和处置对策做了详尽的分析，侯健等指出掌握建筑材料、结构在高温下的性能变化是消防员规避建筑倒塌风险的关键[3]；李耀庄等分析火灾荷载下的建筑倒塌，总结出建筑防火设计和消防灭火方法这两个主要方向[4]。国外，2002年马德里高层建筑起火，造成大规模钢结构倒塌，美国学者Jason针对高层建筑火灾的研究表明，要确保在消防员进入室内救援前进行切实可靠的风险评估[2]。

目前救援过程中对于建筑倒塌的风险评估，主要依靠的是建筑结构及风险评估专家根据现场破坏程度、设计合理程度等直观信息赋以自身所具备的专业知识，从而得出分析结果。这种方法所得出的结果有一定参考价值，但仍有需改善之处。大多专家并不具备现场救援能力，且专家到场时间较消防救援队伍晚，在有人员被困等紧急情况下，现实情况使救援人员无法等待专家到场再展开操作，因此对建筑倒塌救援风险评估就是保障被困人员和救援人员安全的关键。本文基于火灾时建筑结构的力学效应及建筑火灾风险评估基本知识，对建筑救援过程进行风险分析，力求能为保障救援人员安全、提高救援效率提供建议。

1 建筑火灾救援中的问题分析

1.1 建筑火灾发生倒塌的原因分析

1.1.1 高温作用

建筑火灾使建筑物长时间处于高温环境甚至直接处在火灾烘烤下，过高的温度使木质结构发生炭化，使承载断面值缩小，当剩余截面不能承受荷载时，就容易发生倒塌；钢材在500 ℃高温下烘烤15～20 min就易发生塑性形变，钢结构厂房等在这样的条件下就容易发生倒塌；砖混结构虽刚性较高，整体结构不易倒塌，但建筑易出现裂缝，在高温下，局部结构坠落容易发生，增加救援人员的风险；而钢筋混凝土结构，耐火性能较好，使用范围广，但事故率最高，超过200 ℃其整体性能就会下降45%左右[5]。救援人员往往因为缺乏不同建筑结构在不同温度情况下的耐火时间的知识，从而无法准确判断风险概率，导致事故的发生。

1.1.2 火灾荷载

火灾荷载是建筑物容积所有可燃物由于燃烧而释放出的总能量，直接决定着火灾持续时间的长短和室内温度的变化情况。火灾荷载和火灾严重程度之间的关系非常明显，火灾荷载越大，燃烧就越猛烈，释放能量也越多，从而导致室内温度急剧升高，当达到建筑物的耐火极限时，就极易发生建筑物倒塌。

着火空间不同，火灾形势会有较大的变化，而通过分析火灾荷载密度，就能较好地掌握火灾发展过程和火灾荷载数据[6]。火灾荷载密度计算公式为：

式中，Mi为第i种可燃物质量；qri为每公斤材料所含热量；mi是描述第i种材料燃烧行为的因子；φi为材料在被保护火灾荷载时的估算系数；A为防火分区水平地面面积，通常mi和φi取1。

通过火灾荷载密度，可以了解火灾危险性，也可以推算出火灾持续时间，从而结合不同结构建筑耐火极限，进行风险分析。火灾持续时间的计算：首先计算可燃物总发热量Qr，其次由燃烧型支配因子x得出可燃物每秒的平均发热量qb，最后通过Qr和qb得出燃烧时间tf，计算式如下：

1.1.3 爆炸

建筑物多为密闭场所且存储物质复杂，一旦发生火灾，就会使可燃物、氧化剂与着火源相结合，使物质发生化学反应，产生升温、体积膨胀等现象，最终致使化学爆炸的发生。同时，建筑物内部的液化气罐及管道等也易因燃烧而爆炸。爆炸产生的冲击波使建筑结构发生形变，使承重构件失去承载能力而引发建筑物倒塌。

