建筑火災(zāi)蔓延的機理與途徑

1、建筑火災(zāi)蔓延的機理與途徑 通常情況下，火災(zāi)都有一個由小到大、由發(fā)展到熄滅的過程，其發(fā)生、發(fā)展直至熄滅的過程在不同的環(huán)境下會呈現(xiàn)不同的特點。本節(jié)主要介紹建筑火災(zāi)蔓延的傳熱基礎(chǔ)、煙氣蔓延及火災(zāi)發(fā)展的幾個階段。 一、建筑火災(zāi)蔓延的傳熱基礎(chǔ) 熱量傳遞有3三種基本方式，即熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。建筑火災(zāi)中，燃燒物質(zhì)所放出的熱能通常是以上述三 種方式來傳播，并影響火勢蔓延擴大的。熱傳播的形式與起火點、建筑材料、物質(zhì)的燃燒性能和可燃物的數(shù)量等因素有關(guān)。 （一）熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱，屬于接觸傳熱，是連續(xù)介質(zhì)就地傳遞熱量而又沒有各部分之間相對的宏觀位移的一種傳熱方式。從微觀角度講，之所以發(fā)生導(dǎo)熱現(xiàn)象，是由于微

2、觀粒子(分子、原子或它們的組成部分)的碰撞、轉(zhuǎn)動和振動等熱運動而引起能量從高溫部分傳向低溫部分。/在固體內(nèi)部，只能依靠導(dǎo)熱的方式傳熱;在流體中，盡管也有導(dǎo)熱現(xiàn)象發(fā)生，但通常被對流運動所掩蓋。不同物質(zhì)的導(dǎo)熱能力各異，通常用熱導(dǎo)率，即用單位溫度的梯度時的熱通量來表示物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。同種物質(zhì)的熱導(dǎo)率也會因材料的結(jié)構(gòu)、密度、溫度、溫度等因素的變化而變化。常用材料的熱導(dǎo)率見表1-2-1。 對于起火的場所，熱導(dǎo)率大的物體，由于能受到高溫作用迅速加熱，又會很快地把熱能傳導(dǎo)出去，在這種情況下就可能引起起沒有直接受到火焰作用的可燃物質(zhì)發(fā)生燃燒，利于火勢傳播和蔓延。 （二）熱對流 熱對流又稱對流，是指流體各部分之

3、間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混引起熱量傳遞的方式。熱對流中熱量的傳遞與流體流動有密切的關(guān)系。當然，由于流體中存在溫度差，所以也必然存在導(dǎo)熱現(xiàn)象，但導(dǎo)熱在整個傳熱中處于次要地位。工程上，常把具有相對位移的流體與所接觸的固體表面之間的熱傳遞過程稱為對流換熱。 建筑發(fā)生火災(zāi)過程中，一般來說，通風孔面積越大。熱對流的速度越快；通風孔洞所處位置越高，對流速度越快。熱對流對初期火災(zāi)發(fā)展起重要作用。 （三）熱輻射 輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的方式。熱輻射是因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象。輻射換熱是物體間以輻射的方式進行的熱量傳遞。與導(dǎo)熱和對流不同的是，熱輻射在傳遞能量時不需要互相接觸即可進行，所以它是一

4、種非接觸傳遞能量的方式，即使空間是高度稀薄的太空，熱輻射也能照常進行。最典型的例子是太陽向地球表面?zhèn)鬟f熱量的過程。 火場上的火焰、煙霧都能輻射熱能，輻射熱能的強弱取決于燃燒物質(zhì)的熱值和火焰溫度。物質(zhì)熱值越大，火焰溫度越高，熱輻射也越強。輻射熱作用于附近的物體上，能否引起可燃物質(zhì)著火，要看熱源的溫度、距離和角度。 二、建筑火災(zāi)的煙氣蔓延 建筑發(fā)生火災(zāi)時，煙氣流動的方向通常是火勢蔓延的一個主要方向。一般，500C以上熱煙所到之處，遇到的可燃物都有可能被引燃起火。 (一)煙氣的擴散路線 建筑火災(zāi)中產(chǎn)生的高溫煙氣，其密度比冷空氣小，由于浮力作用向上升起，遇到水平樓板或頂棚時，改為水平方向繼續(xù)流動，這就

