浅谈高层建筑的火灾特点及防火设计

浅谈高层建筑的火灾特点及防火设计
摘要：高层建筑规模大、人流多、疏散困难，一旦发生火灾影响面较广，又由于这些建筑物的易燃装修材料多、电气设备多、管线种类多，在超负荷使用或电线绝缘老化损坏情况下，易造成短路而引起火灾事故。

如何在建筑设计中做好高层建筑的防火设计，也成了摆在建筑设计者面前的一个值得思考的问题了。

关键词：高层建筑；火灾；防火设计；
一、建筑火灾温度场的变化过程分析
建筑物，或其中一个局部空间的火灾，一般都经历点燃起火，燃烧蔓延和衰减熄灭等三个阶段，某些情况下，也可能出现火势衰减后又复燃的反复过程，最终，当可燃物质全部烧尽，或者氧气消耗殆尽，或者消防人员的扑救后，火灾终将衰减，以至熄灭。

钢筋混凝土是一种不可燃材料，遭遇火灾后本身不会燃烧发热，火灾对混凝土结构的仅有影响是，其周围高温空气的作用使混凝土逐渐地吸人热量而升高温度，内部形成不均匀的温度分布。

故分析结构和构件温度场的首要条件是了解火灾时结构周围空间的温度变化过程。

图典型的火灾温度时间曲线
一次火灾的典型温度时间曲线如上图所示。

一个空间发生火灾，刚开始时只有少量可燃物在燃烧，局部温度很快升高，发出的热量有限，周围空气的温度很低，燃烧物的发热量很快扩散，火灾温度上升速度慢。

这是火灾的第一个阶段，由于室内空气的温度尚低，构建混凝土背部的温度更低（<300℃），材料的力学性能损失很小，对结构的受力性能影响极小，不致造成明显的损伤。

[1]
随着燃烧时间的延长，燃烧物的增多，释放的热量迅速增加，室内热量的积聚使火灾温度迅速增长，火灾转人第二阶段。

结构在这一阶段内持续快速升温，并达到表层的最高温度，内部温度也不断地升温。

由于混凝土的热惰性，构件沿截面往内温度变形性能等迅速恶化，出现不同程度的损伤，成为火灾时最危险的时间段。

进入火灾第三阶段的初期，虽然空气的温度下降，结构表层的温度不再增高，但温度的绝对值仍高，且经过了较长时间的持续高温，结构性能仍可能继续恶化，损伤加重。

至第三阶段的后期，当火灾熄灭、室内恢复常温后，结构混凝土高温
时的变形不能复原，强度更有所下降；钢筋的屈服强度虽然可以恢复，但高温时的变形不能回复。

故火灾熄灭后，结构有较大的残余变形、裂缝和局部爆裂等严重的损伤现象，结构的剩余承载力远不及常温时的初始值。

二、高层建筑的火灾特点
（一）人员多、疏散难
现代高层建筑的层数多、垂直距离大，内部人员密集，一旦发生火灾，由于人们的本能，逃生和恐慌心理在此时都显现出来，大家都一窝蜂的涌向安全通道，这时极易出现拥挤、踩踏情况，使安全疏散成为一个较难解决的问题。

（二）火灾蔓延快、火势猛
由于高层建筑内井道较多，如电梯间、楼梯间、管道井、电缆井等，一旦起火这些井道犹如一个个烟囱，具有明显的助火效应，它们不仅使大火蔓延途径增多，而且会使火苗、烟气迅速遍及整幢大楼。

[2]
（三）高层建筑火灾持续时间长，危害面大
高层建筑内设备及构件多，加之如果装修材料使用的大量是新型高分子复合材料，就更加重了火灾负荷，同时会产生大量的有毒烟气。

在长时间高温作用下钢筋混凝土构件和钢结构均会因强度和钢度遭受破坏而出现建筑物的局部倒塌，往往会造成更为严重的财产损失和人员伤亡。

现代城市规模日益扩大，人口众多，建筑物密集，发生火灾易波及到周围其他的建筑物。

因此，针对高层建筑的自身火灾隐患特点及与其他建筑物之间的防火安全关系，应对高层建筑进行合理防火设计，以免发生火灾时，造成更大的经济损失和人员伤亡。

三、高层建筑防火设计要点
（一）耐火等级和材料选择
建筑结构常用类型主要包括砌体结构、钢筋混凝土结构以及钢结构。

耐火的能力主要取决于建筑构件耐火极限和材料燃烧性能，根据构件的耐火极限和燃烧性能，可划分为不同的耐火等级。

耐火极限可定义为从构件受火到被破坏(比如失去继续承载能力)时的时间段(以小时计)。

构件材料根据燃烧的性能不同可分为不燃烧体、难燃烧体和燃烧体。

根据《高层民用建筑设计防火规范》，我国目前将高层建筑分为两类: 一类和二类，高层建筑物的耐火等级分为两级: 一级和二级，建筑构件耐火极限和燃烧的性能须高于国家相关规定的规范。

