建筑火災(zāi)特性
火災(zāi)特性的定義
火災(zāi)特性是一門消防新興科學(xué)，主要研究煙火蔓延發(fā)展的趨勢、特點(diǎn)和規(guī)律，為消防員制定科學(xué)、高效、安全的滅火救援戰(zhàn)術(shù)措施提供依據(jù)?；馂?zāi)特性是火災(zāi)動(dòng)力學(xué)中很小也很關(guān)鍵的一部分。它沒有火災(zāi)動(dòng)力學(xué)教材中那么多專業(yè)的理論知識(shí)，更多的是煙、火規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。
在今天的戰(zhàn)訓(xùn)沙龍中，我主要會(huì)應(yīng)用美國兩大實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)UL和NIST的研究理論。同時(shí)，我也借鑒了美國cfbt-us的一些結(jié)論和數(shù)據(jù)。
UL（美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室）始建于1894年，是美國最具權(quán)威，也是世界上從事安全試驗(yàn)和鑒定的較大的民間機(jī)構(gòu)。
NIST是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，始建于1901年，是一家測量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，屬于美國商務(wù)部的非監(jiān)管機(jī)構(gòu)。NIST雇傭有大約2900名科學(xué)家、工程師、科技工作者，1800名輔助工作人員，另外還有1400名專家分布在國內(nèi)約350個(gè)附屬研究中心。
2002年國家建筑安全小組法案授權(quán)NIST對(duì)世界貿(mào)易中心1號(hào)樓和2號(hào)樓以及47層高的世界貿(mào)易中心七號(hào)樓的倒塌進(jìn)行調(diào)查。
燃燒三要素
大家都知道燃燒的三要素和四面體，即：燃料、空氣（氧氣）、火源，以及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。但是，就目前個(gè)人了解掌握而言，消防員普遍對(duì)于空氣（氧氣）的作用，是忽視的，或者是認(rèn)識(shí)不夠的。
空氣是火場中至關(guān)重要的一個(gè)變量。
梨子園隧道處理中，陳家強(qiáng)局長就是充分利用了火災(zāi)的特性進(jìn)行滅火。通過用沙袋密封隧道的洞口，導(dǎo)致內(nèi)部處于缺氧狀態(tài)，窒息滅火。
這張圖是火災(zāi)發(fā)展的示意圖，在圖中我們默認(rèn)了空氣在火場中是一個(gè)恒定且充足的量。
火災(zāi)的蔓延發(fā)展完全是由于可燃物的多少所決定的。可燃物越多，火災(zāi)燃燒的時(shí)間越長，釋放的熱量越高。這種火災(zāi)絕對(duì)是室外火災(zāi)，但不一定是室內(nèi)建筑火災(zāi)。
大家可以思考一下，例如普通居民住宅發(fā)生火災(zāi)，住宅內(nèi)很可能處于相對(duì)密閉的狀態(tài)，例如陽臺(tái)的窗戶是關(guān)著的，門是關(guān)著的。由于燃燒，室內(nèi)氧氣消耗殆盡，還有可能出現(xiàn)上面那張圖片的情況嗎？
不可能。
所以根據(jù)國外的實(shí)驗(yàn)研究，建筑火災(zāi)的發(fā)展示意圖，很可能是下面這種情況。
火災(zāi)進(jìn)入初期階段，由于消耗氧氣，火勢變小，處于熄滅階段。這個(gè)時(shí)候，由于消防員到場開門或窗戶受熱力影響破裂，室外大量的空氣進(jìn)入房間，趨于熄滅的火勢再次發(fā)展起來。
通過這張圖，我們就能直觀地看到空氣在建筑火災(zāi)中的重要影響。而這往往是我們目前所忽略的。
消防在二樓住宅破窗排煙，二樓最初并沒有明火。大約3分鐘以后，整個(gè)二樓發(fā)生了燃燒。原因正是因?yàn)?/span>消防員在排煙的同時(shí)，大量空氣進(jìn)入室內(nèi)，加速了火勢的發(fā)展。
這是去年英國那場大火，大家可以觀察一下，除了沿外墻蔓延的火勢，其余明火均出現(xiàn)在窗戶破裂的室內(nèi)。
那么我們過去說的排煙戰(zhàn)術(shù)是否真的對(duì)滅火有幫助？排煙降溫是否真的成立？我想這個(gè)答案是不一定的。具體的情況，我們稍后再進(jìn)行分析。
