（每天連載一節，請多關注）
第三節 建築火災發展及蔓延的機理
通常情況下，火災都有一個由小到大、由發展到熄滅的過程，其發生、發展直至熄滅的過程在不同的環境下會呈現不同的特點。本節主要介紹建築火災蔓延的傳熱基礎、煙氣蔓延及火災發展的幾個階段。
一、建築火災蔓延的傳熱基礎
熱量傳遞有三種基本方式，即熱傳導、熱對流和熱輻射。建築火災中，燃燒物質所放出的熱能通常是以上述三種方式來傳播，並影響火勢蔓延和擴大的。熱傳播的形式與起火點、建築材料、物質的燃燒性能和可燃物的數量等因素有關。火場上，可以用熱通量，即單位時間通過單位面積的熱量大小，來衡量熱能傳遞的強度。依據熱傳遞方式的不同，熱通量分為傳導熱通量、對流熱通量和輻射熱通量。
(一)熱傳導
熱傳導又稱導熱，屬於接觸傳熱，是連續介質就地傳遞熱量而又沒有各部分之間相對的宏觀位移的一種傳熱方式。從微觀角度講，之所以發生導熱現象，是由於微觀粒子(分子、原子或它們的組成部分)的碰撞、轉動和振動等熱運動而引起能量從高溫部分傳向低溫部分。在固體內部，只能依靠導熱的方式傳熱;在流體中，儘管也有導熱現象發生，但通常被對流運動所掩蓋。不同物質的導熱能力各異，通常用熱導率(即單位溫度梯度時的熱通量)表示物質的導熱能力。同種物質的熱導率也會因材料的結構、密度、濕度、溫度等因素的變化而變化。常用材料的熱導率見表1-2-1。
對於起火的場所，熱導率大的材料，由於能受到高溫作用迅速加熱，又會很快地把熱能傳導出去，在這種情況下，就可能引燃沒有直接受到火焰作用的可燃物質，利於火勢傳播和蔓延。
(二)熱對流
熱對流又稱對流，是指流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混引起熱量傳遞的方式。熱對流中熱量的傳遞與流體流動有密切的關係。當然，由於流體中存在溫度差，所以也必然存在導熱現象，但導熱在整個傳熱中處於次要地位。工程上常把具有相對位移的流體與所接觸的固體表面之間的熱傳遞過程稱為對流換熱。
一般來說，建築發生火災過程中，通風孔洞面積越大，熱對流的速度越快;通風孔洞所處位置越高，對流速度越快。熱對流對初期火災的發展起重要作用。
(三)熱輻射
輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的方式。熱輻射是因熱的原因而發出輻射能的現象。輻射換熱是物體間以輻射的方式進行的熱量傳遞。與導熱和對流不同的是，熱輻射在傳遞能量時不需要互相接觸即可進行，所以它是一種非接觸傳遞能量的方式，即使是太空，熱輻射也能照常進行。最典型的例子是太陽向地球表面傳遞熱量的過程。
火場上的火焰、煙霧都能輻射熱能，輻射熱能的強弱取決於燃燒物質的熱值和火焰溫度。物質熱值越，火焰溫度越高，熱輻射也越強。輻射熱作用於附近的物體上，能否引起可燃物質著火，要看熱源的溫度、距離和角度。
二、建築火災煙氣的流動過程
火災發生在建築內時，煙氣流動的方向通常是火勢蔓延的一個主要方向。500℃以上熱煙所到之處，遇到的可燃物都有可能被引燃。煙氣流動會受到建築結構、開口和通風條件等限制。建築內牆門窗、樓梯間、豎井管道、穿牆管線、悶頂以及外牆面開口等成為煙氣蔓延的主要途徑。
了解建築火災煙氣蔓延流動的過程和規律，對於理解火災自動報警系統、自動噴水滅火系統、防煙排煙系統等建築消防設施的設計原理以及建築構件耐火等級要求、人員安全疏散設計要求具有十分重要的意義。
(一)煙氣流動的路線及特點
建築發生火災時，煙氣擴散蔓延主要呈水平流動和垂直流動。在建築內部，煙氣流動擴散一般有三條路線。第一條，也是最主要的一條:著火房間*走廊、樓梯間*上部各樓層。室外;第二條:著火房間、室外;第三條:著火房間、相鄰上層房間、室外。