一类高层建筑的耐火等级为一级，二类建筑的耐火等级不应低于二级，裙房的耐火等级不应低于二级，地下室的耐火等级应为一级。

设计阶段中应严格保证建筑物主体的耐火稳定性，以便获得充足的疏散时间，且在火灾过后，建筑物容易修复。

如一级耐火等级的承重墙、柱必须为耐火极限3h的不燃烧体，梁必须为耐火极限2h的不燃烧体，钢筋保护层厚度≥30 mm。

室内装修和陈设家具宜避免使用易燃材料，如采用经过防火处理的吊顶，可有效控制火势的蔓延和减少火灾的发生。

（二）合理设置防火分区及间距
高层建筑防火设计中，建筑设计师首先要考虑的问题是防火的间距和防火分区应该如何设置，科学合理的防火分区可以把火势控制在一定的范围内，从而有效地阻止火势的蔓延，尽可能减少火灾造成的生命财产损失，提供足够的时间给人员逃生、消防扑救。

1、防火间距
指相邻的两栋建筑之间，保持降低火灾热辐射、人员安全疏散和火灾扑救的最小间距。

防火间距应能保证建筑在发生火灾时，其相邻建筑在辐射热作用下，不加任何保护而又不被火侵入。

《高层民用建筑设计防火规范》规定: 高层建筑的主楼与主楼之间的防火间距应≥13 m，主楼与裙楼之间的防火间距应≥9 m。

民用建筑一、二级耐火等级房屋之间的距离应≥6m；高层建筑发生火灾时，疏散困难，云梯车故需要较大的工作空间，因此高层建筑物与一、二级耐火等级房屋的防火距离应≥13 m;当厂房内存放有较多的易燃物时，防火间距也要加大，如规范规定: 一、二级耐火等级的厂房或与民用房屋之间的距离应≥10m；生产或贮存易燃易爆品的厂房或库房，应远离建筑物。

2、防火分区
采用防火分隔措施划分的，能在一定的时间、空间内防止火灾向建筑物的其他部分蔓延的局部区域。

防火分区一般分垂直防火分区和水平防火分区。

垂直分区一般以具有一定耐火极限的楼板及窗墙作为耐火分割，对如中厅、自动扶梯、楼梯、电梯等的贯穿部分，必须有相应的耐火封闭措施。

水平防火分区指用防火卷帘、防火门和防火墙等防火分割设施将各楼层在水平方向上分割出一定面积的防火区域，阻止火灾在楼层方向的蔓延。

[3]防火墙上不应设置除安全疏散门以外的其他门窗洞口，可燃气体管道严禁穿越防火墙; 不能设防火墙的可采用防火卷帘，用水幕保护。

（三）安全疏散
保护人身安全，首先要设计好安全疏散。

高层建筑平时的垂直交通主要是电梯负担，但在火灾时因断电，井道易进烟火伤人及造成蔓延而不能使用，楼梯则成为主要的疏散通道。

其布置要满足双向疏散要求，设前室防烟且必须封闭处理好，满足建筑防火规范上对安全疏散提出的要求。

另外，根据建筑的使用性质，室内可燃物的数量和性质，装修和陈设，建筑结构布局等具体情况，估计火灾时烟气的流向，烟、毒气以及缺氧条件达到危险程度的时间，决定加强安全疏散措
施，考虑在适当地点设置避难层、避难室。

（四）火灾自动报警系统和自动灭火系统
1、高层建筑报警系统主要包括人工报警和自动报警系统2种，前者以电话、报警按钮为主要设施，简便经济但不准确及时。

后者主要包括探测器、区域报警器及集中报警器3个部分，其中探测器又主要包括感温探测器和感烟探测器。

感温探测器主要用于地下车库等火灾发生后产生烟少的部分，感烟探测器则反之。

另外消防中心作为整个火灾过程中的指挥、控制中心，管理着高层建筑内分散各处的警报装置、灭火装置、防火门、排烟机等设备，宜尽量布置在首层且与室外联系方便，接近消防车道之处，该中心应以耐火的墙体及防火门围护。

2、高层建筑灭火系统。

高层建筑火灾必须立足于自救，因此灭火设备极其重要。

初期灭火主要采用自动喷水(气、泡沫)灭火设备和手动灭火设施，前者包括闭式和开式两种给水方式，具体选择根据地区气候特点及建筑功能部分的性质决定。

（五）防排烟方面
火灾中的烟气具有极大的威胁性。

据统计，建筑火灾死亡人数中，约有60%系被烟熏死。

故在火灾时，有效地控制建筑物内部烟气的流动，是减少和避免人员伤亡的一个重要措施。

排烟分自然排烟和机械排烟两种排烟方式。

楼梯间靠外墙时可通过窗或阳台自然排烟；设于内部时，应采取强力加压或在前室设强制减压机械排烟或设竖井自然排烟。

楼梯间的墙和门都要求具有良好的密闭性。

每层走道内设常闭排烟口，万一有烟气从着火房间窗口窜入走道，可及时打开排烟口，将烟气排开。

参考文献
[1]GB50045-95高层民用建筑设计防火规范（2005年版）[S].中国建筑工业出版社，2005.
[2]丁承.高层建筑防火设计浅析[J].价值工程，2011.21.
[3]范恩强，张自军，化明明.谈建筑防火设计方法的发展趋势[J].安防科技，2006.4.。