论文摘要

 

本文系上海市科委社发领域课题《超高层建筑消防子系统健康管理系统技术研究》(16DZ1200106)和上海市科委应用技术开发项目课题《高层混凝土住宅火灾后性能评价及抗火能力提升技术研究与应用》(2011-114)研究成果,在此,特别感谢上海市科学技术委员会对高层建筑火灾领域研究的持续资助。

1 概述

随着经济社会的快速发展,高层及超高层建筑数量急剧增多。建筑高度不断攀升,体量跨度越来越大,功能更趋多元化。特别是一些大型城市综合体,经营业态多、人员密集、结构复杂、疏散困难、可燃物装修多等共性消防安全问题突出,火灾防范和扑救难度极大,一旦发生火灾,将给生命和财产带来不可挽回的损失。2010年11月15日,上海28层胶州路公寓在节能改造施工过程中,由于违规进行电焊作业引燃聚氨酯保温材料发生火灾,造成58人死亡,70余人受伤;2017年2月25日,江西省南昌市白金汇海航酒店内KTV发生火灾,致10人死亡、13人受伤;2017年6月14日,伦敦西部24层公寓Grenfell Tower 由于一台冰箱失火引发火灾,造成81人死亡;2017年12月1日,天津市38层城市大厦发生火灾,过火面积约300m2,造成10人死亡、5人受伤,起火物质为杂物和废弃装修材料,调查结果为施工企业为施工方便擅自放空消防水箱储存用水,致使消防设施未能发挥作用,火势迅速扩大;2017年12月18日,上海34层华润时代广场装修拆除作业电焊引发火灾,过火面积约170m2(见图1)。

据不完全统计,目前我国高层民用建筑约36万余栋,其中,超高层民用建筑8500多栋,上海共有高层公共和工业建筑4400多栋,高层住宅建筑3万多栋。根据公安部消防局统计数据显示,近10年全国共发生高层建筑火灾3.1万起,死亡474人,直接财产损失15.6亿元。其中,特别重大火灾3起、重大火灾4起、较大火灾24起,并呈逐年上升趋势。仅2017年1~8月,全国共接报高层建筑火灾2500多起、死亡60多人、直接财产损失4000余万元,与2016年同期相比,火灾数量虽有所下降,但伤亡人数和财产损失显著上升。

为降低高层建筑火灾损失,需从以下方面着手:①在火灾未发生前,通过风险识别与管控,消除火灾隐患,降低火灾发生概率;②通过火灾蔓延规律,模拟指导火灾现场扑救及灾后事故调查;③通过优化疏散策略,提高火灾疏散效率,降低人员伤亡;④火灾发生后及时进行结构检测鉴定和加固修复,恢复其建筑功能;⑤在高层建筑运维中还需进行日常消防系统检测和监测,以确保火灾及时发现与扑救。

 

2 高层建筑火灾风险识别与管控

高层建筑火灾风险识别就是识别高层建筑中可能遭受火灾影响的火灾危险源,及识别能够对高层建筑发生火灾概率及其后果产生影响的火灾风险源。火灾风险评估就是对潜在火灾发生概率及火灾事件所产生后果的综合度量。通过对高层建筑进行火灾风险识别与管理,可以对潜在的火灾风险进行防范,消除火灾隐患,减少火灾发生和因灾损失。

火灾风险评估可采用故障树与层次分析法相结合的方法开展。故障树分析法(Fault Tree Analysis,简称FTA)是一种运用演绎推理的风险分析方法,能对高层建筑各系统的危险性及其因素进行辨识和评价,不仅能分析出事故的直接原因,而且能深入地揭示出引发事故的潜在原因。层次分析法(Analytic Hierarchy Process,简称AHP)是一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法,一般将问题包含的因素进行分层,包括最高层、中间层(也称准则层)、最低层,用层次结构图来表达这些因素之间的相互关系。高层建筑火灾风险分级及特征描述如表1所示。

通过FTA与AHP相结合的高层建筑火灾风险定量分析发现,火源和易燃物是火灾发生最主要的两个因素,逃生失败则是造成人员死亡的主要原因。因此,防止高层建筑火灾最经济、有效的办法就是控制火源和易燃物。同时,内部消防设施的重要性比外部消防力量大,说明高层建筑火灾预防重点应在建立自身完善的消防预警和灭火系统。

 

3 火灾蔓延规律模拟

火灾蔓延规律模拟主要是通过数值方法研究确定室内外火灾的烟气流动、空气温度分布与发展,从而了解高层建筑室内外火灾的发展过程。火灾蔓延规律模拟结果可供建筑防火设计、火灾原因调查及灭火指挥等参考。

