说说伦敦高层建筑大火

伦敦大火的发生，牵动了数以万计的高层建筑使用者的安全心思。一方面，我们庆幸灾情发生在老牌职业化消防大国英国，另一方面，我们也为这一次灾情再次唤起我们内心的隐忧而担心。高层建筑火灾那么难扑救，高层居民该如何是好？

此次大火的失控原因，很多人轻描淡写地说是一次普通的电冰箱失火。问题来了，为什么冰箱失火会造成严重的灾情。很多人恐怕不知道，这是制冷工业响应环保危机，把卤素制冷剂氟利昂替换成所谓的“清洁”制冷剂的必然结果，是环境风险转化为安全隐患的结果之一。当时就有很多有识之士担心可燃制冷剂的燃爆风险，今天的伦敦大火，只不过是让前瞻性的担心变现而矣。去年秋天，我给安全专业必修课《火灾动力学》的学生出的期中考试考题如下：

2016年8月21日下午，福建南安美林邱洋村一幢两层砖房发生制冷剂泄漏事件，引发的爆炸，导致兄妹二人死亡。这一则事故看似简单，却有很大的代表性，可能发生在任何空调或冰箱上。因为现代的环保制冷剂大都含有R290（丙烷）和R600a（i-Butane，异丁烷），虽然只有60~80克，其泄漏仍然有可能在室内形成可燃可爆的环境，带来灾难性的后果。这些制冷剂的物性特征虽然环保，却给很多家庭带来了燃爆的安全隐患。根据上述的信息，计算下列内容（8分x5=40分）：

1.   如果燃料是异丁烷（i-Butane，打火机的主要燃料），根据异丁烷的生成热（见下右表的正丁烷参数），计算异丁烷的燃烧热；如果没有生成热，根据氧热当量，估算异丁烷的燃烧热（要求计算和估算）

2.   利用燃烧热计算其最大火焰温度（提示：@化学计量比）；

3.   如果冰箱内装有70克异丁烷，请问完全泄漏发生在多大的空间内，爆炸最猛烈？

4.   如果70克异丁烷完全转换为TNT，相当于多少kg TNT当量（1kgTNT=4.23MJ）?

5.   如果异丁烷的惰性点位于（RLU=17.37，XLU=0.5），请问需要多少克氮气，才能把异丁烷完全稀释（到LFC=1/(1+R_LU）），以至于可以安全放空？

那么，如何消除这种隐患？采用二元制冷剂，使用可燃性的制冷剂（环保特征好，制冷效率高）与不燃的制冷剂（安全特征好，制冷效率不那么高）混合，可以缩小混合气体的可燃区间，达到避免可燃气体泄漏，防止气体燃爆的效果。不过，制冷行业似乎并不在乎这一点泄漏，关键是没有保险业的推动和倡导，所以在这方面的研究寥寥可数，我为此而开发的理论也无人问津，这是社会面对灾情的惰性。

这次火灾之所以没有救下来，很重要的原因是火焰沿着外墙蔓延的速度过快，超过了预期的水平，所以响应速度跟不上，导致了全面失控的悲剧。那么为什么会蔓延过快？这是烟囱效应。

一般说来，液体燃料害怕空间，是因为空间会蓄积空气，导致氧气与燃气的混合物，存在爆炸的风险。同样，固体燃料也害怕空间，空间会蓄积能量，导致原本可以耗散的能量被蓄积起来，用于预热新鲜燃料，加速火焰的蔓延。在这里，还有一个温度差带来的浮力场，会加速火焰的蔓延，俗称烟囱效应（英国叫Chimney Effect，美国叫Stack Effect）。在大气中，如果有温差，就有浮力（初中物理的常识，高中物理的废话，大学物理的真理）。温差越大，浮力越大，浮力对火焰的推动效果越明显。同时，外表面对火焰的压制作用，导致火焰对燃料表面的倒伏，增强换热的效果，加速火焰的蔓延过程。

此次伦敦大火，被人争议最多的地方是新添加的保温材料非常丑陋，所以又增加了一层保护性外罩，由于两者不是紧密贴近，存在一定的空间，给烟囱效应的出现提供了机会。这是人所共知的道理，如下图所示。

