第1章 緒論
　　1.1火災(zāi)分類
　　火是人類得以生存、賴以發(fā)展的自然饋贈。但火災(zāi)是發(fā)生*頻繁且極具毀滅性的災(zāi)害之一，火一旦失去控制就會蔓延成災(zāi)，造成不可估量、無法挽回的損失，嚴(yán)重威脅人類的安全、生存和發(fā)展。自古以來，火災(zāi)使人類蒙受巨大損失，火災(zāi)造成的直接損失約為地震的5倍，僅次于干旱和洪澇，而發(fā)生的頻度卻居于各種災(zāi)害之首[1]。
　　火災(zāi)類型有建筑火災(zāi)、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備火災(zāi)、森林火災(zāi)、交通工具火災(zāi)等。在各類火災(zāi)事故中，建筑火災(zāi)是*常見、*危險(xiǎn)、對人類生命和財(cái)產(chǎn)造成損失**的火災(zāi)，約占全部火災(zāi)的80%。
　　1.2火災(zāi)災(zāi)害
　　盡管近年來科技的發(fā)展使人們對火災(zāi)的預(yù)測、防護(hù)水平有所提高，但災(zāi)難性事故仍時(shí)有發(fā)生。僅2013年，美國發(fā)生124萬起火災(zāi)，造成3240人喪生和115億美元的經(jīng)濟(jì)損失。其中建筑火災(zāi)48.75萬起，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)95億美元。在我國，2013年統(tǒng)計(jì)火災(zāi)38.8萬起，死亡2113人，受傷1637人，直接財(cái)產(chǎn)損失48.5億元，建筑火災(zāi)26.015萬起，直接經(jīng)濟(jì)損失38.9億元，分別占總起數(shù)和總直接損失的67%和80%［2］。建筑火災(zāi)除了直接危害人類的生命財(cái)產(chǎn)以外，對建筑結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生明顯不利的影響，建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中嚴(yán)重破壞甚至倒塌的情況屢有發(fā)生，因此火災(zāi)及其防護(hù)必然成為科技工作者和工程技術(shù)人員不可回避的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。
　　一般而言，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)。但若抗火設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會造成嚴(yán)重后果。例如，湖南省衡陽市珠暉區(qū)的八層永興綜合樓，底層是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上面為磚混結(jié)構(gòu)的住宅，2003年11月3日凌晨，在火災(zāi)中突然倒塌，奪走了20名消防官兵的寶貴生命（圖1.1）。2004年12月21日7點(diǎn)43分，湖南省常德市鼎城區(qū)武陵鎮(zhèn)橋南市場發(fā)生火災(zāi)。火災(zāi)起源于一棟4層的商業(yè)樓，大火造成69人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失上億元（圖1.2）。2009年2月9日晚，在建的中央電視臺電視文化中心（北配樓）發(fā)生特大火災(zāi)，大火造成1名消防戰(zhàn)士犧牲、多人受傷，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1.6億元。2010年11月15日14時(shí)，上海余姚路膠州路一棟高層公寓起火，大火導(dǎo)致58人遇難，另有70余人受傷。2015年1月2日下午，哈爾濱一倉庫發(fā)生大火，22時(shí)突然發(fā)生塌方，導(dǎo)致5名消防員殉職。
　　圖1.1湖南衡陽特大火災(zāi)現(xiàn)場
　　圖1.2湖南常德橋南市場火災(zāi)現(xiàn)場
　　事實(shí)上，火災(zāi)燃燒過程所釋放的熱能，一部分會被房間的四壁所吸收，而更大的一部分卻通過對流和輻射被傳播到其他空間中去。例如，火可以通過外墻板蔓延到其他建筑物上，也可以在對流和壓力場作用下，使燃燒生成物在建筑物內(nèi)的水平與垂直通道上迅速蔓延，且在垂直方向蔓延的速度要比水平方向快很多。這就解釋了為什么在建筑火災(zāi)中，失火層的損失往往要小于上一層的損失。由此，我們有必要探討火災(zāi)中的兩個(gè)重要的物理現(xiàn)象：煙氣運(yùn)動與傳熱。
　　1.2.1煙氣運(yùn)動
　　在建筑物中，火災(zāi)發(fā)生時(shí)引起煙氣運(yùn)動的主要途徑有煙囪效應(yīng)、浮升力、膨脹力、風(fēng)壓和空調(diào)系統(tǒng)等[3]。
　　1.煙囪效應(yīng)
　　建筑物室內(nèi)外空氣通常都存在溫差，當(dāng)室外空氣溫度低于室內(nèi)空氣溫度時(shí)，在建筑物的豎井中（如樓梯間、電梯井、管道井、空調(diào)垂直風(fēng)道等）的空氣就會向上運(yùn)動，這種現(xiàn)象稱為煙囪效應(yīng)。對高層建筑而言，在室內(nèi)外空氣溫度差較大時(shí)，其煙囪效應(yīng)更為明顯。當(dāng)室外空氣溫度高于室內(nèi)空氣溫度時(shí)，在建筑物的豎井中的空氣就會向下運(yùn)動，這種現(xiàn)象稱為逆煙囪效應(yīng)。