5、形成了煙氣的水平擴散。這時，如果高溫煙氣的溫度不降低，那么上層將是高溫煙氣，而下層是常溫空氣，形成明顯的分離的兩個層流流動。實際上，煙氣在流動擴散過程中，一方面總有冷空氣摻混，另一方面受到樓板、頂棚等建筑圍護結(jié)構(gòu)的冷卻，溫度逐漸下降。沿水平方向流動擴散的煙氣碰到四周圍護結(jié)構(gòu)時，進一步被冷卻并向下流動。逐漸冷卻的煙氣和冷空氣流向燃燒區(qū)，形成了室內(nèi)的自然對流，火越燒 越旺，如圖1-2-1所示。 煙氣擴散流動速度與煙氣溫度和流動方向有關(guān)。煙氣在水平方向的擴散流動速度較小，在火災(zāi)初期為0.10. 3m/s，在火災(zāi)中期為0.5 0.8m/s。煙氣在垂直方向的擴散流動速度較大，通常為15m/s。在樓梯間或

6、管道豎井中，由于煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的抽力，煙氣上升流動速度更大，可達6 8m/s, 甚至更大。 當高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，煙氣在其內(nèi)的流動擴散一般有三 條路線:第一條，也是最主要的一條是著火房間走廊樓梯間上部各樓層室外；第二條是著火房間室外；第三條是著火房間相鄰上層房間室外。 (二)煙氣流動的驅(qū)動力 煙氣流動的驅(qū)動力包括室內(nèi)外溫差引起的煙囪效應(yīng)，外界風的作用、通風空調(diào)系統(tǒng)的影響等。 1.煙囪效應(yīng) 當建筑物內(nèi)外的溫度不同時，室內(nèi)外空氣的密度隨之出現(xiàn)差別，這將引發(fā)浮力驅(qū)動的流動。如果室內(nèi)空氣溫度高于室外，則室內(nèi)空氣將發(fā)生向上運動，建筑物越高，這種流動越強。豎井是發(fā)生這種現(xiàn)象的主要場合，在豎井中，由于浮力作用

7、產(chǎn)生的氣體運動十分顯著，通常稱這種現(xiàn)象為煙囪效應(yīng)。在火災(zāi)過程中，煙囪效應(yīng)是造成煙氣向上蔓延的主要因素。 2. 火風壓 火風壓是指建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，在起火房間內(nèi)，由于溫度上升，氣體迅速膨脹，對樓板和四壁形成的壓力?；痫L壓的影響主要在起火房間，如果火風壓大于進風口的壓力，則大量的煙火將通過外墻窗口，由室外向上蔓延;若火風壓等于或小于進風口的壓力，則煙火便全部從內(nèi)部蔓延，當它進入樓梯間、電梯井、管道井、電纜井等豎向孔道以后，會大大加強煙囪效應(yīng)。 煙囪效應(yīng)和火風壓不同，它能影響全樓。多數(shù)情況下，建筑物內(nèi)的溫度大于室外溫度，所以室內(nèi)氣流總的方向是自下而上，即正煙囪效應(yīng)。起火層的位置越低，影響的層數(shù)越多

