城市高层建筑重大火灾防控研究的若干基础问题

城市高层建筑重大火灾防控研究的若干基础问题

本新闻（记者张曦、王英、范晓晖）是2012年中国科学进步协会技术年会和广东省高层建筑消防安全管理研讨会的提交人，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室副主任孙金华为报告城市高层建筑的重大火灾防控做了一些基本的准备。孙金华在报告中阐述了我国高层建筑现状及火灾形势。随着我国社会经济发展和城市化进程加快,超高层建筑日益增多。中国内地共有约20万栋高层建筑,其中超高层建筑3000多栋。高层建筑的快速发展带来了严重的火灾安全问题。首先,可燃和易燃外墙保温材料的大量使用,使得由建筑外立面火蔓延诱发的重特大火灾事故频繁发生;其次,高层建筑内一旦发生火灾,不仅火与烟气蔓延非常迅速,还会通过外立面燃烧形成内-外-内相互蔓延的大规模立体火灾,扑救十分困难,甚至导致结构坍塌;再次,目前高层建筑火灾时楼梯是人群的唯一疏散通道,人员(特别是高龄和残障者)疏散困难、效率低下,易导致群死群伤。1993年至2005年国内十大火灾中高层建筑火灾就占有7起。2006年以来更是发生多起重特大高层建筑火灾,引起社会各界对高层建筑火灾安全问题的高度关注。如2009年元宵节中央电视台配楼火灾,造成了1名消防队员牺牲、7人受伤,直接经济损失1.6亿元,并导致部分建筑结构失效及玻璃幕墙大面积脱落,造成重大社会影响。2010年11月15日,上海静安区高层建筑火灾造成58人遇难、70余人受伤。类似的重大高层建筑火灾案例还有2011年春节沈阳第一高楼皇朝万鑫大厦火灾、2008年的哈尔滨“经纬360度”大厦火灾、南京中环大厦火灾等。在国外,近年来也发生了多起重特大高层建筑火灾。2004年10月委内瑞拉首都加拉加斯市56层高的中央公园东塔楼发生火灾,大火吞噬34层以上的建筑物,25名消防队员受伤,造成3亿美元的经济损失。2001年美国“9·11”世贸大厦火灾和2005年2月西班牙温莎大厦火灾均导致建筑物整体坍塌,这些重特大火灾导致重大的财产损失或人员伤亡,造成重大社会影响,凸显了高层建筑火灾安全问题的严重性。孙金华列出了国内外高层建筑火灾安全研究现状与不足。1.高层建筑火灾动力学规律和防控技术基础研究现状(1)建筑外墙保温材料的火灾危险性及阻燃技术研究现状近年来,我国大量使用有机外墙保温材料。尽管这些材料的使用降低了建筑能耗,但也带来新的火灾安全问题。首先,外墙保温材料着火后在建筑外表面(开放空间)形成垂直火蔓延,环境风对火灾蔓延过程可能产生显著影响,这与一般受限空间内火蔓延场景明显不同。其次,我国使用的外墙保温材料多为热塑性材料,在燃烧过程中会熔化为液态,液体流淌导致火焰加速传播,形成固液两相燃烧并存的火灾蔓延现象,这与以往研究重点关注的木材类炭化材料的火灾燃烧蔓延现象明显不同。第三,尽管外墙保温材料已经在我国高层建筑中大量采用,但是目前还不清楚这些新型材料在火灾燃烧中的毒性气体生成机理及释放规律,缺乏对其烟气生成量及HCN等毒性气体的研究与标定。以上问题直接制约了建筑保温材料火灾安全性相关标准和规范的制定,已成为当前高层建筑建设中面临的重要问题之一。对外墙保温材料中的有机组分进行阻燃处理是降低其火灾危险性的重要技术手段。当前阻燃处理方法主要是添加含溴阻燃剂或(含溴)多组分阻燃体系。含溴阻燃剂虽然显著降低了保温材料的燃烧热,但是烟气产量和毒性都随之增加,给人员安全和环境带来威胁。