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高层建筑设立防火安全疏散通道的必要与可能

继中央电视台新台北配楼发生至1人死亡的高层建筑火灾之后,上海在2010年又发生了高层公寓楼火灾,并造成了58人死亡的严重后果,给人民的生命财产造成了无法估量的损失。由此可见,在高层建筑的火灾事故中,如何设立安全的疏散通道,保障楼内人员的安全疏散,是当前高层建筑防火安全工作中需引起高度关注并认真研究和及时解决的问题。



一、高层建筑的出现是现代城市发展的必然



我国的高层建筑始于20世纪50年代,香港在20世纪50年代初就建成了当时最高的康乐中心大厦。我国内地的高层建筑始于20世纪60年代建的广州宾馆。以后高层建筑不断涌现。



随着世界经济发展的加快,城市人口快速增长,城镇土地资源紧缺,迫使城市建筑向高空发展。科学技术进步也推动了建筑技术的发展,新材料、新技术、新设备、新工艺的不断涌现,使人们在高层建筑居住和工作成为可能。



我国人多地少,在大力改善人们居住条件的同时,必须兼顾节约土地的原则。我国政府相继出台了有关政策,并采取果断措施制止耕地锐减和非法多占、乱占耕地。尤其在大中城市,应特别注重挖掘城市内部潜力,提高土地利用率。因此在大中城市有计划地发展高层建筑,特别是高层住宅,既符合节约用地的要求,也有利于提高住宅档次,提高居住质量。从另一方面来看高层建筑还体现了一个国家或一个城市的综合经济实力和建筑技术总体水平。

在这种政策导向的引导下,我国城市化建设的进程向前不断推进,城市中的高层建筑不断涌现。



超过一定高度和层数的多层建筑被定义为高层建筑。我国自2005年起规定超过10层的住宅建筑和超过24米高的其他民用建筑为高层建筑。层数30层或高度100米以上的高层建筑为超高层建筑。



北京目前已有高层建筑848余栋,30层100米以上的超高层建筑58座,最高的国贸三期高度已达329.9米。



二、高层建筑中灭火救援工作的难点及烟气危害



高层建筑的最大特点就是,建筑物内人员相对集中,一旦遇到各类灾害,人员疏散相对比较困难,在一般建筑中很普通甚至不成问题的问题,到了高层建筑中都成了特殊问题,而且消防问题是最可怕的。且不说高层建筑对电力系统的高度依赖,高层建筑有大量纵深的楼梯间、电梯井、管道井、风道、电缆井、排气道,如果防火分隔存在问题,起火后将像一座座高耸的烟囱。1座100米高的高层建筑,在无阻挡的情况下,烟气只用半分钟就能顺着竖向管井扩散到顶层,速度约为水平方向的10倍以上。而目前国内所具备的针对高层建筑的灭火和救援手段还相对缺乏,主要针对高层建筑施救的云梯车是一种特种车辆,在高层楼宇火灾中的主要作用是灭火、靠近窗台或建筑物救人、或通过云梯向楼内运送器材和装备。目前世界上伸展高度最高的云梯车已突破100米,而国内目前配备的云梯车升高高度一般60米左右,消防水枪喷射灭火的高度也基本局限在60米左右。像上海这次的公寓楼大火,在燃烧高度超过60米以后,外部的灭火和救援方式就基本失效了。



火灾的危害是不言而喻的,特别是高层建筑的火灾,它可能造成重大的人员伤亡和巨大的财产损失。而在火灾伤亡中,由火灾烟气造成的伤亡又占相当的比例。因为火灾中产生大量的烟气和热量,会直接影响到楼宇内人员的安全疏散和扑救工作的进行。根据日本、英国的火灾统计资料中对火灾死亡人数的具体情况分析,被烟熏死的占比例较大,最高达78.9%。在被火烧死的人数中多数也是先中毒窒息晕倒后被火烧死的。例如:日本“千日”百货大楼火灾,死亡118人中就有93人是被烟熏死的。美国米高梅饭店火灾,死亡的84人中有67人是被烟熏死的。



