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道孚大火说蔓延
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道孚大火说蔓延
上海高层大火的第二天，我分析了上海高层大火蔓延的6个火灾动力学特征：热薄型材料的广泛使用、气候干燥的隐性贡献、空中燃料的散布效应、垂直燃料的浮力贡献、烟囱效应的抽气作用、室内火灾发展的非线性。这里谈一谈道孚大火的蔓延特征，上海高层大火的前3条基本适用于道孚大火，还有3条不适用高层建筑的特征，分别是：火场旋风的特殊风险、地形坡度的加速作用、火焰辐射的预热作用。这里简要分析一二。
热薄材料的广泛使用
固体燃料点火，有两个重要的概念是热厚型（Thermally-thick）和热薄型（Thermally thin）的概念。前者典型如木头，火灾蔓延慢，是因为表面吸热之后，向内部传热，因此点火过程需要预热时间，表现在燃烧缓慢，甚至需要长时间的点火预热过程。后者典型如纸张，火灾蔓延快，是因为表面吸热之后，无法向其他地方传热（因为背后是空气），能量蓄积在表面的结果，就是表面升温快，点火速。火灾蔓延的过程，就是持续点火的过程。而且，由于火焰的预热作用，火灾的发展不是线性的，早期一秒两秒之差，就是后期能否控制住火势的结果问题。因此热薄型材料的多寡，对于火势的控制至关重。美国椰林俱乐部大火中的椰树叶，辽宁阜新俱乐部大火中的廉价装饰品，都是典型的热薄型材料，点火不需要时间，火灾蔓延是呼啸而来，因此伤亡惨重。热薄型材料未必看厚度，深圳舞王大火中的保温材料，因为多孔材料的导热系数低，无法向深度传热，也是类似于热薄型材料，可以快速支持火灾蔓延，这是基于对燃料导热性能理解的消防常识。
我国古代最著名的一首题壁诗，就是热薄型与热厚型材料的绝佳说明：一团茅草乱蓬蓬，蓦地烧天蓦地空。争似满炉煨榾柮，漫腾腾地暖烘烘。深入理解这首诗，您就可以理解为什么保险公司把造纸厂的火灾级别定为最高等，纸张晾晒过程的着火是固体燃料中最可怕的一种局面。国内伊犁兵团农场俱乐部大火（1977年春节，694人死亡）中的燃料（祭奠伟人逝世用的纸花），就是典型的热薄型燃料。在这种燃料面前救人？没有防护设备就是自取灭亡。
道孚大火的燃料是什么？枯草，就是那种可以达到“蓦地烧天蓦地空”的燃料，因此高度危险。为什么平时我们并不在意呢？因为草的能量密度并不高。但是，如果能量都是集中释放，还是有可能形成放热尖峰，这就是道孚大火成灾的主要原因。
气候干燥的隐性贡献
热厚型和热薄型的定义和区分不是完全根据厚度，而是根据燃料的导热性能，热薄型背后是空气（传热的不良导体），因此升温快。那么，如果一种气候要素改变了物性，造成导热不畅，所有的燃料都向热薄型材料靠拢，那么，就会造成一种火灾多发的局面，因为不管怎么小心谨慎，动不动就点火。这种气候参数是湿度，或空气的含水量。如果气候干燥，就会令燃料缺水而导热系数减少，那么能量无法向内部传递，于是点火蔓延都很迅速。这种情况发生在公元812/813年夏天的永州，人们动不动就失火，搞得不敢升火烧饭，经常过寒食节，柳宗元写了有趣的《逐毕方文》，给当时焦头烂额的老百姓一点心理上的安慰。其实，这是气候变化的结果，气候干燥导致物性改变，当事者不察，而后人可以根据火灾常识来推断这种结果。
