高層建築物火災濃煙危險性分析與煙控系統探討

□王和源／國立高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所
□王振益／國立高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所 研究生
□湯順雄／國立高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所 研究生

摘要
        隨著時代的進步及國內經濟快速發展，城市人口持續增長，在土地資源有限之情況，建築物為增加空間利用性，加上國內營建工程技術突飛猛進推動下，促使城市建築日趨向高空延伸，各大都市如雨後春筍般，陸續出現一棟棟高層建築物，城市構造隨之高層化。然而隨著建築物高度的不斷升高，火災發生時，建築物的火災防救、人員避難逃生能力，卻隨之降低。因此，針對高層建築物火災產生之濃煙，提出煙控系統危險性分析，期能於煙控系統做一整體規劃，並利用各種煙控系統方式，達到控制及降低火災區之濃煙蔓延與擴散，且於避難逃生時能提供明確的通道及處所，以利消防人員進行救援，並確保人命逃生安全及減少財物損失。

一、前言

        隨著時代的進步及國內經濟快速發展，城市人口持續增長，在土地資源有限之情況，建築物為增加空間利用性，加上國內營建工程技術突飛猛進推動下，促使城市建築日趨向高空延伸，各大都市如雨後春筍般，陸續出現一棟棟高層建築物，城市構造隨之高層化。然而隨著建築物高度的不斷升高，火災發生時，建築物的火災防救、人員避難逃生能力，尚有待提昇。
        依據建築技術規則設計施工編，第12章第227條規定：「高層建築物，係指高度在50公尺或樓層在16層以上之建築物」；另依據內政部消防署所提供資料，國內現有高層建築物之數量，截至民國九十四年十二月底，總計2646棟(如表1)，其分佈在台灣本島各縣市，僅外島金門、馬祖、澎湖無高層建築物。
        回顧過去台灣近五年來高樓層建築物火災案例[1]，顯示火災事故從未曾停止發生過。首要案例為90年5月12日之台北縣汐止東方科學園區之大火。該大火燃燒並擴散達42個小時，有70多家高科技廠商造成數十億損失，而起火點為3樓的某佛具店。
        94 年6 月16 日，台北市著名「敦南富邑」大樓，16 樓住戶因裝修而引發火災，造成3 死8 傷，經調查起火原因為工人在充滿了易燃物及松香水的環境中工作，竟然抽菸工作。
        94年2月26日台中市金沙大樓(22層)發生火災，造成4人死亡3人受傷及重大財物損失。96年1月14日十四樓高之南亞塑膠員工宿舍，一樓發生火警，造成父子2死1傷。
        台灣地區對於高層大樓防災、救災問題的嚴重性，高樓層火災事故之搶救，現今消防單位之雲梯車因有樓層高度限制，事實上，高層建築消防單位在搶救過程中也不強調以雲梯車進行現場搶救，主因高度過高下，有其搶救上之侷限性。同時高空救災時，若採用水柱灌射方式，其出口壓力僅可再向上射二層樓高，因此一般消防人員對高層建築物之外部滅火能力亦大約僅能達十一層樓左右之高度。
        也因此，針對高度十六樓以上之高層建築物，假若發生火災事故時，必須首重倚靠建築物內部之消防安全設備，例如自動灑水系統、水霧設備、泡沫系統、室內消防栓及連結送水管等滅火設備之運作，藉以撲滅火災，此亦為現行國際間消防搶救對策之主流思維。
        據此，目前世界各國對於高層建築物火災的防救之道，均著重於建築物內部的防火硬體面與管理面，所以無論為人為事故之火災，或是天然災害之地震所引起之事故，防救災策略均把大部分的防護功能轉向建築物規劃設計時應發揮的自我防護力儲備。而高層建築物更由於平時處於建築內部人數眾多，倘若發生事故，如需將內部人員進行疏散，及至完畢，在實務上也是一件高難度之挑戰工作。
表1 台灣地區16層以上建築物統計表(94年12月底止)

