高层建筑火灾动力学

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第1章 概论
　　1.1 高层建筑的发展及现状
　　世界范围内，各国对高层建筑的定义不尽相同。在美国，将高度大于 22.86m 的建筑物视为高层建筑 [1]；在日本，将 10.17 层、高度不满 45m 的建筑物称作 高层建筑，将 45m 以上的建筑物称作超高层建筑 [2]；在英国，把高度大于等于 24.4m 的建筑物视为高层建筑 [3]；在中国，根据《建筑设计防火规范》GB 50016| 2014(2018 年版) 规定，建筑高度大于 27m 的住宅建筑和建筑高度大于 24m 的非单 层厂房、仓库和其他民用建筑均为高层建筑，当建筑高度超过 100m 时，称为超高层 建筑 [4]。
　　人类自古代起就开始兴建高层建筑，有些仍保存至今。比如，公元前 280 年左 右，古埃及建造的亚历山大港灯塔，高 100 多米；公元 523 年，中国建造的嵩岳 寺塔 (位于现在的河南登封市)，高 40m；公元 1056 年建造的佛宫寺释迦塔 (位于 现在的山西应县)，高约 67m。现代高层建筑的建造开始于 19 世纪末期，兴起于美 国。1883 年芝加哥建起第一幢 11 层的家庭保险公司大楼，1931 年纽约建成 102 层 的帝国大厦 [1]。第二次世界大战以后，随着工业生产的迅速发展，城市人口急剧膨 胀，城市土地资源愈发不足，促使城市建筑向高空延伸，城市构造随之高层化，以 适应经济发展的需要，出现了世界范围的高层建筑繁荣时期。如图 1.1[5] 所示，进 入 21 世纪后，全世界高层/超高层建筑的建造呈井喷式的增长。截至 2017 年，我 国超过 24m 的高层建筑有 34.7 万幢，100m 以上超高层建筑有 6000 多幢，数量均 位居世界第一 [6]。在世界范围内，如图 1.2[5] 所示，高层建筑的高度也越来越高， 从 541m 的纽约世贸中心到 632m 的上海中心大厦再到 828m 的世界第一高楼迪拜 哈利法塔 [7]，一次又一次地刷新了最高建筑纪录。如图 1.3 所示 [5]，仅 2019 年， 全世界就建成 126 座 200m 以上的超高层建筑，其中 57 栋在中国，占总数的 45％； 美国排名第二，有 14 座新建成项目，占总数的 11％；中东也是超高层建筑最为密 集的地区之一，2019 年共建成 11 座。放眼全球各个城市，中国深圳连续四年打破 自己的纪录，2019 年共有 15 座超高层建筑竣工，独占世界总数的 11.9％，该数量 超过了除中国以外的所有国家各自的建成数量，可以说中国已经成为名副其实的 高层建筑大国。
　　近年来，除了高层建筑的高度不断增加外，随着全球大都市对高质量的房地产和更优连通性的需求不断增加，以交通为导向的高层建筑逐渐受到人们的重视。例如，深圳高铁北站广场的东侧建成的两个独立开发项目：汇德大厦和深圳北站枢纽 综合体 C2 地块 1 号楼，高度都超过 200m。连接内地和香港的高速铁路网中的福田 站已经成了一个高层城市连接体，平安金融中心建筑群和许多其他建筑都与该站 相连。此外，新建的高层建筑项目表明，人们越来越有兴趣在日益拥挤并且垂直化 的城市中建造水平向的栖居地。南京金鹰天地的多层空中连廊连接着三座塔楼，容 纳了酒店和办公的功能。空中连廊有一个拱顶，以屋顶花园休息区的形式提供了公 共空间。因此，当今世界高层建筑的发展逐渐朝着结构复杂化、功能多样化的方向 发展。
　　图 1.1 近年来全世界超高层建筑数量变化趋势
　　图 1.2 历年建成的最高建筑的高度
　　图 1.3 2019 年世界各地建造超高层建筑数量
　　1.2 高层建筑火灾危险性及发展特性
　　1.2.1 高层建筑火灾危险性
