【发布单位】出自《注册消防工程师》

【发布日期】2017-01-11

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建筑火灾蔓延的机理与途径

通常情况下，火灾都有一个由小到大、由发展到熄灭的过程，其发生、发展直至熄灭的过程在不 同的环境下会呈现不同的特点。本节主要介绍建筑火灾蔓延的传热基础、烟气蔓延及火灾发展的几个 阶段。

一、建筑火灾蔓延的传热基础

热量传递有三种基本方式，即热传导、热对流和热辐射。建筑火灾中，燃烧物质所放出的热能通 常是以上述三种方式来传播，并影响火势蔓延和扩大的。热传播的形式与起火点、建筑材料、物质的 燃烧性能和可燃物的数量等因索有关。

(一）热传导

热传导又称导热，属于接触传热，是连续介质就地传递热而又没有各部分之间相对的宏观位移 的一种传热方式。从微观角度讲，之所以发生导热现象，是由于微观粒子（分子、原子或它们的组成 部分）的碰撞、转动和振动等热运动而引起能量从高温部分传向低温部分。在固体内部，只能依靠导 热的方式传热；在流体中，尽管也有导热现象发生，但通常被对流运动所掩盖。不同物质的导热能力 各异，通常用热导率，即用单位温度梯度时的热通量来表示物质的导热能力。同种物质的热导率也会 因材料的结构、密度、湿度、温度等因素的变化而变化。常用材料的热导率见表1-2-1。

对于起火的场所，热导率大的材料，由于能受到高温作用迅速加热，又会很快地把热能传导出去，在这种情况下，就可能引起没有直接受到火焰作用的可燃物质发生燃烧，利于火势传播和蔓延。

表1-2-1

(二）热对流

热对流又称对流，是指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混引起热量传递的方式。热对流中热a的传递与流体流动有密切的关系。当然，由于流体中存在温度差，所以也必然存在导热 现象，但导热在整个传热中处于次要地位。工程上，常把具有相对位移的流体与所接触的固体表面之 间的热传递过程称为对流换热。

建筑发生火灾过程中，一般来说，通风孔洞面积越大，热对流的速度越快；通风孔洞所处位置越 高，对流速度越快。热对流对初期火灾的发展起重要作用。

(三） 热辐射

辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式。热辐射是因热的原因而发出辐射能的现象。辐射换热 是物体间以辐射的方式进行的热董传递。与导热和对流不同的是，热辐射在传递能s时不需要互相接 触即可进行，所以它是一种非接触传递能量的方式，即使空间是髙度稀薄的太空，热辐射也能照常进 行。最典型的例子是太阳向地球表面传递热量的过程。

火场上的火焰、烟雾都能辐射热能，辐射热能的强弱取决于燃烧物质的热值和火焰温度。物质热值越大，火焰温度越髙，热辐射也越强。辐射热作用于附近的物体上，能否引起可燃物质着火，要看热源的温度、距离和角度。

二、建筑火灾的烟气蔓延

建筑发生火灾时，烟气流动的方向通常是火势蔓延的一个主要方向。一般，500丈以上热烟所到之 处，遇到的可燃物都有可能被引燃起火。

(一）烟气的扩散路线

建筑火灾中产生的髙温烟气，其密度比冷空气小，由于浮力作用向上升起，遇到水平楼板或顶棚时，改为水平方向继续流动，这就形成了烟气的水平扩散。这时，如果髙温烟气的温度不降低，那么上层将是高温烟气，而下层是常温空气，形成明显的分离的两个层流流动。实际上，烟气在流动扩散 过程中，一方面总有冷空气掺混，另一方面受到楼板、顶棚等建筑围护结构的冷却，温度逐渐下降。

沿水平方向流动扩散的烟气碰到四周围护结构时，进一步被冷却 并向下流动。逐渐冷却的烟气和冷空气流向燃烧区，形成了室内 的自然对流，火越烧越旺，如图1-2-1所示。

表1-2-1

烟气扩散流动速度与烟气温度和流动方向有关。烟气在水平 方向的扩散流动速度较小，在火灾初期为0.1 ~0.3m/s,在火灾中 期为0.5~0. 8m/s。烟气在垂直方向的扩散流动速度较大，通常为 l~5m/S。在楼梯间或管道竖井中，由于烟囱效应产生的抽力，烟 气上升流动速度很大，可达6 ~8m/s,甚至更大。

