高层建筑的防火安全_浅谈世贸大厦的倒塌

・福建建筑・2003年第2期(总第82期)・

工作与国际接轨,有关部门已着手就在我国采用火灾安全工程设计方法和制定性能基础规范的问题进行研究,相信在今后几年,我国的建筑防火设计也将出现一场变革。

2.绿色环保设计:城市建筑的品质追求。以室内绿色设计为例,有如下设计理念:其1,室内设计室外化:人们厌烦在水泥方盒子中生活,渴望获得自然。设计师通过设计把室内做得如室外一般,把自然引进室内,这种设计手法称为室内设计室外化:其2,通过建筑设计或改造建筑设计室内,外通透,或打开部分墙面,使室内,外一体化,创造出开敞的流动空间,让居住者更多地获得阳光,新鲜空气和景色。由于建筑结构和材料技术的进步,将巨大屋盖移开的建筑设计已经出现,室内外就完全连成一体了。其3,在城市住宅中,甚至餐饮商业服务的内部空间中追求田园风味,通过设计营造农家田园的舒适气氛。朴拙的装修、家具,以及农具、农产品皆可作为室内陈设艺术品,这是由于周末城里人去郊外,农村人进城,人流交叉的结果,也是城里人希望在周末以外的时间也享受到田园情趣而产生的设计潮流。其4,在室内设计中运用自然造型艺术,即有生命的造型艺术:室内绿化盆栽、盆景、水景,插花等景观来获得小中见大:咫尺千里,移天缩地,以假乱真的对自然的感受。在这方面中国传统盆栽艺术有丰厚的遗产可以继承。其5,用绘画手段在室内创造绿化景观,是受到原始人类洞穴中岩画的影响。室内风景壁画、植物花

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卉、云天水色等,既有把大自然引进室内的效果,又增加了室内

艺术氛围。室内造园手法,如四季厅,共享空间中营造较大型自然景观的庭园设计,这些全天候的花园,很受欢迎。其6,在室内设计中强调自然色彩和自然材质的应用,让使用者感知自然材质,回归原始和自然。建筑师对表层造材和处理十分重视,用强调素材的肌理、暗示功能性来突破框框,大胆地原封不动地表露水泥表面,木材质地,金属等材质,着意显示素材肌理效果和本来面目。有的材质原始粗犷,有的则施以精密的打磨,使之具有冷静光滑的表层,都能牵动人们的情思,是用“耳中见色,眼中闻声”的艺术手法来进行设计使生活在城市的人具有潜在的怀乡,回归自然的情绪得到补偿。其7,在室内环境创造中采用模拟大自然的声音效果,气味效果的手法,如花香鸟语,风声浪涛等动态音响效果,让人们在室内就能获得进入大自然的嗅觉、听觉感受,科技高度发展为设计创造提供了实现的可能性。其8,环境属生态学的范畴,人类设计创造活动须符合生态学的要求。在这一人与地球可持续发展的思想指导下,生态设计的研究倍受重视,节能问题始终是新课题。如何利用自然能源?如何减少能源的消耗?以及开发新的自然能源等课题,也是室内设计所面临的重大课题。

收稿日期:2002.12.9

・杂　　谈・

高层建筑的防火安全——浅谈世贸大厦的倒塌

蔡志鸿　黄奕辉　王全凤(华侨大学土木工程系　泉州　362011)

　　〔摘　要〕　本文介绍了高层建筑的防火安全问题,主要阐述了火灾对高层建筑的危害性及耐火构造和防火设计,并简单分析

了纽约世界贸易大厦的倒塌原因。

　高层建筑　防火　耐火构造　防火设计〔关键词〕

FireProtectionofHigh-RiseBuilding——aboutthecollapseofWorldTradeCenter

CaiZhihongHuangYihuiWangQuanfeng(Dept.ofCivilEng.,HuaqiaoUniv.,362011,quanzhou)

及疏散的困难性。高层建筑内各种竖井林立,很容易造成烟火的　　Abstract:Thispapermainlyintroducethefireprotectionofhigh-risebuilding,includingthehametoit,fireresisttectonic

andfireresistdesign.Intheend,analyseaboutthecollapseofWorldTradeCenterwasmade.

