1.4 火災科學與城市發展

新型、大型與特殊建筑防火實踐中所反映的問題要求人們更加深入地了解火災的發生、發展規律和特點，并能夠對火災的發展過程給以定量的描述。這種重大的社會需求大大推動了火災科學與消防技術研究的發展。從20世紀中葉起，發達國家越來越重視依靠科技防治火災，有些國家還成立了國家級的火災防治研究機構，在眾多企業和大學中也建立了不同形式的火災科研組織，大批與火災防治相關學科領域的科技人員紛紛加入到火災研究的行列。火災防治也逐漸開始從單純著眼于火災撲救向系統探討火災機理和規律并根據科學理論指導火災防治工作的轉變。通過系統而深入的實驗研究和理論研究，目前已經取得了大量新成果。

1.4.1 火災工程學的發展

1985年，第一次國際火災安全科學學術討論會（The First Symposium of Fire Safety Science）在美國召開，并成立了國際火災安全科學學會（International Association for Fire Safety Science，IAFSS）。在這次會議上正式提出了火災學（Fire Safety Science）和火災安全工程學（Fire Safety Engineering）的概念。與會的許多科學家對于火災研究的一些重要的概念取得了一致意見。目前人們一般認為，這次會議標志著火災科學和火災安全工程學的誕生。

火災安全工程學是在火災學、消防工程和系統安全工程密切結合的基礎上形成的一門應用性很強的交叉分支學科，它運用工程學的原理和方法，對火災的形成與發展過程及其影響進行科學的決策分析。火災安全工程學強調從系統安全的高度出發，綜合考慮各種因素的影響，研究如何實現建筑物（及構筑物）的總體安全，也是建筑物性能化防火設計的基本依據。火災安全工程學的主要目標是：在進行建筑物的設計、使用和管理時，應優先保證人員在火災中的安全，同時考慮如何減少火災的發生和火災造成的損失，防止火災大面積蔓延，最大限度地降低火災對財產、環境和文化遺產的破壞等。從一定意義上說，火災安全工程學重在研究如何運用火災科學的理論知識來解決火災防治工程中遇到的實際問題，該交叉分支學科是“火災科學與消防工程”的應用基礎理論學科。火災安全工程學雖然是為適應建筑防火設計規范改革的需求而發展起來的，但其原理和方法不僅為建筑防火安全設計及相應規范的制定提供了理論依據，而且可以用于火因調查、消防新產品的研制、防火安全教育、消防訓練等方面，因而具有非常廣闊的應用前景。

基于這種研究的需要，火災安全工程學將充分利用火災學的基礎研究成果，但是并不過細地探究某些火災現象的機理；它也討論火災防治技術，但并不具體考慮某些產品的材料、結構或加工細節，而重在了解這些技術在特定火災場合下的適用性。進行建筑物的火災危險分析時需要了解火災發生與發展的規律、火災燃燒產物的性質與煙氣的蔓延規律、火災中人員的行為與安全疏散、主動與被動防滅火對策的作用、火災的特征數據、火災的統計與調查、火災危險性的評估方法、火災防治的有效性和經濟性等方面的問題。自然，人們亦應依據不同的應用對象及層次來確定某一次火災危險分析的重點。

自20世紀80年代提出以后，火災安全工程學很快成為國際火災科學界研究和討論的重點，多年來一直是國際著名火災科學學術組織及其學術會議的主要議題。例如，國際火災安全科學學會（IAFSS）、國際建筑協會（CIB）、國際標準化組織（ISO）、國際火災科研合作論壇（Forum for International Corporation on Fire Research）等莫不如此。可以說，火災安全工程學的形成和發展帶動了火災科學其他領域的研究和發展，是“火災科學與消防工程”學科日臻成熟的重要標志之一。

1.4.2 城市面臨的火災威脅

現代化城市具有生產集中、人口集中、建筑集中、財富集中等基本特點，同時伴有可燃易燃物品多、火災危險源多等現象，這就導致了城市火災損失呈增長趨勢這一世界性的共同規律。

由于人口和各種生產力要素逐步高度集中于城鎮，各種自然災害對城鎮侵襲所造成的經濟損失日趨嚴重。但長期以來，我國對于城鎮抗御災害的問題常局限在個別的自然災害上，而沒有從整個城鎮的規劃、建設和發展的各個環節與不同方面進行系統的技術研究和技術與經濟的綜合研究。因此，城鎮綜合防御自然災害的能力較差，已經構成了對國民經濟和社會發展潛在的嚴重威脅。