1.1.4 外力影响

在建筑火灾的救援过程中，需要对建筑物进行大量射水，当上层灭火积水不能及时排出并且建筑物内易吸水物质大量吸水时，就会使建筑物负载大大增大。同时，燃烧中的建筑物表面温度极高，当水源打在温度过高的钢筋以及砖石结构上时，因为冷却不均，会导致物体表面快速收缩，出现脱落、变形等现象，最终导致结构性破坏，发生碎裂[7]。无论是负载增大，抑或突然冷却，都使建筑物倒塌的风险增大。

1.1.5 建筑物质量

在建筑物倒塌后的战评总结以及火灾调研过程中，总能发现建筑物本身存在的各种各样的问题。如：有厂家违规增加建筑物层数，增大负载；有违背建筑防火设计规范，不按规定储存可燃物质和设置防火等级；有违规随意拆动建筑构件，致使建筑物整体质量大幅度下滑等[8]。这些都是在灭火救援过程中给救援人员带来风险的因素，再精确的预判和计算也是建立在原始数据正确的基础上的，如果最根本的数据和材料都发生了变化，无疑会使风险和隐患极大增加。

1.2 消防部队建筑火灾倒塌造成事故的原因分析

1.2.1 缺乏救援过程风险评估

消防人员往往一到达现场就立刻展开灭火救援，但火灾中的建筑，很可能会瞬间倒塌，从而造成消防员的伤亡。为了防止此类事故，作为指挥员，需要运用专业知识和丰富的经验对建筑物进行风险评估，才能保证作战命令的可靠性。建筑火灾救援的展开，依据的不是报警人的只言片语，指挥员需要对现场进行细致评估，如过火面积、建筑结构、毗邻建筑等都是评估的依据。可靠的风险评估，才能让指挥员做出尽可能准确的决定，最大限度地降低建筑火灾风险。

1.2.2 自身素质需进一步提高

当前消防官兵综合素质过硬，资历较深的指战员有丰富的救援经验，但是，多数刚入伍的新兵或者资历丰富的班长，缺乏专业的消防知识。因此，在建筑火灾救援过程中，他们很难自主进行风险评估，同样也不能很好地规避风险。目前，全国消防部队都在大力开展实战化训练，以建筑火灾的实战化训练为例，不仅使消防官兵提升了身体素质，更是通过授课、讲解、示范等方式，提升了“头脑素质”。通过救援过程风险评估增强救援人员风险预判能力，用科学和专业技能开展灭火救援战斗。

2 建筑倒塌救援过程风险评估

2.1 按照救援过程进行风险初步评估

在建筑火灾救援过程中，对于火场的初步估计是关键。而风险评估必须在危害发生前完成，主要包括建筑本身、外部因素两方面风险评估[9]。

2.1.1 建筑本身风险评估

一是建筑存在的时间。从我国改革开放至今，房屋的结构发生了翻天覆地的变化，从土房到砖瓦，再到现如今的钢筋混凝土以及钢架结构的摩天大楼，建筑的形式多样，质量标准也随之提升。但是随着建成时间的推移，年限较长的建筑，基础和支撑结构会慢慢损坏，如遇火灾很容易发生倒塌。因此房屋的建设时间是风险评估过程中必须考虑的因素。

二是建筑本身质量。现如今常出现建筑本身设计、结构存在较大问题的现象，再加上监理人员责任意识不强，工作监理不到位，建筑质量难以保证，给灭火救援过程造成了非常大的隐患，所以，建筑本身质量是否合格，是风险评估的重要环节。

2.1.2 外部因素评估

一是火灾类型及规模。在建筑火灾风险分析中考虑火灾的类型及规模是风险评估过程中至关重要的因素。燃烧的物质类型、建筑耐火极限及爆炸可能性大小，都是需要指战员去考虑的因素。

二是灭火救援过程是否规范。在灭火救援过程中，由于经验不足，还存在着救援过程不规范的情况，例如盲目破拆、过度射水等都会对建筑结构造成冲击，所以，消防部队在灭火救援特别是内攻过程中，必须要依据救援过程的规范与否去进行风险评估。

