【發布單位】出自《注冊消防工程師》

【發布日期】2017-01-11

【所屬類別】出自《注冊消防工程師》

建筑火災蔓延的機理與途徑

通常情況下，火災都有一個由小到大、由發展到熄滅的過程，其發生、發展直至熄滅的過程在不 同的環境下會呈現不同的特點。本節主要介紹建筑火災蔓延的傳熱基礎、煙氣蔓延及火災發展的幾個 階段。

一、建筑火災蔓延的傳熱基礎

熱量傳遞有三種基本方式，即熱傳導、熱對流和熱輻射。建筑火災中，燃燒物質所放出的熱能通 常是以上述三種方式來傳播，并影響火勢蔓延和擴大的。熱傳播的形式與起火點、建筑材料、物質的 燃燒性能和可燃物的數量等因索有關。

(一）熱傳導

熱傳導又稱導熱，屬于接觸傳熱，是連續介質就地傳遞熱而又沒有各部分之間相對的宏觀位移 的一種傳熱方式。從微觀角度講，之所以發生導熱現象，是由于微觀粒子（分子、原子或它們的組成 部分）的碰撞、轉動和振動等熱運動而引起能量從高溫部分傳向低溫部分。在固體內部，只能依靠導 熱的方式傳熱；在流體中，盡管也有導熱現象發生，但通常被對流運動所掩蓋。不同物質的導熱能力 各異，通常用熱導率，即用單位溫度梯度時的熱通量來表示物質的導熱能力。同種物質的熱導率也會 因材料的結構、密度、濕度、溫度等因素的變化而變化。常用材料的熱導率見表1-2-1。

對于起火的場所，熱導率大的材料，由于能受到高溫作用迅速加熱，又會很快地把熱能傳導出去，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發生燃燒，利于火勢傳播和蔓延。

表1-2-1

(二）熱對流

熱對流又稱對流，是指流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混引起熱量傳遞的方式。熱對流中熱a的傳遞與流體流動有密切的關系。當然，由于流體中存在溫度差，所以也必然存在導熱 現象，但導熱在整個傳熱中處于次要地位。工程上，常把具有相對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流換熱。

建筑發生火災過程中，一般來說，通風孔洞面積越大，熱對流的速度越快；通風孔洞所處位置越 高，對流速度越快。熱對流對初期火災的發展起重要作用。

(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出輻射能的現象。輻射換熱 是物體間以輻射的方式進行的熱董傳遞。與導熱和對流不同的是，熱輻射在傳遞能s時不需要互相接 觸即可進行，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 行。最典型的例子是太陽向地球表面傳遞熱量的過程。

火場上的火焰、煙霧都能輻射熱能，輻射熱能的強弱取決于燃燒物質的熱值和火焰溫度。物質熱值越大，火焰溫度越髙，熱輻射也越強。輻射熱作用于附近的物體上，能否引起可燃物質著火，要看熱源的溫度、距離和角度。

二、建筑火災的煙氣蔓延

建筑發生火災時，煙氣流動的方向通常是火勢蔓延的一個主要方向。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）煙氣的擴散路線

建筑火災中產生的髙溫煙氣，其密度比冷空氣小，由于浮力作用向上升起，遇到水平樓板或頂棚時，改為水平方向繼續流動，這就形成了煙氣的水平擴散。這時，如果髙溫煙氣的溫度不降低，那么上層將是高溫煙氣，而下層是常溫空氣，形成明顯的分離的兩個層流流動。實際上，煙氣在流動擴散 過程中，一方面總有冷空氣摻混，另一方面受到樓板、頂棚等建筑圍護結構的冷卻，溫度逐漸下降。

沿水平方向流動擴散的煙氣碰到四周圍護結構時，進一步被冷卻 并向下流動。逐漸冷卻的煙氣和冷空氣流向燃燒區，形成了室內 的自然對流，火越燒越旺，如圖1-2-1所示。

表1-2-1

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

當髙層建筑發生火災時，煙氣在其內的流動擴散一般有三條路線：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） 煙氣流動的驅動力

煙氣流動的驅動力包括室內外溫差引起的煙囪效應、外界風的作用、通風空調系統的影響等。

1.煙向效應

當建筑物內外的溫度不同時，室內外空氣的密度隨之出現差別，這將引發浮力驅動的流動。如果室內空氣溫度高于室外，則室內空氣將發生向上運動，建筑物越高，這種流動越強。豎井是發生這種 現象的主要場合，在豎井中，由于浮力作用產生的氣體運動十分顯著，通常稱這種現象為煙囪效應。在火災過程中，煙囪效應是造成煙氣向上菝延的主要因素。

2.火風壓

火風壓是指建筑物內發生火災時，在起火房間內，由于溫度上升，氣體迅速膨脹，對樓板和四壁 形成的壓力?；痫L壓的影響主要在起火房間，如果火風壓大于進風口的壓力，則大量的煙火將通過外墻窗口，由室外向上蔓延；若火風壓等于或小于進風口的壓力，則煙火便全部從內部蔓延，當它進人 樓梯間、電梯井、管道井、電纜井等豎向孔道以后，會大大加強煙囪效應。

煙肉效應和火風壓不同，它能影響全樓。多數情況下，建筑物內的溫度大于室外溫度，所以室內氣流總的方向是自下而上的，即正煙囪效應。起火層的位置越低.影響的層數越多。在正煙囪效應下， 若火災發生在中性面（室內壓力等于室外壓力的一個理論分界面）以下的樓層，火災產生的煙氣進人 豎井后會沿豎井上升，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，當火勢較弱時，由煙囪效應產生的空氣流動可限 制煙氣流進豎井，如果著火層的燃燒強烈，則熱煙氣的浮力足以克服豎井內的煙囪效應，仍可進人豎 井而繼續向上蔓延。因此，對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，就形同一座高聳的煙囪，強大的抽拔力將使火沿著豎向孔道迅速 蔓延。

