一、建筑防火設計

建筑火災坍塌原因與預防對策研究

崔高超

（山東省臨沂市消防支隊，山東　臨沂）

摘要：通過對1990年以來的建筑坍塌事件進行分析，得出基于建筑結構、建筑層數和建筑使用性能的建筑坍塌規律。并根據火災條件下建筑坍塌情況分析了引起建筑坍塌的原因，最后根據建筑坍塌原因，從防火設計方面針對性地提出了防止火災條件下建筑發生坍塌的措施，最大限度地降低建筑坍塌事件發生，有效的保護人民的生命財產安全和救援人民的生命安全。

關鍵詞：火災；建筑坍塌；坍塌特點；坍塌原因；預防對策

1　引言

近年來，建筑火災發生的頻率逐漸升高，建筑坍塌作為建筑火災主要的次生災害，對人民的生命財產安全和救援人員的生命安全構成了嚴重的威脅。自1990年以來，全國共發生建筑火災坍塌事故23起，共造成58名消防人員犧牲，幾乎為火場犧牲消防員的三分之一。如2005年8月2日，安徽蒙牛乳業馬鞍山有限公司北庫發生火災，在搜救火場被困人員時，鋼結構屋頂發生整體坍塌，造成3名消防員犧牲。2013年10月北京市石景山一商場發生火災，在救援過程中商場附屬建筑屋頂發生坍塌，造成兩名指揮員犧牲；2014年2月6日，上海一倉庫發生火災，在進行余火清除時，倉庫南部部分突然發生整體坍塌，造成2名消防人員犧牲；2015年1月2日，哈爾濱一倉庫發生火災，在救援過程中，倉庫上層的居民樓發生局部坍塌，造成5名消防員犧牲。

筆者對近年來典型的建筑火災發生坍塌情況進行了匯總，如表1所示^［1～3］。

由表1可知，建筑發生火災后，由于火場燃燒和高溫作用，建筑結構會發生整體或者局部坍塌，從而造成大量的財產損失和人員傷亡。此外，一旦建筑物發生坍塌，會加快火災蔓延速度，對現場救援人員生命安全造成嚴重威脅。因此，研究建筑火災坍塌的原因和規律，并提出相關預防建筑火災坍塌，具有十分重要的作用和意義。

2　建筑火災倒塌事故分析

筆者對1990年以來的24起建筑火災倒塌事故進行了事故分析，分析發現發生坍塌建筑大致可以分為鋼結構、鋼筋混凝土結構、磚混結構、磚木結構、木結構等幾種類型。鋼結構倉庫火災發生坍塌頻率最高，坍塌數量為11，占總體的46％，且多為整體坍塌。如安徽馬鞍山蒙牛乳業即為鋼結構倉庫，在火災發生1h后，整體發生坍塌。其中鋼筋混凝土結構倒塌數量為6件，占總數的25％，多為局部坍塌。如上海雷得盛奎火災，在火災發生5h后，主梁發生坍塌。磚混結構建筑建筑火災坍塌數量為4，占總數的17％。如衡陽大廈火災和哈爾濱北方陶瓷火災均為磚混結構。磚木和木結構坍塌數量為2，占總數的8％。如遼源中心醫院火災，發生火災數小時后，屋頂發生坍塌。未知結構的為1，占總數的4％。坍塌情況如圖1所示。

在所收集到的坍塌案例中，坍塌建筑大部分為10層以下建筑，其中4層以下建筑坍塌數量最多，占總數的54.2％，如鋼結構倉庫火災均為4層以下建筑發生坍塌；4～8層的坍塌數量為10，占總數的41.6％，如衡州大廈火災、北京石景山商場火災均為4～8層建筑；在收集到的建筑坍塌案例中，高層建筑僅為1個，占總數的4.2％。即為甘肅蘭州蒙娜麗莎影樓在火災，在燃燒1小時后，外墻開始發生部分坍塌。因此，消防隊員在滅火戰斗時，應該時刻注意工業廠房和多層民用建筑發生坍塌的可能。

坍塌建筑按照用途大致可以分為辦公樓、住房、商業建筑、商住樓、廠房、商住樓、廠房庫房7類建筑。根據統計結果發現，建筑火災發生坍塌的數量以廠房庫房和商業建筑居多，占總數的59％和21％，究其原因主要是商業建筑火災荷載較大，在經過長時間燃燒后，有發生坍塌可能，廠房庫房一般為鋼結構，鋼結構在火災作用下極易發生坍塌。然而辦公室、學校、住房等因氣火災荷載較小，內部可燃物較少，因此在火災發生后，不易發生坍塌。具體情況如圖2所示。

