1.4 火灾科学与城市发展

新型、大型与特殊建筑防火实践中所反映的问题要求人们更加深入地了解火灾的发生、发展规律和特点，并能够对火灾的发展过程给以定量的描述。这种重大的社会需求大大推动了火灾科学与消防技术研究的发展。从20世纪中叶起，发达国家越来越重视依靠科技防治火灾，有些国家还成立了国家级的火灾防治研究机构，在众多企业和大学中也建立了不同形式的火灾科研组织，大批与火灾防治相关学科领域的科技人员纷纷加入到火灾研究的行列。火灾防治也逐渐开始从单纯着眼于火灾扑救向系统探讨火灾机理和规律并根据科学理论指导火灾防治工作的转变。通过系统而深入的实验研究和理论研究，目前已经取得了大量新成果。

1.4.1 火灾工程学的发展

1985年，第一次国际火灾安全科学学术讨论会（The First Symposium of Fire Safety Science）在美国召开，并成立了国际火灾安全科学学会（International Association for Fire Safety Science，IAFSS）。在这次会议上正式提出了火灾学（Fire Safety Science）和火灾安全工程学（Fire Safety Engineering）的概念。与会的许多科学家对于火灾研究的一些重要的概念取得了一致意见。目前人们一般认为，这次会议标志着火灾科学和火灾安全工程学的诞生。

火灾安全工程学是在火灾学、消防工程和系统安全工程密切结合的基础上形成的一门应用性很强的交叉分支学科，它运用工程学的原理和方法，对火灾的形成与发展过程及其影响进行科学的决策分析。火灾安全工程学强调从系统安全的高度出发，综合考虑各种因素的影响，研究如何实现建筑物（及构筑物）的总体安全，也是建筑物性能化防火设计的基本依据。火灾安全工程学的主要目标是：在进行建筑物的设计、使用和管理时，应优先保证人员在火灾中的安全，同时考虑如何减少火灾的发生和火灾造成的损失，防止火灾大面积蔓延，最大限度地降低火灾对财产、环境和文化遗产的破坏等。从一定意义上说，火灾安全工程学重在研究如何运用火灾科学的理论知识来解决火灾防治工程中遇到的实际问题，该交叉分支学科是“火灾科学与消防工程”的应用基础理论学科。火灾安全工程学虽然是为适应建筑防火设计规范改革的需求而发展起来的，但其原理和方法不仅为建筑防火安全设计及相应规范的制定提供了理论依据，而且可以用于火因调查、消防新产品的研制、防火安全教育、消防训练等方面，因而具有非常广阔的应用前景。

基于这种研究的需要，火灾安全工程学将充分利用火灾学的基础研究成果，但是并不过细地探究某些火灾现象的机理；它也讨论火灾防治技术，但并不具体考虑某些产品的材料、结构或加工细节，而重在了解这些技术在特定火灾场合下的适用性。进行建筑物的火灾危险分析时需要了解火灾发生与发展的规律、火灾燃烧产物的性质与烟气的蔓延规律、火灾中人员的行为与安全疏散、主动与被动防灭火对策的作用、火灾的特征数据、火灾的统计与调查、火灾危险性的评估方法、火灾防治的有效性和经济性等方面的问题。自然，人们亦应依据不同的应用对象及层次来确定某一次火灾危险分析的重点。

自20世纪80年代提出以后，火灾安全工程学很快成为国际火灾科学界研究和讨论的重点，多年来一直是国际著名火灾科学学术组织及其学术会议的主要议题。例如，国际火灾安全科学学会（IAFSS）、国际建筑协会（CIB）、国际标准化组织（ISO）、国际火灾科研合作论坛（Forum for International Corporation on Fire Research）等莫不如此。可以说，火灾安全工程学的形成和发展带动了火灾科学其他领域的研究和发展，是“火灾科学与消防工程”学科日臻成熟的重要标志之一。

1.4.2 城市面临的火灾威胁

现代化城市具有生产集中、人口集中、建筑集中、财富集中等基本特点，同时伴有可燃易燃物品多、火灾危险源多等现象，这就导致了城市火灾损失呈增长趋势这一世界性的共同规律。

由于人口和各种生产力要素逐步高度集中于城镇，各种自然灾害对城镇侵袭所造成的经济损失日趋严重。但长期以来，我国对于城镇抗御灾害的问题常局限在个别的自然灾害上，而没有从整个城镇的规划、建设和发展的各个环节与不同方面进行系统的技术研究和技术与经济的综合研究。因此，城镇综合防御自然灾害的能力较差，已经构成了对国民经济和社会发展潜在的严重威胁。