迅速扩散并增加人员的伤亡。高层建筑所承受的风力大,增加了失火的可能性和助长火势的蔓延。同时,高层建筑遭受的雷击次数也较多,这也是引起火灾的一个原因。

纽约世贸中心是个建筑群,由7座建筑物组成。核心部分是两座110层,各高417米、415米的摩天大楼。大楼有84万平方米的办公面积,可容纳5万名工作人员,同时可容纳2万人就餐。其楼层分租给世界各国多个厂商,还设有为这些单位服务的贸易中心、情报中心和研究中心。在底层大厅及44、78两层高空门厅中,有种类齐全的商业性服务。楼中共有电梯104部,含23部高速电梯,地下有可供停车2000辆的车库,并有地铁在此经过、设站。一切机器设备全由电脑控制,被誉为“现代技术精华的汇集”,是早期的智能型大厦。恐怖事件发生时,波音757和波音767两架客机前后撞上世贸大厦姊妹楼并引起了火灾,导致了大厦的坍塌,造成了大量的人员伤亡,据统计,失踪的人数在6000人以上。

二、耐火构造和防火设计

高层建筑中钢筋混凝土或钢构件在火灾温度作用下,其内部力学性能便相应发生变化。以钢筋混凝土结构而言,当受热低　　Keywords:high-risebuildingFireprotectionFireresist

tectonicFireresistdesign

随着建筑技术和材料科学的进步,高层建筑在世界各地迅猛的发展,特别是在大城市,超大城市,很多高层、超高层建筑已经成为一个城市的标志。世贸大厦作为美国经济繁荣、信心永存的象征,一代代美国人已将它看做世界的基石和擎天柱。2001年9月11日,美国本土遭受了建国以来最大的恐怖袭击,世贸大厦双子楼遭两架飞机撞击在很短的时间内相继倒塌。专家普遍认为,世贸的倒塌不是飞机撞击的后果,而是由于飞机所携带的航空燃油燃烧导致的。可见,防火安全是高层建筑中一个关键的问题。

一、高层建筑的特点和火灾危害的严重性高层建筑的高度大、层数多、人员集中。这个特点使火灾时的安全疏散和消防队扑救产生了很大的困难。高层建筑的功能复杂、设备繁多、装修量大,从而带来了大量的可燃物和着火源,

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况将大为改变。对于钢结构而言,其钢构件在300～400℃时,强度便急剧下降而出现塑性变形,到600℃以上则失去承重能力

1〕

而垮塌〔。因此,只有采取了耐火材料保护的钢结构才能抵抗火灾的侵袭。

在高层建筑的防火设计中,需要使建筑全体结构具有足够的耐火能力,以保证疏散人员和扑救有足够的时间和通道,尽量减少伤亡和损失,同时使建筑在火灾后基本保持完整,经过维修加固能重新使用。建筑物的耐火能力取决于建筑构件的耐火能力,包括两个内容,即构件材料的燃烧性和构件的耐火极限。高层建筑主要构件的耐火能力,自上而下地愈加增强(这与防火分区越是上层越要从严正好相反)。即是说,下层的耐火性比上层

2〕

更为重要〔。

由统计得知,一般高层建筑基本上越到下层其火灾发生率越高,结构受到破坏的可能性也越大;以疏散而言,集聚在上层的人数多且疏散距离长,必须提供能顺利到达底层对外出口的安全通道,而下层结构在烈火中是否稳定,则是问题的关键之一;从结构受力的角度而论,由于下层主要构件承受着建筑上部传来的荷载,其断面必然增大。以上三者均导致下部结构耐火能力相应的增强。

