一、建筑防火设计

建筑火灾坍塌原因与预防对策研究

崔高超

（山东省临沂市消防支队，山东　临沂）

摘要：通过对1990年以来的建筑坍塌事件进行分析，得出基于建筑结构、建筑层数和建筑使用性能的建筑坍塌规律。并根据火灾条件下建筑坍塌情况分析了引起建筑坍塌的原因，最后根据建筑坍塌原因，从防火设计方面针对性地提出了防止火灾条件下建筑发生坍塌的措施，最大限度地降低建筑坍塌事件发生，有效的保护人民的生命财产安全和救援人民的生命安全。

关键词：火灾；建筑坍塌；坍塌特点；坍塌原因；预防对策

1　引言

近年来，建筑火灾发生的频率逐渐升高，建筑坍塌作为建筑火灾主要的次生灾害，对人民的生命财产安全和救援人员的生命安全构成了严重的威胁。自1990年以来，全国共发生建筑火灾坍塌事故23起，共造成58名消防人员牺牲，几乎为火场牺牲消防员的三分之一。如2005年8月2日，安徽蒙牛乳业马鞍山有限公司北库发生火灾，在搜救火场被困人员时，钢结构屋顶发生整体坍塌，造成3名消防员牺牲。2013年10月北京市石景山一商场发生火灾，在救援过程中商场附属建筑屋顶发生坍塌，造成两名指挥员牺牲；2014年2月6日，上海一仓库发生火灾，在进行余火清除时，仓库南部部分突然发生整体坍塌，造成2名消防人员牺牲；2015年1月2日，哈尔滨一仓库发生火灾，在救援过程中，仓库上层的居民楼发生局部坍塌，造成5名消防员牺牲。

笔者对近年来典型的建筑火灾发生坍塌情况进行了汇总，如表1所示^［1～3］。

由表1可知，建筑发生火灾后，由于火场燃烧和高温作用，建筑结构会发生整体或者局部坍塌，从而造成大量的财产损失和人员伤亡。此外，一旦建筑物发生坍塌，会加快火灾蔓延速度，对现场救援人员生命安全造成严重威胁。因此，研究建筑火灾坍塌的原因和规律，并提出相关预防建筑火灾坍塌，具有十分重要的作用和意义。

2　建筑火灾倒塌事故分析

笔者对1990年以来的24起建筑火灾倒塌事故进行了事故分析，分析发现发生坍塌建筑大致可以分为钢结构、钢筋混凝土结构、砖混结构、砖木结构、木结构等几种类型。钢结构仓库火灾发生坍塌频率最高，坍塌数量为11，占总体的46％，且多为整体坍塌。如安徽马鞍山蒙牛乳业即为钢结构仓库，在火灾发生1h后，整体发生坍塌。其中钢筋混凝土结构倒塌数量为6件，占总数的25％，多为局部坍塌。如上海雷得盛奎火灾，在火灾发生5h后，主梁发生坍塌。砖混结构建筑建筑火灾坍塌数量为4，占总数的17％。如衡阳大厦火灾和哈尔滨北方陶瓷火灾均为砖混结构。砖木和木结构坍塌数量为2，占总数的8％。如辽源中心医院火灾，发生火灾数小时后，屋顶发生坍塌。未知结构的为1，占总数的4％。坍塌情况如图1所示。

在所收集到的坍塌案例中，坍塌建筑大部分为10层以下建筑，其中4层以下建筑坍塌数量最多，占总数的54.2％，如钢结构仓库火灾均为4层以下建筑发生坍塌；4～8层的坍塌数量为10，占总数的41.6％，如衡州大厦火灾、北京石景山商场火灾均为4～8层建筑；在收集到的建筑坍塌案例中，高层建筑仅为1个，占总数的4.2％。即为甘肃兰州蒙娜丽莎影楼在火灾，在燃烧1小时后，外墙开始发生部分坍塌。因此，消防队员在灭火战斗时，应该时刻注意工业厂房和多层民用建筑发生坍塌的可能。

坍塌建筑按照用途大致可以分为办公楼、住房、商业建筑、商住楼、厂房、商住楼、厂房库房7类建筑。根据统计结果发现，建筑火灾发生坍塌的数量以厂房库房和商业建筑居多，占总数的59％和21％，究其原因主要是商业建筑火灾荷载较大，在经过长时间燃烧后，有发生坍塌可能，厂房库房一般为钢结构，钢结构在火灾作用下极易发生坍塌。然而办公室、学校、住房等因气火灾荷载较小，内部可燃物较少，因此在火灾发生后，不易发生坍塌。具体情况如图2所示。