近年来,含磷类无卤阻燃剂,开始应用于有机保温材料的阻燃处理之中。研究发现,经聚磷酸三聚氰胺和有机蒙脱土阻燃处理的聚乙烯泡沫保温材料的热释放速率峰值能降低75%。使用此类阻燃剂虽然能有效提高聚氨酯保温材料的阻燃性能,但也显著降低保温材料的物理机械性能和保温性能,并导致材料燃烧时有毒有害气体产物释放量增加。针对现有保温材料阻燃技术的缺陷,尝试从分子水平和纳米尺度上进行保温材料功能性阻燃单体元和纳米结构单元的设计,探索抑制外墙保温材料熔融、分解和流淌、促进快速交联成炭、降低燃烧热释放量、抑制和消除有毒有害产物的物理和化学耦合作用机制,发展外墙保温材料的安全设计方法,是当前保温材料研究领域中一个重要的前沿研究方向和发展趋势。(2)高层建筑的立体火蔓延行为及其阻控外墙保温材料着火引发立体火蔓延是近年来高层建筑火灾的重要特征之一,而高温颗粒引燃外墙保温材料是高层建筑火灾的重要起火原因之一,但目前对于高温颗粒引燃外立面的行为机制及临界判据研究尚属空白。在高层建筑内部,超长的垂直通道成为火与烟气蔓延的主要途径,并且会形成烟囱效应,急剧加速火和烟气的垂直蔓延。在高层建筑外部,火主要通过窗户-窗户、阳台-阳台和外墙在楼层之间立体蔓延。高层建筑受限空间内的火羽流可能通过窗户或者阳台向外部空间传播,形成开口火溢流并再通过上层窗户或者阳台向内部受限空间蔓延。建筑外立面火向建筑内部蔓延的研究目前在国际上还是空白。在受限空间火溢流理论的基础上,研究开口火溢流的行为特征及其诱发建筑外立面垂直蔓延的基本规律,是高层建筑火灾研究的重要基础性前沿问题。在高层建筑楼层间火蔓延过程中,窗户和阳台的几何形状、窗户玻璃的热力性质对火溢流行为存在重要影响。设计合理的窗槛墙、挑檐等外墙结构能有效阻隔火在楼层之间的蔓延,提升高层建筑本身的火灾安全性。由于我国大量使用可燃的外墙保温材料,使得近几年建筑外立面火灾和由外立面火诱发的室内火灾频繁发生,并形成了多起特别重大火灾事故。因此,在加强保温材料阻燃技术研究的同时,还需要加强对高层建筑外墙保温材料火蔓延规律的研究,以提出有效的应对措施和立体火蔓延的阻控技术。高层建筑火灾中的另一重要问题是环境风对火灾行为的影响。环境风的速度随离地面高度增加而增大,风压也逐渐增大。环境风压会与火灾高温形成的热压产生叠加或竞争效应,对材料燃烧、火与烟气蔓延及突变等动力学行为造成重要影响,导致其火行为与单层和多层建筑受限空间火灾存在明显差异。目前针对环境风影响下的高层建筑火灾动力学研究尚十分缺乏,难以满足高层建筑火灾安全的需求。(3)多作用力耦合驱动下火灾烟气的输运规律与控制烟气是火灾中导致人员伤亡的首要因素。高层建筑中复杂的结构形式和通风措施会显著影响火灾烟气在建筑内的运动规律。高层建筑内普遍存在楼梯井、电梯井、管道井、风道、排风管道等竖向通道,在火灾情况下,这些竖向通道因内外压差的烟囱效应是高层建筑中火灾烟气输运的典型现象。目前,国内外学者较多关注于单、多开口小室在外界风作用下的火灾蔓延与烟气运动特性,结果表明通风口的几何状况、外界风速等对室内火灾发展与烟气蔓延有严重影响。但是,目前尚未有系统针对高层建筑多通风口、大面积外立面、内部超高竖井等复杂结构在外界风作用下的烟气运动特性的研究。复杂气流和强热流耦合作用下的火灾烟气输运机制与动力学模型是高层建筑火灾烟气输运理论的难点和前沿问题。由于高层建筑火灾烟气输运规律的特殊性,常规建筑的通风设计和烟气控制技术可能不再符合高层建筑火灾烟气控制要求。高层建筑向外部空间排烟需要考虑外界风压的影响。