二、研究動機與目的

        由於高層建築火災事故往往引起重大事故災害，回顧現行災害防救會定義之「重大火災」與「特殊重大火災」，相關內容如下所述[2]：
(一)「重大火災」係指：
        1. 死亡2人以上、4人以下，死傷合計15 人以上、29人以下，房屋燒燬10戶(間)以上、29 戶(間)以下或財物損失達新台幣500萬元以上之火災。
        2. 重要場所(軍公教辦公廳舍或政府首長公館)、重要公共設施發生火災。
        3. 火勢燃燒達2小時以上，損失、傷亡一時難以估計，惟可預期火災損失甚大者。
        4. 具有影響社會治安重大之火災，有消防人員或義消人員因執勤死亡或受傷住院之案件。
(二)「特殊重大火災」係指：
        1. 死亡5人以上、死傷合計30人以上或房屋燒燬30戶（間）以上之火災。
        2. 重要場所(軍公教辦公廳舍或政府首長公館)、重要公共設施發生火災，造成重要官員受傷或不幸死亡者。
        3. 其他特別重大火災經消防機關正、副主官認有提報為特殊重大火災者。
        如以前述之火災事故而論，無論是燃燒時間、傷亡人數或財產損失，均符合 「重大火災」甚至「特殊重大火災」之定義範疇，據此可證明高層建築火災事故對社會所產生之衝擊效應十分明顯。
        根據國內外相關文獻調查顯示，建築物發生火災所造成的人員傷亡, 多數為濃煙所引起，因此高層建築對於火場濃煙的控制尤須加以留意[3]。
        過去對濃煙的處理方式為「儘可能排放」，因此有所謂「排煙系統」(Smoke Exhaust System)之名詞。及至今日之消防科技，對火場濃煙的處理模式已改進為控制手段，因此為「煙控理論」(Smoke Control Theorem)，為藉由事先對該建築物在特定火災情節(Scenario)下，分析之濃煙擴散特性，加以分析，以取得最佳之火災煙控成效，避免因不當排煙反導致人員深陷火場，確保人員於火災事故發生後能安全離開現場[4-6]，同時考量各相關參數，如補氣效應等[7]，務求火災時能對火場濃煙達到最佳控制之情形。圖1即為先前某大型車站全尺度火災實驗。
        在疏散人員時，良好之煙控手段將可維持逃生處更為明確的通道，同時提供適宜的環境，以利消防人員進行火場援救，保障人員生命安全，減少財物損失。
        在國外較先進國家目前大都將煙控設計視為影響避難逃生的重要因素之一，有效的煙控設計可適當的防止或延阻煙層的擴散或沉降，當然也就相對增加避難安全所欠缺的逃生時間，因此一般均將「煙控策略」與「避難設計」二者綜合考量，以進行較科學的性能式設計，足應當可發展出相當安全且符合經濟效益的設計。
        排煙設備在一般消防安全設備之歸納分類，事實上原始之初係歸納消防搶救之設備。在一般火場消防搶救過程中，最大障礙即為濃煙，即使消防人員背負空氣呼吸器，濃煙使搶救人員降低能見度，亦可能使救援人員喪失空間方向感，在伴隨高溫同時，更使搶救人員心理與生理負荷加劇，將增加人員逃生與搶救之困難度。針對高層建築物火災產生之濃煙，更須加以注意。
        因此本文提出火場濃煙系統危險性分析，期能於煙控系統做一整體規劃，並利用各種型態的空調系統併用煙控系統，達到控制及降低火災區之濃煙蔓延與擴散，且於避難逃生時能提供明確的通道及處所，以利消防人員進行救援，並確保人命逃生安全及減少財物損失。
        「煙控」為將火災時的煙限定在某區域內，或是改變煙的流動方向，藉以控制並降低火災區之煙漫延擴散，因此所關注的重點，主要在於：
        1. 人員逃生時是否有較高的能見度。
        2. 人員逃生時是否有較低的溫度。
        3. 人員是否有充足的避難逃生時間。
        4. 消防人員進入火場之安全環境建立。
        目前我國已建立性能式設計之法規規範，可使煙控系統發揮更好之性能，並符合煙控設計之合理性、安全性、經濟性及美化建築空間，而達到最佳化煙控系統設計之目標，此亦為世界已開發國家之趨勢。
        目前國內於1996 年內政部所頒佈的「各類場所消防安全設備設置標準」[8] 為各類建築物建造時所遵循的火災安全法規。此消防法規中，有關煙控系統部分，僅於條文中規定防煙區劃面積大小、防煙壁下垂之深度、排煙口位置與排煙量大小等等設計，此為典型條例式（Prescription）法規之規定。舉例而言，於「各類場所消防安全設備設置標準」第189 條第7 款中規定：「前款之排煙機應能隨任一排煙口之開啟而動作，其排煙量不得小於每分鐘120 立方公尺，且在一防煙區劃時，不得小於該防煙區劃面積每平方公尺每分鐘1 立方公尺，在二區以上之防煙區劃時，應不得小於最大防煙區劃面積每平方公尺每分鐘2 立方公尺。但地下建築物之地下通道，其總排煙量不得小於每分鐘600 立方公尺。」
        回顧過去數年高層建築物發生火災，因煙控系統未發揮預期阻止濃煙蔓延擴散功能，使濃煙侵入避難逃生通道及處所，造成嚴重人命傷亡，此現象在國內外數起死傷最嚴重火災災例中屢見不鮮，經深入探討可發現係煙控系統整體規劃不當所造成難以彌補的遺憾。

