民用建筑火灾发生初期扑救与疏散“5min黄金时间”理论探讨

高新华 严文芳

摘要：民用建筑火灾初、中期阶段，火势的发展通常随时间逐步增大，火灾的危害性随之增强，人员疏散的难度和火灾扑救的难度逐步增加。较多研究和文献表明，在火灾初起的5min内，是火灾扑救和人员疏散的“黄金期”，试验数据的正面论证和大量规范要求的侧面说明都指向这个5min关键期。对此时间窗口的有效运用和准确把握，对初期火灾特征的深入研究、火灾预防与扑救措施的调整及人员疏散关键点的把握都具有典型意义。

关键词：火灾;发生初期;5min;黄金时间

一般民用住宅和公共建筑内的火灾初起阶段，基本都具备起火点开始向周围蔓延但燃烧面积不大，烟气量及流动速度缓慢，辐射热低，对人员和周围物体、结构的伤害不大这样一些特点。针对这样的特点，把火灾控制和扑灭在初起阶段是成本最低而成效最大的选择，在此阶段，不同策略的选择和多个预案的合理展开，能够把火灾危害降低到最小程度。采取合理预防和减轻灾害损失措施民用场所区域发生火灾，时间成为了最为宝贵的和关键的因素。在大部分民用建筑中，固体燃烧较为典型而常见。在此类火灾中，火灾从初起到初期的5分钟可以称之为“黄金5分钟”，几乎决定了该次火灾后续的绝大部分延展可能、扑救难度和灾害损失。在此阶段，外界救援几乎没有可能赶到，有研究表明，某城市35.9%的火灾中，消防中队到场时间超过20min，2015年出警平均到场时间为23.6min;城区出警平均到场时间为11.5min。即使消防队伍到达火场后34.1%的火灾中，消防中队到场后的战斗展开时间超过5min。

对于“黄金5分钟”，以火灾发生初期为基本假设，本文从预防、疏散和灭火三个大的方面加以论述证明。除此以外，一种特殊情况需要预先说明，火灾的定义首先界定为：如果不加以外界干预，将能够完成初期、发展期、中期和衰退期四个阶段的完整过程。

一、火灾发展蔓延控制

燃烧速率可以看成燃烧发展程度与时间的函数，t2火灾模型中，热释放速率与燃烧时间的关系如式Q=at2，其中，a=Q0/tg2，tg指达到热释放速率Q0的时间。在燃料控制型或通风控制型火灾中，火灾燃烧速率通常假定为一个常数，根据火灾发展系数a，火灾发展阶段可分为极快、快速、中速和慢速四种。在300s内，以无棉织品聚酯床垫为代表的可燃固体材料类火灾由初期阶段转为危害最大和疏散难度大大增加，扑救难度也大大增加的火灾发展阶段。可以看出，在300s内火势处于逐步增大阶段，在这个阶段如果有主动或被动的灭火措施介入，尤其利于火灾的控制与扑灭。

以较常见的具有空调设备的售货商场内火灾初期烟气扩散的模化研究也得出近似的结论。在防排烟设施配备齐全且能正常工作的条件下，在商场大厅内进行充烟试验，并对各类参数进行测量，通过试验可以确定，烟气对疏散救援通道的负面影响，约是在4min以后开始的，大约在10min以后，大厅的整个高度空间完全充满烟气。

二、火灾发生后的人员疏散

尽量避免和减少人员伤害是消防安全的首要原则，我国现行的相关规范均对建筑物内的人员密度和疏散距离作了强制性要求，其目的就是让建筑物内处于火灾威胁下的人能够在尽可能短的时间内到达安全区域。疏散时间的长短取决于多个因素，但选取较为典型的场景后，可以得到以下的推论。

（一）人数对疏散时间的影响。人数在一定程度上决定着多室建筑的疏散时间。当需要疏散的人数与疏散路线的通行能力相比较少时，疏散人流一般不会超过疏散路线的通行能力，此时，疏散时间主要由最后几个离开房间人员的预动作时间、步行速度和到达建筑最终出口的距离决定。对于人员密集的多层建筑，当多层或整个建筑同时疏散，疏散运动时间要由前几个离开房间进入楼梯间人员的预动作对间和进入并通过楼梯间的通行时间决定。

观测资料和实验都显示人群的疏散速度是人员密度的函数，水平疏散和垂直疏散会有所不同。对于人员密度小于0.54人/m2的疏散通道，人们各自按照自己的速度疏散，不会受到其他人速度的影响;人员密度超过3.8人/m2时，疏散将无法进行。典型的未受阻碍的行进速度大约为1.2m/s，以这样的疏散速度为参考，考虑到火灾发生初期的混乱情况和不同人群的特点，实际行进速度可取1.0m/s，在300s内，水平方向上可以移动300m的距离，足以到达最近的安全出口。在采用计算机模拟方法对某个实例的疏散时间计算示例中，一个简单的有4个可用疏散出口的四方零售店（边长为42.4m，直线行走距离为30m），设计人员数量为900人，在试验情况下，第一组人几乎是在警铃响起的一刹那开始行动，因此第一组人的预动作时间只有几秒钟。每个人的行进距离由计算机计算得出，行进速度分布的平均数为1.2m/s（标准差为0.2m/s，最小速度为0.3m/s），在此典型示例场景中，5min内，建筑内所有人员已经可以完全疏散完毕。