8、。在正煙囪效應(yīng)下，若火災(zāi)發(fā)生在中性面(室內(nèi)壓力等于室外壓力的一個理論分界面)以下的樓層，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣進入豎井后會沿豎井上升，一旦升到中性面以上，煙氣不單可由豎井上部的開口流出來，也可進入建筑物上部與豎井相連的樓層;若中性面以上的樓層起火，當火勢較弱時，由煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的空氣流動可限制煙氣流進豎井，如果著火層的燃燒強烈，熱煙氣的浮力足以克服豎井內(nèi)的煙囪效應(yīng)，仍可進入豎井而繼續(xù)向上蔓延。因此，對高層建筑中的樓梯間、電梯井、管渲井、天井、電纜井、排氣道、中庭等堅向孔道，如果防火處理不當，就形同一座高聳的煙囪，強大的抽拔力將使火沿著豎向孔道迅速蔓延。 3. 外界風的作用 風的存在可在建筑物的周圍產(chǎn)生壓

9、力分布，而這種壓力分布能夠影響建筑物內(nèi)的煙氣流動。建筑物外部的壓力分布受到多種因素的影響，其中包括風的速度和方向、建筑物的高度和幾何形狀等。風的影響往往可以超過其他驅(qū)動煙氣運動的力(自然和人工)。一般來說，風朝著建筑物吹過來會在建筑物的迎風側(cè)產(chǎn)生較高滯止壓力，這可增強建筑物內(nèi)的煙氣向下風方向的流動。 (三)煙氣蔓延的途徑 火災(zāi)時，建筑內(nèi)煙氣呈水平流動和垂直流動。蔓延的途徑主要有:內(nèi)墻門、洞口，外墻門、窗口，房間隔墻，空心結(jié)構(gòu)，悶頂，樓梯間，各種堅井管道，樓板上的孔洞及穿越樓板、墻壁的管線和縫隙等。對主體為耐火結(jié)構(gòu)的建筑來說，造成蔓延的主要原因有:未設(shè)有效的防火分區(qū)，火災(zāi)在未受限制的條件下蔓延;

10、洞口處的分隔處理不完善，火災(zāi)穿越防火分隔區(qū)域蔓延;防火隔墻和房間隔墻未砌至頂板，火災(zāi)在吊頂內(nèi)部空間蔓延;采用可燃構(gòu)件與裝飾物，火災(zāi)通過可燃的隔墻、吊頂、地毯等蔓延。 1.孔洞開口蔓延 在建筑內(nèi)部，火災(zāi)可以通過一些開口來實現(xiàn)水平蔓延，如可燃的木質(zhì)戶門、無水幕保護的普通卷簾、未用不燃材料封堵的管道穿孔處等。此外，發(fā)生火災(zāi)時，一些防火設(shè)施未能正常啟動，如防火卷簾因卷簾箱開口、導(dǎo)軌等受熱變形，或因卷簾下方堆放物品，或因無人操作于動啟動裝置等導(dǎo)致無法正常放下，同樣造成火災(zāi)蔓延。 2. 穿越墻壁的管線和縫隙蔓延 室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，室內(nèi)上半部處于較高壓力狀態(tài)下，該部位穿越墻壁的管線和縫隙很容易把火焰、高溫煙氣

11、傳播出去，造成蔓延。此外，穿過房間的金屬管線在火災(zāi)高溫作用下，往往會通過熱傳導(dǎo)方式將熱量傳到相鄰房間或區(qū)域一側(cè)，使與管線接觸的可燃物起火。 3. 悶頂內(nèi)蔓延 由于煙火是向上升騰的，因此頂棚上的入孔、通風口等都是煙火進入的通道。悶頂內(nèi)往往沒有防火分隔墻，空間大，很容易造成火災(zāi)水平蔓延，并通過內(nèi)部孔洞再向四周的房間蔓延。 4. 外墻面蔓延 在外墻面，高溫熱煙氣流會促使火焰竄出窗口向上層蔓延。一方面，由于火焰與外墻面之間的空氣受熱逃逸形成負壓，周圍冷空氣的壓力致使煙火貼墻面而上，使火蔓延到上一層；另一方面，由于火焰貼附外墻面向上蔓延，致使熱量透過墻體引燃起火層上面一層房間內(nèi)的可燃物。建筑物外墻窗口的