三、研究方法

        本研究預計採用數值分析方式，探討高層建築之火場煙囪效應分析與與改善。目前建築火場煙模擬可分為「區域模式」(Zone Model)與「場模式」（Field）二種模式，Zone Model 在計算上較Field Model簡單、省時，但Zone Model 僅可預測煙流動平均情形，無法預測實際火災發生時建築物內詳細之流場與溫度場分佈。而Field Model由於需要之假設較少，因此對火災現象能有較仔細、正確之描述，但其缺點則為計算時間較為耗時[9-10]。
        目前常見場模式三種處理紊流模式方式分別為DirectNumerical Simulation (DNS), Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), and Large Eddy Simulation (LES)，三種方式之主要差異在於對紊流之處理。其中LES法為以大尺度紊流(large-scale turbulence)方式直接解流體物理量，而以次模型方式(submodel)說明小尺度紊流流場(small-scale turbulence)。本文採用以LES為主要計算模式之FDS軟體來描述受火災浮力驅動之氣體流動現象，為2005年9月所公佈第四版之版本。本軟體係由美國國家標準局(National Institute of Standards and Technology)建築物與火災研究實驗室(Building and Fire Research Laboratory)所研發、針對火災模擬之極佳輔助工具。目前國際有關試驗煙控、火災延燒之可能性與型態、避難相關之可維生條件環境與主動式防火安全系統之效益，多引用FDS 4.0版來作為評估工具，此套軟體也普遍受國內消防界所接受。FDS軟體架構，可分為以下三個部份：
        ◇前處理器：於前處理器部分，須以純文字格式、採用類似指令方式，輸入模擬之模型尺寸、物件規格、格點分配及邊界條件等，作為模擬計算之基礎。
        ◇數 值 解：此部份即是FDS的運算核心部份，將前處理所輸入的物件幾何尺寸等參數讀入，以數值方法求解，並將所需的計算結果輸出。
        ◇後處理器：FDS後處理部份與Open GL的繪圖軟體『Smokeview』結合，可將軟體所計算出的結果，利用圖形化方式、或二維與三維動畫的效果，將流場性質展現出來。
        FDS將溫度、密度與壓力區分為空間平均項(spatially averaged quantity)與擾動項(perturbation)，對空間座標微分項採用二階中央差分法，時間微分項則以顯性二階Runge-Kutta 法離散化。統御方程式表示如下所示[11]：
        
        當中p,u,T分別表示壓力、流速與溫度，cp為比熱，k為熱傳導係數。
        另SmokeView為結合FDS程式之數據後處理軟體，可將FDS所計算出結果，利用繪圖方式以圖形、2D或3D動畫效果呈現。圖五為FDS軟體與SmokeView之組織架構圖。

四、模擬方式與條件說明

        本研究探討之對象，係模擬假設某十九層之高層建築物發生火災事故，其相關幾何條件為108公尺(長)x 72公尺(寬)x107公尺(高)。格點數共計約1,550,000個，將依條件不同而有所差異。圖六為外觀示意圖，紅色區塊部份則表示起火層之火源位置所在。
        本文為模擬現有高樓層建築物起火情形，假設火源位置為位於十一樓之餐廳內部廚房木桌面上紙箱，因(火慮)慮火烹調不慎而被引燃，其尺寸為3.0公尺(寬)x1.5公尺(長)x1.0公尺(高)為瞭解濃煙的火流與煙流的分佈情形，將桌子火災燃燒現象假設為極快速燃燒(Ultra Fast)之火源，以利於描述及分析。
        本文參考火源強度為5.0 MW、到達最大熱釋放率需時150秒[8]，模擬過程之燃料化學反應為FDS程式內定之丙烷(PROPANE)。圖四所顯示乃為桌子起火120秒後，濃煙分佈之狀況。
        由圖四、五可發現在五分鐘內火勢擴展規模，顯示整個餐廳在數分鐘內將深陷於火場之濃煙當中。