1.著火房間內的煙氣流動
火災過程中，由於熱浮力作用，燃燒產生的熱煙氣從火焰區直接上升到達樓板或者頂棚，然後會改變流動方向沿頂棚水平擴散。由於受冷空氣摻混以及樓板、頂棚等建築圍護結構的阻擋，水平方向流動擴散的煙氣溫度逐漸下降並向下流動。逐漸冷卻的煙氣和冷空氣流向燃燒區，形成了室內的自然對流流動，火越燒越旺，如圖1-2-1所示。著火房間內頂棚下方逐漸積累形成穩定的煙氣層。
描述室內煙氣流動特點和規律涉及幾個重要的概念，包括煙氣羽流、頂棚射流、煙氣層沉降，以下作簡單介紹。
(1)煙氣羽流。在一般的建築房間內，內部物品多為固體。當可燃固體受到外界條件的影響開始燃燒時，首先發生陰燃。當達到一定溫度並且有適合的通風條件時，陰燃便轉變為明火燃燒。明火出現後，可燃物迅速燃燒。燃燒中，火源上方的火焰及燃燒生成的流動煙氣通常稱為火羽流，如圖1-2-2所示。在燃燒表面上方附近為火焰區，它又可以分為連續火焰區和間歇火焰區。而火焰區上方為燃燒產物即煙氣的羽流區，其流動完全由浮力效應控制，一般稱其為煙氣羽流或浮力羽流。由於浮力作用，煙氣流會形成一個熱煙氣團，在浮力的作用下向上運動，在上升過程中卷吸周圍新鮮空氣與原有的煙氣發生摻混。
(2)頂棚射流。當煙氣羽流撞擊到房間的頂棚後，沿頂棚水平運動，形成一個較薄的頂棚射流層，稱為頂棚射流。由於它的作用，使安裝在頂棚上的感煙探測器、感溫探測器和洒水噴頭產生響應，實現自動報警和噴淋滅火。圖1-2-3所示為無限大頂棚以下的理想化頂棚射流。
在實際建築火災初期，產生的熱煙氣不足以在室內上方積聚形成靜止的熱煙氣層，在頂棚與靜止環境空氣之間的頂棚射流煙氣層會出現迅速流動的現象。當頂棚射流的熱煙氣通過頂棚表面和邊緣的開口排出，可以延緩熱煙氣在頂棚以下積聚。熱煙氣羽流經撞擊頂棚後形成頂棚射流流出著火區域。由於熱煙氣層的下邊界會水平卷吸環境空氣，因此熱煙氣層在流動的過程中逐漸加厚，空氣卷吸使頂棚射流的溫度和速度降低。另外，當熱煙氣沿頂棚流動時，與頂棚表面發生的熱交換也使得靠近頂棚處的煙氣溫度降低。研究表明，假設頂棚距離可燃物的垂直高度為H，多數情況下頂棚射流層的厚度約為距離頂棚以下高度H的5%一12%，而頂棚射流層內最大溫度和最大速度出現在距離頂棚以下高度H的1%處。頂棚射流的最大溫度和最大速度值是估算火災探測器和噴頭熱響應的重要基礎。
(3)煙氣層沉降。隨著燃燒持續發展，新的煙氣不斷向上補充，室內煙氣層的厚度逐漸增加。在這一階段，上部煙氣的溫度逐漸升高、濃度逐漸增大，如果可燃物充足，且煙氣不能充分地從上部排出，煙氣層將會一直下降，直到浸沒火源。由於煙氣層的下降，使得室內的潔凈空氣減少，煙氣中的未燃可燃成分逐漸增多。如果著火房間的門、窗等開口是敞開的，煙氣會沿這些開口排出。根據煙氣的生成速率，並結合著火房間的幾何尺寸，可以估算出煙氣層厚度隨時間變化的狀況。
發生火災時，應設法通過打開排煙口等方式，將煙氣層限制在一定高度內。否則，著火房間煙氣層下降到房間開口位置，如門、窗或其他縫隙時，煙氣會通過這些開口蔓延擴散到建築的其他地方。
2.走廊的煙氣流動
隨著火災的發展，著火房間上部煙氣層會逐漸增厚。如果著火房間設有外窗或專門的排煙口時，煙氣將從這些開口排至室外。若煙氣的生成量很大，致使外窗或專設排煙口來不及排除煙氣，煙氣層厚度會繼續增大。當煙層厚度增大到超過擋煙垂壁的下端或房門的上緣時，煙氣就會沿著水平方向蔓延擴散到走廊中去。著火房間內煙氣向走廊的擴散流動是火災煙氣流動的主要路線。