3.外界風的作用

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

(三）煙氣蔓延的途徑

火災時，建筑內煙氣呈水平流動和垂直流動。蔓延的途徑主要有：內墻門、洞口，外墻門、窗口，房間隔墻，空心結構，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。對主體為耐火結構的建筑來說，造成葰延的主要原因有：未設有效的防火分區，火災在未受限制 的條件下蔓延；洞口處的分隔處理不完善，火災穿越防火分隔區域婆延；防火隔墻和房間隔墻未砌至?

頂板，火災在吊頂內部空間蔓延；采用可燃構件與裝飾物，火災通過可燃的隔墻、吊頂、地毯等蔓延。

1.孔洞開口蔓延

在建筑內部，火災可以通過一些開口來實現水平菟延，如可燃的木質戶門、無水幕保護的普通卷 簾、未用不燃材料封堵的管道穿孔處等。此外，發生火災時，一些防火設施未能正常啟動，如防火卷 簾因卷簾箱開口、導軌等受熱變形，或者因卷簾下方堆放物品，或者因無人操作手動啟動裝置等導致 無法正常放下，同樣造成火災蔓延3

2.穿越墻壁的管線和縫隙蔓延

室內發生火災時，室內上半部處于較高壓力狀態下，該部位穿越墻壁的管線和縫隙很容易把火焰、 高溫煙氣傳播出去，造成蔓延。此外，穿過房間的金屬管線在火災高溫作用下，往往會通過熱傳導方 式將熱世傳到相鄰房間或區域一側，使與管線接觸的可燃物起火。

3.悶頂內蔓延

由于煙火是向上升騰的，因此頂棚上的人孔、通風口等都是煙火進人的通道。悶頂內往往沒有防 火分隔墻，空間大，很容易造成火災水平蔓延，并通過內部孔洞再向四周的房間蔓延。

4.外墻面蔓延

在外墻面，高溫熱煙氣流會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 上面一層房間內的可燃物。建筑物外墻窗口的形狀、 大小對火勢蔓延有很大影響。

三、建筑火災發展的幾個階段

對建筑火災而言，最初發生在室內的某個房間或 某個部位，然后由此蔓延到相鄰的房間或區域，以及整個樓層，最后蔓延到整個建筑物。其發展過程大致可分為初期增長階段、充分發展階段和衰減階段。圖1-2-2為建筑室內火災溫度-時間曲線。

(一）初期增長階段

初期增長階段從出現明火算起，此階段燃燒面積較小，只局限于著火點處的可燃物燃燒，局部溫度較髙，室內各點的溫度不平衡，其燃燒狀況與敞開環境中的燃燒狀況差不多。由于可燃物性能、分布和通風、散熱等條件的影響，燃燒的發展大多比較緩慢，有可能形成火災，也有可能中途自行熄滅 (見圖1-2-2中虛線），燃燒發展不穩定?；馂某跗痣A段持續時間的長短不定。

(二）充分發展階段

在建筑室內火災持續燃燒一定時間后，燃燒范圍不斷擴大，溫度升髙，室內的可燃物在髙溫的作用下，不斷分解釋放出可燃氣體，當房間內溫度達到400 ~600t時，室內絕大部分可燃物起火燃燒，這種在限定空間內可燃物的表面全部卷入燃燒的瞬變狀態，即為轟燃。轟燃的出現是燃燒釋放的熱ft 在室內逐漸累積與對外散熱共同作用、燃燒速率急劇增大的結果。影響轟然發生最重要的兩個因素是 福射和對流情況，即建筑室內上層煙氣的熱量得失。通常，轟然的發生標志著室內火災進人全面發展 階段。

轟燃發生后，室內可燃物出現全面燃燒，可燃物熱釋放速率很大，室溫急劇上升，并出現持續高溫，溫度可達800 ~1000^。之后，火焰和高溫煙氣在火風壓的作用下，會從房間的門窗、孔洞等處大量涌出，沿走廊、吊頂迅速向水平方向蔓延擴散。同時，由于煙囪效應的作用，火勢會通過豎向管井、 共享空間等向上蔓延。轟然的發生標志了房間火勢的失控，同時，產生的髙溫會對建筑物的襯里材料及結構造成嚴重影響。但不是每個火場都會出現轟燃，大空間建筑、比較潮濕的場所就不易發生。

(三）衰減階段

在火災全面發展階段的后期，隨著室內可燃物數量的減少，火災燃燒速度減慢，燃燒強度減弱， 溫度逐漸下降，一般認為火災衰減階段是從室內平均溫度降到其峰值的80%時算起。隨后房間內溫度 下降顯著，直到室內外溫度達到平衡為止，火災完全熄滅。

上述后兩個階段是通風良好情況下室內火災的自然發展過程。實際上，一旦室內發生火災，常常 伴有人為的滅火行動或自動滅火設施的啟動，因此會改變火災的發展過程。不少火災尚未發展就被撲 滅，這樣室內就不會出現破壞性的高溫。如果滅火過程中，可燃材料中的揮發分并未完全析出，可燃 物周圍的溫度在短時間內仍然較髙，易造成可燃揮發分再度析出，一旦條件合適，可能會出現死灰復 燃的情況，這種情況不容忽視。