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巴別塔的火焰挑戰(一):高層建築的火災風險

Posted by 瑞德感知 on 2016-6-29 17:14:44
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   2015至2016年間,阿拉伯聯合大公國接連發生三次摩天高樓大火,包括曾於2011年名列世界第一住宅高樓的火炬塔(The Marina Torch)、阿德理斯飯店(Adress Hotel)與阿治曼一號大樓(Ajman One Towers)。在三次摩天高樓大火中,造成數十人受傷,數千人緊急疏散,財務損失高達數千億元,同時引起各界對於超高層摩天大樓消防建築安全問題的關注。

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圖一、2016年杜拜阿德理斯飯店大火

   高層建築火災由於人口密集、延燒快速與逃生不易等特性,往往釀成重大傷亡與財物損失。如1980年美國27層的米高梅飯店火災,造成84死650傷;2001年的911事件中,紐約世貿大樓遭受飛機撞擊引發火災,造成5451死2100傷的慘劇。在台灣,2005年樓高22層的台中金沙大樓大火,造成4死3傷,也讓台灣的高樓火災問題開始受到重視。

   根據NFPA美國防火協會報告指出,20072011年間,高層建築火災在整體建築結構火災統計當中佔3%,估計有15,400起高層建築火災通報案件,每年平均造成46530傷,以及 219億美元的財務損失。有鑑於此,高層建築的消防安全問題,為全球當前刻不容緩的重大課題。 

世界摩天高樓競賽:高樓火災風險危機

   第一次世界大戰後鋼材結構技術與理論的進步,促使摩天大樓(Skyscraper)的出現。1931年建造的紐約帝國大廈,共102層高度達381公尺,成為當時的世界第一高樓。帝國大廈世界第一的紀錄,直至1973年才被紐約世貿大樓超越,隨後芝加哥希爾斯摩天大樓建成,開啟全球摩天高樓競賽風潮。包括上海中心大廈、紐約世貿中心一號大樓、台北一〇一等,都是樓高超過500公尺的超高層建築。目前,世界第一高樓為杜拜的哈里發塔(Burj Khalīfa),高度達828公尺,樓層總數為169層樓,於2010年竣工啟用。

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圖二、世界十大高樓(截至2015年12月,資料來源CTBUH)

   林祺錦與施植明在《巴比倫塔的遺志-摩天大樓的高度競賽》一文中,對於摩天大樓做了以下定義:

「摩天大樓的英文『Skyscraper』,原意是由天空(sky)與刮刀(scraper)兩個字的組合而成,意指刮到天空的大樓,顧名思義就是指高度超過一般建築物的高樓。但近代摩天大樓的意義已遠超過字面上的詮釋,它可以是代表經濟的成長、技術的進步、政權的象徵、使用機能及空間結構的改變與社會進步的表徵等等。誠如著名的建築評論家郝思特伯(Ada Louise Huxtable)所言:『摩天大樓不僅僅是二十世紀重要的產業之一,也是建築物的代表,從某個角度而言,摩天大樓創造了這個世紀,使得這個世紀的都市成為今天這個樣子』。因此摩天大樓逐漸成為一個地區、城市或國家進步的象徵,世界各國為了想擠進已開發中國家的行列,在建築物的高度上也就越蓋越高,而成為一場比較建築高度的競賽。」

   摩天大樓的高度競賽,改變了現代都市天際線,大樓林立的城市地景成為文化與經濟的象徵。然而,超高層建築在反映建築技術與設計的革新之餘,同時帶來更多嚴峻的消防安全問題。高樓層建築的垂直距離長,樓層用途複雜,內部可燃物多,人口密集財物集中,使得高層火災救援成為一個世界性難題。舉例而言,一座高度100公尺的超高層建築,煙氣在半分鐘內即可沿豎向管井擴散到頂層,形成立體火災,撲救不易。因此,如何在災害發生時迅速完成人員疏散與滅火救援,是超高層建築防火避難設計的關鍵所在。

高層建築物定義:內部自救設備的重要性

   早期歐美(如美國防火協會NFPA、歐洲防火協會同盟EFPA)對於高層建築物的定義,主要認定方式為消防器材可否於外部發揮救援功效。因此樓高超過消防器材由外部可作用之高度的建築物,需由內部進行搶救者,即稱為高層建築。爾後,高層建築相關法規之訂定,主因在於高樓層建築難以由外部進行滅火救援,遂規定建築物本身必須擁有完善的自救設備與逃生避難設計,以保障建築安全。

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   根據美國NFPA在2012年修訂的生命安全規範中(NFPA 101®, Life Safety Code),高層建築為高度在75英呎(23公尺)以上之建築物。在我國法規部分,對於高層建築定義主要依據「建築技術規則建築設計施工篇」第 227 條,高層建築係指高度在 50 公尺或樓層在 16 層以上之建築物。至於超高層建築部分,則未有明確定義。以內政部建築研究所為例,建築規劃設計組之定義為 100 公尺以上,而建築防災組則定義為樓層在 25 層以上或高度 90 公尺以上者。