顯然，著火房間門、窗不同的開關狀態，會很大程度上影響煙氣向走廊擴散的效果。如房間的門窗都緊閉，這時空氣和煙氣僅僅通過門窗的縫隙進出，流量非常有限。當外窗關閉、室內門開啟，會使著火房間所產生煙氣大量擴散到走廊中，因而也是最危險的情況。當發生轟燃時，門、窗玻璃破碎或門板破損，火勢迅猛發展，煙氣生成量大大增加，致使大量煙氣從著火房間流出。
火災試驗表明，煙氣在走廊中的流動是呈層流流動狀態的，這個流動過程主要有兩個特點(如圖1-2-4所示):一是煙氣在上層流動，空氣在下層流動，如果沒有外部氣流干擾的話，分層流動狀態能保持40一50 m的流程，上下兩個流體層之間的摻混很微弱;但若流動過程中遇到外部氣流干擾時，如室外空氣送進或排氣設備排氣時，則層流狀態將變成紊流狀態。二是煙氣層的厚度在一定的流程內能維持不變，從著火房間排向走廊的煙氣出口起算，通常可達20一30 m左右。當煙氣流過比較長的路程時，由於受到走廊頂棚及兩側牆壁的冷卻，兩側的煙氣沿牆壁開始下降，最後只在走廊斷面的中部保留一個接近圓形的空氣流股。
3.豎井中的煙氣流動
走廊中的煙氣除了向其他房間蔓延外，還要向樓梯間、電梯間、豎井、通風管道等部位擴散，並迅速向上層流動。
煙氣在豎井流動過程中，當豎井內部溫度比外部高時，相應內部壓力也會比外部高。此時，如果豎井的上部和下部都有開口，氣體會向上流動，且在一定高度形成壓力中性平面(室內外壓力平衡的理論分介面，簡稱中性面)。對於開口截面積較大的建築，相對於浮力所引起的壓差而言，氣體在豎井內流動的摩擦阻力可以忽略不計，由此可認為豎井內氣體流動的驅動力僅為浮力。
(二)煙氣流動的驅動力
這裡主要介紹煙囪效應、火風壓和外界風的作用。
1.煙囪效應
當建築物內外的溫度不同時，室內外空氣的密度隨之出現差別，這將引發浮力驅動的流動。如果室內空氣溫度高於室外，則室內空氣將發生向上運動，建築物越高，這種流動越強。
豎井是發生這種現象的主要場合，在豎井中，由於浮力作用產生的氣體運動十分顯著，通常稱這種現象為煙囪效應。在火災過程中，煙囪效應是造成煙氣向上蔓延的主要因素。
2.火風壓
火風壓是指建築物內發生火災時，在起火房間內，由於溫度上升，氣體迅速膨脹，對樓板和四壁形成的壓力。火風壓的影響主要在起火房間，如果火風壓大於進風口的壓力，則大量的煙火將通過外牆窗口，由室外向上蔓延;若火風壓等於或小於進風口的壓力，則煙火便全部從內部蔓延，當它進人樓梯間、電梯井、管道井、電纜井等豎向孔道以後，會大大加強煙囪效應。
煙囪效應和火風壓不同，它能影響全樓。多數情況下，建築物內的溫度大於室外溫度，所以室內氣流總的方向是自下而上的，即正煙囪效應。起火層的位置越低，影響的層數越多。在正煙囪效應下，若火災發生在中性面以下的樓層，火災產生的煙氣進人豎井後會沿豎井上升，一旦升到中性面以上，煙氣不單可由豎井上部的開口流出來，也可進人建築物上部與豎井相連的樓層;若中性面以上的樓層起火，當火勢較弱時，由煙囪效應產生的空氣流動可限制煙氣流進豎井，如果著火層的燃燒強烈，則熱煙氣的浮力足以克服豎井內的煙囪效應，仍可進人豎井而繼續向上蔓延。因此，對高層建築中的樓梯間、電梯井、管道井、天井、電纜井、排氣道、中庭等豎向孔道，如果防火處理不當，就形同一座高聳的煙囪，強大的抽拔力將使火沿著豎向孔道迅速蔓延。
3.外界風的作用
風的存在可在建築物的周圍產生壓力分布，而這種壓力分布能夠影響建築物內的煙氣流動。建築物外部的壓力分布受到多種因素的影響，其中包括風的速度和方向、建築物的高度和幾何形狀等。風的影響往往可以超過其他驅動煙氣運動的力(自然和人工)。一般來說，風朝著建築物吹過來會在建築物的迎風側產生較高滯止壓力，這可增強建築物內的煙氣向下風方向的流動。