综上所述,高层建筑的耐火构造和防火设计是非常重要的,特别对于钢结构,必须采取可靠的防火措施,才能保证火灾时的安全稳定性。完整的防火设计应包括火灾前的积极预防与火灾发生后的有效措施两个方面。前者主要是建筑本身的耐火构造设计,后者主要指报警、疏散、防排烟等。

钢结构建筑的防火设计主要指前者。1)防火保护材料

钢结构的防火保护材料的种类较多,常用的有防火涂料、不燃性板材、水溶液与现浇混凝土等。设计时应根据建筑物的消防等级、防火要求、施工技术条件和防火材料供应情况的条件选用合适的防火保护涂料,选用的基本原则是:良好的绝热性,导致系数或热容量大;在装修、正常使用和火灾升温过程中,不开裂,不脱落,能牢固的附着在钢构件上,本身应具有一定的结构强度和抗冲击能力,并且粘结强度大或有可靠的固定方式;不腐蚀钢材,且碱性及氯离子含量低;不含危害人体健康的石棉等物质。

2)防火保护厚度

防火材料选好以后,保护层厚度的确定十分重要。由于影响因素较多,如材料的种类、钢构件的界面形状和尺寸、荷载形式和大小以及要求的耐火极限等等。因此,确定防火保护层的厚度

3〕

最好的方法是进行构件的耐火性试验〔。

3)钢结构的防火处理方法

目前,世界各国对钢结构采用了多种方法进行保护,这些方法从原理上讲可以划分为两大类,即截流法和疏导法。

截流法的基本原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件传输,从而使构件在规定的时间内温度升高不超过其临界温度。截流法又分为包封法、屏蔽法、水喷淋法、喷涂法等。

疏导法允许热量传到钢构件上,然后设法把热量导走或消耗,从而使构件温度不至于高到临界温度,以起到保护作用。

钢结构的防火处理方法并不是单单用上面的某一种方法,而是采用多法结合作用。一般以喷淋法为第一道防线,以包封法和喷涂法为第二、第三道防线等。

三、世贸大厦倒塌分析

1)飞机的撞击不是世贸大厦倒塌的直接原因。

世贸中心两座塔楼都是采用框简结构体系,外圈为密柱深梁筒体,由240根钢柱组成,框距1.02米。内部核心区为47根・福建建筑・2003年第2期(总第82期)・

450毫米方管,从上到下,外形尺寸不变,靠改变壁厚来适应不同的受力条件。总用钢量为19.2万吨,为了增强框筒的竖向抗剪强度,减少框筒的剪力滞后效应,利用每隔32层所布置的设备楼层,沿框筒各设置了一道7米高的钢板圈梁。结构动力特性分析表明:其基本周期为10秒,极大风速下结构顶点的侧移值为1.02米。自1973年建成的统计分析表明,记录到的阵风作用下的结构顶点侧移最大值为0.46米,表明结构顶点侧移角仅为1/890,它足以说明框筒体系框抗侧力的高效性能。

其实,在这次撞击、坍塌之前,世贸中心大厦在1993年2月26日就曾遭受过恐怖主义的袭击。当时,放在地下停车场的一颗威力巨大的炸弹爆炸,造成了6人死亡,1000多人受伤,但世贸大楼仍然安稳不动。大楼在设计和建设时均考虑到了飓风、地震、自身承重等可能给楼体造成破坏的各种因素,同时对非自然因素(如爆炸)也予以考虑。

可见,飞机的撞击并不是大厦倒塌的直接原因。正如郑炳旭说所,无可否认,用钢结构砌成的世贸中心摩天大厦是非常成功的,没有丝毫技术上的缺陷,虽然经过近三十年的日晒雨淋,风吹雨打,抗震能力非常强,飞机撞击也只是穿了一个洞,倒塌只是在一个小时后才发生的事情。