五、結果與討論

        經由FDS之模擬分析，已獲致不錯之結果。觀察案例模擬結果。圖七為十一樓起火處(餐廳)溫度變化曲線圖，圖八為大廳右側溫度變化曲線圖，圖九為大廳左側溫度變化曲線圖。觀察此三圖之溫度變化趨勢，可發現得知，當起火後，約至300秒(五分鐘)時，餐廳內廚房火勢燃燒達第一次的高峰，並向大廳蔓延了出來。
        另觀察火勢之擴散情形，可發現大廳的火勢經由中間的手扶梯井延燒至其它樓層，而延燒至大廳左側之情形則較不明顯。當大約450秒時，大廳溫度明顯下降。而大廳探測點h1、h2溫度受到餐廳的熱輻射的影響，溫度下降較為緩慢。
        由圖9、圖10為十一樓大廳右側煙層濃度變化曲線圖，與濃煙示意圖，觀察此二圖可得知，大約在360秒時煙層濃度上升很快，及煙層的下降情形相當嚴重。代表的是不利於人員進行避難疏散動作，因此在此火場中之人員必將陷入恐慌、手足無措之情形。藉由此模擬結果，更可說明當高層建築物發生火災時，主要注意事項雖為人員是否可以安全逃生、以進行避難行為之重視，但另一方面，管理權者仍須針對煙控系統加以規劃、達到有效控制及降低火災區之濃煙蔓延與擴散的重要性。且有利於於避難逃生時能提供明確的通道及處所，以利消防人員進行救援，並確保人命逃生安全及減少財物損失。

六、結論

        根據文獻調查顯示，建築物發生火災所造成的人員傷亡, 多數為濃煙所引起，因此高層建築對於火場濃煙的控制尤須加以留意。
        過去對濃煙的處理方式為「儘可能排放」，因此有所謂「排煙系統」(Smoke Exhaust System)之名詞。及至今日之消防科技，對火場濃煙的處理模式已改進為控制手段，因此對分析之濃煙擴散特性，加以分析，有其必要性。以取得最佳之火災煙控成效，避免因不當排煙反導致人員深陷火場，確保人員於火災事故發生後能安全離開現場。
        在火場中，良好之人員疏散，搭配良好之煙控手段將可維持逃生處更為明確的通道，同時提供適宜的環境，以利消防人員進行火場援救，保障人員生命安全，減少財物損失。
        目前世界各國對於高層建築物火災的防救之道，均著重於建築物內部的防火硬體面與管理面，對高樓層一旦發生火災，無法單單僅依靠外界搶救，尤其水注灌救恐無法達到預期之效果，即使雲梯車高度可達，然因高度之關係，風力、荷重及噴水反作用力等因素累加，均對雲梯車本身產生相對的風險性。
        所以當災害發生，無論為人為事故之火災，抑或是天然災害之地震所引起之事故，防救災策略均把大部分的防護功能轉向建築物規劃設計時應發揮的自我防護力儲備。
        經由FDS之模擬分析，發現此分析案例，當起火後，約至300秒(五分鐘)時，餐廳內廚房火勢燃燒達第一次的高峰，並向大廳蔓延了出來。
        另觀察火勢之擴散情形，可發現大廳的火勢經由中間的手扶梯井延燒至其它樓層，而延燒至大廳左側之情形則較不明顯。
        對於由圖9及圖10分別為十一樓大廳右側煙層濃度變化曲線圖與濃煙示意圖，顯示約在360秒時煙層濃度上升很快，及煙層的下降情形相當嚴重。對於假若事故發生後，防救災策略若擬定不當，或評估依據有誤，則不利於高層建築物內人員進行避難疏散動作，在此火場中之人員必將陷入恐慌、手足無措之情形。藉由本文模擬結果發現，可說明當高層建築物發生火災時，主要注意事項雖為人員是否可以安全逃生、以進行避難行為之重視，但另一方面，管理權者仍須針對煙控系統加以規劃、達到有效控制及降低火災區之濃煙蔓延與擴散的重要性。且有利於避難逃生時能提供明確的通道及處所，以利消防人員進行救援，並確保人命逃生安全及減少財物損失。■



參考文獻

1. 內政部消防署，http://www.nfa.gov.tw/，94年。
2. 「各級消防機關救災救護指揮中心作業規定」，內政部消防署，91年12月。
3. 陳弘毅，「火災學」，鼎茂圖書出版社，93年4月。
4. McGuire, J.H. ”Smoke Movement in Building Fires.” Fire Technology 3 (3), pp.163-173, 1968.
5. McGuire, J.H. ”Control of Smoke in Building Fires.” Fire Technology 3 (4), pp.281-290, 1968.
6. NFPA, “NFPA 92B Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Areas”, National Fire Protection Association, 2000.
7. 蘇崇輝，李政諺，”建築物自然式排煙系統之補氣效應分析”，2005年能源與冷凍空調學術研討會，P6-6-1，94 年9月。
8. ”各類場所消防安全設備設置標準”，內政部，94年。
9. 建築物防火之煙控設計分析」，楊冠雄 編著，高雄復文圖書，85年。
10. 鍾基強 編著，「性能式設計煙控與避難系統」，全華科技圖書，90年7月。
11. Kevin B. McGrattan, Fire Dynamics Simulator User’s Guide, National Institute of Standards and Technology, 2002.11.
12. ”高層建築物火災之壓力煙控系統分析”，內政部建築研究所專題研究計畫報告，87年12月。