3　建筑火灾坍塌原因分析

火灾中有很多原因可以造成建筑物坍塌，这些因素有的单独起作用，有的则是互相影响，因此建筑在火灾中发生坍塌是一个复杂的过程，即由建筑承重结构损坏，建筑物耐火极限低的内在原因，也有因消防射水造成的冷热骤变及其附加水渍荷载的影响^［4～6］。

3.1　高温作用破坏承重构件稳定性

建筑不管是木结构、砖混结构、钢结构还是钢筋混凝土结构，建筑内部承重构件在火灾长时间的高温作用下，均会失去稳定的支撑能力和完整性，从而发生坍塌。钢结构建筑的耐火极限不到20min，一旦局部遭到破坏便会造成整体坍塌，并且坍塌后的钢结构无法二次使用。木结构或者砖木结构在火灾作用下，承重构件会迅速炭化，导致荷重断面缩小以致失去稳定性发生坍塌。砖混结构建筑在高温作用下内部结构发生变形开裂，起黏性作用的水泥在高温下发生不可逆收缩粉化，砖混结构因砖石砌体的完整性遭到破坏而发生坍塌。钢筋混凝土结构钢筋强度在高温作用下逐渐下降，当结构发生脆性变化时，坍塌就会出现。

3.2　违规设计，违章施工，增加建筑安全隐患

调查建筑着火和发生坍塌原因发现，这些建筑存在违规设计、违章施工和违规使用的现象。有的在开工建造时候，随意更改建筑承重构件、承重能力和耐火极限；有的不按照图纸进行建造，随意增加建筑面积；有的在建造过程中使用不符合国标标准的建筑材料；有的随意移动建筑承重结构位置；有的随意更改建筑使用性能等，增加了建筑内部火灾荷载，这些违规设计、违章施工和违规使用现象给建筑带来了极大的火灾隐患。

3.3　爆炸、震动、冲击等外力因素破坏建筑承重构件

爆炸、震动和冲击往往会导致着火建筑发生坍塌，这些外在影响因素一般不是独立作用，而是组合在一起共同发挥作用。例如，爆炸往往伴随着震动和冲击；在灭火战斗中，根据灭火需要往往需要破拆，然而不恰当的破拆，会冲击建筑承重结构而发生坍塌；此外，破拆时使用的挖掘机、推土机等大型机械也会造成震动，导致着火建筑坍塌。当建筑上部由于高温作用发生坍塌时，上层坍塌时产生巨大的冲击会引起下层结构发生坍塌。

3.4　附加荷载超过建筑承载能力

当着火建筑内部存放大量吸水性物质时，例如海绵、棉花等，导致灭火用水不能及时排出，这些吸水性物质便会大大增加重量，此外内功灭火时，进入火场灭火战斗员过多时，也会导致建筑荷载增大。在一些寒冷的地区，灭火战斗的消防射会迅速结冰，这也增加了建筑荷载。在进行消防射水时，消防水炮的巨大冲击力加之建筑承重构件的冷热骤变会破坏钢筋混凝土的保护层，使得钢筋在火灾直接作用下迅速失去强度，导致建筑坍塌。

3.5　消防设施不健全

市郊工业化、城镇化步伐加快，而市政消防栓市政道路同步建设，消火栓和布局都存在不合理的问题，消防官兵不得不跑到临近的河道取水灭火，延误了灭火时间。着火建筑在长时间高温火灾作用下，增加了坍塌的风险。有的建筑，消防自动报警、自动喷淋设施等要靠没有按照规程设置在自动启动状态，导致火灾情况下不能及时启动，北京石景山喜隆多商场便是擅自改成了手动状态，在发生火灾时，述值班人员始终没有启动这个系统，长时间燃烧导致建筑发生局部坍塌。有的建筑甚至没有安装自动喷淋系统，导师火灾蔓延扩大。

3.6　社会单位消防安全防控执行力差，缺少监管机制

一些执法人员存在监督执法疏漏，存在未通过消防验收，开发商便把建筑所有权出售给商户，主题产权市场变更个体多产权市场，加之一些市民消防安全意识薄弱，为了商业利益，占用市场所有空间，甚至消防通道。社会单位消防安全防控执行力差，缺少监管制，多产权市场的特殊性增加了消防监督执法的难度，存在封门封不掉、处罚无主体、整改无资金的问题。这种监管缺失的形象无形之中增加了建筑安全隐患，如哈尔滨陶瓷厂火灾便是由于缺少监管机制导致。