12、形狀、大小對火勢蔓延有很大影響。 三、建筑火災(zāi)發(fā)展的幾個階段 對于建筑火災(zāi)而言，最初發(fā)生在室內(nèi)的某個房間或某個部位，然后由此蔓延到相鄰的房間或區(qū)域，以及整個樓層，最后蔓延到整個建筑物。其發(fā)展過程大致可分為初期增長階段、充分發(fā)展階段和衰減階段。圖1-2-2為建筑室內(nèi)火災(zāi)溫度-時間曲線。 （一）初期增長階段 初期增長階段從出現(xiàn)明火起，此階段燃燒面積較小，只局限于著火點處的可燃物燃燒，局部溫度較高，室內(nèi)各點的溫度不平衡，其燃燒狀況與敞開環(huán)境中的燃燒狀況差不多。由于可燃物性能、分布和通風、散熱等條件的影響，燃燒的發(fā)展大多比較緩慢，有可能形成火災(zāi)，也有可能中途自行熄滅(見圖1-2-2中虛線)，燃燒發(fā)展不

13、穩(wěn)定?；馂?zāi)初期增長階段持續(xù)時間的長短不定。 （二）充分發(fā)展階段 在建筑室內(nèi)火災(zāi)持續(xù)燃燒一定時間后，燃燒范圍不斷擴大，溫度升高，室內(nèi)的可燃物在高溫的作用下，不斷分解釋放出可燃氣體，當房間內(nèi)溫度達到400600時，室內(nèi)絕大部分可燃物起火燃燒，這種在限定空間內(nèi)可燃物的表面全部卷入燃燒的瞬變狀態(tài)，稱為轟燃。轟燃的出現(xiàn)是燃燒釋放的熱量在室內(nèi)逐漸累積與對外散熱共同作用、燃燒速率急劇增大的結(jié)果。通常，轟然的發(fā)生標志著室內(nèi)火災(zāi)進入全面發(fā)展階段。 轟燃發(fā)生后，室內(nèi)可燃物出現(xiàn)全面燃燒，可燃物熱釋放速率很大，室溫急劇上升，并出現(xiàn)持續(xù)高溫，溫度可達8001000。之后，火焰和高溫煙氣在火風壓的作用下，會從房間的門窗、

14、孔洞等處大量涌出，沿走廊、吊頂迅速向水平方向蔓延擴散。同時，由于煙囪效應(yīng)的作用，火勢會通過豎向管井、共享空間等向上蔓延。轟然的發(fā)生標志了房間火勢的失控。同時，產(chǎn)生的高溫會對建筑物的襯里材料及結(jié)構(gòu)造成嚴重影響。但不是每個火場都會出現(xiàn)轟燃，大空間建筑、比較潮濕的場所就不易發(fā)生。 （三）衰減階段 在火災(zāi)全面發(fā)展階段的后期，隨著室內(nèi)可燃物數(shù)量的減少，火災(zāi)燃燒速度減慢，燃燒強度減弱，溫度逐漸下降，一般認為火災(zāi)衰退階段是從室內(nèi)平均溫度一降到其峰值的80%時算起，隨后房間內(nèi)溫度下降顯著，直到室內(nèi)外溫度達到平衡為止，火災(zāi)完全熄滅。 上述后兩個階段是通風良好情況下室內(nèi)火災(zāi)的自然發(fā)展過程。實際上，一旦室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，常常伴有人為的滅火行動或者自動滅火設(shè)施的啟動，因此會改變火災(zāi)的發(fā)展過程。不少火災(zāi)尚未發(fā)展就被撲滅，這樣室內(nèi)就不會出現(xiàn)破壞性的高溫。如果滅火過程中，可燃材料中的揮發(fā)分并未完全析出，可燃物周圍的溫度在短時間