高层建筑火灾结构安全性评估与灭火救援应用研究

姚恩波

（营口市鲅鱼圈区消防救援大队，辽宁 营口 115000）

1 建筑结构火灾整体失稳机理

火灾时，火焰释放出的热量以辐射、对流、热传导等形式向建筑物内部传输，使建筑物内部的温度持续上升。在温度较高的情况下，建筑物的材料会发生力学性能的劣化。与此同时，当某区域发生火灾时，事故会诱发区域出现热量集中的现象，此种现象会导致建筑内部应力分布不均，进而破坏部分构件。

在建筑坍塌过程中，如果结构部分受热破坏较大，或者整个结构都处于高温环境中，就有可能出现“链式”坍塌，尤其是部分倒塌的构件还会对其他部分造成动态影响，从而导致结构的链式坍塌（连锁事故）。

火灾会使该环境下的构件受到一定的温度影响，从而造成结构的损坏和综合性能的下降。由于受到了外界的随机载荷影响，部分结构会出现局部损伤[1]。出现部分损伤的构件将会对其他部分造成影响，引起连锁反应，使房屋建筑的承受力不断下降，最终导致房屋倒塌，由部分部件损坏导致的建筑损坏被称之为连续性破坏。

随着温度的升高，建筑结构中钢结构的屈服强度、弹性模数逐渐降低。结果表明，在400℃以上，钢骨的强度将呈现显著的下降趋势[2]。根据已知数据与相关案例，火灾发生时，火场温度普遍高于800℃，高温对建筑结构造成的损伤十分明显，严重时建筑会发生局部坍塌现象，如未能及时采取有效措施，还会发生结构整体坍塌的事故，从而对建筑内群体的生命安全造成严重威胁[3]。其中钢筋的应力应变曲线如图1 所示。

图1 钢筋应力-应变曲线

2 高层建筑火灾结构安全性评估

2.1 基于贝叶斯网络的安全性评估模型构建

为了更合理地判定高层建筑火灾结构的安全性，引入贝叶斯网络完成对安全性评估模型的构建。贝叶斯网络结构可以用公式（1）表示.

式中：G代表贝叶斯网络结构；V代表具备独立性特征的网络结构，V中包括变量集合X，一般条件下，在网络结构中X可以以节点形式存在；E代表有向弧集合，可实现对网络中各个节点之间关联性的描述；P代表变量相关的局部条件概率分布。

结合上述论述，先确定贝叶斯网络模型的基础形式，即假设存在2 个事件A和B并且P（A）＞0，则存在公式（2）所示的等式关系。

按照公式（2）计算火灾结构中各个节点变量出现的概率，以对火灾后果进行预测，并根据预测结果实现对其安全性的判定。高层建筑火灾结构中选取的节点记录见表1。

表1 高层建筑火灾结构中选取的节点记录表

结合表1 中的各节点，构建如图2 所示的有向无环图，以实现对各节点变量之间关系的描述。

图2 高层建筑火灾结构中节点变量关系有向无环图

根据上述构建，结合统计分析和专家打分，给每个节点变量对应的概率值赋值，并完成对节点关联程度的描述。

2.2 高层建筑火灾结构安全判定

建筑火灾造成的二次破坏也是导致消防人员伤亡的重要因素。因此，在灭火救援中，对被扑救建筑物的安全性进行准确的预测和判断，并在最短的时间内做出安全的疏散策略，对降低消防人员的伤亡具有非常重要的意义。消防救援决策要求对火灾现场的实际状况做出迅速判断，因此过于繁复的预测和判断方式不适合消防救援指挥。在消防救援中，指挥决策应采取简单的判断方式，根据火灾现场的实际情况快速做出科学的指挥决策[4]。与此同时，由于建筑结构的破坏机理复杂，高温致灾机理不完善，缺乏成熟的预测和判定手段，因此目前对建筑结构在灭火救灾中的安全性判断仍然存在困难。而且建筑物的倒塌一般都是在一瞬间发生的，很难做出准确的预测和判断。

如果建筑构件停留在高温环境中的时间超过了其耐火极限，则应当从火灾现场表现出的情况对其安全性、可靠性做清晰判断。对高层建筑而言，其整体崩塌通常是由多个部分出现塌陷所导致。因此，是否出现部分塌陷、崩塌，可以成为判断建筑物安全性和可靠性的一个重要指标[5]。在进行火灾救援时，如果高层建筑中重要的承重构件所处环境温度较高并且高温持续时间超过了该结构的耐火极限，则该结构会出现严重的变形现象。同时在高温条件下，部分墙体也会出现裂缝。根据现场的实际情况，综合上述分析，需要从是否存在结构坍塌、构件脱落、结构倾斜以及结构异响等多个角度对火场情况进行分析，实现对高层建筑结构安全性和可靠性的综合判定，并根据得出的判定结果，制定合理的战术撤离方案[6]。高层建筑火灾结构安全判定简易流程图如图3所示。