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2.2 建筑倒塌的预判

2.2.1 经验判断

火场瞬息万变，可供救援人员进行完备风险评估的时间有限，因此根据个人经验对火场情况进行判断，是非常重要的。随着建筑物受到火灾高温的炙烤，各类建筑构件过火时间延长，会发生不同程度的损毁，内攻人员若发现内部墙体、梁、柱出现裂缝，横梁出现位移，或者外部安全员发现建筑整体出现倾斜、混凝土墙爆裂时，必须及时进行汇报，情况紧急时，必须立即撤离。灭火救援过程中建筑物变化的每一个细节，都是救援人员评估判断确保安全的依据，避免出现盲目内攻的情况。

2.2.2 不同建筑结构及耐火时间

按照建筑结构类型的不同，可以分为砖木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构和钢结构四大类型[10]。(1)砖木结构。砖木结构的承重主要依靠木结构，建造简单，现多用于农村房屋建造。其耐火时间主要与木材燃烧速度以及荷载断面有关。当砖木结构处于火灾下，木材中的水分迅速蒸发，发生剧烈燃烧，伴随着炭化、分解现象，木材的荷载断面不断缩小，尤其是房屋大梁，一旦缩小到临界值，就会导致房屋倒塌，给救援人员造成危险。通常砖木结构的建筑耐火极限较短，多处于1 h左右，如果再加上天气干燥等外部因素，耐火极限还会大大缩短，如2000年河南焦作的音响俱乐部火灾，不到半小时木质结构就发生倒塌[11]。因此，砖木结构建筑在设计过程中，一定要加强防火间距和防火分区设置，并且在木材表面涂刷防火涂料，最大可能的保证安全。(2)砖混结构。砖混结构由砖墙或砖柱和屋顶承重构件组成，整体结构耐火时间较长，能达到3 h左右，但建筑在高温下易出现裂缝，其中楼板坍塌(对于建筑结构破坏，采用倒塌；对于楼板的破坏，此处采用坍塌作为修饰词)问题是砖混结构建筑内攻最需要注意之处。据统计，耐火等级为一级的建筑，楼板耐火极限也仅仅达到1.5 h，而钢筋混凝土楼板，半小时高温烘烤下，其承载能力就会由于预加应力下降，从而导致坍塌。由2014年上海环震包装制品有限公司火灾楼板坍塌造成两名消防员牺牲的案例可知，砖混结构建筑火灾中竖向框架较横向楼板耐火性能好，整体框架很少出现倒塌的状况，因此救援人员内攻时要依靠承重构件，以防楼板坍塌发生危险[1]。(3)钢筋混泥土结构。如今高层建筑及大型公共建筑多采用钢筋混凝土结构，此结构主要依靠钢筋与混凝土的粘合力组成。钢筋混凝土结构的耐火极限一般由钢筋混凝土构件的截面尺寸大小和保护层厚度来决定的，耐火极限较长，但受到高温时，钢筋与混凝土的粘合力会随温度的升高而降低，250 ℃时粘合力就会下降超过60%，而在450 ℃时粘合力几乎完全消失。一般来说，钢筋混凝土在300～400 ℃整体强度下降，受火面混凝土裂缝加宽，最终导致钢筋混凝土失去承载能力而被破坏，甚至出现爆裂的现象，造成严重的后果。哈尔滨“1·2”火灾就是由于高温致使钢筋与混凝土的粘合力消失，承重构件出现裂缝，从而导致事故的发生[12]。(4)钢结构。钢结构主要承重构件全部采用钢材制作，由于其自重轻、强度高，因此高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度建筑多采用此种结构。材料火灾荷载下的稳定性与导热系数Ks有关，Ks=52.57-1.541×10-2T-2.155×10-5T2。由于相比较其他材料，钢材的比热容系数较大，达到混凝土的50倍，500 ℃就会使钢结构强度降低，塑性增大，从而失去稳定性，造成整体倒塌。如纽约的世贸中心大楼受到飞机撞击依然保持稳定，但在烈火的烘烤下分别在62 min和103 min就发生了整体垮塌[13]。该案例说明，钢结构的耐火极限需要重新认识，在对钢结构建筑的救援过程中，要对燃烧时间、过火面积、建筑受损情况等进行严格的风险评估，慎重内攻，谨防事故发生。

