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【發(fā)布單位】出自《注冊(cè)消防工程師》

【發(fā)布日期】2017-01-11

【所屬類別】出自《注冊(cè)消防工程師》

建筑火災(zāi)蔓延的機(jī)理與途徑

通常情況下，火災(zāi)都有一個(gè)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(huì)呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。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(gè) 階段。

一、建筑火災(zāi)蔓延的傳熱基礎(chǔ)

熱量傳遞有三種基本方式，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)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(shì)蔓延和擴(kuò)大的。熱傳播的形式與起火點(diǎn)、建筑材料、物質(zhì)的 燃燒性能和可燃物的數(shù)量等因索有關(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)就地傳遞熱而又沒有各部分之間相對(duì)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，是由于微觀粒子（分子、原子或它們的組成 部分）的碰撞、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)等熱運(yùn)動(dòng)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(duì)流運(yùn)動(dòng)所掩蓋。不同物質(zhì)的導(dǎo)熱能力 各異，通常用熱導(dǎo)率，即用單位溫度梯度時(shí)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(huì) 因材料的結(jié)構(gòu)、密度、濕度、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(duì)于起火的場(chǎng)所，熱導(dǎo)率大的材料，由于能受到高溫作用迅速加熱，又會(huì)很快地把熱能傳導(dǎo)出去，在這種情況下，就可能引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(shì)傳播和蔓延。

表1-2-1

(二）熱對(duì)流

熱對(duì)流又稱對(duì)流，是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混引起熱量傳遞的方式。熱對(duì)流中熱a的傳遞與流體流動(dòng)有密切的關(guān)系。當(dāng)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(gè)傳熱中處于次要地位。工程上，常把具有相對(duì)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(duì)流換熱。

建筑發(fā)生火災(zāi)過程中，一般來說，通風(fēng)孔洞面積越大，熱對(duì)流的速度越快；通風(fēng)孔洞所處位置越 高，對(duì)流速度越快。熱對(duì)流對(duì)初期火災(zāi)的發(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(jìn)行的熱董傳遞。與導(dǎo)熱和對(duì)流不同的是，熱輻射在傳遞能s時(shí)不需要互相接 觸即可進(jìn)行，所以它是一種非接觸傳遞能量的方式，即使空間是髙度稀薄的太空，熱輻射也能照常進(jìn) 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(chǎng)上的火焰、煙霧都能輻射熱能，輻射熱能的強(qiáng)弱取決于燃燒物質(zhì)的熱值和火焰溫度。物質(zhì)熱值越大，火焰溫度越髙，熱輻射也越強(qiáng)。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(shí)，煙氣流動(dòng)的方向通常是火勢(shì)蔓延的一個(gè)主要方向。一般，500丈以上熱煙所到之 處，遇到的可燃物都有可能被引燃起火。

(一）煙氣的擴(kuò)散路線

建筑火災(zāi)中產(chǎn)生的髙溫?zé)煔猓涿芏缺壤淇諝庑?，由于浮力作用向上升起，遇到水平樓板或頂棚時(shí)，改為水平方向繼續(xù)流動(dòng)，這就形成了煙氣的水平擴(kuò)散。這時(shí)，如果髙溫?zé)煔獾臏囟炔唤档?，那么上層將是高溫?zé)煔?，而下層是常溫空氣，形成明顯的分離的兩個(gè)層流流動(dòng)。實(shí)際上，煙氣在流動(dòng)擴(kuò)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(hù)結(jié)構(gòu)的冷卻，溫度逐漸下降。

沿水平方向流動(dòng)擴(kuò)散的煙氣碰到四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，進(jìn)一步被冷卻 并向下流動(dòng)。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(duì)流，火越燒越旺，如圖1-2-1所示。

表1-2-1

煙氣擴(kuò)散流動(dòng)速度與煙氣溫度和流動(dòng)方向有關(guān)。煙氣在水平 方向的擴(kuò)散流動(dòng)速度較小，在火災(zāi)初期為0.1 ~0.3m/s,在火災(zāi)中 期為0.5~0. 8m/s。煙氣在垂直方向的擴(kuò)散流動(dòng)速度較大，通常為 l~5m/S。在樓梯間或管道豎井中，由于煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的抽力，煙 氣上升流動(dòng)速度很大，可達(dá)6 ~8m/s,甚至更大。

