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综合整理|橙色救援 我爱我家

编辑修改 | 木月 橙Sir   

 

各位战友、同仁们,很高兴有机会和大家共同探讨学习建筑火灾特性。

首先我先介绍一下,什么是建筑火灾特性(fire behavior)。

 

火灾特性的定义

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

火灾特性是一门消防新兴科学,主要研究烟火蔓延发展的趋势、特点和规律,为消防员制定科学、高效、安全的灭火救援战术措施提供依据。火灾特性是火灾动力学中很小也很关键的一部分。它没有火灾动力学教材中那么多专业的理论知识,更多的规律性的认识

在今天的战训沙龙中,我主要会应用美国两大实验机构UL和NIST的研究理论。同时,我也借鉴了美国cfbt-us的一些结论和数据。

UL(美国保险商实验室)始建于1894年,是美国最具权威,也是世界上从事安全试验和鉴定的较大的民间机构。

NIST是美国国家标准与技术研究院,始建于1901年,是一家测量标准实验室,属于美国商务部的非监管机构。NIST雇佣有大约2900名科学家、工程师、科技工作者,1800名辅助工作人员,另外还有1400名专家分布在国内约350个附属研究中心。

2002年国家建筑安全小组法案授权NIST对世界贸易中心1号楼和2号楼以及47层高的世界贸易中心七号楼的倒塌进行调查。

燃烧三要素

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

大家都知道燃烧的三要素和四面体,即:燃料、空气(氧气)、火源,以及链式反应。但是,就目前个人了解掌握而言,消防员普遍对于空气(氧气)的作用,是忽视的,或者是认识不够的。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

      战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

空气是火场中至关重要的一个变量。

梨子园隧道处理中,陈家强局长就是充分利用了火灾的特性进行灭火。通过用沙袋密封隧道的洞口,导致内部处于缺氧状态,窒息灭火。

火灾发展规律

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性这张图是火灾发展的示意图,在图中我们默认了空气在火场中是一个恒定且充足的量。

火灾的蔓延发展完全是由于可燃物的多少所决定的。可燃物越多,火灾燃烧的时间越长,释放的热量越高。这种火灾绝对是室外火灾,但不一定是室内建筑火灾。

大家可以思考一下,例如普通居民住宅发生火灾,住宅内很可能处于相对密闭的状态,例如阳台的窗户是关着的,门是关着的。由于燃烧,室内氧气消耗殆尽,还有可能出现上面那张图片的情况吗?

不可能。

所以根据国外的实验研究,建筑火灾的发展示意图,很可能是下面这种情况。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

火灾进入初期阶段,由于消耗氧气,火势变小,处于熄灭阶段。这个时候,由于消防员到场开门或窗户受热力影响破裂,室外大量的空气进入房间,趋于熄灭的火势再次发展起来。

 

通过这张图,我们就能直观地看到空气在建筑火灾中的重要影响。而这往往是我们目前所忽略的。

大家可以看看这个视频。

消防在二楼住宅破窗排烟,二楼最初并没有明火。大约3分钟以后,整个二楼发生了燃烧。原因正是因为消防员在排烟的同时,大量空气进入室内,加速了火势的发展。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性     战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

这是去年英国那场大火,大家可以观察一下,除了沿外墙蔓延的火势,其余明火均出现在窗户破裂的室内。

 

那么我们过去说的排烟战术是否真的对灭火有帮助?排烟降温是否真的成立?我想这个答案是不一定的。具体的情况,我们稍后再进行分析。

既然我们通过视频、通过图片加深了对空气作用的了解,接下来,我们谈谈火场中的烟气。

火 场 烟 气

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

火场烟气是在火灾发展过程中由燃烧或热解作用所产生的悬浮在气相中的可见的固体和液体微粒的气体。

建筑火灾中,由于可燃物多纤维物质的材料(如:木材、竹等)和高分子材料(如:各种塑料、人造丝等),因此烟气中含有大量的一氧化碳和氮氧化物。一氧化碳是一种可燃气体,氮氧化物是非可燃物质,但均能助燃,因此,烟气在与氧气充分混合以后,也将发生燃烧。

根据美国近年来的结论,烟气就是可燃物。

火灾的蔓延发展、火场中的轰然、回燃等极端现象,都是因为烟气的影响。

为什么说烟气也是可燃物,我们可以看看下面这个视频。

消防员到场后开始破窗排烟,大家注意第35秒。二楼房顶的烟气层瞬间被点燃,然后整个房间陷入火海。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

烟气中含有一氧化碳(可燃物)、氮氧化物(助燃物),同时,烟气的温度较高(热量),再加上排烟后大量的氧气(助燃物),烟气很快会发生燃烧,因此,烟气=可燃物。

对于现代建筑火灾,消防员应当通过现场的侦查、了解掌握火场的信息。其中最关键的便是掌握火势蔓延发展规律的信息。

CFBT-US里面有一个章节专门在讲,叫做B-SHAF。我个人取了个名字叫B-SHAF火场识别法

B(building)S(smoke)H(heat)A(air track空气流动轨迹)F(flame)

今天由于是讲火灾特性,空气和烟气我重点说一下。

如何通过烟气判断火势的蔓延发展?