火灾蔓延规律模拟一般可采用美国国家技术标准局NIST开发的模拟软件(Fire Dynamics Simulator,简称FDS)建立三维火灾模型。该软件是专门解决火灾动力学发展的模拟通用程序,以独特的快速算法和适当的网格密度,快速准确地分析三维火灾问题。FDS模拟结果包括:① 通过确定蔓延途径,从而提出合理的防火措施遏制火灾扩大;② 通过设定不同风速,分析不同风速下烟气浓度中心位置的变化,确定火灾烟气演化运动特性,结合烟气中CO中心位置和浓度的变化,确定疏散路线、疏散时间等;③ 从无风和有风的角度讨论火灾初期温度和稳定期空气温度场的变化情况,从而比较分析不同风速对火焰温度中心位置和温度高低等影响;④ 通过火灾温度场和现场残留物,研究火灾下主要构件的内部温度场分布;⑤ 对高层建筑室外火灾进行模拟分析,研究高层建筑保温层、脚手架及安全网共同燃烧时的火灾蔓延、烟气扩散规律、温度场分布等。

以上海胶州路高层公寓室外火灾场景模拟为例(见图2),起火过程火焰蔓延及烟气扩散情况如图3所示,建筑内部温度场分布、CO分布如图4,5所示。

 

 

4 人员疏散规律试验

人的行为运动非常复杂,尤其在突发情况下,人员运动受到诸多因素的影响而变得更加复杂,以致疏散过程充满不确定性。研究发现,火灾情况下的人员行为与正常情况下明显不同,“恐慌”通常是人们面对火灾威胁时的典型反应,进而会出现无序、拥挤、踩踏等不利于疏散的行为,甚至有盲目躲避、不敢逃生的现象,这些往往会导致重大人员伤亡。上海胶州路高层公寓火灾和伦敦Grenfell Tower高层公寓火灾用血的教训验证了这一点。突发事件下的人员疏散问题涉及到人与人、人与建筑、人与灾害产物、人与疏散诱导系统的相互影响等众多复杂因素,采用合理的科学手段量化这些复杂因素,揭示突发事件情况下人员疏散行为规律与特点,并探索疏散过程安全高效诱导方法,确保火灾发生时人员生命安全,既有科学研究价值又是现实应用需求。突发火灾事件下人员疏散规律和模拟研究,可从3个方面开展:①考虑火灾影响的人员疏散模型;②虚拟火灾环境下的人员疏散试验;③突发事件下人员疏散安全评估软件开发等。

火灾产物不仅会影响人员的疏散路径选择及速度,还会威胁建筑内人员的生命安全。考虑火灾影响的人员疏散模型,以及人员在疏散过程中经过热量和CO伤害后的健康状态,基于新模型的高层建筑火灾风险评估方法可定量评估建筑火灾风险等级,且评定标准相比现行建筑火灾风险评估方法更加科学。现行方法中,以热辐射、温度及烟气毒性到达危险阈值作为判定危险的标准,而且以先达到危险阈值为准,即只考虑对人员伤害最大的一项火灾产物的危险性。而新模型则考虑热量、烟气毒性等火灾产物对人员生命的共同伤害作用。现行方法中,某项火灾产物达到了给定阈值即判定为危险,因此危险判定标准是瞬时性的,只关注危险状态到达时的状态,而不管危险状态到达前火灾产物对人员的伤害。新模型的危险判定标准是累积性的,考虑整个疏散过程中火灾产物对人员的伤害。

拟火灾环境下的人员疏散试验研究,借助二维可视化计算机编程环境的虚拟疏散试验平台能够实现各种不同的疏散场景,如全视野场景、视野受限场景及火灾场景(见图6)。具体实现步骤为:① 设定厅室内其中一个矩形障碍物为火源,采用火灾模拟软件FDS模拟计算火灾蔓延发展过程,得到随时间变化的温度场数据及火灾产物数据;② 将温度场数据导入虚拟疏散试验平台中,用温度场云图表示可见区域内的温度场变化,温度场云图随温度场数据的更新动态变化;③ 考虑温度及其他火灾产物对虚拟可控主角的生理伤害,用人员生命条表示虚拟可控主角的健康状态。通过调整虚拟试验平台中的出口位置、出口数量、总模拟人数、虚拟主角的视野范围、火灾产物等参数构建高层建筑火灾疏散的多种对比试验场景,研究不同人员在不同环境下表现出的疏散特点,其量化结果可作为高层建筑发生火灾后的人员疏散规律、优化安全设计与诱导控制策略的依据。

