高层建筑火灾结构灭火救援应用分析

王有恒

（山西省大同市消防救援支队，山西大同 037009）

0.引言

随着当今社会经济的发展与城市化进程的加快，越来越多的高层建筑开始投入应用。在高层建筑的使用过程中，一旦发生火灾，便会面临体能消耗大、供水困难、通风排烟困难、火灾救援困难和人员疏散困难等的诸多问题。基于此，消防部门与相关单位一定要加强高层建筑火灾结构及其灭火救援措施的研究，通过火灾自动报警系统的科学建立、消防车辆装备的合理设置、人员疏散与排烟的有序安排、建筑内部供水系统的良好利用、建筑内部整体环境的全面熟悉以及灭火救援专项技能的有效提升来确保高层建筑的灭火救援效果。

1.高层建筑火灾结构机理分析

1.1 建筑构件内部的热传导机理

当高层建筑发生火灾时，其内部将会伴随着大量的热量产生，这些热量会不断传递和释放到周边。高层建筑中的热量共有3 种传递方式：第一是热传导，第二是热对流，第三是热辐射。由于火灾而形成的高温烟气和构件之间的热量主要以热辐射和对流的方式传递，在接收到热量之后，建筑构件局部便会升温，而热量在构件内部的主要传递方式则是热传导。经分析发现，在高层建筑火灾条件下，导致其构件升温的主要原因是热辐射和热对流，火灾所形成的高温烟气可以和建筑构件表面之间产生热交换，而建筑构件内部的温度场边界条件则可通过热辐射和对流的热量来确定[1]。根据傅里叶导热定律以及热平衡原理，可按照以下的微分方程对建筑构件截面导热进行计算：

其中，ρ代表建筑构件密度，其单位是kg/m3；c代表比热容，其单位是J/(kg·K)；T代表热力学温度，其单位是K；t代表时间，其单位是s；k代表导热系数，其单位是W/(m·℃)；x和y代表坐标，其单位是m。

1.2 热空气和建筑构件之间的传热机理

在高层建筑火灾发生时，其空间内部的火灾区域和构件之间的热量传递方式主要包括热对流以及热辐射两种。其中，热对流主要是通过对流的方式将热量从空气传递给构件，其公式为：

其中，qc代表传递的热量，其单位是J；hc代表对流换热系数，在通常情况下的取值为25W/（m2·K）；Tg代表空气温度，其单位是K；Tb代表构件表面温度，其单位是K。

热辐射传递给构件的热量可以用以下公式表示：

其中，γ代表辐射火修正系数；ε代表钢结构折合辐射率；δ代表斯蒂芬-波尔兹曼常数，其取值是5.67×10-8W/（m2·K4）。

1.3 钢结构构件在高温条件下的失效机理

经大量的研究与测试发现，当高层建筑火灾时的温度上升到350℃时，钢材强度便会明显降低，当温度达到500℃的情况下，钢材强度将会降低到原来的50%左右，如果温度达到600℃，钢材强度将降低到原来的30%左右。除此之外，随着温度的升高，钢材屈服点也会明显降低，经研究发现，当温度达到500℃的情况下，钢材屈服点会降低到原来的50%。另外，在火灾所引发的高温条件下，高层建筑钢材的弹性模量也会明显降低，从而使其塑性显著增大，其伸长率以及截面收缩率都会出现显著增加趋势。

1.4 混凝土结构构件在高温条件下的失效机理

经研究发现，在温度为100℃的情况下，高层建筑混凝土构件中的水分便会蒸发，构件内部也会伴随着细微的裂缝和孔隙产生，同时会伴随着应力集中和构件抗压强度降低等现象出现。如果温度上升到了200℃～300℃，混凝土构件中的水分将几乎完全蒸发，加之水泥和骨料具有不同的膨胀系数，混凝土构件强度将进一步降低。在温度达到500℃的情况下，混凝土构件中的水泥和骨料变异将会显著增大，裂缝也会继续扩展，从而显著降低混凝土构件强度。在温度达到600℃后，混凝土构件强度将会呈现出急剧下降趋势[2]。表1 为高温条件下的高层建筑混凝土构件强度折减系数。

表1 高温条件下的高层建筑混凝土构件强度折减系数

2.高层建筑火灾救援中的主要难点分析

2.1 供水困难

在高层建筑的灭火救援工作中，供水困难是消防员面临的一个主要问题。首先是高层建筑中的固定消防设施并不完善，加之材料、技术和日常维护等各方面的影响，使得高层建筑消防供水系统故障甚至难以启用的情况都十分常见。其次是移动供水管路难以建立，目前的很多高层建筑中公共开窗和走道都比较少，加之底部有裙房等设置，导致其外部的水带铺设面不足，水带只能够在建筑内部的楼梯或楼梯缝隙中蜿蜒铺设，不仅会影响到灭火救援速度，也会增加人力消耗。最后是移动供水能力不足，消防车泵供水高度有限，从而加大了高层建筑灭火救援中的供水难度。

2.2 通风排烟困难

当高层建筑发生火灾时，其通风排烟难度也会更大。之所以会出现这样的情况，第一是由于高层建筑中的自然排烟口以及窗户数量少，烟雾很容易在其中积聚不散。第二是由于高层建筑中的通道比较狭窄，且具有较多的弯折路线，烟气和热量的排散渠道明显不足。第三是高层建筑本身存在显著的烟囱效应。第四是在高空特殊环境下，人工排烟难度更大[3]。