火灾中浮力导致的热压一般为10~15Pa,而风速5~20m/s对应的滞止风压就达到15~240Pa。显然当高层建筑高处风速较大时,常规自然排烟或机械排烟措施不能有效发挥作用,甚至造成烟气倒灌现象。因此,在综合考虑多作用力耦合驱动下高层建筑火灾烟气运动规律和特点的基础上,发展新的排烟技术,改进相关规范,是高层建筑火灾烟气控制研究的重点。孙金华在报告中分析了高层建筑火灾中建筑安全和人员安全的研究现状。(1)火灾作用下高层建筑结构的损伤机制火灾作用下建筑构件及结构失效将会造成重大的人员伤亡和经济损失。针对钢结构的主要构件在火灾下的热力响应规律的研究近年来取得了若干进展,如中国科学技术大学实验研究了钢建筑构件的热响应特性,理论分析了工字钢截面瞬态温度场的分布规律和截面温度梯度分布模式,建立了钢构件在火灾环境下的热-力响应模式以及简化计算公式。结合实验研究,相关数值方法也得到了发展,如同济大学计算了标准升温条件下的截面温度分布。但在结构的热力响应数值计算中,如何耦合火灾的高变热流条件,如何获取正确的初始参数往往成为计算结果准确性和精度的制约因素。在结构热响应研究方面,以“9·11”世贸大厦坍塌事件调查为背景,美国NIST的Duthinh等人提出了火-热-结构模式来分析火灾对结构的破坏作用,并提出火-热和热-结构两个界面。现有的对建筑框架结构真实火灾响应的实验表明,决定结构整体抗火性能的是结构构件之间在火灾下的相互作用,而不是由标准升温环境下测试出的单个构件的抗火性能。在高层建筑整体结构的火灾安全研究中,需要重点关注建筑大面积着火,数层同时着火乃至整栋楼着火对结构承载能力的影响。目前,构件间的相互作用影响结构整体抗火性能的研究非常缺乏。如何确定对高层建筑的整体安全和稳定性有至关重要的影响的关键构件和节点,研究这些构件的破坏对结构整体抗火性能的影响,是高层建筑火灾环境下结构安全研究重点。玻璃幕墙钢-玻璃网架结构是现代高层建筑的常见结构之一。在火灾作用下,玻璃幕墙结构的温度、应力、应变呈现复杂分布,容易造成应力集中而导致结构失效(网架变形、玻璃破裂脱落)。玻璃构件破裂后,一方面,易形成新的通风口和火蔓延通道,增强燃烧强度、加速火蔓延,使灾害进一步扩大。另一方面,易造成火灾有毒烟气迅速扩散,干扰甚至阻碍建筑内的人员逃生。在火灾作用下玻璃构件的破裂研究方面,当前主要研究高温热辐射下破裂的破裂行为,包括破裂时间、破裂位置、裂纹蔓延方式、玻璃破裂临界参数等。另外有研究提出了玻璃破裂的一维传热模型。鉴于玻璃受热后应力应变分布的复杂性,目前研究工作尚未形成较为通用的玻璃破裂预测的模型,无法满足实际玻璃幕墙设计的需要。另外,这些研究大多是在室内无风条件下开展的,而超高层建筑的玻璃幕墙设计时,环境风载荷是必须考虑的因素。因此,亟需开展火与风载荷共同作用下的玻璃幕墙破裂规律研究,发展防止火灾环境下玻璃破裂脱落的技术方法。(2)高层建筑中人群的多模式协同疏散及优化疏导人员安全是高层建筑火灾防治的首要目标。火灾时高层建筑内人群的疏散成为重大安全问题。目前国内外已发展出多种人员疏散模型,如连续性模型、离散性模型等。Helbing、Low等人将流体力学理论引入了人员疏散的研究,针对单房间人员疏散的行为及轨迹进行了模拟,推动了人员疏散模型研究,但是人群运动的复杂性使得疏散建模仍然是一个具有挑战性的工作,不仅需要考虑人员的疏散过程,还要考虑火灾防控技术的效能。在突发事件情况下,高层建筑内人员的疏散避难不仅限于水平方向,而是呈现为复杂的立体多维特征。楼梯是目前高层建筑人员疏散的唯一方式。