3　建筑火災坍塌原因分析

火災中有很多原因可以造成建筑物坍塌，這些因素有的單獨起作用，有的則是互相影響，因此建筑在火災中發生坍塌是一個復雜的過程，即由建筑承重結構損壞，建筑物耐火極限低的內在原因，也有因消防射水造成的冷熱驟變及其附加水漬荷載的影響^［4～6］。

3.1　高溫作用破壞承重構件穩定性

建筑不管是木結構、磚混結構、鋼結構還是鋼筋混凝土結構，建筑內部承重構件在火災長時間的高溫作用下，均會失去穩定的支撐能力和完整性，從而發生坍塌。鋼結構建筑的耐火極限不到20min，一旦局部遭到破壞便會造成整體坍塌，并且坍塌后的鋼結構無法二次使用。木結構或者磚木結構在火災作用下，承重構件會迅速炭化，導致荷重斷面縮小以致失去穩定性發生坍塌。磚混結構建筑在高溫作用下內部結構發生變形開裂，起黏性作用的水泥在高溫下發生不可逆收縮粉化，磚混結構因磚石砌體的完整性遭到破壞而發生坍塌。鋼筋混凝土結構鋼筋強度在高溫作用下逐漸下降，當結構發生脆性變化時，坍塌就會出現。

3.2　違規設計，違章施工，增加建筑安全隱患

調查建筑著火和發生坍塌原因發現，這些建筑存在違規設計、違章施工和違規使用的現象。有的在開工建造時候，隨意更改建筑承重構件、承重能力和耐火極限；有的不按照圖紙進行建造，隨意增加建筑面積；有的在建造過程中使用不符合國標標準的建筑材料；有的隨意移動建筑承重結構位置；有的隨意更改建筑使用性能等，增加了建筑內部火災荷載，這些違規設計、違章施工和違規使用現象給建筑帶來了極大的火災隱患。

3.3　爆炸、震動、沖擊等外力因素破壞建筑承重構件

爆炸、震動和沖擊往往會導致著火建筑發生坍塌，這些外在影響因素一般不是獨立作用，而是組合在一起共同發揮作用。例如，爆炸往往伴隨著震動和沖擊；在滅火戰斗中，根據滅火需要往往需要破拆，然而不恰當的破拆，會沖擊建筑承重結構而發生坍塌；此外，破拆時使用的挖掘機、推土機等大型機械也會造成震動，導致著火建筑坍塌。當建筑上部由于高溫作用發生坍塌時，上層坍塌時產生巨大的沖擊會引起下層結構發生坍塌。

3.4　附加荷載超過建筑承載能力

當著火建筑內部存放大量吸水性物質時，例如海綿、棉花等，導致滅火用水不能及時排出，這些吸水性物質便會大大增加重量，此外內功滅火時，進入火場滅火戰斗員過多時，也會導致建筑荷載增大。在一些寒冷的地區，滅火戰斗的消防射會迅速結冰，這也增加了建筑荷載。在進行消防射水時，消防水炮的巨大沖擊力加之建筑承重構件的冷熱驟變會破壞鋼筋混凝土的保護層，使得鋼筋在火災直接作用下迅速失去強度，導致建筑坍塌。

3.5　消防設施不健全

市郊工業化、城鎮化步伐加快，而市政消防栓市政道路同步建設，消火栓和布局都存在不合理的問題，消防官兵不得不跑到臨近的河道取水滅火，延誤了滅火時間。著火建筑在長時間高溫火災作用下，增加了坍塌的風險。有的建筑，消防自動報警、自動噴淋設施等要靠沒有按照規程設置在自動啟動狀態，導致火災情況下不能及時啟動，北京石景山喜隆多商場便是擅自改成了手動狀態，在發生火災時，述值班人員始終沒有啟動這個系統，長時間燃燒導致建筑發生局部坍塌。有的建筑甚至沒有安裝自動噴淋系統，導師火災蔓延擴大。

3.6　社會單位消防安全防控執行力差，缺少監管機制

一些執法人員存在監督執法疏漏，存在未通過消防驗收，開發商便把建筑所有權出售給商戶，主題產權市場變更個體多產權市場，加之一些市民消防安全意識薄弱，為了商業利益，占用市場所有空間，甚至消防通道。社會單位消防安全防控執行力差，缺少監管制，多產權市場的特殊性增加了消防監督執法的難度，存在封門封不掉、處罰無主體、整改無資金的問題。這種監管缺失的形象無形之中增加了建筑安全隱患，如哈爾濱陶瓷廠火災便是由于缺少監管機制導致。

在加大違章建筑清理整治的同時，要加強市郊消防基礎設施建設。凡是市政道路缺消防水源的，要補建市政消防管網；天然河道沒有取水碼頭的，要增設消防車應急泊位；成片開發區缺乏消防水源的，要補建市政消防管網或消防水池，進一步加強市郊市政道路建設和危橋改造。

