高層建筑外立面消防安全問題淺析

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摘要：目前，高層建筑外立面具有多功能、復雜性特征，高層建筑立面質(zhì)量、防火性能必須與建筑外立面消防安全的要求保持高度一致，因此選擇合適的建筑材料、進行消防安全分析對于建筑立面消防安全至關重要。文章對高層建筑外立面消防安全問題進行分析，并提出高層建筑外立面設計策略。

關鍵詞：高層建筑；建筑外立面；消防安全；設計策略

從技術角度來看，高層建筑通常具有顯著的多功能性和復雜性等特點，其維護結(jié)構(gòu)保溫性能較好，立面系統(tǒng)具有創(chuàng)新性。然而最近的許多火災事件表明，高層建筑消防安全亟須改進外墻系統(tǒng)設計過程中的技術和設計步驟。特別是當一個項目涉及建筑立面改造時，必須提高建筑質(zhì)量，使相關的隔熱性能與防火安全性能保持一致[1]。選擇和使用合適的材料，以及優(yōu)化所有能夠滿足項目目標的相關因素，就變得至關重要。研究建筑外立面的火勢蔓延，首先要分析建筑外立面火勢蔓延的規(guī)律，外立面構(gòu)件的組合不僅有助于防止火勢在外墻蔓延，而且避免了過度依賴絕緣材料，更有效地防止了火勢蔓延。因此，對建筑外立面火災蔓延研究以及保障人身和財產(chǎn)安全具有重要作用。

一、高層建筑外立面火焰蔓延

（一）高層建筑外立面火災蔓延的過程

1.火災的形成

建筑外立面發(fā)生火災的原因有很多，主要包括相鄰建筑物的外部火源，或施工期間使用的明火，這種火災比較偶然，火災初期，火勢相對較小，熱輻射較弱，如果外立面沒有易燃材料，則火蔓延性能較弱。因此，這種火災對建筑外立面裝飾、保溫材料的耐火性有較高的要求[2]。建筑外立面的火災也可能是由建筑物內(nèi)部的火災引起的，一旦建筑室內(nèi)著火，如果房間通風良好，燃燒進一步增強，很容易達到轟燃階段。如果建筑物內(nèi)發(fā)生室內(nèi)火災，打開窗戶會將室內(nèi)的煙霧釋放到室外，同時新鮮的室外空氣會被釋放到室內(nèi)，因此窗戶對于室內(nèi)燃燒、火勢蔓延率有非常重要的影響。

2.建筑外部火災的蔓延

建筑外立面著火引起的火災點燃外墻上的可燃物，并通過外墻的中空結(jié)構(gòu)和外墻上的可燃材料迅速蔓延到建筑外立面，進入火勢蔓延階段。外墻裝飾和保溫材料的可燃性和結(jié)構(gòu)直接影響火勢蔓延速度。如果發(fā)生火災，立面上的熱塑性絕緣材料會收縮、熔化甚至燃燒，從而對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響并產(chǎn)生火勢蔓延的空腔，同時外覆面脫落并造成人員傷亡。并且，火焰從窗外溢出后，向上、向左、向右蔓延，加速火勢蔓延，造成更大的火災損失。

（二）高層建筑外立面火災蔓延的特點

1.火焰蔓延速度快，易形成立體火災

許多建筑物的外墻保溫材料燃燒率高，釋放出大量的燃燒熱，同時建筑物外墻保溫材料的連續(xù)分布，由于風等天氣因素的影響，建筑外立面的火災快速蔓延，容易發(fā)生大規(guī)模的立體火災。

2.容易形成二次火災

當建筑物內(nèi)發(fā)生火災時，火焰沿外墻向上蔓延，當上窗附近的溫度達到極限溫度時，窗玻璃破裂并沿破裂的外窗進入房間，點燃窗簾、沙發(fā)等易燃材料，形成二次燃燒，因此防止二次火災和防止外窗爆裂是防止火勢蔓延的有效方法。

3.現(xiàn)有外墻保溫材料易燃

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑物的能源消耗問題越來越嚴重，由于建筑外立面保溫系統(tǒng)的節(jié)能效果良好，被用于越來越多的建設項目中。但是，我國既有建筑的隔熱材料很多，尤其是EPS和XPS，都是易燃的隔熱材料，雖然它們具有優(yōu)良的隔熱性能和廣泛的應用空間，但在使用時存在火災安全隱患。