煙氣在水平方向的擴散流動速度較小，在火災初期為0.1一0.3 m/s，在火災中期為0.5一0.8 m/s。煙氣在垂直方向的擴散流動速度通常為1一5 m/s。在樓梯間或管道豎井中，受「煙囪效應」影響，煙氣上升流動速度可達6一8 m/s，甚至更高。
三、建築室內火災發展的階段
對建築室內火災而言，通常最初發生在某個房間的某個部位，然後可能由此蔓延到相鄰的部位或房間以及整個樓層，最後蔓延到整個建築物。這裡的「室」不僅指住宅、寫字樓、廠房、倉庫等建築內的房間，而是泛指所有具有頂棚、牆體和開口(如門、窗)結構的受限空間，如汽車和火車的車廂、飛機和輪船的艙等。
在不受干預的情況下，室內火災發展過程大致可分為初期增長階段(也稱轟燃前階段)、充分發展階段(也稱轟燃後階段)和衰減階段。由於室內平均溫度是表征火災燃燒強度的重要指標，因此常用這一溫度隨時間變化的情況來描述室內火災的發展過程，如圖1-2-5所示。
(一)初期增長階段
初期增長階段從室內出現明火算起。此階段燃燒面積較小，只局限於著火點附近的可燃物燃燒，僅局部溫度較高，室內各處的溫度相差較大，平均溫度較低，其燃燒狀況與敞開環境中的燃燒狀況差別不大。該階段由於燃燒範圍小，室內供氧相對充足，燃燒的速率主要受控於可燃物的燃燒特性，而與通風條件無關，因此，此階段的火災屬於燃料控制型火災。隨著燃燒的持續，該階段可能進一步發展形成更大規模的火災，也可能中途自行熄滅，或因滅火設施動作或人為的干預而被熄滅(如圖1-2-5虛線所示)。初期階段持續時間的長短不定。
(二)充分發展階段
室內燃燒持續一定時間後，如果燃料充足，通風良好，燃燒會繼續發展，燃燒範圍不斷擴大，室內溫度不斷上升，當未燃的可燃物表面達到其熱解溫度後，開始分解釋放出可燃氣體。
當室內溫度繼續上升到一定程度時，會出現燃燒面積和燃燒速率瞬間迅速增大，室內溫度突增的現象，即轟燃，標誌著室內火災由初期增長階段轉變為充分發展階段。
進人充分發展階段後，室內所有可燃物表面開始燃燒，室內溫度急劇上升，可高達800一1 000℃。由於此階段大量可燃物同時燃燒，燃燒的速率受控於通風口的大小和通風的速率，因此，此階段屬於通風控制型火災。此階段，火焰會從房間的門窗等開口處向外噴出，沿走廊、吊頂迅速向水平方向以及通過豎向管井、共享空間等縱向空間蔓延擴散，使鄰近區域受到火勢的威脅。這是室內火災最危險的階段。
(三)衰減階段
在火災全面發展階段的後期，隨著室內可燃物數量的減少，燃燒速度減慢，燃燒強度減弱，溫度逐漸下降。一般認為，當室內平均溫度下降到其峰值的80%時，火災進人衰減階段。最後，由於燃料基本耗盡，有焰燃燒逐漸無法維持，室內只剩一堆赤熱焦化後的炭持續無焰燃燒，其燃燒速度已變得相當緩慢，直至燃燒完全熄滅。
上述後兩個階段是可燃物數量充足、通風良好的情況下，室內火災的自然發展過程。實際上，一旦室內發生火災，常常伴有人為的滅火行動或者自動滅火設施的啟動，因此會改變火災的發展進程。不少火災尚未發展就被撲滅，這樣室內就不會出現破壞性的高溫。如果滅火過程中，可燃材料中的揮發分並未完全析出，可燃物周圍的溫度在短時間內仍然較高，易造成可燃揮發分繼續析出，一旦條件合適，可能會出現死灰復燃的清況，這種情況不容忽視。
四、建築室內火災的特殊現象
室內火災發展過程中出現的轟燃現象，是火災發展的重要轉折點。轟燃所占時間較短，通常只有數秒或者幾分鐘，因此把它看作一種現象，而不作為一個階段。回燃則是建築火災過程中發生的具有爆炸性的特殊現象，對人身財產安全、建築結構本身均易造成較大的威脅和破壞。長期以來，這兩種特殊的室內火災現象一直都是火災科學界研究的重點。