4　預防建筑物坍塌對策

4.1　優化建筑耐火設計，提高建筑耐火性能

根據相關構件在建筑中的作用確定耐火能級，并根據有關國家消防技術規范要求，合理地進行構件的組合，優化各個構件建筑耐火設計，保證和提高建筑結構的穩定性、完整性、隔熱性，全方位的提升建筑耐火性能。鋼筋混凝土構件可以通過適當增加構件的截面積和外圍保護層厚度增加其穩定性；一些耐火等級高的建筑盡量不選用預應力構件。鋼結構可以在外層設計保護層和冷卻降溫的方式提高其耐火性能。

4.2　大力推進建筑性能化防火設計

很多建筑火災發生坍塌是因為建筑內實際火災荷載較大，火災燃燒時間過長造成的，我國現有的防火設計方法是基于構件耐火極限而設計的。實際情況下，建筑內部的火災荷載，建筑通風排煙情況往往與設計不符，這就造成對建筑耐火極限判斷不準，對建筑抗燒性能預測不準。因此，必須大力推進建立以人員安全逃生和結構性能優化為出發點，以更加經濟、生命損失最小為目的的性能化防火設計，具體問題具體分析，動態關注室內火災荷載變化、重大安全隱患及其建筑構件薄弱環節。

4.3　嚴格按照規范安裝自動噴水滅火系統

自動噴水滅火系統可以有效地撲滅建筑初期火災，防止火災蔓延，最大限度地減少火災蔓延損壞承重構件引起的坍塌。自動噴水滅火系統可以有效地降低室內溫度，從而防止轟燃發生。自動噴水滅火系統在一定程度上還可以對建筑承重構件進行有效冷卻，避免承重構件因高溫而被損壞，有效提高承重構件的穩定性。

4.4　優化建筑設計，提高施工質量

優化建筑設計主要包含消防設施設計和建筑耐火性能設計。在進行消防設施設計時，據實際需求，合理進行消防基礎設施建設。凡是市政道路缺消防水源的，要補建市政消防管網；天然河道沒有取水碼頭的，要增設消防車應急泊位；成片開發區缺乏消防水源的，要補建市政消防管網或消防水池，進一步加強市郊市政道路建設和危橋改造。施工建筑時，要選用規范要求的建筑材料，根據設計耐火極限進行建筑，有關部門應加強監督，堅決杜絕偷工減料，偷梁換柱、降低建筑質量的行為出現。

4.5　加強建筑使用性能執法檢查，依法落實安全責任制度

嚴格按照建筑原有設計性質進行作業，堅決杜絕變更建筑使用性能情況的出現。加大建筑使用性能執法檢查力度，限制商住樓和經營樓儲存物品的數量和類別，禁止易燃可燃裝修，嚴禁擅自擴大經營面積和倉庫面積，依法落實消防安全責任制度，增強全面消防安全意識。需要更改建筑使用性能的，必須報請公安消防部門審查，經審查合格后方可變更。

4.6　提高市民防災意識，強化社會單位消防安全防控執行力

火災隱患時動態的人為干預可能只集中在一些重點單位，但一般來說，重點單位發生火災的概率很小。由此可見，人為干預火災發生概率的真實性是未知的，對于消防安全來說，重要的不是干預而是提高市民的防災意識，社會單位消防安全防控的執行力。

5　結論

火災條件下的建筑坍塌是一種復雜的次生災害，是火場中多因素共同作用的結果。因此，要防止火災條件下發生坍塌造成人員傷亡的情況發生，必須從消防防火設計和消防滅火兩方面出發。本文從防火設計方面出發，提出通過優化建筑耐火設計、大力推進性能化防火設計、安裝自動噴水滅火系統、優化建筑設計和提高建筑質量、加強建筑使用性能檢查、提高市民防災意識六個方面，有效地預防火災條件下建筑坍塌的發生。

參考文獻

［1］　李耀莊，李昀暉.我國火災坍塌事故調查.消防科學與技術，2006，25（5）：694-696.

［2］　李耀莊，李昀暉.中國建筑火災引起坍塌事故的統計與分析.安全與環境學報，2006，6（5）：133-136.

［3］　高傳貴.淺談火場建筑結構倒塌的規律及預防官兵傷亡對策.消防技術與產品信息，2014（7）：57-60.

［4］　孫文海，朱飛勇.火災引發建筑坍塌預防對策探討.武警學院學報，2014，30（4）：69-72.

［5］　萬紹杰.建筑耐火設計與火災坍塌的預防.廣西民族大學學報（自然科學版），2006（9）：137-140.

［6］　熊浩飛.建筑火災坍塌事故的成因及預防對策.南昌高專學報，2007（3）：113-116.