當(dāng)髙層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣在其內(nèi)的流動(dòng)擴(kuò)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(dòng)的驅(qū)動(dòng)力

煙氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力包括室內(nèi)外溫差引起的煙囪效應(yīng)、外界風(fēng)的作用、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的影響等。

1.煙向效應(yīng)

當(dāng)建筑物內(nèi)外的溫度不同時(shí)，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(dòng)的流動(dòng)。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(yùn)動(dòng)，建筑物越高，這種流動(dòng)越強(qiáng)。豎井是發(fā)生這種 現(xiàn)象的主要場(chǎng)合，在豎井中，由于浮力作用產(chǎn)生的氣體運(yùn)動(dòng)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)是造成煙氣向上菝延的主要因素。

2.火風(fēng)壓

火風(fēng)壓是指建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在起火房間內(nèi)，由于溫度上升，氣體迅速膨脹，對(duì)樓板和四壁 形成的壓力。火風(fēng)壓的影響主要在起火房間，如果火風(fēng)壓大于進(jìn)風(fēng)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(fēng)壓等于或小于進(jìn)風(fēng)口的壓力，則煙火便全部從內(nèi)部蔓延，當(dāng)它進(jìn)人 樓梯間、電梯井、管道井、電纜井等豎向孔道以后，會(huì)大大加強(qiáng)煙囪效應(yīng)。

煙肉效應(yīng)和火風(fēng)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的，即正煙囪效應(yīng)。起火層的位置越低.影響的層數(shù)越多。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(gè)理論分界面）以下的樓層，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)人 豎井后會(huì)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(jìn)人建筑物 上部與豎井相連的樓層；若中性面以上的樓層起火，當(dāng)火勢(shì)較弱時(shí)，由煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的空氣流動(dòng)可限 制煙氣流進(jìn)豎井，如果著火層的燃燒強(qiáng)烈，則熱煙氣的浮力足以克服豎井內(nèi)的煙囪效應(yīng)，仍可進(jìn)人豎 井而繼續(xù)向上蔓延。因此，對(duì)高層建筑中的樓梯間、電梯井、管道井、天井、電纜井、排氣道、中庭 等豎向孔道，如果防火處理不當(dāng)，就形同一座高聳的煙囪，強(qiáng)大的抽拔力將使火沿著豎向孔道迅速 蔓延。

3.外界風(fēng)的作用

風(fēng)的存在可在建筑物的周圍產(chǎn)生壓力分布，而這種壓力分布能夠影響建筑物內(nèi)的煙氣流動(dòng)。建筑 物外部的壓力分布受到多種因素的影響，其中包括風(fēng)的速度和方向、建筑物的高度和幾何形狀等。風(fēng) 的影響往往可以超過其他驅(qū)動(dòng)煙氣運(yùn)動(dòng)的力（自然和人工）。一般來說，風(fēng)朝著建筑物吹過來會(huì)在建筑 物的迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生較髙滯止壓力，這可增強(qiáng)建筑物內(nèi)的煙氣向下風(fēng)方向的流動(dòng)。

(三）煙氣蔓延的途徑

火災(zāi)時(shí)，建筑內(nèi)煙氣呈水平流動(dòng)和垂直流動(dòng)。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，各種豎井管道，樓板上的孔洞及穿越樓板、墻壁的管線和縫隙等。對(duì)主體為耐火結(jié)構(gòu)的建筑來說，造成葰延的主要原因有：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；洞口處的分隔處理不完善，火災(zāi)穿越防火分隔區(qū)域婆延；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(shí)現(xiàn)水平菟延，如可燃的木質(zhì)戶門、無水幕保護(hù)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(shí)，一些防火設(shè)施未能正常啟動(dòng)，如防火卷 簾因卷簾箱開口、導(dǎo)軌等受熱變形，或者因卷簾下方堆放物品，或者因無人操作手動(dòng)啟動(dòng)裝置等導(dǎo)致 無法正常放下，同樣造成火災(zāi)蔓延3