常规楼梯疏散模式在高层和超高层建筑中表现出诸如疏散效率低、安全性差等弊端。现有疏散模型及安全疏散分析软件用长通道来近似模拟疏散楼梯以便简化楼梯间内人员运动规律。这种简化不能反映高层建筑中多达十几层甚至几十层楼梯的人员疏散过程。如何准确预测高层建筑火灾环境下的人群楼梯疏散行为,建立高层建筑楼梯间疏散模型,是尚待解决的难题之一。尽管从20世纪中叶就有研究者开始关注在高层建筑内利用电梯进行人员疏散,但对这一做法目前仍然存有争议。美国Bazjanac提出了电梯是否“另一条出路?”的问题。Bazjanac和Pauls分别描述了电梯在高层建筑发生危急情况下的作用,初步研究了使用电梯对总体疏散时间的影响。20世纪80年代后期,美国和加拿大合作进行了火灾时用增压方法保护电梯的可行性研究。1994年,Klote等人提出了电梯紧急疏散系统(EEES)的概念,从理论和实践上初步确定了电梯在高层建筑中用于人员疏散的可行性。美国“9·11”事件之后,出于对超高层摩天大楼的人员安全考虑,如何利用电梯进行疏散又一次成为人们关注的焦点。我国在电梯疏散系统方面提出了“安全核”疏散体系的设计思想,把围绕电梯、电梯厅及其周围的通道作为安全区,充分保证灾害情况下电梯及电梯厅变成可利用的安全区。从总体上来讲,对于高层建筑火灾情况下利用电梯进行人员疏散的研究还处于概念阶段,目前尚未对高层建筑电梯紧急疏散系统进行全面研究。孙金华指出了高层建筑火灾安全亟待研究的关键基础和技术问题。针对高层建筑火灾的上述致灾特点和防控技术难点,他认为首先应从科学认识高层建筑火灾的演化规律,以及火灾对承灾载体(建筑、人)的影响与作用机制两个方面出发,在此基础上发展高层建筑立体火蔓延阻隔和结构防护方法,以及耦合烟气控制和人群疏散理论的高层建筑多模式协同疏散技术和优化疏导方法,以提升高层建筑自身对火灾的防控能力。(1)科学认识常用外墙保温材料的火灾特性,发展安全设计方法。揭示EPS、XPS、PU等目前常用有机外墙保温材料的引燃机制,揭示其在复杂环境下火蔓延行为规律与HCN、NOX等毒性气体的生成机理,建立外墙保温材料的火灾特性数据库,发展火灾危险性评价方法和标准,探索有效降低燃烧热释放速率和有毒有害燃烧产物生成的物理化学原理,发展外墙保温材料的安全设计方法。(2)发展高层建筑立体火蔓延行为预测理论和阻隔方法。揭示环境风作用下高层建筑外立面的引燃机制,建立建筑开口火溢流、外立面火蔓延,并蔓延至建筑内的立体火蔓延模型,进而基于火蔓延行为特征发展高层建筑外立面防火挑檐、窗槛墙与水幕技术相耦合的火灾立体蔓延阻控方法,并为研究火灾非均匀强变热流作用下高层建筑结构的防护技术提供基础数据和火行为理论支撑。(3)发展高层建筑内多作用力耦合驱动下火灾烟气的输运理论和控制方法。揭示烟囱效应、活塞效应、环境风等复杂气流与强热流耦合作用下,火灾烟气在楼梯井、电梯井等竖向通道内蔓延的动力学行为,建立高层建筑火灾烟气输运和特征参数的时空分布规律模型,发展烟气输运行为的多尺度数值计算方法,进而发展耦合加压送风、水幕分隔、机械和自然排烟等多技术协同的火灾烟气控制方法,并为人员疏散路径的保护提供基础性理论支持。(4)揭示火灾作用下高层建筑关键构件和节点的损伤机制,发展高层建筑结构的防护与评价方法。火灾的非均匀强变热流对高层建筑的玻璃幕墙以及关键构件和结构安全构成严重威胁,表现为使建筑构件和结构的温度、应力、应变呈现复杂分布,引发建筑构件的强度下降,从而诱发建筑结构的整体失效或坍塌。因此,迫切需要分析在不同应力—热流