　　高层建筑在带来经济以及社会效益的同时，由于其设计复杂、建筑面积大、居 住或者工作人员较多、可燃物多，存在多种安全隐患，一旦发生火灾将会造成巨大 的损失，其火灾安全性受到了广泛关注 [8]。
　　统计数据显示 [9]，2017 年以来，我国高层建筑共发生火灾 5046 起，直接财产 损失超 8000 万元；2016 年住宅火灾死亡人数占火灾致死总人数的 80.21％，住宅 火灾死亡人数占火灾致死总人数的比例逐年升高；近 10 年来，全国共发生高层建 筑火灾 3.1 万起，死亡人数达 474 人，造成直接财产损失 15.6 亿元，其中，特别重 大火灾 3 起、重大火灾 4 起、较大火灾 24 起，形势非常严峻 [10]。表 1.1 为国内外 近十年来城市典型高层建筑火灾案例。
　　表 1.1 国内外近十年来城市典型高层建筑火灾案例 [11.21]
　　续表
　　2 人死亡
　　上述国内外数据充分体现了高层建筑火灾事故的危险性。一旦高层建筑火灾 没有得到有效的控制而充分发展，将会造成大量的人员伤亡和财产损失。下文以国 内外三次重大高层建筑火灾事故为例，详细论述高层建筑火灾的发展过程及其后 果的严重性。
　　1) 央视新址北配楼火灾 [16]
　　2009 年 2 月 9 日晚，北京市在建的央视新址北配楼发生特别重大火灾事故。 引起此次大火的主要原因是建筑单位无视相关法规，擅自决定在中央电视台新址 附近燃放大型烟花。晚 8 点 30 分，礼花弹爆炸后高温星体落入北配楼建筑顶部擦 窗机检修孔处，引燃检修通道内壁的易燃材料，随后北配楼外部装饰着火，火势从 外到内烧到大楼中部时引发爆炸，并伴随局部坍塌，火焰高达数十米。北京市消防 中心在接到报警后调动 16 个中队、54 辆消防车赶赴救灾，经三个多小时的奋力救 援火灾才得到控制。一名消防队员在救援中不幸牺牲，另外还有 8 人受伤。建筑物 过火面积达 2.1 万 m2，造成直接经济损失 1.6 亿元。图 1.4 是火灾前、火灾中和火 灾后的图片。
　　图 1.4 央视新址北配楼火灾
　　2) 上海静安区教师公寓火灾 [17]
　　2010 年 11 月 15 日 14 点 20 分，上海静安区胶州路一栋正在施工的 28 层教师 公寓发生特别重大火灾事故。由于无证电焊工违规操作，电焊溅落的金属熔融物引 燃了下方脚手架防护网，加之事故现场违规堆放了大量尼龙网、聚氨酯泡沫等易燃 材料，短时间内形成了大面积密集火灾。公寓中共有 500 多户居民，以老人居多。 着火后不到 4 分钟，火势就迅速蔓延至 28 层，瞬间将整栋楼包围，而楼内此时还 有不少居民未及时撤离。因火灾救援中消防云梯和高压水枪达不到灭火所需高度， 救援直升机由于火势太大也不能靠近，大火燃烧了整整 4 个小时才得以控制。大 火导致 58 人死亡，70 余人受伤，建筑物过火面积 1.2 万 m2，直接经济损失 1.58 亿元。图 1.5 是火灾中和火灾后的图片。
　　3) 英国伦敦格兰菲尔塔火灾 [21]
　　2017 年 6 月 14 日凌晨，位于英国伦敦西部的一栋 24 层公寓大楼 (格兰菲尔塔) 由 4 层一房间内冰箱自燃引发火灾，火势猛烈。消防部门接到火警后，部署了 40 辆消防车和 200 多名消防员参与灭火。大火迅速蔓延到了上部所有楼层，由于 大火导致建筑变形，大楼随时有坍塌风险，警方不得已封锁周边区域并组织附近居 民撤离，以防止酿成更大的事故。据调查，发生火灾的高层居民楼外墙材料是价格 较低的不防火材料，虽然在英国符合建筑标准，但在德国被列为易燃材料，而美国 则在 2012 年就规定高层建筑禁用这种材料。这种易燃保温材料一经点燃便会导致 火势迅速蔓延，并产生大量有毒有害气体。伦敦格兰菲尔塔大火共造成 81 人死亡， 摧毁了 150 多个家庭，在英国乃至世界各国造成了很大的社会反响。图 1.6 是火灾 前、火灾中和火灾后的图片。
　　图 1.5 上海静安区教师公寓火灾
　　图 1.6 英国伦敦格兰菲尔塔火灾