在考虑高层建筑火灾环境影响的人员疏散模型基础上,开发突发事件下人员疏散安全评估软件。软件可导入建筑文件、工程文件、突发事件数据文件及人员数据文件,并通过参数设置模块对模拟人员分布和疏散路径进行设置,并可对出口属性及疏散模拟的基本参数进行调整。通过软件模拟优化疏散出口布置方案、提高疏散效率,找出疏散关键区域加以针对性引导,通过人员生命值统计定量分析评估高层建筑火灾风险以进行安全对策措施优化。

 

5 火灾后检测鉴定与加固修复

遭受火灾的建筑结构如需继续使用均应进行安全性检测鉴定,并根据检测鉴定结果进行后续的加固修复。火灾后检测评估的主要内容包括:①建筑结构布置、构件截面及配筋复核;②对结构构件受火作用损伤进行全数调查,对损伤等级进行评级,并对损伤特征进行归纳分析;③现场调查火场残留物熔化、变形、燃烧、烧损程度等,推断火场温度和作用范围;④现场全面调查构件混凝土表面颜色、爆裂、裂缝、剥落、露筋、锤击反应等,判断混凝土构件表面曾经达到的温度和范围;⑤对混凝土材料进行X衍射分析和电镜分析等微观物相分析,辅助推定火灾温度和混凝土构件表面灼着温度;⑥采用钻芯法和劈拉试验法抽样检测剪力墙、楼板、梁等构件的混凝土强度,比较受损程度不同区域以及不同深度截面位置混凝土强度的异同,掌握混凝土强度退化程度;⑦对部分混凝土构件采用超声波方法进行表面损伤层测试,分析不同受损程度混凝土构件的表面损伤层厚度;⑧现场抽样截取楼板和墙内不同规格钢筋进行拉伸试验和冷弯试验,掌握火灾对钢筋性能的影响程度;⑨抽样测量部分受损严重板的挠度变形,测量典型楼层板底相对高差以了解房屋整体变形情况;⑩根据火灾作用调查推断和现场检测获得的材料性能,考虑结构损伤影响,对火灾后结构安全性进行综合验算分析,对结构抗震措施进行鉴定评估;11综合评估火灾后结构的安全性;12综合现场检测和分析评估结果,提出后续修复与加固措施建议。对火灾后高层建筑检测鉴定而言,火场温度分析、火灾对主要受力构件材料强度影响、严重过火区域构件损伤等为核心内容。

火灾后高层建筑应根据检测鉴定结果进行加固修复以恢复其建筑功能和结构性能。加固修复包括对局部火损严重构件的修复和对结构整体性能的加固。一般情况下,对于烧损程度中度的构件,建议局部凿除受损混凝土并浇筑比原设计强度等级高一级的混凝土进行加固处理。对于烧损程度为重度的楼板构件,可全部凿除混凝土后浇筑比原设计强度等级高一级的混凝土。对于烧损程度轻度及以下构件,建议进行混凝土表层修复处理。对于受损严重的填充墙,建议拆除后重新砌筑。对于一般受损填充墙,建议表面清理后重新粉刷。对建筑外立面进行全面检查并结合改造要求进行维修。

上海市建筑科学研究院对于高层建筑中大量应用的混凝土剪力墙和混凝土连续T形梁火灾后力学性能和加固修复技术进行了较系统的研究。研究表明,混凝土剪力墙单面和双面受火后,轴心受压中其开裂荷载较未受火对比试件分别降低30.0%,93.3%,极限荷载分别降低24.8%,60.4%,破坏位移分别降低34.6%,19.0%。采用钢丝网水泥砂浆和粘贴角钢加固修复后混凝土剪力墙的开裂荷载和极限荷载均较双面受火未加固试件有显著增加,基本达到单面受火的力学性能指标。混凝土剪力墙双面受火后,低周反复试验中其水平承载力、极限位移和延性系数均明显降低。采用钢筋网水泥砂浆和粘贴角钢加固修复后,其水平承载力较未受火试件亦有明显增长,但延性系数略有减小。经试验验证,两种加固方法对火灾后抗震性能均有显著作用,粘贴角钢法更为有效。