由于社会、土地和人口诸多因素的影响，高层与超高层建筑将不可避免地成为我国大城市的主要建筑形式。这些建筑的出现，革新了传统的施工工艺，推动了社会生产力的发展，但同时也对建筑防火设计和消防灭火工作提出了更高的要求。纵观世界发达国家大城市的发展过程，可以发现现代建筑的基本发展方向是：①向高层发展，即在节约城市用地的同时，将城市立体化了；②向大规模、复合型方向发展，即将地下的商场、地铁交通与地面的商业和居住层联合成一个整体；③向多用途、多功能复合型方向发展，即在同一建筑的同一水平楼层内集社会公众活动、办公事务、饮食服务为一体的复合使用功能型；④向大跨度、大容量的建筑方向发展。

从城市防火角度看，我国绝大部分城市普遍存在着以下一些共性的问题：

（1）城市基础设施差，建筑物本身耐火能力低。我国大部分的城市都是在旧城市的基础上兴建、发展的，历史遗留下来的简陋的棚区，手工作坊，各色民居和各类工业、商业建筑高度混杂在一起，立体地展现出这些城市几百甚至上千年的历史风貌。这些城市及其老式建筑物普遍没有或很少有整体防火能力。有人曾形象地描述说某些城市犹如坐落在“火山”上。而相当一部分城市的消防管网设施是几十年以前建造的，其中一部分已无法正常使用。

（2）建筑密集，规划布局混乱。城市旧区的建筑密度大，房屋大多是低矮破旧的，几十栋甚至几百栋连成一体，建筑之间的通道狭窄，一旦发生火灾，消防扑救和人员疏散都是严重的问题。城市中的新建筑或是穿插在旧区中，或是相对集中建设，但总是由于各种各样现实条件的制约而无法保证合理、规范的防火规划真正得以实施。

（3）管理渠道不畅，全民防火意识差。城市防火规划管理涉及的单位和部门众多，现实中所暴露出来的矛盾常常无法找到权威、统一的管理部门予以解决。而在城市中，绝大多数居民的防火意识很差，缺乏最基本的防火、灭火知识和应急处理能力。

（4）生活和生产用燃料成分多种多样。我国的城市生产和生活用燃料的成分比较复杂地交叉在一起，形成了一种独特的社会现象。如有用柴草、木炭、煤、液化石油气、天然气、油、电等作为基本燃料的，这种无规则的混杂加大了管理工作的困难，增大了火灾危险性和控制火灾的难度。

（5）建筑电气火灾危险性加大。城市中的老区建筑密集，建筑原有的电线布置本来就不规范，而随后不断出现的乱拉乱接现象更把这种混乱推向了极端。许多线路敷设的时间已十分长久，线路绝缘早已老化损坏。而现代家庭电器又不断地增大用电量，电线超设计负荷现象十分普遍。所以，电气火灾已成为建筑火灾的第一成灾原因。

（6）城市缺少整体防火体系。到目前为止，国家还没有系统的可具体操作的综合防御火灾的对策。各部门只能尽其有限能力开展一些局部的研究工作。全国在城市综合防火能力及防御体系和政策的研究方面还几乎是空白。

（7）高层建筑带来新的防火问题。高层建筑内容纳的人数很多，垂直撤离距离大，加之火灾中人员的恐慌心理，都使安全疏散成为人们首先关注的问题。另外，高层建筑给消防灭火带来了特殊的困难。当火沿着建筑内空间发展时，消防人员会因烟雾的阻碍和垂直攀登距离过长而延误时机；当火沿建筑外墙向上蔓延时，消防人员往往会因云梯高度不够和供水不足而无法扑灭升腾的火焰。

（8）大空间和地下建筑增多。高大空间的公共建筑和地下建筑对防火安全系统提出了特殊的要求。现行的一些常规消防设施基本不能适用这一类建筑的安全要求。而大空间和地下公共建筑一旦出现火灾，极易产生群死群伤的严重后果。

1.4.3 应重点解决的问题

消防是一项具有永恒性的为全社会服务的工作，它将伴随着火的存在而永远存在。随着社会的发展、人类的进步和城市的变迁，传统的消防概念和技术被不断地赋予新的内涵。

新兴的高技术使社会日新月异，使城市更加综合化和立体化。就城市消防而言，应逐步实现以下各点：

（1）建立统一的城市防灾救援机制。目前我国城市管理千头万绪，所面临的灾难也多种多样，但基本上各城市都没有统一的永久性的防灾指挥调度中心和集中的机动性很强的专门救灾队伍。根据国外的经验和国内的实际情况，目前最有可能实现的就是以消防部队为主体，建立起城市防灾统一指挥和救援中心。即现在的消防部队要实现多专业技能、高人员素质、优厚的生活待遇、精良的救灾设备和终身的社会职业化。