4.煙氣蔓延迅速

由于火災發(fā)生后會產(chǎn)生大量的煙霧，其中含有大量的有毒氣體，可能會造成大量人身傷害。煙氣水平方向流動速度可達0.3～0.8m/s，垂直方向擴散速度可達1～5m/s，而在樓梯井、管井中，煙囪效應的存在會導致煙氣流速達到6～8m/s。二、高層建筑外立面消防安全問題分析降低能源消耗是可持續(xù)發(fā)展和限制溫室氣體排放的首要任務之一。當前，高層建筑隔熱層的厚度在過去幾年增加了一倍以上，加之部分材料為可燃材料，不可避免地增加了火災負荷。因此，潛在火災的持續(xù)時間和滅火時間都會增加，這些因素會增加火災通過建筑物外墻以及其內(nèi)部，或鄰近建筑物蔓延的風險。雖然火災通過可燃材料觸發(fā)并在立面上蔓延的情況不頻繁，然而此類火災事件一旦發(fā)生，就會造成嚴重的威脅。因此，高層建筑立面改造與消防出口的合理有效設計至關重要。當前，高層建筑外立面普遍存在以下問題[3]：（1）在外墻上使用易燃材料；（2）沒有阻礙火勢蔓延到外墻或鄰近外墻的障礙；（3）立面上存在通風特征，可以促進火勢蔓延，向上傳播，或在水平方向上傳播；（4）被燒毀的外墻部分可能會脫落，而外墻仍然完好無損的部分可能會被卷入其中。以可燃材料存在為特征的火勢蔓延到外墻的典型場景主要分為三種類型：（1）通過對相鄰獨立建筑物的熱輻射，外部火勢蔓延到可燃立面上；（2）由于輻射效應或由于立面附近火源的直接火災影響（例如，在陽臺上發(fā)生的火災或停在立面附近的汽車起火），造成外部火勢蔓延；（3）發(fā)生在建筑物內(nèi)部空間的火災，通過立面的開口（窗戶、門等）蔓延到更高或更低的樓層。對于第三種情況，如果沒有快速滅火干預，火勢可以到達“轟燃”，火焰可以通過開口迅速影響外墻。正如一些研究結(jié)果已經(jīng)證明的那樣，在窗戶玻璃破裂后，火焰可以達到開口邊緣以上5m，與特定的氣流條件相關，而與外墻系統(tǒng)以及使用的材料無關。隨后，當火焰（無論是源自建筑物外部還是內(nèi)部）到達外墻最外層時，火勢的進一步傳播主要取決于外墻本身的特性，例如，材料、幾何形狀等。影響火勢在立面上蔓延的主要因素有：（1）外墻系統(tǒng)材料的火災反應特性，這會影響火勢在建筑圍護結(jié)構(gòu)上的蔓延速度。（2）空洞的存在，這是外墻系統(tǒng)的一部分，或者是由外墻部分在火災中分層形成的。如果火焰進入空腔，由于煙囪效應，無論面向通風層的材料特性如何，火焰都可以以其初始速度的五倍到十倍蔓延。如果不使用特殊的防火屏障，這種效果會導致快速的垂直火勢蔓延。（3）立面開口（窗戶、門等），使火焰能夠進入建筑物的室內(nèi)空間。建筑外立面火災風險取決于許多變量，必須逐個研究，通過消防安全分析可知，即使考慮與特定隔熱材料相關的火災載荷，也可以達到極高的等效燃料載荷值。特別是在塔式建筑改造的情況下，等效荷載燃料載荷值相當大，因為與用于立面的特定技術解決方案相關的火災風險增加，通常無法通過建筑消防和緊急出口系統(tǒng)的有效改善來補償[4]。

三、高層建筑外立面的設計策略

為了防止和限制立面上的火勢蔓延，可以在材料選擇和技術細節(jié)設計方面采用一些簡單的解決方案。例如，首要目標是在消防隊介入之前將火勢蔓延控制在不超過火災發(fā)生地兩層以上的區(qū)域。減少火勢蔓延到建筑外立面的風險措施有：（1）控制材料對火的反應，最好使用不燃材料；（2）“防火”元素的設計，有助于將建筑物劃分為防火區(qū)間，并詳細設計它們與外墻和屋頂系統(tǒng)的連接；（3）采取相應措施，阻止火勢通過外墻開口（使用“防火”元素、不燃材料屏障等）蔓延到外立面。在兩個建筑之間設置絕緣保護、底層絕緣保護、窗戶隔間絕緣保護、使用不燃材料保護逃生路線。同時，在窗戶外部設置不燃絕緣材料。

四、結(jié)語

文章主要對高層建筑外立面消防安全問題進行分析，主要結(jié)論包括以下三個方面：（1）高層建筑外立面消防安全的主要問題為：在外墻上使用易燃材料、沒有阻礙火勢蔓延到外墻或鄰近外墻的障礙、立面上存在通風特征。（2）發(fā)生在外立面的火災主要通過熱輻射的方式蔓延到相鄰空間，發(fā)生在建筑內(nèi)部空間的火災主要通過立面的開口蔓延到相鄰樓層。（3）在高層建筑外立面設計方面，最好使用不燃材料，并進行防火區(qū)間劃分，同時采取相應措施，阻止火勢通過外墻開口蔓延。

參考文獻：

[1]潘曉菲,呂品.凹型建筑外立面火災煙氣蔓延特性研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術,2018,14(02):45-51.

[2]楊遠榮.一起高層建筑外立面火災事故原因認定與分析[J].消防科學與技術,2016,35(09):1344-1347.

[3]張玉濤,張玉杰,李亞清.凹型結(jié)構(gòu)建筑外立面火災蔓延特性模擬研究[J].中國安全科學學報,2020,30(08):70-78.

[4]雷晶晶,王妍,周汝,等.無風條件下火災時建筑外立面煙羽流形態(tài)特征研究[J].中國安全科學學報,2018(12):52-57.

作者:景影 單位:貴州省安順市西秀區(qū)消防救援大隊