当髙层建筑发生火灾时，烟气在其内的流动扩散一般有三条路线：第一条，也是最主要的一条是 着火房间—走廊—楼梯间—上部各楼层—室外；第二条是着火房间室外；第三条是着火房间—相邻 上层房间—室外。

(二） 烟气流动的驱动力

烟气流动的驱动力包括室内外温差引起的烟囱效应、外界风的作用、通风空调系统的影响等。

1.烟向效应

当建筑物内外的温度不同时，室内外空气的密度随之出现差别，这将引发浮力驱动的流动。如果室内空气温度高于室外，则室内空气将发生向上运动，建筑物越高，这种流动越强。竖井是发生这种 现象的主要场合，在竖井中，由于浮力作用产生的气体运动十分显著，通常称这种现象为烟囱效应。在火灾过程中，烟囱效应是造成烟气向上菝延的主要因素。

2.火风压

火风压是指建筑物内发生火灾时，在起火房间内，由于温度上升，气体迅速膨胀，对楼板和四壁 形成的压力。火风压的影响主要在起火房间，如果火风压大于进风口的压力，则大量的烟火将通过外墙窗口，由室外向上蔓延；若火风压等于或小于进风口的压力，则烟火便全部从内部蔓延，当它进人 楼梯间、电梯井、管道井、电缆井等竖向孔道以后，会大大加强烟囱效应。

烟肉效应和火风压不同，它能影响全楼。多数情况下，建筑物内的温度大于室外温度，所以室内气流总的方向是自下而上的，即正烟囱效应。起火层的位置越低.影响的层数越多。在正烟囱效应下， 若火灾发生在中性面（室内压力等于室外压力的一个理论分界面）以下的楼层，火灾产生的烟气进人 竖井后会沿竖井上升，一旦升到中性面以上，烟气不单可由竖井上部的开口流出来，也可进人建筑物 上部与竖井相连的楼层；若中性面以上的楼层起火，当火势较弱时，由烟囱效应产生的空气流动可限 制烟气流进竖井，如果着火层的燃烧强烈，则热烟气的浮力足以克服竖井内的烟囱效应，仍可进人竖 井而继续向上蔓延。因此，对高层建筑中的楼梯间、电梯井、管道井、天井、电缆井、排气道、中庭 等竖向孔道，如果防火处理不当，就形同一座高耸的烟囱，强大的抽拔力将使火沿着竖向孔道迅速 蔓延。

3.外界风的作用

风的存在可在建筑物的周围产生压力分布，而这种压力分布能够影响建筑物内的烟气流动。建筑 物外部的压力分布受到多种因素的影响，其中包括风的速度和方向、建筑物的高度和几何形状等。风 的影响往往可以超过其他驱动烟气运动的力（自然和人工）。一般来说，风朝着建筑物吹过来会在建筑 物的迎风侧产生较髙滞止压力，这可增强建筑物内的烟气向下风方向的流动。

(三）烟气蔓延的途径

火灾时，建筑内烟气呈水平流动和垂直流动。蔓延的途径主要有：内墙门、洞口，外墙门、窗口，房间隔墙，空心结构，闷顶，楼梯间，各种竖井管道，楼板上的孔洞及穿越楼板、墙壁的管线和缝隙等。对主体为耐火结构的建筑来说，造成葰延的主要原因有：未设有效的防火分区，火灾在未受限制 的条件下蔓延；洞口处的分隔处理不完善，火灾穿越防火分隔区域婆延；防火隔墙和房间隔墙未砌至 

顶板，火灾在吊顶内部空间蔓延；采用可燃构件与装饰物，火灾通过可燃的隔墙、吊顶、地毯等蔓延。

1.孔洞开口蔓延

在建筑内部，火灾可以通过一些开口来实现水平菟延，如可燃的木质户门、无水幕保护的普通卷 帘、未用不燃材料封堵的管道穿孔处等。此外，发生火灾时，一些防火设施未能正常启动，如防火卷 帘因卷帘箱开口、导轨等受热变形，或者因卷帘下方堆放物品，或者因无人操作手动启动装置等导致 无法正常放下，同样造成火灾蔓延3