在加大违章建筑清理整治的同时，要加强市郊消防基础设施建设。凡是市政道路缺消防水源的，要补建市政消防管网；天然河道没有取水码头的，要增设消防车应急泊位；成片开发区缺乏消防水源的，要补建市政消防管网或消防水池，进一步加强市郊市政道路建设和危桥改造。

4　预防建筑物坍塌对策

4.1　优化建筑耐火设计，提高建筑耐火性能

根据相关构件在建筑中的作用确定耐火能级，并根据有关国家消防技术规范要求，合理地进行构件的组合，优化各个构件建筑耐火设计，保证和提高建筑结构的稳定性、完整性、隔热性，全方位的提升建筑耐火性能。钢筋混凝土构件可以通过适当增加构件的截面积和外围保护层厚度增加其稳定性；一些耐火等级高的建筑尽量不选用预应力构件。钢结构可以在外层设计保护层和冷却降温的方式提高其耐火性能。

4.2　大力推进建筑性能化防火设计

很多建筑火灾发生坍塌是因为建筑内实际火灾荷载较大，火灾燃烧时间过长造成的，我国现有的防火设计方法是基于构件耐火极限而设计的。实际情况下，建筑内部的火灾荷载，建筑通风排烟情况往往与设计不符，这就造成对建筑耐火极限判断不准，对建筑抗烧性能预测不准。因此，必须大力推进建立以人员安全逃生和结构性能优化为出发点，以更加经济、生命损失最小为目的的性能化防火设计，具体问题具体分析，动态关注室内火灾荷载变化、重大安全隐患及其建筑构件薄弱环节。

4.3　严格按照规范安装自动喷水灭火系统

自动喷水灭火系统可以有效地扑灭建筑初期火灾，防止火灾蔓延，最大限度地减少火灾蔓延损坏承重构件引起的坍塌。自动喷水灭火系统可以有效地降低室内温度，从而防止轰燃发生。自动喷水灭火系统在一定程度上还可以对建筑承重构件进行有效冷却，避免承重构件因高温而被损坏，有效提高承重构件的稳定性。

4.4　优化建筑设计，提高施工质量

优化建筑设计主要包含消防设施设计和建筑耐火性能设计。在进行消防设施设计时，据实际需求，合理进行消防基础设施建设。凡是市政道路缺消防水源的，要补建市政消防管网；天然河道没有取水码头的，要增设消防车应急泊位；成片开发区缺乏消防水源的，要补建市政消防管网或消防水池，进一步加强市郊市政道路建设和危桥改造。施工建筑时，要选用规范要求的建筑材料，根据设计耐火极限进行建筑，有关部门应加强监督，坚决杜绝偷工减料，偷梁换柱、降低建筑质量的行为出现。

4.5　加强建筑使用性能执法检查，依法落实安全责任制度

严格按照建筑原有设计性质进行作业，坚决杜绝变更建筑使用性能情况的出现。加大建筑使用性能执法检查力度，限制商住楼和经营楼储存物品的数量和类别，禁止易燃可燃装修，严禁擅自扩大经营面积和仓库面积，依法落实消防安全责任制度，增强全面消防安全意识。需要更改建筑使用性能的，必须报请公安消防部门审查，经审查合格后方可变更。

4.6　提高市民防灾意识，强化社会单位消防安全防控执行力

火灾隐患时动态的人为干预可能只集中在一些重点单位，但一般来说，重点单位发生火灾的概率很小。由此可见，人为干预火灾发生概率的真实性是未知的，对于消防安全来说，重要的不是干预而是提高市民的防灾意识，社会单位消防安全防控的执行力。

5　结论

火灾条件下的建筑坍塌是一种复杂的次生灾害，是火场中多因素共同作用的结果。因此，要防止火灾条件下发生坍塌造成人员伤亡的情况发生，必须从消防防火设计和消防灭火两方面出发。本文从防火设计方面出发，提出通过优化建筑耐火设计、大力推进性能化防火设计、安装自动喷水灭火系统、优化建筑设计和提高建筑质量、加强建筑使用性能检查、提高市民防灾意识六个方面，有效地预防火灾条件下建筑坍塌的发生。

参考文献

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