图3 高层建筑火灾结构安全判定简易流程图

2.3 基于评估结果的灭火救援指挥决策

结合上述评估结果，制定灭火救援指挥决策。扑救高层建筑火灾时，一定要坚持“预案支持，分级响应，以固为主，固移结合，内攻为主，攻防并举”的战术思路。判断内攻的适当时机，然后将灭火救援的策略应用到最大程度，使火灾的损失降到最低。因此扑救高层及超高层建筑火灾时，需要根据火情的不同阶段和火情的发展变化做出相应的指挥决策，选择针对性的扑救策略，以在最大程度上提高扑救效率。通过综合判定，如果采取内攻的方式能够确保高层建筑结构的安全，且不会出现轰然等威胁救援人员生命安全的情况，应当果断采取内攻的救援方案，有效地扑灭火灾。如果判断建筑物有安全隐患或者发生爆炸时，必须做出疏散决定，以确保救火人员的生命安全。高层建筑在不同火灾发生阶段灭火救援内攻时机变化图如图4所示。

图4 高层建筑在不同火灾发生阶段灭火救援内攻时机变化图

结合图4 所示，对高层建筑火灾灭火救援中内攻时机的判定应当以下述内容为依据：判定的火灾发生阶段，如果火灾处于增长阶段或衰减阶段，则可采取内攻战术；对火灾中的建筑物进行预判，当判定建筑物受到的破坏较小，且建筑物在短期内不会倒塌时，则可以采用内攻方案。

3 灭火救援应用

3.1 火灾概况

救援前需要先根据建筑的实际情况，对其外部结构与基本构成进行分析，如图5 所示。

图5 建筑结构基本构成

掌握建筑基本构成后再对其火灾概况进行分析。经过现场调查，图5 中的建筑在下午18:00 发生火灾，辖区消防支队先后调出58 辆灭火救援车辆进行现场救援。

起火点位于建筑的首层南侧区域，根据现场的初步判断，起火原因是电路短路。结合现场专业人员的检测结果可知，火灾现场温度超过800℃。

3.2 灭火救援决策流程

为实现对火灾救援的科学决策，应按照如下内容进行灭火救援决策。

首先，火情侦查。在灭火救援的整个过程中均需要对高层建筑的火情进行侦查，采用调派专人实地勘察、询问火灾现场知情人士等方式，初步掌握火灾的发生时间、火势变化情况与人员受伤情况。同时，使用遥感技术、无人机等对火灾现场进行高空拍摄，通过无人机等摄像、录像画面的实时传送掌握现场的起火点。可根据现场实际情况采用温度传感器等智能化设备进行建筑主体结构温度的实时记录。

其次，预判建筑内火灾的发展趋势。根据勘查结果，进行火灾在不同时段内发展趋势的预判。火势一旦进入轰燃、完全燃烧状态，就会危及救火人员的生命安全。为此，必须根据火灾的具体发展阶段，并结合火灾的特点，在保证消防人员生命安全的前提下采用“内攻”策略。

最后，制定灭火救援决策方案。由于高层建筑火灾扑救难度大、作战时间长，因此针对火灾特点制定科学的火灾扑救策略显得尤为重要。在高层建筑的火灾救援过程中，要清楚地了解应急撤离的信号和联系方法，提前确定好撤离的方向和路线，将应急撤离道路上的障碍物全部清除。出现紧急情况时，参与救火的人员可以放弃救火车辆及救火器材，快速进行现场疏散。在进行内攻灭火之前，要事先通知群众撤离的路线，并将火场中明显的参照物确定为自己的落脚点，撤离时，撤离队要根据参照物选择一条最优、最快、最安全的路线。

4 结论

按照该文提出的方案对图5 中建筑的火灾现场进行救援，根据现场记者与相关负责人的记录，该次消防救援工作共进行了11 个小时，成功援救了建筑内被困的群众，并疏散了位于火灾建筑周边的群众，在极大程度上降低了火灾引起的人员伤亡事故与财产损失。同时，根据后续有关人员的调查可知，该次救援成功保住了火灾现场周围的建筑，事后统计，火灾现场无人员伤亡。