王维诗中“积雨空林烟火迟”，就是说明水分对于燃料导热性的影响，以及点火燃烧困难程度的增加。一个“迟”字，就突出了点火过程的时间效应，非常神妙，令人产生无限的遐思：点火过程中的预热时间，引导（induction）时间， 反应时间，都会因为木材湿度的改变而变化。 我国古代更夫口中的口决“风干物燥，小心火烛；水缸满满，灶膛清清”也不是没有道理的。第一句是天气的规律，风干物燥则导热慢，点火快；第二句和第四句是点火源控制（宵禁），烛火灶火是农业社会的主要火灾风险；第三句是灭火手段的准备，A类固体燃料必须用水灭火，这是千百年来的经验和常识。所谓的火灾多发季节，就是空气干燥的时节，通常是11月底到5月初，因为我国在那个时段吹的是从西伯利亚吹过来的西北风，低温干燥，容易失火。
今年11月1日，我就预报了重庆今冬明春的火灾风险。上海大火一烧，重庆当局肯定会提高警惕，我的预报似乎要落空了，没想到道孚小火成大灾，看来火灾气候还是很有规律的、比人可靠多了。
空中燃料的散布效应
通常平面火灾的蔓延，都是一步一步依次展开的，靠传热，特别是导热，过程进行能量的传递和燃料的预热工作。因此我们有一些燃料的火焰蔓延速度的数据，这是理想情况下（水平无风无扰动）的测量结果。如果燃料空间布置，燃料着火以后随处飘扬，就会散布火头，带来大面积失火的效果。克拉玛依大火和辽宁阜新大火，都有空中装饰品随处散布火头，造成一处失控，到处成灾的局面，关键是没有按照常规的导热蔓延，而是在空中蔓延。上海高层大火和北京央视大火，都有火头空中溅落，随处散布火苗的局面，这是导致火势失控的重要原因。重庆高层大火（20100809）的火灾快速蔓延，也是空中燃料的散布效应有关。大兴安岭大火中的火头，不仅能够飘过一个山头，还能飘过一条河流，这种火势对风势的借助，是野火难以控制的重要原因。
大兴安岭大火中的强劲风力（由于能量集中释放，会局部产生卷吸，形成火旋风，或火致流动。最典型的火致流动是核弹爆炸形成的蘑菇云），导致燃烧的火头随风散布，这是当时火场伤亡率高的重要原因之一。另一个伤亡原因是有关方面不懂火灾发展规律，组织当地民众（没有经过技能培训）去救火，结果救火不成成大灾，有户籍可查的死者211人，这是完全可以避免的结果。
火场旋风的特殊风险
灾难发生之后，人们反思，总说火场大风没有预报。为什么没有预报呢？因为这种火致流动是随着能量的释放而产生的，是成灾的原因，是火灾的结果，却不是火灾的原因。大兴安岭大火中记录的预报是‘火险级’，大约是五级大风，而有人报道火场大风达14级。前者是自然风速，后者是火场大风， 由火灾自己造成的。大自然对能量释放的反应是产生流动， 火场大风是火灾的结果而不是原因。大家知道，气体受热会膨胀并密度减少（小学自然课本就有这方面的教导）。在地球重力场中，密度小的气体会上升，周围的气体会被卷吸过来，形成一股上升的冲力。当火源很小且没有外在扰动的时候， ‘大漠孤烟直’。当火源有一定的规模, 就会对周围气流产生扰动，‘狼烟滚滚’。当能量达到一定的规模以后，就会形成冲天而上的火球和蘑菇云。所以，火灾对周围的扰动程度取决于能量的集中程度。所以，1987年5月6日的大火，会在一天以后的5月7日形成大风，‘火借风势，风借火威’，形成重大的灾害。 其核心在于燃料的堆积和火场的非线性发展。所谓非线性，就是指即使在稳定的火焰传播速度下，过火面积是速度的平方，再加上其他的因素如风速和风向，地势和燃料干燥程度，火场发展是无法预测的。所以，火场大风对消防工程师来说，是不可预报的火场常识。