三、高层建筑火灾中烟气的流动规律



为了防止烟气对高层建筑物内的人员造成伤害,就要首先了解烟气在建筑物内的流动规律,特别是在发生了火灾的高层建筑物内的流动规律。



影响建筑内部空气流动的主要压力有:室外与建筑内部竖井间的热压、室外风压、火灾期间产生的火风压。



由流体力学能量方程理论可知:流体总是从总能量(或总压力)大的断面,流向总能量(或总压力)小的断面;流体间各种压力是可以相互转化的。热压是由于室外空气温度与建筑内部竖井空气温度不同,造成的室内外空气密度不同,在同一水平面产生的静压差。或者说是由于室内外空气温度不同形成的浮力作用,在同一水平面产生的静压差。热压是各层面室内外空气渗漏及空气沿建筑层面流动的主要动力之一,浮力是造成空气垂直上升流动的主要动力。



室外风压属流体宏观定向运动产生的动压,是有方向性的。室外风压是空气渗漏及空气沿建筑层面流动的又一主要动力,室外风压随高度变化而变化。



火风压是由于火焰上方高温烟气与周围空气之间的温度不同形成的浮力作用产生的,火风压是空间烟气对流流动的动力,其不影响门窗缝隙渗入或渗出的绝对空气量。浮力作用增加了空间压力的不均匀性,上部空气压力增大,下部空气压力减小。但浮力不能使整个空间压力增加,整个空间的压力增加是由于空气温度上升引起的。高温烟气沿顶棚水平扩散运动主要由于浮力作用使高温烟气以一定的速度上升,遇顶棚产生冲击,转变为水平运动。高温烟气沿门窗开口或缝隙的上部外逸的现象和外部空气沿门窗开口或缝隙的下部深入火灾房间的现象,则是由于高温烟气体积膨胀力和浮力的共同作用。



火灾烟气上升流动的动力是浮力,在没有室外风力或机械风压干扰的情况下,会一直上升到顶棚,然后向四周扩散。而且上升过程中会不断卷吸周围空气,决不会中途外逸扩散,这足以说明浮力产生的流速的作用。而且由于可燃物的不断燃烧,不断产生高温烟气,燃烧过程就好像一台不断运转的小型“风机”,源源不断地为高温烟气上升和沿顶棚的水平扩散提供动力。



由于火灾引起的空气温度变化而产生的火风压,其只能引起空间内部空气或烟气作对流流动,属内部作用力,只能引起局部部位空气流动方向及流量的改变,而对空气在建筑内部总体流动方向及绝对流量的大小不产生影响。但是,一旦高温火灾烟气进入建筑竖井通道,就会引起建筑热风压大小的变化,此时空气在建筑内部总体流动方向及绝对流量的大小均有可能发生变化。



由此不难看出,在高层建筑中空气不是静止不动的,受室内外温度不同形成的压力差的影响会水平运动,在竖井通道内,会在浮力作用下垂直上升流动。而在火灾事故中,造成火势迅速蔓延的主要原因就是当高温火灾烟气进入建筑竖井通道,将引起建筑热风压大小的变化,此时空气在建筑内部总体流动方向及绝对流量的大小均有可能发生变化,直接后果就是火势借助竖向管道迅速向上蔓延,迅速蔓延烧至整个大楼。



四、高层建筑火灾蔓延的主要通道及控制



根据国内外高层建筑火灾案例的经验教训,当高层建筑发生火灾时,由通风、空调系统的风管引起火灾迅速蔓延造成重大损失的案例是很多的。如韩国汉城“天然阁”饭店火灾,从二层一直烧到顶层(二十一层),死伤224人。其中的一条经验教训是大火沿通风空调系统的管道迅速蔓延。又如美国左治亚州亚特兰大文考大饭店的火灾,起火地点在三层走道,建筑物内的可燃装饰物几乎全部烧毁,死伤220多人,最主要的教训也是通风空调系统的竖向管道助长了火势的蔓延。由此可见通风空调系统风道是高层建筑发生火灾时是火灾蔓延的主要途径之一。



而为了防止空调管道成为火灾蔓延的主要通道,目前西方发达国家已研究出了非常科学合理的利用空调系统在火灾发生时阻止火势蔓延的综合空调防烟系统。如美国的某著名大楼的防排烟系统采用了计算机控制,当收到烟气或热感应器发出的信号后,计算机立即命令空调系统进入火警状态,火灾区域的风机立即停止运行。空调系统转而进入排烟运作,非火灾区域的空调系统继续送风并停止回风和排风,使非火灾区域处于正压状态,以阻止烟气的侵入。这种防排烟系统对减少火灾的损失是很有效的。