由于社會、土地和人口諸多因素的影響，高層與超高層建筑將不可避免地成為我國大城市的主要建筑形式。這些建筑的出現，革新了傳統的施工工藝，推動了社會生產力的發展，但同時也對建筑防火設計和消防滅火工作提出了更高的要求。縱觀世界發達國家大城市的發展過程，可以發現現代建筑的基本發展方向是：①向高層發展，即在節約城市用地的同時，將城市立體化了；②向大規模、復合型方向發展，即將地下的商場、地鐵交通與地面的商業和居住層聯合成一個整體；③向多用途、多功能復合型方向發展，即在同一建筑的同一水平樓層內集社會公眾活動、辦公事務、飲食服務為一體的復合使用功能型；④向大跨度、大容量的建筑方向發展。

從城市防火角度看，我國絕大部分城市普遍存在著以下一些共性的問題：

（1）城市基礎設施差，建筑物本身耐火能力低。我國大部分的城市都是在舊城市的基礎上興建、發展的，歷史遺留下來的簡陋的棚區，手工作坊，各色民居和各類工業、商業建筑高度混雜在一起，立體地展現出這些城市幾百甚至上千年的歷史風貌。這些城市及其老式建筑物普遍沒有或很少有整體防火能力。有人曾形象地描述說某些城市猶如坐落在“火山”上。而相當一部分城市的消防管網設施是幾十年以前建造的，其中一部分已無法正常使用。

（2）建筑密集，規劃布局混亂。城市舊區的建筑密度大，房屋大多是低矮破舊的，幾十棟甚至幾百棟連成一體，建筑之間的通道狹窄，一旦發生火災，消防撲救和人員疏散都是嚴重的問題。城市中的新建筑或是穿插在舊區中，或是相對集中建設，但總是由于各種各樣現實條件的制約而無法保證合理、規范的防火規劃真正得以實施。

（3）管理渠道不暢，全民防火意識差。城市防火規劃管理涉及的單位和部門眾多，現實中所暴露出來的矛盾常常無法找到權威、統一的管理部門予以解決。而在城市中，絕大多數居民的防火意識很差，缺乏最基本的防火、滅火知識和應急處理能力。

（4）生活和生產用燃料成分多種多樣。我國的城市生產和生活用燃料的成分比較復雜地交叉在一起，形成了一種獨特的社會現象。如有用柴草、木炭、煤、液化石油氣、天然氣、油、電等作為基本燃料的，這種無規則的混雜加大了管理工作的困難，增大了火災危險性和控制火災的難度。

（5）建筑電氣火災危險性加大。城市中的老區建筑密集，建筑原有的電線布置本來就不規范，而隨后不斷出現的亂拉亂接現象更把這種混亂推向了極端。許多線路敷設的時間已十分長久，線路絕緣早已老化損壞。而現代家庭電器又不斷地增大用電量，電線超設計負荷現象十分普遍。所以，電氣火災已成為建筑火災的第一成災原因。

（6）城市缺少整體防火體系。到目前為止，國家還沒有系統的可具體操作的綜合防御火災的對策。各部門只能盡其有限能力開展一些局部的研究工作。全國在城市綜合防火能力及防御體系和政策的研究方面還幾乎是空白。

（7）高層建筑帶來新的防火問題。高層建筑內容納的人數很多，垂直撤離距離大，加之火災中人員的恐慌心理，都使安全疏散成為人們首先關注的問題。另外，高層建筑給消防滅火帶來了特殊的困難。當火沿著建筑內空間發展時，消防人員會因煙霧的阻礙和垂直攀登距離過長而延誤時機；當火沿建筑外墻向上蔓延時，消防人員往往會因云梯高度不夠和供水不足而無法撲滅升騰的火焰。

（8）大空間和地下建筑增多。高大空間的公共建筑和地下建筑對防火安全系統提出了特殊的要求。現行的一些常規消防設施基本不能適用這一類建筑的安全要求。而大空間和地下公共建筑一旦出現火災，極易產生群死群傷的嚴重后果。

1.4.3 應重點解決的問題

消防是一項具有永恒性的為全社會服務的工作，它將伴隨著火的存在而永遠存在。隨著社會的發展、人類的進步和城市的變遷，傳統的消防概念和技術被不斷地賦予新的內涵。

新興的高技術使社會日新月異，使城市更加綜合化和立體化。就城市消防而言，應逐步實現以下各點：

（1）建立統一的城市防災救援機制。目前我國城市管理千頭萬緒，所面臨的災難也多種多樣，但基本上各城市都沒有統一的永久性的防災指揮調度中心和集中的機動性很強的專門救災隊伍。根據國外的經驗和國內的實際情況，目前最有可能實現的就是以消防部隊為主體，建立起城市防災統一指揮和救援中心。即現在的消防部隊要實現多專業技能、高人員素質、優厚的生活待遇、精良的救災設備和終身的社會職業化。