1992年美国加州的湾区大火，损失不小。其特点是大面积的火灾形成强烈的火致流动。对此，加州大学伯克利分校的Pagni教授使用美国工程院院士Baum的火致流动简化理论，结合各个气象站的观测数据， 细致的模拟了当时的气象结果，可以算是成功的事后分析，仅此而已。
英美对德国的燃烧弹攻击，非常重视一次性爆炸之后的蔓延效果。经过观察，效果最好的情况是由于大量的燃烧弹燃烧形成了‘火暴’（Fire Storm），火致流动造成了大量能量的同时释放。通过能量的集中释放，形成相互影响的大火（温度增加，热损失减少），会成倍增加燃烧弹的使用效果。当火场能量超过了当地的救火能力的时候，救火是没有任何意义的，只剩下逃命要紧了。美国燃烧弹攻击日本，也是采用相同的策略，后来干脆用原子弹造成‘火暴’，燃料不同，效果一样。事实上，日本死于美国燃烧弹的人员要高过原子弹，但美国燃烧弹是以牙还牙，日本人民不敢抱怨，只好年复一年地纪念原子弹的受害者了。
道孚大火虽然没有对火旋风的报道，那是人们太忙乱了，没有注意。火旋风是野火中最常见的现象，其隐蔽性和突发性一直让专业消防队员感到害怕，更不用说我们那些没有经过专业灭火培训的消防战士。面对火场无畏者无知，令旁观者无语。
另外，三国演义中有一段诸葛亮布置火攻，当火焰开始以后，却开始下雨。从理论上说，火致流动干扰了当地的气候，如果当时有积雨云存在的话，是很有可能造成提前下雨的，效果与撒干冰人工降雨是一样的。罗贯中未必懂得其中道理，强调归命于天，我们也不明白的话，是有点科学素养不够了。上海高层大火还没烧完，就开始下雨，这是大火羽流对周围环境扰动的结果。
地形坡度的加速作用
垂直布置的燃料，或者在坡度上布置的燃料，有一项特殊的风险，那就是在地球的重力作用下，密度降低的气体会上升（即浮力）。在浮力的作用下，火焰（当然是温度高密度地的气体）向上拉伸，贴近燃料表面，给燃料带来强烈的预热作用。一般情况下，平面火灾的蔓延很慢，因为火焰和烟气的流动方向与火灾蔓延方向垂直，卷吸的气流冷却燃料，这是所谓的逆流蔓延。而在垂直或有坡度的情况下，火焰的方向与蔓延的方向一致，于是预热燃料的局面出现（称为顺流蔓延或风助蔓延），这种换热强度可以达到30～40kW/m2，而室内达到轰燃（Flashover）时的临界换热强度只需要20kW/m2。这样，火灾蔓延速度就因为预热强度的增加而大大增加。
美国伊洛魁人俱乐部大火（1902年）和国内的克拉玛依大火（1994年），都是垂直的幕布着火，火势通过浮力而拉伸加长，火灾蔓延极快，这是燃料的空间布置所决定的局面。美国罗德岛Station俱乐部大火，蔓延迅速的重要原因是垂直布置的装饰物，热薄型材料与垂直的局面结合，就是快速蔓延的火灾了。上海高层建筑火灾，拦截建材掉落的安全网，构成了火灾蔓延的快速通道，韩寒注意到的楼顶第一次出现火苗的时间很快，那是周围防护网快速燃烧的结果。之后室外火焰突破了建筑的隔离，在室内各层之间蔓延，最终导致全面失陷的结果。
造纸厂的纸张成型以后，需要在露天晾干， 通常是垂直晾挂着的。当纸张达到一定的干燥程度，就很危险了，一旦着火，火焰迅速拉长（因为热气体上升），所以预热增加，火焰加速从底部蔓延到顶部，几乎没有办法阻止。克拉玛依大火的幕布着火，与之类似，蔓延很快，无法阻止。除非把幕布降下来，到地上灭火。当时有人希望这样做而不成功，终成大祸。