　　在豎井內(nèi)、外靜壓相等的未知面稱為中性面，一般在建筑物的中間位置［4］。建筑物在煙囪效應(yīng)或逆煙囪效應(yīng)作用下，空氣的運(yùn)動方式如圖1.3所示。在煙囪效應(yīng)下，若著火位置位于中性面之下，煙氣則會迅速地向建筑物上部蔓延；若著火點(diǎn)位置位于中性面之上，煙氣則會向上一層蔓延，這時(shí)在中性面之下部位會比較安全，不會受到煙氣的侵害。在逆煙囪效應(yīng)作用下，煙氣運(yùn)動的方向則與上述相反。
　　圖1.3煙囪效應(yīng)或逆煙囪效應(yīng)作用下空氣的運(yùn)動方向
　　2.浮升力
　　火災(zāi)時(shí)高溫?zé)煔庠诮ㄖ��?nèi)部的運(yùn)動存在向上的浮升力，從而導(dǎo)致煙氣沿建筑物內(nèi)部向上蔓延，隨著煙氣的流動和煙氣濃度被稀釋，浮升力的作用會逐漸減小。浮升力的大小與著火處周圍的空氣溫度有關(guān)。
　　3.膨脹力
　　除浮升力外，火災(zāi)能量的釋放還可使周圍的空氣體積快速膨脹，空氣膨脹量的大小與著火溫度及周圍環(huán)境溫度有關(guān)。
　　4.風(fēng)壓
　　許多情況下，室外風(fēng)對建筑物內(nèi)的煙氣運(yùn)動會產(chǎn)生較大的影響。
　　5.空調(diào)系統(tǒng)
　　建筑物內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)給人們的工作、生活創(chuàng)造舒適的環(huán)境條件，但火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣卻可借助空調(diào)系統(tǒng)的送、回風(fēng)管道在建筑物內(nèi)蔓延，給居住在建筑物內(nèi)的人員帶來危害。此外，若空調(diào)系統(tǒng)對著火區(qū)域送風(fēng)，還會起到助燃作用，增加火勢。因此，當(dāng)建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)應(yīng)立即關(guān)閉所有空調(diào)系統(tǒng)，以避免煙氣在建筑物內(nèi)更廣泛傳播。
　　1.2.2傳熱
　　自然界中會經(jīng)常出現(xiàn)熱的傳遞問題。熱力學(xué)第二定律指出，哪里有溫差，哪里就有熱量的傳遞，而且熱量總是自發(fā)地由高溫物體傳向低溫物體。由流動著的煙氣所實(shí)現(xiàn)的熱量轉(zhuǎn)移，在火災(zāi)中扮演了重要的角色�；馂�(zāi)中的傳熱是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，這主要是因?yàn)榇嬖谥�高溫、不明顯的瓦斯、大量水蒸氣等現(xiàn)象，當(dāng)然，還因?yàn)槠渑欧艜r(shí)所具有的快速可變特征。傳熱可分為輻射、對流和傳導(dǎo)三種模式[5]：輻射傳熱是以電磁波的形式把熱由一個(gè)物體傳向另一個(gè)物體的現(xiàn)象；對流傳熱是指依靠流體的運(yùn)動，把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象；傳導(dǎo)是指物體各部分無相對位移或不同物體直接接觸時(shí)依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。需要指出的是，火災(zāi)中的傳熱并非是以某一種傳熱方式單獨(dú)進(jìn)行的，而總是以輻射、對流、傳導(dǎo)這三種方式綜合作用進(jìn)行的。
　　當(dāng)某一室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，著火體便向四周進(jìn)行熱輻射，并向周圍空氣進(jìn)行導(dǎo)熱�？扇嘉镏車�的火焰附近溫度**，遠(yuǎn)處的溫度略低，同時(shí)，熱氣流上浮，產(chǎn)生對流，轉(zhuǎn)移熱量。由于著火體的熱輻射和室內(nèi)空氣溫度的升高，使外圍護(hù)墻、地板、頂棚等構(gòu)件表面的溫度升高，熱量便由室內(nèi)向室外低溫處流動，如圖1.4所示。
　　圖1.4火災(zāi)中的傳熱
　　1.3建筑防火與結(jié)構(gòu)抗火
　　建筑結(jié)構(gòu)防火從設(shè)計(jì)上來講，可以分為建筑防火和結(jié)構(gòu)抗火兩個(gè)方面。
　　1.3.1建筑防火
　　人類在同建筑火災(zāi)斗爭中表現(xiàn)的智慧、積累的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)構(gòu)成了建筑消防歷史文化。在我國的古籍中，就有關(guān)于春秋戰(zhàn)國時(shí)期的消防行政管理和防火、滅火技術(shù)等多方面的文字記載，隨后，人類才開始從建造過程中注意建筑的防火；但直到近千年以后，才開始真正意義上的建筑火災(zāi)研究。
　　建筑防火著重于從平面布局和材料選擇等方面解決建筑物的防火問題。在這一階段應(yīng)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)中做周密的考慮，以便把火災(zāi)隱患減少到**的程度，并為一旦發(fā)生火災(zāi)創(chuàng)造撲救條件。我國《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016―2014）[6]從建筑物的耐火等級、層數(shù)、間距、通風(fēng)、防火材料的選用、建筑構(gòu)造、消防措施等方面給出了合理的規(guī)定，具體到民用建筑、工業(yè)廠房、高層建筑防火設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，有效地起到了減少火災(zāi)損失的作用。