（2）建立義務消防救災組織。在自愿的前提下，義務消防隊由適齡青壯年組成。他們要接受專門的滅火救災訓練，并根據居住范圍被編成相應的班、隊。平時他們協助專業消防隊進行宣傳教育和預防災害的工作，如遇火災或其他災害發生時招之即來，并馬上投入搶救、救助等第一線活動中。為了確保義務消防隊的長久性和有效性，國家應在相關的法令中明確其地位，并通過保險和其他社會基金方式為義務消防員建立傷殘保障。

（3）消防滅火指揮高智能化。從防御災害的角度看，現代化的城市又是脆弱的。因為城市聯系的某一鏈環一旦出事，就可能導致全城性的災難后果。因此對火災的撲救指揮就不再是“單點”式的處理了。現代化的消防滅火指揮系統應該具有更多的宏觀性、全面性和多維性考慮。也就是實現高智能化的指揮管理。21世紀的消防控制中心應更多地采用電子工業的最新技術。計算機智能技術的應用將改變和取代傳統的消防思想與做法。各種消防設施和裝備將會被更新的技術所完善。例如，在消防控制中心將裝備大型三維空間的圖像監控設施，以便更準確地了解火災現場及周圍環境；而衛星系統將會及時采集火災現場的資料并指揮撲救工作；紅外觀測儀及有關溫度測量儀將用來遠距離的探測火災現場溫度狀況。

（4）消防裝備現代化。消防裝備的現代化將主要解決兩大問題：一是如何使消防車輛在與火場有一定距離的安全地帶便可高效滅火；二是親臨現場救護的人員裝備有極高安全度的防護設施。例如，人們可設計遙控式的固定滅火導彈，輕便、防毒、耐高溫的消防救護服等。

為了實現迅速、有效搶救的目標，在災害發生時，實施地面和空中結合的立體救災是十分必要的。因此現代消防必須配備空中快速救助系統。

（5）消防隊伍的職業化。消防是一門技術，而且是內涵極廣的一門較高技術。高智力的腦力訓練將在相當程度上取代高強度的體能訓練。因此必須要很好地研究消防體制的問題。世界先進國家的消防隊伍是較為穩定的，一般來說，已實現了消防隊伍的職業化。職業化的體制有利于人才的培養和穩定，有利于高新技術的采用。

（6）救火、救生一體化。由于消防隊特有的準軍事的組織形式和配有的一些專門的設施，所以在國外，消防隊已將火災發生時的救火、救人和平時的救生工作一體化了。即消防隊同時兼有救災救生和幫助市民排憂解難等多項功能。消防隊都配有一般性的救護車輛和器具，并且消防隊員都具有一定的緊急救護知識。救火、救生工作的一體化有助于群眾對消防工作的理解和支持。在我國的一些大城市，市民對消防隊的期盼已經不再僅僅是救火了。

（7）完善社會安全的管理制度。社會安全構成的主要因素為人和物，安全的目標分為宏觀和微觀，安全實現的方法有行政的和經濟的。從現實暴露的問題看，我們常常看重物質條件而忽略人的影響和人的高質量管理。比如我們裝備了現代化的防火設施，但很多人根本不知道它們的用途，而且因缺少有效的日常管理，防火設施在關鍵時刻無法發揮作用。另外，我們的管理主體表現在官方的行政行為上。比如各類消防設施的設計、安裝和保養基本上是政府部門負責。這種管理是必要的，但是單一化的行政管理也導致了消防安全手段在永久性、科學性、有效性方面存在較大的弊端。保險公司用經濟的手段涉入消防安全管理，并在一定的范圍內成為主體，這在世界上是一個通用、有效的做法。隨著我國保險業的發展，我國的社會安全管理體制勢必要走向以經濟維護為主、以行政調整為輔的軌道。

1.4.4 城市防火展望

受各種技術和經濟條件的制約，我國現行的防火規范在科學性和實用性上還有很大的改進與完善空間。

21世紀，城市的防火設計方法和標準、規范應體現出以下特點和內容。

1.統一城市規劃，合理建筑布局

防火規劃應列為城市整體規劃的一部分，對城市舊區采取控制密度、局部拆除、連片改造、遷移危險建筑等做法，使建筑布局的危險性降到最低點。

從發生戰爭、發生地震和火災的綜合角度看，城市防火規劃應充分考慮火災中人員的疏散和避難問題，即在城市街區內和周圍地帶設置若干綠地、廣場及公園以供緊急狀態時人們暫時避難。同時以寬闊、快捷的多條道路與其連成有機的整體，以利于大量人員沿這些路線安全撤離并確保消防道路的通暢。

