大跨度建筑火灾坍塌规律及预防对策

孟 庆 林

(山东省菏泽市消防救援支队，山东 菏泽 274000)

0 引言

随着社会经济快速发展，大跨度大空间建筑在企业厂房、仓储、商场为主的生产、生活中应用越来越多。建筑内生产设备密集，物品高度集中，原料和成品大多属可燃物，甚至是易燃易爆品、有毒化学品。一旦发生火灾，短时间内极易大面积的坍塌。文章主要对大跨度建筑结构温升与失效概率进行计算，阐明火灾中温度变化、着火点位置、通风状态对大跨度建筑物的影响，在此基础上，提出预防措施。

1 大跨度建筑火灾的坍塌规律

1.1 大跨度建筑火灾特点

1)建筑火灾可以分成四个阶段，即初起期、成长期、旺盛期和衰减期，如图1所示。在火灾的成长期内，释热效率(kW)与时间(t)呈现二次方的正比规律，即Q=at2。当火灾达到旺盛期时，释热效率受到空气氧气、换气速度、可燃物供给等因素限制，时间因素的制约力较小，可维持到可燃物烧尽，即Q=constant。当可燃物烧尽后，呈现快速衰减状态，直至火种熄灭，如图2所示。

2)火灾的成长主要受到建筑物材料、内部空间结构、烟气排放效率影响，系数a值越大，火灾成长期越短。旺盛期的火灾火势越大、持续时间越长，建筑物坍塌的可能性越大，同时也与建筑物结构(窗口高度和面积)、空气流通程度、建筑物的火灾荷载等因素有关。在成长期，火灾的核心区域火焰温度可达到300 ℃～800 ℃；旺盛期的核心火焰最高温度能够达到3 000 ℃。

1.2 大跨度建筑物体特点

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以上的钢结构建筑物。通常，大跨度的结构形式主要有壳体、网架、悬索、充气和敞篷张力结构，不同结构的大跨度建筑的面积、结构、性能和用途各不相同。钢结构(建筑用钢Q23钢材、Q345钢材等)的建筑体受不同温度的强度下降明显，当250 ℃左右时，钢材出现“蓝脆”现象，抗拉强度增强，韧性变差，至350 ℃的钢体强度下降1/3,500 ℃强度加强1/2，600 ℃下降2/3。

2)钢材受热后的物理影响明显，受热膨胀后发生扭曲、变形等塑性形变，难以复原。具体数值如表1所示。

表1 建筑用钢温度与强度变化表

3)钢结构的建筑物内部的晶体组织对温度变化敏感，通常在450 ℃～650 ℃时失去承载能力。具体数值如表2所示。

表2 标准工字钢梁耐火测试结果

4)采用防火材料能有效提升钢结构强度。钢混结构的建筑主体在发生火灾时，主要受到含水量影响。当温度达到150 ℃时，混凝土失去自由水分，强度增加；当温度达到300 ℃以上时，混凝土材料的强度开始下降。具体数据如表3所示。

表3 建筑用钢筋混凝土温度与强度变化表

1.3 大跨度建筑火灾的坍塌规律

1)大跨度建筑物内部空间大、物理分割少、空气流通好、可燃物多，为火灾的火种蔓延提供了足够氧气。大跨度建筑本身的空气对流强，热辐射效应明显，因此，出现火灾时通常面积较大，无法将火种控制在一定区域内。从火灾能量释放的角度看，在火灾的初步阶段，单位时间内的热能释放量较小，以常规的扑救手段能够转移火灾热能，控制火情。在火种的发展期和蔓延期，单位内能量释放高，常规扑救手段无法做到热能转移，火势较大、热能积累较高，导致钢结构建筑物体失去承重强度，继而出现建筑物坍塌情况。

2)以壳体结构的大跨度建筑为例：高温使钢材的屈服强度和弹性模量等参数发生明显变化，由于网壳的横截面系数均大于300，结构点、杠杆较多，火灾升温至250 ℃，火源附近的腹杆轴力由压力变为拉力，杠件基点首先被破坏，其次火源附近的温度450 ℃以上时，杠件依次推出工作，当温度继续升高，使建筑结构转变为机构，进而发生坍塌。