2.3 火灾扑救困难

相比较普通建筑而言，高层建筑一旦发生火灾，其扑救难度也更大。首先是高层建筑的火势发展非常快，一旦形成立体燃烧，火势便很难控制。其次是过火范围非常广，比如，在上海的某高层教师公寓火灾中，其过火房间总数超过100 个，但是消防救援只能够逐一进行，由此可见其难度之大。再次是高层建筑的火灾燃烧更加猛烈，尤其是在立体火灾情况下，供水、排烟和防火系统等都会面临失效，现场风险和扑救难度显著增加。最后是外部举高车停靠地不足，举高车停靠出水难度很大，消防员通常只能通过逐层登高的方式进行灭火救援，图1 为某高层建筑火灾现场实拍图。

图1 某高层建筑火灾现场实拍图

2.4 人员疏散困难

因为高层建筑中的人群高度集中，加之楼梯数量有限，人群从高层建筑疏散到地面上需要很长时间，一旦发生人群恐慌，便很可能引发踩踏事件。同时，由于火灾高温和烟气等的影响，使得高层建筑中的能见度非常低，在这样的情况下，便会导致被困人员的心理极度恐慌，甚至会出现跳楼等情况[4]。另外，在消防救援中，人员疏散也很容易与灭火行动之间产生对冲，从而使两者同时受到不良影响。

3.高层建筑灭火救援措施分析

3.1 火灾自动报警系统的科学建立

就目前的高层建筑工程来看，其中的大部分都进行了火灾自动报警系统的设置，以便在火灾发生的第一时间将相应的火警信息提供给消防救援队伍，使其能够及时到达着火点，从而实现高层建筑灭火救援效率的良好保障。但是就实际应用情况来看，很多高层建筑中的火灾自动报警系统都存在一些问题，尤其是在一些年代比较久远的高层建筑中，其火灾自动报警系统更是由于维修管理不当、设备老化等问题而不能够及时将报警信息发出。基于此，相关部门应加强高层建筑的火灾自动报警系统建立，并严格做好各项系统设备设施的检查与维修，使其保持可靠运行。通过这样的方式才可以及时将高层建筑的火灾报警发出，以便消防队伍及时展开灭火救援工作，最大限度降低火灾所导致的不必要损失。

3.2 人员疏散与排烟的有序安排

对于高层建筑的灭火救援工作而言，最主要的目的在于救人。因此，在消防员到达了火灾现场之后，需立即根据实际的火灾情况来进行救援方案的科学制订，并快速将被困人员疏散。在通常情况下，可通过内外强攻法来进行火灾救援，在此过程中，消防员可通过水枪掩护来深入火灾现场，在通道尽头、卫生间和阳台等位置对被困人员展开搜救，并根据指示来疏散火灾现场的被困人员。在此过程中，消防队伍也需要在高层建筑的外部做好举高车、消防云梯和绳索等的设置，在必要的情况下可将相应的建筑拆除，以此来为消防救援工作提供足够的通道。为防止被困人员窒息和中毒等情况的发生，在救援中也应该做好排烟工作，通过机械排烟的方式将火灾现场的浓烟及时排除，不仅可以有效保障被困人员的安全，也可以有效降低其恐慌心理，使其能够积极配合消防员的指挥，达到良好的安全疏散效果[5]。

3.3 建筑内部供水系统的良好利用

在对高层建筑进行灭火救援的过程中，通常需要应用到大量的水资源。因此，消防供水的良好保障是确保高层建筑灭火救援效果的关键。就我国目前的高层建筑而言，其中都进行了消防水箱、自动喷淋系统以及消火栓系统等的设置，在火灾初期，建筑单位需立即组织专职消防人员通过这些设施来及时进行火灾救援。当消防队伍赶到后，建筑单位需配合其做好建筑内部供水系统的利用，将喷淋泵、自动消火栓泵等启动，合理做好水枪阵地设置，并及时通过加压补水的方式来确保消防供水充足。通过这样的方式才可以让高层建筑中的火灾得以及时扑救，最大限度避免火势的进一步蔓延。

3.4 灭火救援专项技能的有效提升

为达到良好的高层建筑灭火救援效果，消防员相应的专项技能提升也至关重要。在此过程中，消防单位应对消防员的高层建筑灭火救援专项技能训练做到足够重视。首先是负重登高方面的体能训练，在此过程中，可通过负重登高标准设定、负重登高测试、比赛等的方式来进行消防员训练，从而有效提升其体能素质，避免高层建筑灭火救援负重登高之后出现体能消耗过大情况，从而有效确保其后续的灭火救援效果。其次是对于辖区内的重点高层建筑做好灭火救援紧急预案，并定期组织消防人员进行学习和演练，使其对辖区内各个高层建筑内部及其周边环境做到全面熟悉，以此来确保实际的灭火救援作战质量。最后是灭火救援技能的训练，在此过程中，消防单位可通过相应的消防演练等方式来不断提升消防员的灭火救援技能，并对消防员的团队合作能力加以良好培养，以此来确保实际消防救援中的工作效果。

4.结语

高层建筑一旦发生火灾，其火势蔓延速度会较普通建筑快很多，灭火救援难度也会更大。基于此，消防单位与相关部门一定要对高层建筑的火灾结构机理做到充分了解，并明确其灭火救援工作中主要面临的困难，然后根据实际情况，结合实际的灭火救援需求对相应的灭火救援措施加以合理应用。通过这样的方式才可以有效确保高层建筑的灭火救援质量，最大限度降低高层建筑火灾所造成的人员伤亡和财产损失。