2.建筑防火設計理念的變革

如果說20世紀的建筑設計主要競爭于造型和功能方面的話，則21世紀建筑設計行業的核心競爭力將體現在預防災害發生上。事實證明，一個精心構思的建筑設計，可以大大降低突發災害對建筑本身和社會造成的經濟損失和危害。新的防災設計理念應體現以下內容。

（1）目標的確定性和方法的多樣性。建筑防災的安全水準和目標應該是明確的和高水平的，即發生災害的概率十分小。但確保安全水準實現的方法則是多種多樣，人們可以運用所有的現代科技手段進行有機的創造性的組合。

（2）人與建筑的互為支撐。建筑的平面構圖和設備為防止災害提供了一個基本條件，但是傳統的設計理念沒有或極少考慮人與這些設施的互動所導致的防災效果。新的設計理念應首先考慮人是否會受益或實現這些防災設計的目標，以及災害發生時，人對各種防災設施的使用、利用的可靠程度。當然也要估計人員錯誤操作的行為對建筑防災體系帶來的嚴重后果。

（3）災害過程的虛擬模擬設計。計算機模化設計就是以數學分析和數理統計方法構成一系列的描述災害過程的數學模型，并利用計算機求解災難全過程所涉及的各種物理參數，進而預言災害所產生的各種環境條件。

虛擬現實是由計算機模擬的建筑三維空間環境，建筑師可以通過計算機進入該場景并能操縱被設計的對象與之交互。人們將最終突破人與人之間、人機之間的語言文字障礙，實現人與機器之間、機器與生物體之間的直接信息交互。

這一綜合技術的最大好處是，設計師和審查部門無需對模化的原理和方法有太多的了解，就能通過虛擬建筑提供的現場感覺，依據有關的建筑知識、技術法規和安全防范設施對建筑物進行有效、合理、經濟的防災安全系統設計。

（4）設計概念和信息將共享。全球經濟的發展可以使人類統一規定一個具體的概念方法，它包括了對建筑設計師及其客戶進行項目設計指導的全部概念和理論。當社會建立了一套有效的溝通機制后，全人類就可以高效、靈活地分享所有的知識、數據和市場信息。從這個意義講，各國各地區的建筑都將同時兼有民族性和國際性的特征。以通信衛星、計算機與寬帶通訊網絡技術為核心的信息技術將在容量帶寬、速度、智能化等方面不斷取得新的進展，這種進展必將為建筑設計理念的革新提供更加堅實的工作平臺。

3.防御城市燃氣爆炸

隨著我國城市建設的發展，燃氣的應用范圍加大，其導致的爆炸火災也隨之增多。因此燃氣防爆應成為城市防火標準和設計的重要內容之一。由于燃氣災害所具有的隨機性特征，因此對這種災害的發生概率的統計和有可能導致的損失狀況進行預測是一件十分重要的工作。就城市燃氣災害防御而言，今后應加強以下工作：

（1）綜合考慮燃氣災害致災因子和承災因子的作用，進行動態評估，真正保障城市燃氣的安全性，為城市燃氣工程的建設提供有效的安全評估與安全咨詢的手段、方法與程序。

（2）把燃氣災害信息輸入城市防災綜合信息系統，繼而擴建成GIS模式的燃氣防災決策支持系統，利用強大的地理信息系統進行燃氣生產、運輸、儲配和使用的管理，提高各個環節的安全性，一旦出現險情，迅速作出反應，努力控制災害損失在最低限度之內。

4.城市生命線工程的設計與監控

現代化的城市是一個復雜的系統工程，各種災害造成的損失大小及對人類生產、生活影響的程度，將主要取決于電、水、氣等生命線和設備系統的抗災能力。我們可以運用GIS和人工智能等現代技術，綜合研究生命線系統的日常管理、工程監控及減災對策，建立和完善適合于區域發展的實用系統，包括成災模型、經濟損失評估模型、日常信息管理系統，提出減輕區域經濟損失的工程手段及對策，為城市建設和經濟的可持續發展提供現代化的管理和決策方法。

城市生命線的安全水準主要依賴于防御水準的級別、綜合設計方法的優劣，以及對生命線工程的檢測、加固修復及應急處理綜合技術的水平。這套技術包括：設計理論的正確、設計方法的優化；管線運行工況的監測與維護；地下管線的防腐處理；地下管線非開挖原位更換及修復等。