但是这种系统的控制和运行需要先进的控制设备及技术管理水平,投资也比较高,目前我国的经济技术等条件还较难达到,因而我国目前采取的空调防火安全措施,还是在空调和新风管道中预设安装防火阀门。一旦发生火灾,消防报警主机会自动发出阀门关闭的信号,关闭阀门以阻止烟气顺管道流动,阻断烟气的扩散。阀门上还安装有温控关闭阀门的开关,一旦风道内的温度达到预警温度时,阀门也会自动关闭。阀门上还设有手动关闭装置,以保证在系统控制和温度控制都失效时也能及时关闭阀门,有效地控制烟气的扩散。



高层建筑中的其他多数管道井如高低压电缆井、水管道井,布设各种信号传输线的线缆井等等,按防火安全规范的要求,层与层之间都有防火隔断,已分隔成每个楼层的独立房间,而为穿线缆预留的孔洞和一些小的缝隙也要用阻燃材料填充,不能在火灾发生时成为烟气流动的通道。



五、利用防排烟系统保障高



层建筑疏散通道的安全高层建筑中的电梯井和楼梯间是硕果仅存的贯通全楼的竖向通道。而楼梯间是高层建筑内部人员唯一的垂直疏散通道。为了防止楼梯间在火灾发生时,烟气对疏散人员造成伤害,阻碍楼内人员安全撤离,就必须把楼梯间设置成防烟楼梯间。



在高层建筑内设置的电梯中,为防火安全工作的需要,要求专设若干部为消防电梯。消防电梯在没有人员使用时要求自动返回一层等候,当发生火警时,消防电梯应立即降至一层。消防电梯平时一般与客梯等工作电梯兼用。



而在火灾事故中,普通客梯还不能作为垂直疏散工具使用。其原因是普通电梯运行的电梯井无法防烟,会助长烟火扩散蔓延,还有在火灾中普通电梯的电源无保障。因为发生火灾时,消防人员必须切断一切正常工作电源,启用应急电源。其次,电梯的疏散能力有限。发生火灾时,电梯一次只能载运十几个人,其余人还要等候,这样会延误疏散时机。再次,如果电梯发生机电故障(或停电),疏散人员就会被困在电梯轿箱之内而无法脱险。给救援造成更大的困难。



因而设置专用的消防电梯很有必要。消防电梯的主要作用是:供消防人员携带灭火器材进入高层灭火,抢救疏散受伤或老弱病残人员,避免消防人员与疏散逃生人员在疏散楼梯上形成“对撞”,既延误灭火战机,又影响人员疏散,还可以防止消防人员通过楼梯登高时间长、消耗大、体力不够,不能保证迅速投入灭火工作。



为了疏散和扑救的需要,必须确保在疏散和扑救过程中防烟楼梯间和消防电梯井内无烟。首先要在建筑布局上对防烟楼梯间及消防电梯设置独立的前室或两者合用前室。设置前室的作用:1.可作为着火时的临时避难场所;2.阻挡烟气直接进入防烟楼梯间或消防电梯井;3.作为消防员到达着火层进行扑救工作的起始点和安全区。



为了确保防烟楼梯间和消防电梯前室,不受火灾烟气的侵扰,就要为该区域设置防排烟设施。防排烟设施主要由两部分组成,一是排烟系统,二是正压送风系统。



设置排烟系统的目的,是因为火灾中烟气对人的伤害是最大的。烟是由物质燃烧产生的云状物质,它的主要成份是过热的无色气体(如空气、CO、CO2、HCN、NO2、H2S等),还有大量凝聚成不透明的云状的弥散蒸气细滴和弥散的固体微粒。烟对人的危害主要表现为三方面:一是不透明的固体微粒和蒸汽细滴降低了能见度,刺激人的眼睛,从而妨碍人们从火中逃出和施救工作的开展。二是现代化高层民用建筑可燃的装修、陈设较多,还有相当多的高层建筑使用大量的塑料装修。化纤地毯和用泡沫塑料填充的家具,这些可燃物在燃烧过程中,会产生大量有毒烟气和热量,同时消耗大量的氧气,高浓度的有毒气体使人中毒昏迷以至死亡。如火灾中CO、CO2、HCN、NO2、H2S的含量远远大于正常值,高浓度毒气是火场中使人致命的主要原因,其中由于CO致死的人数占死亡人数的40%。三是大量烟的存在造成空间局部缺氧,使人窒息而导致人体机能显著衰退,在火场中的能动性大大降低。因而在发生火灾的高层建筑物内烟气应迅速采取必要的防排烟措施,对火灾区域实行排烟控制,使火灾产生的烟气和热量能迅速排出,以利于人员的疏散和火灾的扑救。



