超高层建筑防火设计的研究

2．超高层建筑火灾特点与危害

2.1超高层建筑火灾特点

2.11超高层建筑火灾的诱因

一座超高层建筑往往是用途广泛，设备管线繁杂，功能复杂，人员活动频繁、数量密集的综合体，与传统的民用建筑相比存在更多的火灾隐患，一旦失火同时具有更大的危害性，除了雷击等自然原因外，引发超高层建筑的火灾原因主要有以下几点：

（1）明火管理不当引发火灾。超高层建筑往往包括餐厅、酒店、这些地区的明火使用和管理不当，往往容易引发火灾。

（2）电气使用不当引发火灾。超高层建筑中的用电设备数量繁多，存在较大的电气火灾隐患。

（3）机械设备故障引发火灾。超高层建筑中有多种机械设备，如送风机、电动机、输送机、空调、排风机，这些设备一旦出现质量问题，或者缺乏定期的检查和保养，导致机器过热，极有可能引发火灾。

（4）违章作业引发火灾。即使一座超高层建筑已经投入使用，也不可避免地会有室内装修，设备保养与维护，房间清洁等施工作业，施工过程中往往会使用到气割、

电焊等，有时还会使用易燃液体，违章作业或施工过程中的疏忽会大大增加火灾

的发生几率。

2.12 超高层建筑火灾发展过程分析

根据超高层建筑发生火灾时，室内的平均温度随着时间的变化特点可以将火灾过程分为三个阶段：初起阶段、全面发展阶段以及熄灭阶段（图1），每个阶段都有各自不同的特点：

图1 室内火灾温度——时间曲线

（1）初起阶段：当超高层建筑室内发生火灾后，刚开始仅仅只有起火部位和周围的可燃物发生燃烧，初起阶段的火灾特点是燃烧范围不大，室内平均温度较低，并且

存在较大的温度差别，火势发展缓慢，处于可扑救的状态。

（2）全面发展阶段：当火灾在室内发展一段时间后，燃烧范围逐渐扩大，一旦房间平均温度达到阈值时，房间内大部分的可燃物都会迅速燃烧，房间充满火焰，这个

阶段的特点在于火势发展迅速，燃烧猛烈，室内平均温度达到最高，会伴随轰然

的出现，这种现象是由局部燃烧向全面燃烧的标志，火灾一旦进入全面发展阶段，扑救将十分困难。

（3）熄灭阶段：当火灾发展到后期时，由于室内可燃物的燃烧殆尽，火势发展的速度开始减缓，室内平均温度也呈下降的趋势，当室内平均温度降至最高温度的80%

后，通常认为火灾已经进入熄灭阶段，这个阶段的特点在于虽然已经进入熄灭阶

段，但室内温度依然较高，结构部件过火后存在一定的安全隐患，给消防部门进

入建筑开展救援带来一定的危险性。

2.13 超高层建筑火灾时火焰蔓延方式

（1）火焰通过窗口向上蔓延：起火房间喷出的烟尘和火焰温度较高，由于热压作用往往会沿着窗间墙通过窗口向上层逐渐蔓延，若超高层建筑采用带型窗，窗口喷出的火焰还会吸附在建筑表面，通过上层窗口进入室内，加速火势蔓延速度。

（2）火焰在水平方向蔓延：出现这种情况的原因一是因为防火分区设置存在问题，二是因为洞口分割不完善，普通的木质门极易被烧穿，失去隔断作用；未设置水幕保护的防火卷帘由于温度过高失去隔离火灾区域的作用。另外，火焰还可以通过吊顶、地毯、隔墙等沿着水平方向蔓延。

（3）火焰通过竖井蔓延：超高层建筑中存在大量的竖井，其中包括：电梯井、楼梯间、设备管道、垃圾井等。这些竖井往往以贯通的方式存在，如果防火隔断设置不合理，一旦发生火灾，这些竖井就会起到“拔风烟囱”的作用，加速火势的蔓延。

（4）火灾通过空调管道系统蔓延：超高层建筑中的空调系统非常复杂，如果不按规定设置防火阀，并采用可燃材料作为风管，火灾发生时，火焰可以很快烧穿风管蔓延到其他区域。

2.2 超高层建筑火灾的危害

2.2.1 浓烟对人的危害

超高层建筑中使用的EPS、XPS、PU板等被大量应用于超高层建筑的外保温工程，但这些材料防火安全性差，易老化，易燃烧，一旦燃烧就会产生大量有毒浓烟（图2）高层建筑一旦起火，灭火极其困难，被困人员难以疏散，着火现场因吸入过量浓烟和毒气致死的人数占到火灾死亡人数的80%~84%，特别是PU板在燃烧时会产生剧毒的氰化氢，对人身安全造成极大威胁。

图2 有机保温材料燃烧产生的剧毒浓烟

另外，缺氧,在着火区域,空气中充满了由可燃物燃烧所产生的一氧化碳、二氧化碳和其他有毒气体等,加之燃烧需要大量的氧气,因此空气中的含氧量大大降低。由于缺少氧气,人的身体也会受到各种伤害（表1）

表 1 缺氧对人体的影响

2.22 火灾对超高层建筑结构的破坏

超高层建筑主体结构多为钢结构承重，钢结构的一个显著缺陷就在于一旦受热，很快伴随塑性变形出现，钢结构的承载能力急剧下降，当达到500℃时，钢结构的强度会降到正常强度的50%；当达到1000℃，强度会成几何级数迅速下降，此外，较高的火场温度还会对钢结构产生热应力，这种应力会加速钢结构的破坏速度。过火后的钢结构与混凝土结构也会发生缓慢的塑性变形（即蠕变），在几种因素的综合作用下，钢结构的强度迅速下降，会在短时间内崩塌。

分析“9·11”事件中的世贸中心，南部大楼在遭受撞击后仅仅几个小时就发生了坍塌，这与大楼主体采用钢结构有直接的关系。整个过程中，飞机以500km/h的速度撞击大楼后，巨大的能量将建筑外部框架的梁柱等构件摧毁后，引起了爆炸和大火，飞溅的航空汽油迅速引燃了大楼中的可燃物，火灾发展速度极快，火灾中心的温度达到2000℃，由于大楼的支柱与桁架全部是钢，高温作用下的钢柱与桁架逐渐变软和弯曲变形，失去了承载力的上层部分开始坍塌，对下层结构产生远远超出结构抵抗范围以内的垂直冲击力，导致下一部分的楼面坍塌，自上而下连续的坍塌形成了垂直的多米诺效应，最终大楼在短时间内就完全被摧毁（图3）。

图3 世贸中心垮塌全过程

3.超高层建筑防火构造设计

3.1 防火墙与竖向管井

3.11 防火墙的设计

（1）超高层建筑中的防火墙不能设置在U、L型的内转角处（图4）。当防火墙设置在转交附近时，内转角两侧墙上的门和窗之间最近边缘的水平距离必须大于4m。当