图2.在装饰性材料和可燃保温层之间留有空隙，为火焰的快速蔓延提供了机会。

此次伤亡出人意料的巨大，通常不至于如此，造成伤亡的三个重大原因是：深夜发生、缺乏报警手段和逃生通道唯一。这里分别说明如下。

有人注意到，这是大斋期，所以很多穆斯林没有睡，给疏散工作增加了逃生的机会。可是，我们也应当看到，正是这一白天禁食，晚上胡吹海吃的宗教习惯，导致了深夜发生的灾情。现在人人都认定失火原因是冰箱，说明一定有人在现场看到了失火的经过，这说明使用者生活习惯的改变，也是导致这一异常灾情的重要原因。对此，国内最著名的例子是独克宗大火，失火的总是外地人，这是文化（安全习惯与当地习俗的差异）冲突造成的灾情。

其次，现场缺乏全楼的报警手段，很多人都是被外部吵闹弄醒的，而不是报警手段本身，这一点还在调查当中，相关的责任很大。

第三，这一建筑的设计有问题，只有一个逃生楼梯，与电梯间发生在一个空间，所以一旦该空间着火，两种逃生手段同时完蛋，这是消防工程师一开始就注意避免的结果。也许该建筑在原始设计时时安全的，但改造过程添加了可燃的保温材料，让原有的逃生能力显得不足了。外行看热闹，逃生通道只有一条，所以逃生能力不足；内行看门道，关键是逃生距离有多长。如果所有的单元距离楼梯（理论上，建筑中的楼梯是最安全的地方，逃到楼梯就算安全）不长，可以设计成单一逃生通道。问题在于，原始的设计没有多少燃料负荷，所以不需要太长的行动距离；被修改后的建筑，增加了燃料负荷，所以让原有的逃生距离显得不足了。所有这些消防逃生设计，都是基于一个重要假设，即楼梯间的大门是随时封闭的，保持楼梯间大门的常闭状态，是保护楼梯间不受火灾影响的关键。此次大火造成的惨重伤亡，有很大的可能性是楼梯间的大门没有关。

美国NFPA101（生命安全规定）中对逃生通道的要求可以总结为十大原则：

1.  足够数量妥善设计的畅通的逃生手段，有足够的容量和安排。

2.  如果一种逃生手段被火焰、热量或烟气堵塞时，有替代的逃生手段以便使用。也就是说，逃生冗余。

3.  在根据人群负荷、行动距离和出口容量所决定的逃生时间（Required Egress Time, RET）内提供对逃生手段的保护，防止火焰、热量和烟气的危害。

4.  对于那些全体逃生不是主要考虑的建筑类型（如高层建筑，不可能动辄全体疏散），通过合适的建筑隔离来划分区域以提供避难所。

5.  保护垂直的开口，把灭火设备的动作限制在单一楼层（防止火头随着电缆通道和楼梯间蔓延）。

6.  在发生火警时，提供烟气检测或警报系统来提醒居民并通知消防部门。

7.  提供充分的照明，正确标记逃生手段并正确地指示方向。

8.  保护非常规危险的设备或地区，后者可能会产生危及居民逃生过程的火灾。

9.  发起，组织并实践有效逃生演习程序。在高人群密度和高生命危险的建筑类型，提供逃生指导材料（如逃生路线图）和声音警报系统以方便适应性逃生行为。

10.使用防止火灾快速蔓延或烟气大量生成的内部装修材料，火与烟的产生可能危及居民的逃生过程。

上述十大原则，还可以进一步缩减为五大原则，如下图所示：

1.  两处逃生门尽可能远

2.  根据人数和危险水平，设置额外的逃生门

3.  逃生演练需要经常练习；

4.  到逃生门的距离是合理的；

5.  逃生门的标志明确、没有拦阻和照明充分。

图2. 建筑逃生设计的五大原则

显然，此次伦敦大火中的建筑，对其中的每一条都有违反之处，因此是一种认识上的错误，即所谓的“人祸”。透过这些人为的失误，我们可以更好地认识高层建筑火灾中的火灾动力学和人群动力学的安全原理。