3)不同位置发生火灾的结果不同。第一，衡阳“11·3”世贸大厦坍塌类型：火灾发生在建筑物底层，支撑建筑物的主梁和支柱受到火的作用而失去支撑能力，容易出现坍塌情况。第二，美国“9·11”世贸大厦坍塌类型：火灾发生在建筑物二层以上，建筑物的支撑柱和主梁受损严重，失去支撑力，发生侧向坍塌，坍塌事物存在连续性。第三，哈尔滨亚麻制造厂火灾事件类型：仓房、厂房等工厂生产建筑中，火灾出现在易燃易爆物以内，则建筑物主梁、支柱和屋面受损严重，导致建筑物体整体坍塌。

2 大跨度建筑火灾的建筑物坍塌预防对策

大跨度建筑物着火点位置不易确定，且建筑跨度大、纵深长，为预防坍塌情况发生，需要从多个角度创新方法，预防火灾时建筑物坍塌。

2.1 从力学结构和耐热极限角度进行坍塌预防

1)轰燃是现代火灾的主要特点，轰燃形成的高热中心区，在相对封闭的大跨度建筑体中，形成大量热能，形成可燃气体。轰燃类型火灾的发生速度较快，火灾载荷空前提升，热浪急速膨胀，如果不能有效遏制，很可能形成二次轰燃或多次轰燃，中心高热区温度能够达到1 000 ℃以上。因此，需要引进耐火、隔热的喷漆等保护火灾中钢体强度的技术，也要优化大跨度建筑的内部设计。

2)许多企业为降低施工成本，选择钢结构的建筑主体，是火灾建筑坍塌的极大隐患。钢结构主体可采用混凝土浇灌技术，形成钢结构主体的混凝土保护层，从而提升钢结构主体的防火性能。首先，对钢结构主体进行球笼网焊接，形成结构网架，其次进行混凝土浇灌，形成一体的混凝土支撑柱，最后更换原有的支撑钢架，继而提高钢结构主体的防火性能。

2.2 从性能化防火设计角度进行坍塌预防

1)建筑物的使用性质和造型，能够对室内火灾荷载的变化进行控制。例如，密闭环境下的室内氧气含量、物理隔火层的使用、错位通风结构使用等建筑设计，能够对空气流通、火势蔓延进行有效控制，降低火灾安全隐患。运用火灾动力学、热工理论、材料力学进行研究，论证了大型火灾建筑部位受损情况对建筑主体的影响，因此，在结构设计上应针对不同楼层、不同用途选择不同材料、不同设计的建筑风格，强化大跨度建筑物的使用性能和防火性能。

2)球状大跨度结构建筑能够有效应对火灾坍塌，因此，建筑结构时可以采用壳状设计。针对易燃品堆放车间或仓库，应选择混凝土结构搭建，保持空间密闭，有效隔温、隔热。其次，在易燃品堆积仓库周围进行防火分隔，设计防火间隔空间，实行可燃物集中管理和堆放的管理政策，防止火灾发生时可燃物助燃火势。

2.3 从建筑防火监管角度进行坍塌预防

1)大跨度建筑结构复杂、功能较多、形态丰富，火灾危险性大、扑救难度高，因此，需要从行业监管角度进行火灾预防，从根源上抑制火灾事件的发生。许多企业在搭建大跨度生产车间等建筑时，不能准确产生防火意识，或不具备火灾风险管理的能力，所以，火灾管控需要外界力量辅助和干预。

2)构建建筑模型管理系统，要求企业上传3D的建筑模型，专家团队通过线上判断风险点的形式，对建筑内部的生产安全进行管理。线上管理主要负责企业风险点的管控，要求企业合理利用厂房内部空间；线下管理主要负责考察企业3D模型与企业内部结构是否一致，企业传输的各项数据信息是否准确，企业整改所用的材料使用是否达标等。建筑模型既可以用于风险判断和企业生产管理，又能在发生火灾事件时，直观了解建筑内部结构，实现高效监管。

3 结语

大跨度建筑内部空间、物理风格、烟气流动效率是火灾中火势成长的主要制约因素，对建筑性能化设计，是从根源上解决火灾导致建筑物坍塌的问题的有效手段。同时，钢结构的建筑物受温度影响的强度变化较大，在钢结构体上进行防火、隔热涂层处理，能够有效提升钢材本身的强度。如发生火灾事故，需整合社会消防力量和装备，对着火点、易燃点、易塌落点进行控制，对火灾区域进行分割，但仍需注意水枪不可直接对准结构主体，防止钢材“冷脆”，加速坍塌。