麻庭光：說說倫敦高層建筑大火

倫敦大火的發生，牽動了數以萬計的高層建筑使用者的安全心思。一方面，我們慶幸災情發生在老牌職業化消防大國英國，另一方面，我們也為這一次災情再次喚起我們內心的隱憂而擔心。高層建筑火災那么難撲救，高層居民該如何是好？

失火原因

此次大火的失控原因，很多人輕描淡寫地說是一次普通的電冰箱失火。問題來了，為什么冰箱失火會造成嚴重的災情。很多人恐怕不知道，這是制冷工業響應環保危機，把鹵素制冷劑氟利昂替換成所謂的“清潔”制冷劑的必然結果，是環境風險轉化為安全隱患的結果之一。當時就有很多有識之士擔心可燃制冷劑的燃爆風險，今天的倫敦大火，只不過是讓前瞻性的擔心變現而矣。去年秋天，我給安全專業必修課《火災動力學》的學生出的期中考試考題如下：

2016年8月21日下午，福建南安美林邱洋村一幢兩層磚房發生制冷劑泄漏事件，引發的爆炸，導致兄妹二人死亡。這一則事故看似簡單，卻有很大的代表性，可能發生在任何空調或冰箱上。因為現代的環保制冷劑大都含有R290（丙烷）和R600a（i-Butane，異丁烷），雖然只有60~80克，其泄漏仍然有可能在室內形成可燃可爆的環境，帶來災難性的后果。這些制冷劑的物性特征雖然環保，卻給很多家庭帶來了燃爆的安全隱患。根據上述的信息，計算下列內容（8分x5=40分）：

1.如果燃料是異丁烷（i-Butane，打火機的主要燃料），根據異丁烷的生成熱（見下右表的正丁烷參數），計算異丁烷的燃燒熱；如果沒有生成熱，根據氧熱當量，估算異丁烷的燃燒熱（要求計算和估算）

2.利用燃燒熱計算其最大火焰溫度（提示：@化學計量比）；

3.如果冰箱內裝有70克異丁烷，請問完全泄漏發生在多大的空間內，爆炸最猛烈？

4.如果70克異丁烷完全轉換為TNT，相當于多少kg TNT當量（1kgTNT=4.23MJ）?

5.如果異丁烷的惰性點位于（RLU=17.37，XLU=0.5），請問需要多少克氮氣，才能把異丁烷完全稀釋（到LFC=1/(1+RLU）），以至于可以安全放空？

那么，如何消除這種隱患？采用二元制冷劑，使用可燃性的制冷劑（環保特征好，制冷效率高）與不燃的制冷劑（安全特征好，制冷效率不那么高）混合，可以縮小混合氣體的可燃區間，達到避免可燃氣體泄漏，防止氣體燃爆的效果。不過，制冷行業似乎并不在乎這一點泄漏，關鍵是沒有保險業的推動和倡導，所以在這方面的研究寥寥可數，我為此而開發的理論也無人問津，這是社會面對災情的惰性。

蔓延原因

這次火災之所以沒有救下來，很重要的原因是火焰沿著外墻蔓延的速度過快，超過了預期的水平，所以響應速度跟不上，導致了全面失控的悲劇。那么為什么會蔓延過快？這是煙囪效應。

一般說來，液體燃料害怕空間，是因為空間會蓄積空氣，導致氧氣與燃氣的混合物，存在爆炸的風險。同樣，固體燃料也害怕空間，空間會蓄積能量，導致原本可以耗散的能量被蓄積起來，用于預熱新鮮燃料，加速火焰的蔓延。在這里，還有一個溫度差帶來的浮力場，會加速火焰的蔓延，俗稱煙囪效應（英國叫Chimney Effect，美國叫Stack Effect）。在大氣中，如果有溫差，就有浮力（初中物理的常識，高中物理的廢話，大學物理的真理）。溫差越大，浮力越大，浮力對火焰的推動效果越明顯。同時，外表面對火焰的壓制作用，導致火焰對燃料表面的倒伏，增強換熱的效果，加速火焰的蔓延過程。

此次倫敦大火，被人爭議最多的地方是新添加的保溫材料非常丑陋，所以又增加了一層保護性外罩，由于兩者不是緊密貼近，存在一定的空間，給煙囪效應的出現提供了機會。這是人所共知的道理，如下圖所示。