   目前,我國前10大高樓總高度皆超過180公尺(見下圖三)。根據內政部統計通報資料,截至2015年底,臺灣地區已列管之高層建築物(16層以上或50公尺以上)3,392棟,占整體建築物比例為1.58%。而在超高層建築物(30層以上或90公尺以上)部分,在20122015年第一季期間,已增加248棟。綜上所述,國內高層建築物數量日益增加,面對高層建築的消防安全與火災風險問題,勢必需要了解高樓火災特性,進而建立全面的防範措施。

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圖三、臺灣10大高樓(2016年6月資料)

高層建築火災特性

    由於高層建築的特殊結構與人口密集特性,使得高層建築火災具有以下風險特性:

1.濃煙密佈:高樓層建築屬鋼材、混凝土結構,採用玻璃帷幕與空調設備,屬於密閉空間。因此火災初期隨著內部易燃材料延燒,在缺氧燜燒的情況下,產生大量濃煙。煙氣的垂直上升速度為每秒35公尺,水平擴散速度則為每秒11.5公尺,若無設計妥善的煙控設備,極短時間內煙霧即迅速擴散至整棟建築物,形成立體火災。除了造成視線障礙,導致逃生與救援的困難,更有一氧化碳中毒的危險。

2.高溫灼熱:高樓建築的密閉結構,使得內部燃燒熱能難以擴散出去,熱量積蓄導致高溫灼熱的情況。不僅使避難人員容易產生灼傷,外部消防人員亦難以接近救援。此外,一旦外部有大量空氣進入,將引發猛烈火勢。

3.延燒快速:由於火焰燃燒特性為向上垂直擴展,高樓層建築在火災發生時,濃煙與高溫蓄積不易排除,透過內部垂直管道與樓梯間形成火勢延燒之孔道,產生煙囪效應(Stack Effect,見下圖四)。即內外溫差過大,導致內部熱空氣迅速竄升蔓延,外部冷空氣則進入遞補,如同煙囪一般。樓層高度愈高,內外部溫差愈大,牽引力量愈強烈,煙囪效應越大,形成立體火災。 因此,若是超高層建築發生火災,將引發更嚴重的災損規模。

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圖四、高樓建築煙囪效應

4.逃生疏散不易:一般建築物火災逃生避難,意指全體人員自建築內部避難疏散至戶外安全區域。高樓火災發生時,除了濃煙密佈阻礙視線,增加逃生困難之外,超高樓層建築離地面垂直距離長,使用型態複雜,樓層數多且面積廣大,再加上容納人數眾多與避難動線設計較長,導致逃生疏散時間增加。此外,民眾在逃生時心理恐慌,容易推擠踐踏造成傷亡。舉例而言,1993 年美國紐約世貿中心地下室停車場遭受到恐怖炸彈攻擊時,兩棟大樓近三萬人疏散花了四個多小時。 

5.搶救困難:高樓層建築樓高數十至數百公尺不等,然而我國採購之雲梯車平均高度為3050公尺,最高僅70公尺。因此,樓層愈高,救援行動益加困難。高樓火災發生時,難以由外部搶救,再加上玻璃帷幕窗戶破壞不易,故超高層建築物救災僅能依賴其內部消防設施使能防護及搶救。若火災致使供電系統故障,致使內部安全設備失效,消防搶救困難度將更為艱鉅。 

6.火險隱患多:一般高樓層綜合性建築,建築使用功能複雜,內部可燃物多,出入人員眾多密集,消防安全管理不一致,導致潛在火險隱患多。一旦發生火警,容易造成大面積火災,火勢蔓延迅速,撲救疏散困難,容易造成嚴重損失與傷亡。

   有鑑於高樓火災的特殊性質,針對高樓建築的防火安全性能設計,勢必需要全面研擬規劃,以保障建物與人身安全。在下一篇文章當中,我們將進一步回顧國外高樓建築的相關研究,了解如何因應高樓建築建立完善的防火避難安全設計。

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【閱讀更多】 

*瞭解高樓建築防火避難設計:

巴別塔的火焰挑戰(二):高樓建築類型與防火安全避難設計

*瞭解防火安全性能驗證:

性能式防火法規與防火避難安全驗證方法介紹

*瞭解其他國外案例:

大型場館建築的防火避難安全評估:以利維斯體育場為例

   

參考資料:

1. Hall, J. R. (2013), High-rise building fires, NFPA Report. High-rise building fires, NFPA Report. 

2. Ronchi, E. & Nilsson D. (2013), Fire evacuation in high-rise buildings: a review of human behaviour and modelling research, Fire Science Reviews, 2:7.

3. 林祺錦、施植明(1997)《巴比倫塔的遺志-摩天大樓的高度競賽》,中華民國建築學會第十屆研究論文發表會。

4. 夏冠群、林奕傑(2005),〈超高層大樓之火災防救對策〉,《危機管理學刊》,2:1,頁76-80。

5. 徐振豐(2015), 〈高層建築物火災消防人員安全作業認知之探討─以高雄市地區為例〉,高雄市政府消防局104年度統計分析報告。

6. 雷明遠(2008),〈高層建築物人員避難之電腦模擬與驗證-以台北 101 大樓為例〉,內政部建築研究所。

7. 趙鋼、黃德清(2009),《消防戰術-火場指揮狀況判斷與推演》,台北:鼎茂。

 

Topics: 建築與防火

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