（2）建立义务消防救灾组织。在自愿的前提下，义务消防队由适龄青壮年组成。他们要接受专门的灭火救灾训练，并根据居住范围被编成相应的班、队。平时他们协助专业消防队进行宣传教育和预防灾害的工作，如遇火灾或其他灾害发生时招之即来，并马上投入抢救、救助等第一线活动中。为了确保义务消防队的长久性和有效性，国家应在相关的法令中明确其地位，并通过保险和其他社会基金方式为义务消防员建立伤残保障。

（3）消防灭火指挥高智能化。从防御灾害的角度看，现代化的城市又是脆弱的。因为城市联系的某一链环一旦出事，就可能导致全城性的灾难后果。因此对火灾的扑救指挥就不再是“单点”式的处理了。现代化的消防灭火指挥系统应该具有更多的宏观性、全面性和多维性考虑。也就是实现高智能化的指挥管理。21世纪的消防控制中心应更多地采用电子工业的最新技术。计算机智能技术的应用将改变和取代传统的消防思想与做法。各种消防设施和装备将会被更新的技术所完善。例如，在消防控制中心将装备大型三维空间的图像监控设施，以便更准确地了解火灾现场及周围环境；而卫星系统将会及时采集火灾现场的资料并指挥扑救工作；红外观测仪及有关温度测量仪将用来远距离的探测火灾现场温度状况。

（4）消防装备现代化。消防装备的现代化将主要解决两大问题：一是如何使消防车辆在与火场有一定距离的安全地带便可高效灭火；二是亲临现场救护的人员装备有极高安全度的防护设施。例如，人们可设计遥控式的固定灭火导弹，轻便、防毒、耐高温的消防救护服等。

为了实现迅速、有效抢救的目标，在灾害发生时，实施地面和空中结合的立体救灾是十分必要的。因此现代消防必须配备空中快速救助系统。

（5）消防队伍的职业化。消防是一门技术，而且是内涵极广的一门较高技术。高智力的脑力训练将在相当程度上取代高强度的体能训练。因此必须要很好地研究消防体制的问题。世界先进国家的消防队伍是较为稳定的，一般来说，已实现了消防队伍的职业化。职业化的体制有利于人才的培养和稳定，有利于高新技术的采用。

（6）救火、救生一体化。由于消防队特有的准军事的组织形式和配有的一些专门的设施，所以在国外，消防队已将火灾发生时的救火、救人和平时的救生工作一体化了。即消防队同时兼有救灾救生和帮助市民排忧解难等多项功能。消防队都配有一般性的救护车辆和器具，并且消防队员都具有一定的紧急救护知识。救火、救生工作的一体化有助于群众对消防工作的理解和支持。在我国的一些大城市，市民对消防队的期盼已经不再仅仅是救火了。

（7）完善社会安全的管理制度。社会安全构成的主要因素为人和物，安全的目标分为宏观和微观，安全实现的方法有行政的和经济的。从现实暴露的问题看，我们常常看重物质条件而忽略人的影响和人的高质量管理。比如我们装备了现代化的防火设施，但很多人根本不知道它们的用途，而且因缺少有效的日常管理，防火设施在关键时刻无法发挥作用。另外，我们的管理主体表现在官方的行政行为上。比如各类消防设施的设计、安装和保养基本上是政府部门负责。这种管理是必要的，但是单一化的行政管理也导致了消防安全手段在永久性、科学性、有效性方面存在较大的弊端。保险公司用经济的手段涉入消防安全管理，并在一定的范围内成为主体，这在世界上是一个通用、有效的做法。随着我国保险业的发展，我国的社会安全管理体制势必要走向以经济维护为主、以行政调整为辅的轨道。

1.4.4 城市防火展望

受各种技术和经济条件的制约，我国现行的防火规范在科学性和实用性上还有很大的改进与完善空间。

21世纪，城市的防火设计方法和标准、规范应体现出以下特点和内容。

1.统一城市规划，合理建筑布局

防火规划应列为城市整体规划的一部分，对城市旧区采取控制密度、局部拆除、连片改造、迁移危险建筑等做法，使建筑布局的危险性降到最低点。

从发生战争、发生地震和火灾的综合角度看，城市防火规划应充分考虑火灾中人员的疏散和避难问题，即在城市街区内和周围地带设置若干绿地、广场及公园以供紧急状态时人们暂时避难。同时以宽阔、快捷的多条道路与其连成有机的整体，以利于大量人员沿这些路线安全撤离并确保消防道路的通畅。