圖1.在裝飾性材料和可燃保溫層之間留有空隙，為火焰的快速蔓延提供了機會。

傷亡原因

此次傷亡出人意料的巨大，通常不至于如此，造成傷亡的三個重大原因是：深夜發生、缺乏報警手段和逃生通道唯一。這里分別說明如下。

有人注意到，這是大齋期，所以很多穆斯林沒有睡，給疏散工作增加了逃生的機會。可是，我們也應當看到，正是這一白天禁食，晚上胡吹海吃的宗教習慣，導致了深夜發生的災情。現在人人都認定失火原因是冰箱，說明一定有人在現場看到了失火的經過，這說明使用者生活習慣的改變，也是導致這一異常災情的重要原因。對此，國內最著名的例子是獨克宗大火，失火的總是外地人，這是文化（安全習慣與當地習俗的差異）沖突造成的災情。

其次，現場缺乏全樓的報警手段，很多人都是被外部吵鬧弄醒的，而不是報警手段本身，這一點還在調查當中，相關的責任很大。

第三，這一建筑的設計有問題，只有一個逃生樓梯，與電梯間發生在一個空間，所以一旦該空間著火，兩種逃生手段同時完蛋，這是消防工程師一開始就注意避免的結果。也許該建筑在原始設計時時安全的，但改造過程添加了可燃的保溫材料，讓原有的逃生能力顯得不足了。外行看熱鬧，逃生通道只有一條，所以逃生能力不足；內行看門道，關鍵是逃生距離有多長。如果所有的單元距離樓梯（理論上，建筑中的樓梯是最安全的地方，逃到樓梯就算安全）不長，可以設計成單一逃生通道。問題在于，原始的設計沒有多少燃料負荷，所以不需要太長的行動距離；被修改后的建筑，增加了燃料負荷，所以讓原有的逃生距離顯得不足了。所有這些消防逃生設計，都是基于一個重要假設，即樓梯間的大門是隨時封閉的，保持樓梯間大門的常閉狀態，是保護樓梯間不受火災影響的關鍵。此次大火造成的慘重傷亡，有很大的可能性是樓梯間的大門沒有關。

美國NFPA101（生命安全規定）中對逃生通道的要求可以總結為十大原則：

1. 足夠數量妥善設計的暢通的逃生手段，有足夠的容量和安排。

2. 如果一種逃生手段被火焰、熱量或煙氣堵塞時，有替代的逃生手段以便使用。也就是說，逃生冗余。

3. 在根據人群負荷、行動距離和出口容量所決定的逃生時間（Required Egress Time, RET）內提供對逃生手段的保護，防止火焰、熱量和煙氣的危害。

4. 對于那些全體逃生不是主要考慮的建筑類型（如高層建筑，不可能動輒全體疏散），通過合適的建筑隔離來劃分區域以提供避難所。

5. 保護垂直的開口，把滅火設備的動作限制在單一樓層（防止火頭隨著電纜通道和樓梯間蔓延）。

6. 在發生火警時，提供煙氣檢測或警報系統來提醒居民并通知消防部門。

7. 提供充分的照明，正確標記逃生手段并正確地指示方向。

8. 保護非常規危險的設備或地區，后者可能會產生危及居民逃生過程的火災。

9. 發起，組織并實踐有效逃生演習程序。在高人群密度和高生命危險的建筑類型，提供逃生指導材料（如逃生路線圖）和聲音警報系統以方便適應性逃生行為。

10.使用防止火災快速蔓延或煙氣大量生成的內部裝修材料，火與煙的產生可能危及居民的逃生過程。

上述十大原則，還可以進一步縮減為五大原則，如下圖所示：

1. 兩處逃生門盡可能遠

2. 根據人數和危險水平，設置額外的逃生門

3. 逃生演練需要經常練習；

4. 到逃生門的距離是合理的；

5. 逃生門的標志明確、沒有攔阻和照明充分。

圖2. 建筑逃生設計的五大原則

顯然，此次倫敦大火中的建筑，對其中的每一條都有違反之處，因此是一種認識上的錯誤，即所謂的“人禍”。透過這些人為的失誤，我們可以更好地認識高層建筑火災中的火災動力學和人群動力學的安全原理。

本文出自科學網麻庭光博客：說說倫敦高層建筑大火

材料牛編輯獲授權轉載。