2.2.3 建筑物负载

建筑物的负载在设计之初就是一个既定的值，若超过建筑物本身所能承担的负载极限，整个建筑物就容易发生倒塌事故。以住宅为例，设计中一般采用恒载(楼板自重需要另外计算)1.5 kN·m-2，活载2 kN·m-2。钢筋混凝土构件除承受弯矩、轴力、剪力外，还可能承受扭矩的作用，对建筑物负载能力进行计算时必须考虑这些因素。

在灭火救援过程中，由于消防员不断的射水，在对建筑物冷却灭火的同时，也在不断增加负载，并且建筑物中可能存在着极易吸水的物质，导致液体不能及时排出，再加上进入建筑内部人员较多，携带器材重，很容易造成超过建筑物负载极限而引发倒塌事故。尤其需要注意的是砖混结构的横向楼板以及钢筋混凝土结构中的底层框架结构，这两种构件最易发生倒塌。因此在灭火救援中，指战员要合理控制射水量，减少水渍负载，同时控制进入内部人员数量，内攻人员宜精不宜多，要多措并举，严防类似于广东珠海“6·16”特大火灾倒塌事故的发生[14]。

建筑火灾现场的风险评估，需要指挥员及每名救援人员在较短时间内完成，提升指挥能力和开展科学训练，对于规避风险，提高评估能力，具有较为重要的意义。

2.3.1 提升指挥能力

指挥员是灭火救援现场的灵魂，指挥员的好坏，很大程度上决定了救援是否成功。目前消防部队部分指挥员存在现场指挥能力不足的问题，例如缺乏必要专业知识、心理素质不过关、预判能力不足等。想要成为一名合格的现场指挥员，必须要有过硬的政治素质、心理素质、身体素质，以及统筹能力和良好的官兵关系。

建筑火灾救援，虽然面临着风险，但指挥员不能慌乱，要做到弄清火场情况，例如火灾规模、起火位置、建筑结构等，同时做好责任分工，严密掌握每名战斗人员的位置和动态。这就要求指挥员在日常训练学习中，努力掌握专业知识和能力，与战友建立良好的协作关系，如此一来，才能在现场指挥中，做到有条不紊、运筹帷幄。

2.3.2 科学组训

消防部队日常训练不能仅局限于身体素质的提高，必须要做到以下几点：(1)加强重点单位以及辖区的“六熟悉”，在实战化演练中积累经验。对辖区重点单位的重要方面，例如建筑结构、平面布局、消防设施等，需要每一名官兵都进行熟悉。在熟悉过程中，指挥员要联系单位技术人员进行讲解，并组织进行实战化训练，让战士们熟练掌握建筑火灾扑救方法，提高对风险的认知及评估能力。(2)加强预案制作，做好明确分工。目前建筑火灾救援现场情况较为杂乱，详细、精准的预案制作是提前要完成的工作。日常的训练过程中，要严格按照预案进行展开，模拟火场进行分工，内攻方案、安全员设置等不能等到现场再去分配，必须提前分工、熟悉、掌握。(3)加强理论知识学习。灭火救援官兵在进入消防部队前，掌握的专业消防知识与火灾救援现场评估所需相差较大，而知识是风险评估的基础。每名人员都应该加强理论知识的学习，掌握建筑类型、火灾荷载、救生方法等消防安全知识，努力提高安全风险评估能力，从而极大地降低建筑火灾救援过程中的风险[15]。

3 结语

综上，在建筑火灾中完全避免事故发生或保证消防救援人员的绝对安全难度很大，能够做的是提前规避各种可能造成建筑倒塌的风险，并从建筑火灾中吸取经验教训，加强理论知识学习，掌握各类建筑火灾的扑救方法及消防器材的性能及操作方法，提高对建筑火灾现场的风险评估和现场把控能力，最大限度保障群众的生命财产和消防救援人员的安全。

参考文献：

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[6] 王金平.建筑火灾荷载[M].北京:化学工业出版社,2016.

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[13] 杨娜.建筑火灾倒塌事故成因及对策研究[J].科技创新与应用,2015(21):252.

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[15] 孙金华,孙占辉,陆守香,等.火灾引起的建筑物倒塌概率估算[J].中国工程科学,2003,5(11):51-55.