2.建筑防火设计理念的变革

如果说20世纪的建筑设计主要竞争于造型和功能方面的话，则21世纪建筑设计行业的核心竞争力将体现在预防灾害发生上。事实证明，一个精心构思的建筑设计，可以大大降低突发灾害对建筑本身和社会造成的经济损失和危害。新的防灾设计理念应体现以下内容。

（1）目标的确定性和方法的多样性。建筑防灾的安全水准和目标应该是明确的和高水平的，即发生灾害的概率十分小。但确保安全水准实现的方法则是多种多样，人们可以运用所有的现代科技手段进行有机的创造性的组合。

（2）人与建筑的互为支撑。建筑的平面构图和设备为防止灾害提供了一个基本条件，但是传统的设计理念没有或极少考虑人与这些设施的互动所导致的防灾效果。新的设计理念应首先考虑人是否会受益或实现这些防灾设计的目标，以及灾害发生时，人对各种防灾设施的使用、利用的可靠程度。当然也要估计人员错误操作的行为对建筑防灾体系带来的严重后果。

（3）灾害过程的虚拟模拟设计。计算机模化设计就是以数学分析和数理统计方法构成一系列的描述灾害过程的数学模型，并利用计算机求解灾难全过程所涉及的各种物理参数，进而预言灾害所产生的各种环境条件。

虚拟现实是由计算机模拟的建筑三维空间环境，建筑师可以通过计算机进入该场景并能操纵被设计的对象与之交互。人们将最终突破人与人之间、人机之间的语言文字障碍，实现人与机器之间、机器与生物体之间的直接信息交互。

这一综合技术的最大好处是，设计师和审查部门无需对模化的原理和方法有太多的了解，就能通过虚拟建筑提供的现场感觉，依据有关的建筑知识、技术法规和安全防范设施对建筑物进行有效、合理、经济的防灾安全系统设计。

（4）设计概念和信息将共享。全球经济的发展可以使人类统一规定一个具体的概念方法，它包括了对建筑设计师及其客户进行项目设计指导的全部概念和理论。当社会建立了一套有效的沟通机制后，全人类就可以高效、灵活地分享所有的知识、数据和市场信息。从这个意义讲，各国各地区的建筑都将同时兼有民族性和国际性的特征。以通信卫星、计算机与宽带通讯网络技术为核心的信息技术将在容量带宽、速度、智能化等方面不断取得新的进展，这种进展必将为建筑设计理念的革新提供更加坚实的工作平台。

3.防御城市燃气爆炸

随着我国城市建设的发展，燃气的应用范围加大，其导致的爆炸火灾也随之增多。因此燃气防爆应成为城市防火标准和设计的重要内容之一。由于燃气灾害所具有的随机性特征，因此对这种灾害的发生概率的统计和有可能导致的损失状况进行预测是一件十分重要的工作。就城市燃气灾害防御而言，今后应加强以下工作：

（1）综合考虑燃气灾害致灾因子和承灾因子的作用，进行动态评估，真正保障城市燃气的安全性，为城市燃气工程的建设提供有效的安全评估与安全咨询的手段、方法与程序。

（2）把燃气灾害信息输入城市防灾综合信息系统，继而扩建成GIS模式的燃气防灾决策支持系统，利用强大的地理信息系统进行燃气生产、运输、储配和使用的管理，提高各个环节的安全性，一旦出现险情，迅速作出反应，努力控制灾害损失在最低限度之内。

4.城市生命线工程的设计与监控

现代化的城市是一个复杂的系统工程，各种灾害造成的损失大小及对人类生产、生活影响的程度，将主要取决于电、水、气等生命线和设备系统的抗灾能力。我们可以运用GIS和人工智能等现代技术，综合研究生命线系统的日常管理、工程监控及减灾对策，建立和完善适合于区域发展的实用系统，包括成灾模型、经济损失评估模型、日常信息管理系统，提出减轻区域经济损失的工程手段及对策，为城市建设和经济的可持续发展提供现代化的管理和决策方法。

城市生命线的安全水准主要依赖于防御水准的级别、综合设计方法的优劣，以及对生命线工程的检测、加固修复及应急处理综合技术的水平。这套技术包括：设计理论的正确、设计方法的优化；管线运行工况的监测与维护；地下管线的防腐处理；地下管线非开挖原位更换及修复等。