受火后高强钢筋混凝土连续T形梁采用粘贴钢板和螺栓锚接钢板进行加固(见图7)。受火后高强钢筋混凝土连续T形梁粘贴钢板加固后,承载力提高39.1%~58.2%,极限位移降低17.8%~53.2%。采用螺栓锚接钢板加固后,承载力提高36.7%,极限位移下降4.4%。采用螺栓锚接钢板加固后,初始弯曲刚度与未受火对比试件相当。粘贴钢板加固后,初始弯曲刚度较未受火对比试件明显增加。梁底钢板距跨中越近拉应变越大,越靠近跨中变化梯度越大。受火后梁底粘贴钢板或螺栓锚接钢板加固后,位移延性系数提高53.4%~62.0%,能量延性系数提高62.6%~72.6%,受火后梁底和梁顶中支座附近各粘贴钢板加固后,其位移延性系数降低8.20%,能量延性系数降低7.2%。采用折算面积法计算钢板加固受火后高强钢筋混凝土连续T形梁的承载力误差为0.2%~13.2%,符合工程精度要求。

 

6 消防系统健康管理

高层建筑消防工作重在预防,在火灾预防和扑救过程中,消防设施、器材必不可少。合格的消防设施、设备是消防安全工作的基础。但目前高层建筑消防系统的有效性还存在诸多问题,包括:故障或过期设备未及时更换,各类设备使用说明未示于显著位置,现有灭火设施对建筑高度的局限性等。

随着各种新技术在消防系统检测监测领域的广泛应用,火灾探测与自动报警技术、消防设备联动控制技术、建筑消防设施远程监控技术取得了飞速发展。以基于物联网技术的高层建筑消防设施实时监管系统为例,可以实现对火灾自动报警系统、消防水源、可燃气体、防火门、消防通道等全天时监管,其系统框架如图8所示。其中,火灾自动报警系统监管可以接入火灾报警控制器的报警信息和运行状态信息,实现对高层建筑自动报警系统的全方位感知、全过程监控。消防水源监管可以通过水位、水压传感器对消防管网水压和水位进行实时监测,保证消防管网系统通畅有效。可燃气体泄露监管可以通过可燃气体传感器实时监测建筑内可燃气体情况。防火门状态监管可以通过防火门开关传感器监测防火门的异常开关情况。消防通道监管可以接入视频监控,通过智能视频处理技术实时分析指定区域是否存在占用消防通道的隐患。

以基于移动智能终端的消防隐患全民监管系统为例,可以实现高层建筑消防安全问题的民众、物业和消防部门合力监管,其系统框架如图9所示。系统可由移动终端、移动终端应用软件、消防隐患举报与监管服务器等组成,其主要功能有:①支持民众利用智能手机等移动设备随时随地取证消防隐患信息、上传至物业或消防部门;②支持物业部门接收民众上传的消防隐患信息,根据信息进行现场处理,并将结果进行反馈;③支持消防部门接收物业部门难以处理的消防隐患信息,根据信息进行现场处理,并将结果进行反馈;④支持将消防隐患处理结果信息反馈至民众。

 

7 疏散演习和防灾减灾培训

实践证明,通过有效的疏散演习和防灾救灾培训可显著降低高层建筑的火灾损失。上海市建筑科学研究院依托上海市工程结构安全重点实验室,进行了高层建筑火灾下的疏散演习和建筑火灾的防灾减灾培训,以期有效降低高层建筑火灾的人员伤亡。

高层建筑紧急疏散克服疏散距离长、疏散宽度受限,是减少高层建筑火灾伤亡的重点。为提升民众的应急疏散能力,上海市建筑科学研究院在上海中心大厦内组织了超高层建筑消防疏散演习(见图10)。面向社会公开征集的100余位志愿者分组从高度为583m的126层、高度为536m的116层和高度为460m的99层向下疏散至首层。上海中心大厦大部分楼层安装有视频监控摄像头,视频摄像记录了试验中每位志愿者经过相应区域的过程,通过对视频摄像数据的分析发现,人员向下疏散574m(或124层高度)需要大约36±6.04min,最快的可以在20min内完成。人员向下的平均垂直疏散速度为0.287±0.080m/s,小规模人群向下的垂直疏散速度为0.283±0.066m/s,拥挤状态下的垂直疏散速度为0248±0.034m/s。分析表明超高层建筑消防疏散过程的主要影响因素有拥堵、性别、体力、年龄等。

为提升民众在建筑灾害下的自救互救能力,上海市建筑科学研究院定期以现场授课的方式向民众特别是中小学生科普火灾下的自救与互救知识,详细介绍建筑火灾危害、不同类型火灾下的自救与互救、常用消防设备和逃生器材的使用方法,并总结了一些中小学生容易理解的逃生口诀,如火灾逃生时“视金钱如粪土”、身上着火时“连滚带爬”、逃生时 “用湿毛巾捂住口鼻”等。针对火灾逃生及有害气体下可能导致的心搏骤停,利用人体模型进行了心肺复苏急救演示,并由受训者进行现场练习并规范其动作要领。

 