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

火灾发生后,火场内部形成高温环境,火场内外部形成温差和压差;受热膨胀的烟气向低温、低压方向蔓延,并通过排烟口(通风口)流出室外;为补充烟气流出后火场所损失的压力,火场外部空气会从排烟口(通风口)吸入火场内部。同时,火场中的氧气不断消耗,火会朝着空气进入的方向(排烟口或通风口)蔓延。

 

结论:

1.高温、高压烟气会向低温、低压区域蔓延(排烟口或通风口);

2.烟怎么流,火便怎么烧。

在任何一个火场,都会形成烟火蔓延的路径,在美国被称为flow path(气流)。这是老美近10年来最重要的一个研究理论。

 

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.

 

烟火蔓延路径

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

在一个单层的室内,会存在一个:双向的烟火蔓延路径。即:任何一个排烟口的下部吸入空气(蓝色箭头)、排烟口的上部排除烟气。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

结论:

1.在同一个平面(楼层)开设的排烟口会形成双向路径;

2.在同一个平面(楼层)的一个或多个排烟口都属于双向路径;

3.双向路径的排烟口,上部排出烟气,下部吸入空气。

 

“烟怎么流,火便怎么烧”

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性在图中二楼这个地方不会发生火灾,因为没有烟气流动、没有氧气,就没有火灾。烟气会往有空气的地方蔓延,最终火也会往有空气的地方蔓延。

下面实验揭示了单层建筑烟气的蔓延规律。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

沙发为最初起火点,燃烧8分钟以后,前门打开,之后每间隔15秒,依次打开客厅、和三个卧室的窗户,实验结果如下图。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性通过实验,一方面可以看出,在通风排烟以后,整个室内的温度迅速上升

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

同时,整个烟气流动轨迹也是向着每个通风口在进行蔓延,且受到烟气蔓延的房间温度均在上升。 图中红色的箭头便表示这火场的烟火蔓延路径。

再说说多层建筑中的烟火蔓延路径规律

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

在多层或者单层(排烟口存在一定高差)的火灾中,底部的排烟口“主要”负责吸入空气,上部的排烟口“主要”负责排除烟气。

结论:

1.火场中存在2个或多个有一定高度差的排烟口(通风口),便会形成单向蔓延途径; 

2.位于较低部位的排烟口主要负责吸入空气,较高部位的排烟口主要负责排出烟气

3.单向蔓延路径即是“烟囱效应”。

为什么要说“主要”,因为建筑结构和排烟的时间点或排烟口的大小、位置都会对烟火蔓延路径造成影响。因此在实验室中,很好模拟一个完美的底部吸入空气,上部排除烟气的实验。但在实际当中,底部的排烟口也在排除烟气,同时吸入空气,只是排烟量会减少。

来看一个实验。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

家庭室内沙发发生火灾,预燃10分钟,之后打开前门,15秒后打开二楼卧室窗户。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

大家可以看一下图片,第13分钟时,卧室已有火光,17分钟时火光更明显。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

根据实验,同样是在打开排烟口后,室内温度迅速上升。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

红色的箭头表示烟火蔓延的路径,从沙发处向大门蔓延,从沙发处向二楼卧室蔓延,但是主要方向是二楼卧室。因为前面所说的“单向蔓延路径”, 底部的房门主要吸入空气,二楼的窗户主要排出烟气。

这个视频,起火点在一楼,点火后,1楼房门关闭,二楼窗户打开。1分14秒时,二楼不再排烟,因为室内火势趋于窒息状态。

 

为何如此?因为1楼房门处于关闭状态,2楼的排烟口打开后,会形成一个双向的蔓延路径。即:排烟口下部负责吸入空气、上部负责排除烟气,但起火点在一楼,从二楼这个排烟口很难吸入足够的空气,因此室内火势减少、缺氧、趋于窒息。当一楼大门打开以后,二楼迅速恢复排烟,趋于熄灭的火势,重新发展起来,随后发生了轰燃。

在这个视频中,一楼大门被再次打开以后,也在进行排烟,火势也从一楼大门口烧了出来,但是火势蔓延的主要方向是二楼,因为存在一个“单向蔓延路径”, 同时也是我之前说的,单向路径在实验室很好模拟,在实际建筑中并不太容易完全一致。因为在这个视频中,二楼排烟口很小,一楼积聚的烟气很可能一下子排不出去,所以,一楼的大门也会帮着排烟。另外整个室内的结构、起火点的位置也有很大影响,这个视频是室内摄像机拍摄的画面。

 

另外,这个动画模拟了不完全的“单向路径”, 到目前为止,第一部分讲完了。

战训沙龙第4期丨建筑火灾特性

思考:  

台湾吴宏毅科长:破窗是排烟还是助燃?什么时候破窗是排烟?什么时候破窗是助燃?

结论:

在刚刚说的一系列实验中,最后有个非常重要的结论。目前已经纳入美国的救灾课程内容。就是当你开始对火点射水的时候开始,你开始进行破窗,那就是排烟当你的射水还无法到火点前的破窗开门开口,都是助燃

当火势已被水枪压制,火势已处于劣势,加大排烟口等于排烟降温。因为当你开始攻击火点,他的通风并不会再增加热释放率;相反的,如果没有射水的通风,它会短暂的有假通风效果,约1-3分钟后就会变成助燃。

 

所以开玩笑地说:消防队一到场破门进攻的那一刻就是开始帮忙烧房子,因为你开启了助燃通道。所以就有了后来的战术“门控”。点击下方原文链接,加入「橙色救援」战训群!


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