2)飞机撞击后发生的火灾是发生倒塌的直接原因。

两架客机前后撞上世贸大厦姊妹楼,由于这两架客机起飞不久,客机油箱分别携带着30吨和45吨左右的燃油,两架客机先后撞向世贸大厦后引起了爆炸,同时燃油向大厦底部流淌,火势向下蔓延,燃烧不久,高温致使大厦承重的钢结构熔化,再加上大楼内部可能的爆炸。同时,大火隔断了被撞楼层的上下联系,并使一些地板开始垮塌,这些地板都是加固水泥地板,非常沉重,所以一旦倒塌砸向另一层时,就发生了多米诺骨牌效应,层层相砸,直到整个大楼彻底倒塌。

3)有人认为,世贸大厦内部建材上的防火材料存在严重的质量问题,大到支撑整个大楼的水泥钢筋支架,小至门栓或插销上的防火材料都存在脱落或者喷涂不充分的现象。十几年前,世贸大厦防火材料中的石棉问题曾引发过一场官司,有关人员在调查取证时拍下世贸大厦内部建材的照片,人们可以看到,支撑大厦的主要支柱上的大片防火材料已消失得无影无踪。在1986年至2000年,有关人员曾对世贸大厦内部多个楼层进行了实地考察,发现一些支撑大楼的纵横交错的钢筋上没有喷涂任何防火材料,而另一些建材上也只喷了薄薄的一层。

可见,世贸大厦在防火材料上很可能存在问题,但即使没有材料或施工上的问题,飞机所携带的航空燃油,燃烧时温度高达1000度以上,这样的高温远远超出防火材料的耐火能力,大厦的倒塌也只是时间问题而已。

四、结束语

高层建筑由于自身的特点,在发生火灾时很容易导致严重的人员伤亡和经济损失。所以防火设计如同抗震设计一样,是设计人员所不容忽视的一个问题。世贸大厦的倒塌的直接原因正是火灾,它不仅仅是恐怖事件,同时也向业内人士提出了挑战。

2001年9月14日在北京召开的“第二届城市综合减灾与可持续发展研讨会”上,与会专家达成共识:惟一的根本解决办法是人类自己增强防患意识并强化设防。以往的建筑安全只限于防御天灾,比如防风、防地震。此次美国遇袭事件,人祸造成比天灾更为严重的后果提醒了人们,建筑安全还要加入防“人祸”的内容。

参考文献

1　钢框架结构火灾反映分析,李国强,金福安,土木工程学报,

・福建建筑・2003年第2期(总第82期)・

2　《现代高层建筑结构设计》,赵西安,北京:科学出版社,2000;3　《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-957),中国建筑工

业出版社;4　《高层民用建筑钢结构设计规程》(JGJ99-98),中国建筑工业

出版社。收稿日期:2003.3.16

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・简讯・

　　

2003年建设部工作要点

(一)继续认真贯彻落实《国务院关于加强城乡规划监督管理的通知》,强化城乡规划的综合调控作用。加大城乡规划编制工作力度;强化城乡规划的实施监督管理;建立历史文化名城保护工作检查制度;加强风景名胜区的监督和管理。

(二)继续深化住房制度改革,培育住房消费。进一步培育和鼓励住房消费,加强房地产市场的宏观调控,促进物业管理规范发展。

(三)加快市政公用事业市场化进程,推动城镇基础设施建设。加快市政公用事业市场化进程,抓好城市环境综合整治,指导小城镇健康发展。

(四)整顿和规范市场秩序,推动企业深化改革。加大整顿规范房地产市场秩序的力度,深入整顿规范建筑市场秩序;推进建筑企业和勘察设计单位改革,创造企业参与国际竞争的市场环境。

(五)完善工程建设标准体系,加强质量安全监督管理。改革标准的管理,扩大标准的覆盖范围。

(六)加强立法执法普法工作,推进依法行政。

(七)推进建设事业科技进步和人才培养。推动建设领域信息化发展,做好技术试点示范和成熟技术推广应用工作,抓好人才培训和管理。

(八)加强自身建设,转变作风,改进工作。转变政府职能,提高工作效率;深入调查研究,探索新举措新办法;加强党风廉政和精神文明建设。

建设部科技司2003年工作要点(摘要)