8 展望

目前,高层建筑消防形势依然严峻,仍存在诸多的技术瓶颈和管理缺陷。为汲取上海“11.15”胶州路公寓和英国伦敦“6.14” Grenfell Tower等高层建筑火灾的惨痛教训,强化我国中心城区密集建筑群尤其是高层建筑群的防火安全和消防系统健康管理,避免重特大火灾事故的发生,尚应在以下方面开展深入研究。

1) 合理应用保温材料和保温系统,完善外墙防火措施和防火设计要求。通过研制高层建筑新型外墙保温材料、适宜保温系统、合理防火分隔等,从根本上降低其可燃性和有毒烟气的释放。在建筑外立面火灾蔓延规律研究基础上,发展外墙防火措施与相应设计方法,避免火灾沿外立面快速蔓延及向室内快速传播。

2)增设、优化与改造既有高层建筑消防设施。增设火灾自动探测与灭火系统,使高层建筑满足防火间距、防火防烟分区与防灭火设施配置要求。对于不满足规范要求却又难以实现整体整改的高层建筑,发展独立式火灾探测与灭火装置,如独立式天然气探测器、独立式感烟感温火灾报警器、简易水喷淋装置等。优化逃生通道布置,对防火门和逃生门进行自动闭锁改造,以阻碍火灾烟气向逃生通道蔓延。研制适用于高层建筑的缓降器、逃生带、逃生舱等,作为高层建筑的备用逃生措施。

3)研制高层建筑适用的特种消防产品,提升高层建筑灭火救援能力。进一步研制适用的大型灭火救援设备,提升其喷水、喷泡沫或外部救援的高度标准,以适应高层、超高层建筑灭火高度与救援高度需求。发展多样化灭火救援设备,如用以灭火、探查火情、搜寻被困人员等的机器人,用以监测火情、指导救援的无人机,用以在狭窄受限空间作业的小型消防车,不受灭火高度限制的新型灭火弹装置等。提升消防员防护服的防火保护水平,优化消防员供氧装置,同时配备新型生命探测仪等信息化设备,从而有效降低消防员负重、延长火场耐受时间、提升搜救效率。

4)提升民众防灾逃生意识,加强自救技能培训。通过图片、视频等具有视觉冲击性的媒介,向民众普及火灾的原理、影响后果、典型案例等,使民众直观感受火灾危害,提升其学习防灾知识、查改身边火灾隐患的积极性。向民众普及防火、灭火常识及不同火灾特点下的逃生自救技能。鼓励民众主动查改火灾隐患,包括公共区域堆放可燃杂物、电动车违规存放与充电、消防通道被占用、防盗窗阻碍外部救援等突出问题。引导民众提升自救技能,配备家用火灾探测器、灭火器、防烟面罩、逃生绳索等简易防灭火与逃生器材。发展基于虚拟现实技术(VR)的高层建筑火灾逃生演练技术。

5)建立高层建筑(群)安全风险监管平台。建立基于物联网与移动智能终端的高层建筑(群)消防隐患监管平台,借助各类传感设备与无线传输技术,对高层建筑火灾探测系统、自动灭火系统等关键消防设施进行实时动态监测,实现民众-物业-消防部门对消防隐患问题的合力监管。建立火情信息实时发布平台,实现对火灾影响区域内人员疏散的精准引导,避免大型火灾引起的恐慌与混乱,降低因灾损失。发展高层建筑(群)安全风险评价技术及管控平台,实现高层建筑风险评估流程固定化、监控智能平台化、预警响应及时化、应急处置有效化。

 

文/上海市建筑科学研究院 上海市工程结构安全重点实验室 许清风 王卓琳 陈玲珠 房志明

 

 

点券购买 点券兑换
注:如果您下载PDF文档无法正确浏览,建议您点击后面按钮下载新版PDF阅读工具 点击下载
暂无下载
  • 未经本站明确许可,任何网站不得非法盗链软件下载连接及抄袭本站原创内容资源!
用户中心
主办单位:亚太建设科技信息研究院有限公司 中国建筑设计研究院 中国建筑工程总公司 中国土木工程学会    承办单位:施工技术传媒机构
京ICP证050763号

京公网安备 110102000406-6
主编:张可文 电话:010-57368788   编辑部:010-57368789,010-57368790
广告、理事会:010-68300059,010-68330203,010-68333804   邮购及查询010-68341147  传真010-68300061
地址:北京市西城区德胜门外大街36号中国建筑设计集团A座4层   邮编:100120        Email:sgjs@cadg.cn
施工技术网群鼓励技术交流,信息交流。群号:43883790    75228828    新浪微博:@施工技术传媒机构