既然我們通過視頻、通過圖片加深了對(duì)空氣作用的了解，接下來，我們談?wù)劵饒鲋械臒煔狻?/span>
火 場 煙 氣
火場煙氣是在火災(zāi)發(fā)展過程中由燃燒或熱解作用所產(chǎn)生的懸浮在氣相中的可見的固體和液體微粒的氣體。
建筑火災(zāi)中，由于可燃物多纖維物質(zhì)的材料（如：木材、竹等）和高分子材料（如：各種塑料、人造絲等），因此煙氣中含有大量的一氧化碳和氮氧化物。一氧化碳是一種可燃?xì)怏w，氮氧化物是非可燃物質(zhì)，但均能助燃，因此，煙氣在與氧氣充分混合以后，也將發(fā)生燃燒。
根據(jù)美國近年來的結(jié)論，煙氣就是可燃物。
火災(zāi)的蔓延發(fā)展、火場中的轟然、回燃等極端現(xiàn)象，都是因?yàn)闊煔獾挠绊憽?/p>
為什么說煙氣也是可燃物，我們可以看看下面這個(gè)視頻。
消防員到場后開始破窗排煙，大家注意第35秒。二樓房頂?shù)臒煔鈱铀查g被點(diǎn)燃，然后整個(gè)房間陷入火海
煙氣中含有一氧化碳（可燃物）、氮氧化物（助燃物），同時(shí)，煙氣的溫度較高（熱量），再加上排煙后大量的氧氣（助燃物），煙氣很快會(huì)發(fā)生燃燒，因此，煙氣=可燃物。
對(duì)于現(xiàn)代建筑火災(zāi)，消防員應(yīng)當(dāng)通過現(xiàn)場的偵查、了解掌握火場的信息。其中最關(guān)鍵的便是掌握火勢蔓延發(fā)展規(guī)律的信息。
CFBT-US里面有一個(gè)章節(jié)專門在講，叫做B-SHAF。我個(gè)人取了個(gè)名字叫B-SHAF火場識(shí)別法。
B（building）S（smoke）H（heat）A（air track空氣流動(dòng)軌跡）F（flame）
今天由于是講火災(zāi)特性，空氣和煙氣我重點(diǎn)說一下。
如何通過煙氣判斷火勢的蔓延發(fā)展？
火災(zāi)發(fā)生后，火場內(nèi)部形成高溫環(huán)境，火場內(nèi)外部形成溫差和壓差；受熱膨脹的煙氣向低溫、低壓方向蔓延，并通過排煙口（通風(fēng)口）流出室外；為補(bǔ)充煙氣流出后火場所損失的壓力，火場外部空氣會(huì)從排煙口（通風(fēng)口）吸入火場內(nèi)部。同時(shí)，火場中的氧氣不斷消耗，火會(huì)朝著空氣進(jìn)入的方向（排煙口或通風(fēng)口）蔓延。
結(jié)論：
1.高溫、高壓煙氣會(huì)向低溫、低壓區(qū)域蔓延（排煙口或通風(fēng)口）；
2.煙怎么流，火便怎么燒。
在任何一個(gè)火場，都會(huì)形成煙火蔓延的路徑，在美國被稱為flow path（氣流）。這是老美近10年來最重要的一個(gè)研究理論。
Flow paths:Every new ventilation opening provides a new flow path to the fire and vice versa.This could create very dangerous conditions when there is a ventilation limited fire.
煙火蔓延路徑
在一個(gè)單層的室內(nèi)，會(huì)存在一個(gè)：雙向的煙火蔓延路徑。即：任何一個(gè)排煙口的下部吸入空氣（藍(lán)色箭頭）、排煙口的上部排除煙氣。
結(jié)論：
1.在同一個(gè)平面（樓層）開設(shè)的排煙口會(huì)形成雙向路徑；
2.在同一個(gè)平面（樓層）的一個(gè)或多個(gè)排煙口都屬于雙向路徑；
3.雙向路徑的排煙口，上部排出煙氣，下部吸入空氣。
“煙怎么流，火便怎么燒”
生火災(zāi)，因?yàn)闆]有煙氣流動(dòng)、沒有氧氣，就沒有火災(zāi)。煙氣會(huì)往有空氣的地方蔓延，最終火也會(huì)往有空氣的地方蔓延。
下面實(shí)驗(yàn)揭示了單層建筑煙氣的蔓延規(guī)律。
沙發(fā)為最初起火點(diǎn)，燃燒8分鐘以后，前門打開，之后每間隔15秒，依次打開客廳、和三個(gè)臥室的窗戶，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖。
通過實(shí)驗(yàn)，一方面可以看出，在通風(fēng)排煙以后，整個(gè)室內(nèi)的溫度迅速上升。
同時(shí)，整個(gè)煙氣流動(dòng)軌跡也是向著每個(gè)通風(fēng)口在進(jìn)行蔓延，且受到煙氣蔓延的房間溫度均在上升。 圖中紅色的箭頭便表示這火場的煙火蔓延路徑。