2.穿越墻壁的管線和縫隙蔓延

室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，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?zé)煔鈧鞑コ鋈ィ斐陕?。此外，穿過房間的金屬管線在火災(zāi)高溫作用下，往往會(huì)通過熱傳導(dǎo)方 式將熱世傳到相鄰房間或區(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，因此頂棚上的人孔、通風(fēng)口等都是煙火進(jìn)人的通道。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?zé)釤煔饬鲿?huì)促使火焰躥出窗口向上層蔓延。一方面，由于火焰與外墻面之間的空

氣受熱逃逸形成負(fù)壓，周圍冷空氣的甩力致使煙火貼 墻面而上，使火菝延到上一層；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。建筑物外墻窗口的形狀、 大小對(duì)火勢(shì)蔓延有很大影響。

三、建筑火災(zāi)發(fā)展的幾個(gè)階段

對(duì)建筑火災(zāi)而言，最初發(fā)生在室內(nèi)的某個(gè)房間或 某個(gè)部位，然后由此蔓延到相鄰的房間或區(qū)域，以及整個(gè)樓層，最后蔓延到整個(gè)建筑物。其發(fā)展過程大致可分為初期增長(zhǎng)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(shí)間曲線。

(一）初期增長(zhǎng)階段

初期增長(zhǎng)階段從出現(xiàn)明火算起，此階段燃燒面積較小，只局限于著火點(diǎn)處的可燃物燃燒，局部溫度較髙，室內(nèi)各點(diǎn)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(fēng)、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)展不穩(wěn)定?；馂?zāi)初起階段持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)間后，燃燒范圍不斷擴(kuò)大，溫度升髙，室內(nèi)的可燃物在髙溫的作用下，不斷分解釋放出可燃?xì)怏w，當(dāng)房間內(nèi)溫度達(dá)到400 ~600t時(shí)，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)，即為轟燃。轟燃的出現(xiàn)是燃燒釋放的熱ft 在室內(nèi)逐漸累積與對(duì)外散熱共同作用、燃燒速率急劇增大的結(jié)果。影響轟然發(fā)生最重要的兩個(gè)因素是 福射和對(duì)流情況，即建筑室內(nèi)上層煙氣的熱量得失。通常，轟然的發(fā)生標(biāo)志著室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)人全面發(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(dá)800 ~1000^。之后，火焰和高溫?zé)煔庠诨痫L(fēng)壓的作用下，會(huì)從房間的門窗、孔洞等處大量涌出，沿走廊、吊頂迅速向水平方向蔓延擴(kuò)散。同時(shí)，由于煙囪效應(yīng)的作用，火勢(shì)會(huì)通過豎向管井、 共享空間等向上蔓延。轟然的發(fā)生標(biāo)志了房間火勢(shì)的失控，同時(shí)，產(chǎn)生的髙溫會(huì)對(duì)建筑物的襯里材料及結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響。但不是每個(gè)火場(chǎng)都會(huì)出現(xiàn)轟燃，大空間建筑、比較潮濕的場(chǎng)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(qiáng)度減弱， 溫度逐漸下降，一般認(rèn)為火災(zāi)衰減階段是從室內(nèi)平均溫度降到其峰值的80%時(shí)算起。隨后房間內(nèi)溫度 下降顯著，直到室內(nèi)外溫度達(dá)到平衡為止，火災(zāi)完全熄滅。

上述后兩個(gè)階段是通風(fēng)良好情況下室內(nèi)火災(zāi)的自然發(fā)展過程。實(shí)際上，一旦室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，常常 伴有人為的滅火行動(dòng)或自動(dòng)滅火設(shè)施的啟動(dòng)，因此會(huì)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(huì)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(shí)間內(nèi)仍然較髙，易造成可燃揮發(fā)分再度析出，一旦條件合適，可能會(huì)出現(xiàn)死灰復(fù) 燃的情況，這種情況不容忽視。