(一)轟燃
轟燃是指室內火災由局部燃燒向所有可燃物表面都燃燒的突然轉變。室內轟燃是一種瞬態過程，其中包含著室內溫度、燃燒範圍、氣體濃度等參數的劇烈變化。目前研究認為，當建築室內火災出現以下三種情況，即可判斷發生了轟燃:一是頂棚附近的氣體溫度超過某一特定值(約600℃);二是地面的輻射熱通量超過某一特定值(約20 kW/m2 );三是火焰從通風開口噴出。影響轟燃發生的重要因素包括室內可燃物的數量、燃燒特性與布局、房間的大小與形狀、開口的大小、位置與形狀、室內裝修裝飾材料熱慣性(即導熱係數、密度和比熱組合成的一個參數，決定熱量吸收的多少)等。
經過對國內外一線專業消防人員在滅火實戰中的總結，轟燃發生之前火場可能出現以下徵兆：
(1)屋頂的熱煙氣層開始出現火焰。這說明室內的溫度已經很高，熱煙氣層的部分可燃氣體被引燃或受熱自燃出現了零星燃燒現象。
(2)出現滾燃現象。在室內的頂棚位置以及門窗頂部流出的熱煙氣層中都有可能觀察到由於空氣卷吸而形成很多形似手指頭的滾動火焰，即滾燃現象。
(3)熱煙氣層突然下降。室內燃燒產生煙氣的量突然增加，使得煙氣層突然變厚。
(4)溫度突然增加。室內溫度突然上升，裸露部分的皮膚可以感覺到高溫引起的疼痛，這也是轟燃發生之前的重要徵兆，因為熱量是觸發轟燃的原因。
(二)回燃
根據美國消防協會(NFPA)的定義，回燃是指當室內通風不良、燃燒處於缺氧狀態時，由於氧氣的引人導致熱煙氣發生的爆炸性或快速的燃燒現象。回燃通常發生在通風不良的室內火災門窗打開或者被破壞的時候。這是因為對於通風不良的室內環境中，長時間燃燒後聚集大量具有可燃性的不完全燃燒產物和熱解產物，這些處於氣相的可燃性物質包括可燃氣體、可燃液滴和碳煙粒子，它們組成了一個可燃性的氣相混合物，而且其濃度隨著燃燒時間的增長而不斷變大。但由於室內通風不良、供氧不足，氧氣的濃度低於可燃氣相混合物爆炸的臨界氧濃度，因此不會發生爆炸。然而，當房間的門窗被突然打開，或者因火場環境受到破壞，大量空氣隨之涌人，室內氧氣濃度迅速升高，使得可燃氣相混合物進人爆炸極限濃度範圍內，從而發生爆炸性或快速的燃燒現象。回燃發生時，室內燃燒氣體受熱膨脹從開口逸出，在高壓衝擊波的作用下形成噴出火球。回燃產生的高溫高壓和噴出火球不僅會對人身安全產生極大威脅，而且還會對建築結構本身造成較強破壞。
有關理論研究表明，室內發生火災時，處於氣相的可燃混合物濃度和室內的氧濃度是回燃發生的決定性因素。回燃的劇烈程度隨室內可燃氣相混合物濃度的增加而增大。室內火災中可燃氣相混合物濃度的大小，主要取決於室內可燃物的類型、火災荷載密度(單位建築面積上的火災荷載)、通風條件以及燃燒時間等。
回燃發生前通常也可能出現一些徵兆。如果身處室外，可能觀察到的徵兆包括:著火房間開口較少，通風不良，蓄積大量煙氣;著火房間的門或窗戶上有油狀沉積物;門、窗及其把手溫度高;開口處流出脈動式熱煙氣;有煙氣被倒吸人室內的現象。如果身處室內，或向室內看去，可能觀察到的徵兆包括:室內熱煙氣層中出現藍色火焰(表明燃燒缺氧，燃燒產物中含有較多一氧化碳，其燃燒呈藍色);聽到吸氣聲或呼嘯聲。但回燃發生前的徵兆並不穩定，有時回燃發生前只能觀察到一兩種徵兆。
室內火災的滅火救援過程中，如果發現上述任何徵兆，在未做好充分的滅火和防護準備前，不要輕易打開門窗，以免新鮮空氣流人導致回燃的發生。可以採取頂部通風排煙、側翼夾擊射水滅火等方式，儘量降低回燃的發生率和危害性。