世界最有名的由于地形坡度造成的火灾损失是英国国王十字火车站（位于伦敦的海底隧道起点站，当时隧道尚未开挖））大火，在斜坡的作用下，向上的流动被天顶阻挡而贴近扶梯表面流动，对电梯表面的强烈预热导致火势蔓延很快。由于人们第一次注意到这种强烈的非线性蔓延是在地铁站的扶梯上，人们称作“隧道效应”，因为这种流动对隧道火灾最常见。其实任何有坡度的地方，就会有浮力推动的顺流蔓延现象，形成火焰快速蔓延的局面。
火焰辐射的预热作用
大兴安岭大火的反思中，有一个常见的口语‘火啸’，我不知其英译，但从关于‘火啸’的描述中，可以和平常室内火灾的‘轰燃’现象相类比，因此可以理解这一现象。通常我们理解的火焰按常规逐步蔓延，是基于火灾规模比较小，通过地表传热和少量的辐射来进行。当火源达到一定的规模以后，辐射强度大为增加，所以有人说火焰是从空中过来，泛黄，泛红（颜色代表温度，这是物理学中的维恩定律），四面八方一片。林间树叶‘噼啪’作响，说明辐射强度大。当水分被烤干以后，剩下来的可燃质开始升温，并放出可燃质。因为是一片树林受到煎烤，可燃质积累到一定程度，突然被点燃，发出‘呼’的一声，整座树林被点燃了。这时候，扑灭这等规模的林火是不可能的，只能等燃料烧尽，自动熄火。通常我们都说轰燃现象发生在室内，这是因为天花板把火焰和高温烟气留住了一段时间，其间对地面的辐射导致点火加速。历史上，只有一次开放空间的轰燃，那是Bradford体育场大火，开放的大棚快速点燃，形成轰燃。
道孚大火中，虽然没有天花板，但对面山坡相当于墙壁，这个山头相当于火源，其辐射的能量，有一部分被对面山坡的燃料所吸收，就是预热干燥的过程，当其他条件也满足的时候，火焰突然发生，性质与室内火灾的“轰燃”现象一样，都是蓄积能量的突然爆发现象，这是地形条件所决定的。这里当事人的常识有问题，你会到预热的炉膛里去救火么？风在吹，能量在积累，燃料在预热，你还要深入燃料去救火，这就是当时的逃生困境。
二战中，为检验燃烧弹的使用效果，美国组织了一批类似日本产的木材，和夏威夷日本侨民（已经被关进集中营了）的榻榻米，在犹他州的军事基地模拟搭建了很多日式建筑。从高塔上或飞机上投掷燃烧弹，观测各种燃烧弹组分的使用效果。通常火灾仅允许进行几分钟，现场指挥就得下令灭火，以节省材料。如果指挥判断失误，或犹豫不决，仅仅一两分钟左右的差别，模拟建筑内达到‘轰燃’状态，昂贵的的投资就无法挽救了，因为火场燃料在瞬间全部点燃，火场强度超过了灭火能力。所以现场指挥人员的经验非常重要，书本上是学不来的。
自从衡阳大火以来，我就注意到国内消防制度的局限性，由于专业培训不足，往往导致火场伤亡。我们随口说说的常识，都是惨重的教训，但不能把这些常识贯彻下去，就是仰赖制度的保障了。我国的国家级救灾组织，今年5月国务院授权从军中组建，想来也就是这个水平。提高消防队员的知识和技能水平，需要长期的培训，需要制度的支持和经济的保障，这种以人为本的救灾理念是决策者需要认真考量的。制度建设，以人为本；多难兴邦，唯靠消防。
有道是，热薄材料易点火，风干物燥快蔓延，空中燃料多散布，火场旋风常突发。坡度危害难逃生，燃料预热促火啸，火场蔓延有理论，救人救火当人本。
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