2.穿越墙壁的管线和缝隙蔓延

室内发生火灾时，室内上半部处于较高压力状态下，该部位穿越墙壁的管线和缝隙很容易把火焰、 高温烟气传播出去，造成蔓延。此外，穿过房间的金属管线在火灾高温作用下，往往会通过热传导方 式将热世传到相邻房间或区域一侧，使与管线接触的可燃物起火。

3.闷顶内蔓延

由于烟火是向上升腾的，因此顶棚上的人孔、通风口等都是烟火进人的通道。闷顶内往往没有防 火分隔墙，空间大，很容易造成火灾水平蔓延，并通过内部孔洞再向四周的房间蔓延。

4.外墙面蔓延

在外墙面，高温热烟气流会促使火焰蹿出窗口向上层蔓延。一方面，由于火焰与外墙面之间的空

气受热逃逸形成负压，周围冷空气的甩力致使烟火贴 墙面而上，使火菝延到上一层；另一方面，由于火焰 贴附外墙面向上蔓延，致使热量透过墙体引燃起火层 上面一层房间内的可燃物。建筑物外墙窗口的形状、 大小对火势蔓延有很大影响。

三、建筑火灾发展的几个阶段

对建筑火灾而言，最初发生在室内的某个房间或 某个部位，然后由此蔓延到相邻的房间或区域，以及整个楼层，最后蔓延到整个建筑物。其发展过程大致可分为初期增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段。图1-2-2为建筑室内火灾温度-时间曲线。

(一）初期增长阶段

初期增长阶段从出现明火算起，此阶段燃烧面积较小，只局限于着火点处的可燃物燃烧，局部温度较髙，室内各点的温度不平衡，其燃烧状况与敞开环境中的燃烧状况差不多。由于可燃物性能、分布和通风、散热等条件的影响，燃烧的发展大多比较缓慢，有可能形成火灾，也有可能中途自行熄灭 (见图1-2-2中虚线），燃烧发展不稳定。火灾初起阶段持续时间的长短不定。

(二）充分发展阶段

在建筑室内火灾持续燃烧一定时间后，燃烧范围不断扩大，温度升髙，室内的可燃物在髙温的作用下，不断分解释放出可燃气体，当房间内温度达到400 ~600t时，室内绝大部分可燃物起火燃烧，这种在限定空间内可燃物的表面全部卷入燃烧的瞬变状态，即为轰燃。轰燃的出现是燃烧释放的热ft 在室内逐渐累积与对外散热共同作用、燃烧速率急剧增大的结果。影响轰然发生最重要的两个因素是 福射和对流情况，即建筑室内上层烟气的热量得失。通常，轰然的发生标志着室内火灾进人全面发展 阶段。

轰燃发生后，室内可燃物出现全面燃烧，可燃物热释放速率很大，室温急剧上升，并出现持续高温，温度可达800 ~1000^。之后，火焰和高温烟气在火风压的作用下，会从房间的门窗、孔洞等处大量涌出，沿走廊、吊顶迅速向水平方向蔓延扩散。同时，由于烟囱效应的作用，火势会通过竖向管井、 共享空间等向上蔓延。轰然的发生标志了房间火势的失控，同时，产生的髙温会对建筑物的衬里材料及结构造成严重影响。但不是每个火场都会出现轰燃，大空间建筑、比较潮湿的场所就不易发生。

(三）衰减阶段

在火灾全面发展阶段的后期，随着室内可燃物数量的减少，火灾燃烧速度减慢，燃烧强度减弱， 温度逐渐下降，一般认为火灾衰减阶段是从室内平均温度降到其峰值的80%时算起。随后房间内温度 下降显著，直到室内外温度达到平衡为止，火灾完全熄灭。

上述后两个阶段是通风良好情况下室内火灾的自然发展过程。实际上，一旦室内发生火灾，常常 伴有人为的灭火行动或自动灭火设施的启动，因此会改变火灾的发展过程。不少火灾尚未发展就被扑 灭，这样室内就不会出现破坏性的高温。如果灭火过程中，可燃材料中的挥发分并未完全析出，可燃 物周围的温度在短时间内仍然较髙，易造成可燃挥发分再度析出，一旦条件合适，可能会出现死灰复 燃的情况，这种情况不容忽视。