（二）在5min环境时间段内，人员疏散途径的选择更多样化。研究表明，在火灾初期5min内进行有效的人员疏散，可以选择的疏散途径更加多样化，疏散效果提升明显。例如，一般认为电梯在火灾情况下不能使用，但在1994年，美国学者Klote等在研究美国联邦航空局（FAA）的航空交通控制塔工程中，首次将电梯疏散作为一个系统来考虑，提出了电梯紧急疏散系统的概念，从理论上初步确定了电梯在高层建筑中用于人员疏散的可行性，多国也展开了电梯疏散可能性的研究。目前我国电梯使用量和增长量都非常巨大，电梯又是高层建筑中最常用的交通工具，火灾情况下如合理使用电梯进行疏散，可充分利用现有资源，在最短的时间内疏散尽可能多的人员。在此基础上，按照高层建筑楼梯、电梯混合疏散策略。以学生公寓楼为例，计算了不同疏散策略下的所需安全疏散时间，结果表明该混合疏散策略最优，比仅用楼梯疏散时间缩短了28.1s，且得出该条件下单梯5min输送能力为4.94%，为以后紧急疏散情况下电梯交通流量分析提供了参考。该项研究主要考虑了在火灾初期5min内混合疏散策略对疏散效果的明显提升，对时间的选取显然考虑了火灾发生后如果火势已经充分发展，电梯绝对不再作为疏散途径選择的情况。

三、初期火災的扑救

在火灾发生后，疏散与扑救几乎是同时开始的，合理完善的火灾应急预案对此应该有相应的描述和要求，并且已经经过了模拟应急训练的初步检验。在最短的时间内控制住火势，是能否依靠建筑主动力量灭火的关键，这个关键的时间点，也通常在5min这个关键事件点附近。

以民用建筑中最常用和有效的两种灭火手段为例。

（一）自动灭火系统。在火灾初期采用自动喷水灭火系统可以将火扑灭。据相关统计，几乎80%的火灾都能够被有效的自动灭火系统扑灭在初期阶段，而这个初期阶段与5min的黄金时间高度重合，在我国现行消防规范中也有多处体现。例如在《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-2014关于消火栓有如下规定：“7.1.6干式消火栓系统的充水时间不应大于5min。”在《自动喷水灭火系统施工及验收规范》GB50261-2017中，关于湿式自动喷水灭火系统水泵启动时间有如下规定：“8.0.6-3……湿式自动喷水灭火系统的最不利点做末端放水试验时，自放水开始至水泵启动时间不应超过5min。”在《自动喷水灭火系统设计规范》GB50084-2017国家规范中明确规定：“采用临时高压给水系统的自动喷水灭火系统，当规范规定可不设置高位消防水箱时，系统应设气压供水设备。气压供水设备的有效容积，应按系统最不利处4只喷头在最低工作压力下的5min用水量确定。”

（二）灭火器的使用。关于灭火器在火灾发生后的使用时间，主要取决于灭火器的布置位置和人的行动速度，在计算单元内配置的灭火器能完全保护到该计算单元内的任一可能着火点，不能出现空白区。即任一可能着火点（包括最不利点）都应在至少1个灭火器设置点的保护圆（以灭火器设置点为圆心，以灭火器的最大保护距离为半径）的范围内。对于常见民用建筑区域（ABC类火灾，中危险级），灭火器的最大保护距离为手提式20m（BC类12米），这款条文从另一个角度可以理解为，无论你身处建筑的任意位置，都应该可以在不超过这个距离范围内取用到按照规范要求在建筑中配备的灭火器。很显然，对于一个拥有正常反应能力和行动能力的人，依靠自身感觉（视觉、嗅觉、听觉等）感觉到起火并发现起火点一般不会距离自身太远，通常是在自身附近，在5min内从这样的距离范围内取到一具灭火器并到达起火点进行扑救，是较为正常与合理的。

四、结语

结合实践，我国相关规范在制定中已经高度体现了对火灾重预防、早发现、早疏散、早扑救的原则，其目的就是紧紧扣住火灾初期的关键时间点进行各类措施、手段的运用。在美国、英国等发达国家，对该时间段的运用体现更加明显，例如从美国消防相关标准中就可以明显看出，美国标准要求的设计流量比中国标准和英国标准都明显高出一个数量级，其意图之一也就是在火灾初期阶段就集中优势手段把火灾控制住。参阅相关消防标准和文献可以得出，以燃烧机理和火灾发展蔓延速度为理论基础，人员疏散、初期火灾扑救两大火灾扑救工作核心都表明，在火灾初期5min时间可谓火灾扑救“黄金时间”，从消防设计、方案规划和资源投入等角度衡量，将优势资源朝这个时间段集中，势必会得到事半功倍的效果。这是消防系统工程的发展方向，也是目前业界发达国家的具体实施取向。

参考文献：

汤红岩，朱翔，曾秋生.基于不同规范体系下境外民用建筑消防工程要点对比分析[J].给水排水，2018，44（12）.

GB/T31540.2—2015.消防安全工程指南[S].

GB/T31593.9-2015.消防安全工程指南[S].

马宝珠，邹方勇.国外关于火灾初期烟气在空间内扩散的研究[J].消防科学与技术，2006，（1）：43-46.

贝纳姆，珀斯.一个面向对象的建筑疏散模型[C].国际消防安全科学协会第七届国际专题讨论会论文集，2002，94.

赵小惠，王恒.高层建筑火灾初期人员疏散策略研究[J].徐州工程学院学报（自然科学版），2016，（4）：27-32.

刘军伟.固定消防设施在灭火救援中的应用现状[J].消防界（电子版），2017（1）：33-33.

GB50140-2005.建筑灭火器配置设计规范[S].

张希瑜，张根选，武可奇.“灭早灭小灭初期”火灾的实践与思考[J].消防科学与技术，2017（5）

课题项目编号：DLNLKY201906