设置正压送风系统的主要目的,是为了在建筑物发生火灾时,提供不受烟气干扰的疏散路线和避难场所,要使消防电梯前室内的空气压力高于相临区域的空气压力,保障前室内不会受到烟气的侵扰。因此加压部位必须使关闭的门对着火楼层保持一定的压力差,同时应保持正在打开加压部位的门时,在门洞断面处有足够大的气流速度,能有效地阻止烟气的入侵,保证人员安全疏散与避难。



为了保持防烟楼梯间和消防电梯前室内的正压压力,和对烟气的隔绝,前室与走廊间要设置防火门。传统防火门由闭门器控制,日常保持常闭状态,人员出入后,门在闭门器作用下随即关闭。这种设置的缺陷是,长时间使用后,容易造成闭门器的损坏,到需要隔断烟气时反而无法紧闭防火门。在日常使用中,还有人会感觉防火门保持常闭状态,进出很不方便,常会人为的将门用东西别住,保持常开状态,这样一旦发生火警时,防火门将无法自动关闭,都将使防烟前室内无法保持无烟状态,给建筑内的人员撤离带来危害。



为了解决这个缺陷,目前已开始采用防火门在日常使用时保持常开状态的设计。闭门器增加了电动控制装置,实现了与消防自动报警系统的联动。一旦发生火警,消防主机会发出闭门信号,控制防火门自动关闭。



闭门器上也设有手动关闭装置,在必要时也可手动关闭防火门。减少了日常维护的成本,也保障了在一旦出现火警时的防火门的及时关闭和疏散安全。



六、紧急广播系统在安全疏散中的特殊作用



在高层建筑安全疏散工作中,必须设置的另一个重要设备,是消防广播或紧急广播系统。消防广播或紧急广播系统,已经作为消防报警系统的基本配置成为消防报警系统中的重要组成部分。



紧急广播系统在火灾发生时主要起到发布建筑物内发生火灾事故的信息,指挥和引导建筑物内的人员安全有序地撤离危险区域。在设置消防报警系统的监控室内,值班员是通过监控室内的各套监控系统。掌握楼宇内灾害状况的专业人员。值班员可以利用紧急广播系统有效的提供疏散的最佳路线和方式,可以有效的安抚被困人员的恐慌心理,减少不必要的恐慌,防止踩踏事故的发生。监控室在灾害发生后,还要作为救灾的临时指挥中心,指挥者要随时掌握灾害情况的最新动态,和楼内人员的疏散情况和被困信息。



在上海致58人死亡的高层建筑火灾事故中,从大火初起时至整座大楼被燃着,中间有很长一段时间的间隔。而在这个时间段里,很多人是可以安全顺利地撤离出大楼的。很多人由于信息不畅,没有能够及时了解到危险的临近,以至于错过了最佳的撤离时间。这充分说明,在重大灾害事故的救援中,有关信息的及时准确地发布,对引导被困人员安全撤离危险区域,减少灾害造成的人员伤亡是极其必要的。



在日常的工作中还要定期安排在灾害发生时的人员安全疏散的演练工作,使高层楼宇内的人员能准确地知道,自己日常所处位置与安全疏散通道口的相对位置。充分了解一旦发生灾害事故时,能准确地把握正确的撤离方向,在最短时间内撤离到安全疏散通道内并安全的撤离到建筑物外。按防火安全规范要求,建筑物内还要安装低位防火安全疏散指示标志,这也是根据火灾中烟气往上浮动的规律,位置越高烟气越浓,对人的危害也越大。因此,在安全疏散时,要尽量降低身位,以便减小烟气的危害。这也是疏散标志要设在较低位置的原因。如果做好了上述各项工作,就能最大限度地减少在高层建筑物内发生各种灾害事故时人员的伤亡,保障高层建筑物内有一个安全的工作和生活的环境。



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