再說說多層建筑中的煙火蔓延路徑規(guī)律
在多層或者單層（排煙口存在一定高差）的火災(zāi)中，底部的排煙口“主要”負(fù)責(zé)吸入空氣，上部的排煙口“主要”負(fù)責(zé)排除煙氣。
結(jié)論：
1.火場中存在2個(gè)或多個(gè)有一定高度差的排煙口（通風(fēng)口），便會(huì)形成單向蔓延途徑；
2.位于較低部位的排煙口主要負(fù)責(zé)吸入空氣，較高部位的排煙口主要負(fù)責(zé)排出煙氣；
3.單向蔓延路徑即是“煙囪效應(yīng)”。
為什么要說“主要”，因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)和排煙的時(shí)間點(diǎn)或排煙口的大小、位置都會(huì)對(duì)煙火蔓延路徑造成影響。因此在實(shí)驗(yàn)室中，很好模擬一個(gè)完美的底部吸入空氣，上部排除煙氣的實(shí)驗(yàn)。但在實(shí)際當(dāng)中，底部的排煙口也在排除煙氣，同時(shí)吸入空氣，只是排煙量會(huì)減少。
來看一個(gè)實(shí)驗(yàn)。
家庭室內(nèi)沙發(fā)發(fā)生火災(zāi)，預(yù)燃10分鐘，之后打開前門，15秒后打開二樓臥室窗戶。
大家可以看一下圖片，第13分鐘時(shí)，臥室已有火光，17分鐘時(shí)火光更明顯。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)，同樣是在打開排煙口后，室內(nèi)溫度迅速上升。
紅色的箭頭表示煙火蔓延的路徑，從沙發(fā)處向大門蔓延，從沙發(fā)處向二樓臥室蔓延，但是主要方向是二樓臥室。因?yàn)榍懊嫠f的“單向蔓延路徑”， 底部的房門主要吸入空氣，二樓的窗戶主要排出煙氣。
這個(gè)視頻，起火點(diǎn)在一樓，點(diǎn)火后，1樓房門關(guān)閉，二樓窗戶打開。1分14秒時(shí)，二樓不再排煙，因?yàn)槭覂?nèi)火勢趨于窒息狀態(tài)。
為何如此？因?yàn)?樓房門處于關(guān)閉狀態(tài)，2樓的排煙口打開后，會(huì)形成一個(gè)雙向的蔓延路徑。即：排煙口下部負(fù)責(zé)吸入空氣、上部負(fù)責(zé)排除煙氣，但起火點(diǎn)在一樓，從二樓這個(gè)排煙口很難吸入足夠的空氣，因此室內(nèi)火勢減少、缺氧、趨于窒息。當(dāng)一樓大門打開以后，二樓迅速恢復(fù)排煙，趨于熄滅的火勢，重新發(fā)展起來，隨后發(fā)生了轟燃。
在這個(gè)視頻中，一樓大門被再次打開以后，也在進(jìn)行排煙，火勢也從一樓大門口燒了出來，但是火勢蔓延的主要方向是二樓，因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)“單向蔓延路徑”， 同時(shí)也是我之前說的，單向路徑在實(shí)驗(yàn)室很好模擬，在實(shí)際建筑中并不太容易完全一致。因?yàn)樵谶@個(gè)視頻中，二樓排煙口很小，一樓積聚的煙氣很可能一下子排不出去，所以，一樓的大門也會(huì)幫著排煙。另外整個(gè)室內(nèi)的結(jié)構(gòu)、起火點(diǎn)的位置也有很大影響，這個(gè)視頻是室內(nèi)攝像機(jī)拍攝的畫面。
動(dòng)畫模擬不完全的“單向路徑”(點(diǎn)擊觀看)
另外，這個(gè)動(dòng)畫模擬了不完全的“單向路徑”， 到目前為止，第一部分講完了
思考：
臺(tái)灣吳宏毅科長：破窗是排煙還是助燃？什么時(shí)候破窗是排煙？什么時(shí)候破窗是助燃？
結(jié)論：
在剛剛說的一系列實(shí)驗(yàn)中，最后有個(gè)非常重要的結(jié)論。目前已經(jīng)納入美國的救災(zāi)課程內(nèi)容。就是當(dāng)你開始對(duì)火點(diǎn)射水的時(shí)候開始，你開始進(jìn)行破窗，那就是排煙；當(dāng)你的射水還無法到火點(diǎn)前的破窗開門開口，都是助燃。
當(dāng)火勢已被水槍壓制，火勢已處于劣勢，加大排煙口等于排煙降溫。因?yàn)楫?dāng)你開始攻擊火點(diǎn)，他的通風(fēng)并不會(huì)再增加熱釋放率；相反的，如果沒有射水的通風(fēng)，它會(huì)短暫的有假通風(fēng)效果，約1-3分鐘后就會(huì)變成助燃。
所以開玩笑地說：消防隊(duì)一到場破門進(jìn)攻的那一刻就是開始幫忙燒房子，因?yàn)槟汩_啟了助燃通道。所以就有了后來的戰(zhàn)術(shù)“門控”。