2003年建设科技工作的基本思路是:以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导,按照“围绕中心、抓住重点、突出特点、强化机制”的原则,在城市规划与城镇化、城市基础设施与住宅建设、建筑市场与房地产市场、工程质量与安全等部重点工作中,开展战略性、前瞻性研究,为科学决策提供技术支撑,加强技术创新工作,全面推进建设事业信息化开展,提升监管能力和管理质量,组织开展科技攻关、技术开发推广,推进国际科技合作,促进建设事业向较高水平发展,努力开创建设领域科技工作的新局面,全面贯彻落实党的“十六大”精神。

一、深入学习领会“十六大”精神,围绕部中心工作,加强技术创新,开创建设科技工作新局面

2003年建设科技工作首先应大力推进建设事业信息化、研究确定发挥信息化与建设事业发展相互带动与促进作用的目标和任务,找准切入点,重点抓好建设领域政务信息化工作并在重要领域取得突破,带动行业信息化发展,引导企业信息化进步。

第二是加强技术创新,组织开展加快建设事业发展的前瞻性、战略性研究,探讨设立建设科研基金,加大对建设事业发展重大关键技术的研发力度,优化集成和推广应用先进适用技术,制定技术政策纲要,发布推广应用新技术和限制、禁止使用落后技术公告,开展重点技术领域的工程技术中心、企业技术中心和,竞争力,提升建设事业的科技含量和经济效益。

第三是全面贯彻资源节约和可持续发展战略,以最低的资源消耗、最少的环境污染为代价,以资源化、减量化与无害化为基础,积极发展和推广应用符合可持续发展要求的新技术、新产品,重点推进建筑节能,垃圾、污水资源化,建筑用金属和化学建材工作以及可持续发展的城镇化进程。

第四是积极发展适合我国建设事业国情、充分发挥人力资源优势的先进适用技术。

二、全面推进建设事业电子政务系统建设,带动行业信息化和企业信息化发展

(一)政务信息化1、建设部电子政务内网建设。政务内网用于支持副省级以上政务部门办公业务和其他涉密业务,内外网间利用物理隔离。

2、建设部电子政务外网建设。外网建设包括办公自动化(OA)和建设部业务监督管理信息系统。2003年启动建设部办公自动化建设工作,提出办公自动化实施方案,首先在综合管理司局进行办公自动化试点,然后全面展开。同时,继续建设和完善“全国住房公积金监督管理信息系统”、“全国建筑市场监督管理信息系统”、“全国城市规划监督管理信息系统”、“国家重点风景名胜区监督管理信息系统”等四个业务系统,启动“全国住宅与房地产市场管理信息系统”和“全国城市市政基础设施管理信息系统”的建设。

3、建设部电子政务公众服务网建设。2003年将集中整合完善“中华人民共和国建设部互联网站”和“中国建设信息网”,形成统一、权威的建设部对外信息发布窗口。

4、建立建设部电子政务信息平台与数据库。整合建设事业信息资源,实现资源共享、互联互通,避免重复建设。

(二)建设行业信息化1、修改制定建设行业信息化总体规划、专项规划;建立建设行业信息化标准体系;加强政策法规制定,为建设行业信息化营造良好的政策环境。

2、推进国家“十五”863《数字城市关键技术研究及典型应用示范》项目与国家“十五”重点科技攻关项目《城市规划、建设、管理与服务的数字化工程》,取得阶段性成果。

3、开展建设事业信息化试点示范工作。2003年将重点在建设事业IC卡、数字城市、数字行业、数字社区等方面开展试点示范工程。

4、开展建设事业信息化软硬件测评工作,提高行业软硬件开发应用水平,推动行业软硬件产品产业化发展。

(三)建设企业信息化1、组织制定企业信息化规划、技术标准,建立建设企业信息化指标体系;

2、组织企业信息化技术开发应用推广,组织产业化基地建设;

3、组织企业信息化试点示范;4、积极争取将建设企业信息化关键技术等内容列入国家