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(zèng)。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(huì)蔓延成災(zāi)，造成不可估量、無(wú)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(lái)，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(jiàn)、*危險(xiǎn)、對(duì)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(lái)科技的發(fā)展使人們對(duì)火災(zāi)的預(yù)測(cè)、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(guó)發(fā)生124萬(wàn)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(wàn)起，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)95億美元。在我國(guó)，2013年統(tǒng)計(jì)火災(zāi)38.8萬(wàn)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(wàn)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(duì)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(huì)造成嚴(yán)重后果。例如，湖南省衡陽(yáng)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(chǎng)發(fā)生火災(zāi)�；馂�(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(tái)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(cāng)庫(kù)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(yáng)特大火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)
　　圖1.2湖南常德橋南市場(chǎng)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)
　　事實(shí)上，火災(zāi)燃燒過(guò)程所釋放的熱能，一部分會(huì)被房間的四壁所吸收，而更大的一部分卻通過(guò)對(duì)流和輻射被傳播到其他空間中去。例如，火可以通過(guò)外墻板蔓延到其他建筑物上，也可以在對(duì)流和壓力場(chǎng)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(dòng)與傳熱。
　　1.2.1煙氣運(yùn)動(dòng)
　　在建筑物中，火災(zāi)發(fā)生時(shí)引起煙氣運(yùn)動(dòng)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(huì)向上運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為煙囪效應(yīng)。對(duì)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(huì)向下運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(huì)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(huì)向上一層蔓延，這時(shí)在中性面之下部位會(huì)比較安全，不會(huì)受到煙氣的侵害。在逆煙囪效應(yīng)作用下，煙氣運(yùn)動(dòng)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(dòng)方向
　　2.浮升力
　　火災(zāi)時(shí)高溫?zé)煔庠诮ㄖ��?nèi)部的運(yùn)動(dòng)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(dòng)和煙氣濃度被稀釋，浮升力的作用會(huì)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(duì)建筑物內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)會(huì)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(lái)危害。此外，若空調(diào)系統(tǒng)對(duì)著火區(qū)域送風(fēng)，還會(huì)起到助燃作用，增加火勢(shì)。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(huì)經(jīng)常出現(xiàn)熱的傳遞問(wèn)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(dòng)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(duì)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(duì)流傳熱是指依靠流體的運(yùn)動(dòng)，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(wú)相對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)，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(lái)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(zhēng)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(guó)的古籍中，就有關(guān)于春秋戰(zhàn)國(guó)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(kāi)始從建造過(guò)程中注意建筑的防火；但直到近千年以后，才開(kāi)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(wèn)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(guó)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016―2014）[6]從建筑物的耐火等級(jí)、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(lái)講，我國(guó)建筑防火設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題[3]：
　　(1)合理規(guī)劃建筑布局，確定建筑物的耐火等級(jí)。
　　(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(dòng)報(bào)警、廣播和疏散誘導(dǎo)系統(tǒng)。
　　(7)消火栓系統(tǒng)和自動(dòng)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(lái)發(fā)展起來(lái)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(guò)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(lái)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(duì)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(guò)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.
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