　　具體來講，我國建筑防火設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面的技術(shù)問題[3]：
　　(1)合理規(guī)劃建筑布局，確定建筑物的耐火等級。
　　(2)劃分建筑內(nèi)的防火分區(qū)和防煙分區(qū)。
　　(3)確定各構(gòu)件的耐火時(shí)間。
　　(4)劃定避難通道，計(jì)算避難出口。
　　(5)設(shè)立防、排煙系統(tǒng)。
　　(6)加設(shè)自動報(bào)警、廣播和疏散誘導(dǎo)系統(tǒng)。
　　(7)消火栓系統(tǒng)和自動滅火系統(tǒng)。
　　(8)建筑內(nèi)裝修的防火設(shè)計(jì)。
　　建筑防火設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它既要考慮各個(gè)部分的特殊性，又必須綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，這就需要逐步做到整體優(yōu)化，近年來發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)（消防疏散）為建筑防火設(shè)計(jì)提供了重要手段。
　　1.3.2結(jié)構(gòu)抗火
　　結(jié)構(gòu)的功能為抵抗各種環(huán)境作用，如抵抗重力、抵抗風(fēng)荷載（抗風(fēng)）、抵抗地震（抗震）等�；鹱鳛橐环N環(huán)境作用，結(jié)構(gòu)同樣需要抵抗[7]。
　　結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與抗震是通過設(shè)計(jì)足夠大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件以抵抗由風(fēng)或地震產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力來實(shí)現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)抗火也是如此�？梢詮膬蓚�(gè)途徑進(jìn)行研究[8]：一是把火災(zāi)的高溫作用等效為一種荷載，與結(jié)構(gòu)上的其他荷載（恒載、活載、風(fēng)載、地震作用等）一起參與荷載效應(yīng)組合，按近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即建立考慮或受高溫作用的統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；二是對已按常規(guī)方法完成設(shè)計(jì)的混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)行抗火能力驗(yàn)算，以滿足相應(yīng)的抗火要求。
　　在抗火設(shè)計(jì)中，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足的功能要求可概括為以下三個(gè)方面。
　　1.承載能力要求
　　建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種荷載和變形，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)和發(fā)生后保持必需的整體穩(wěn)定性，不致發(fā)生倒塌。
　　2.分隔功能要求
　　建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該劃分防火分區(qū)，有效地將火災(zāi)限制在某一區(qū)域內(nèi)。設(shè)計(jì)中要保證火災(zāi)中防火分區(qū)的分隔功能完好，主要體現(xiàn)在絕熱性和完整性兩個(gè)方面。
　　3.可修復(fù)功能要求
　　在發(fā)生火災(zāi)的建筑物中，大部分混凝土結(jié)構(gòu)并未失效或倒塌，經(jīng)過一定的修復(fù)加固后仍可繼續(xù)使用，這將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在設(shè)計(jì)中應(yīng)該綜合考慮經(jīng)濟(jì)性以及結(jié)構(gòu)的重要性，保證結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的可修復(fù)性。
　　參 考 文 獻(xiàn)
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　�。�4］許曉元.高層建筑豎向通道中性面位置研究［碩士學(xué)位論文］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.
　�。�5］章熙民，任澤霈．傳熱學(xué)（第四版）．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.
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