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高樓火害與九一一事件

九一一恐怖行動中,紐約世貿中心大樓,因飛機撞擊而爆炸起火,最後倒塌,造成嚴重傷亡。本文介紹建築物的火災行為與此次事件中火害的可能相貌,最後再說明紐約世界貿易中心大樓是如何崩塌的。
 
 
 
建築物的火災行為

由於使用機能上的需要,一般建築物是由數個居室空間排列堆砌而成的。簡單地說,建築物火災就是發生在建築物居室空間中的一種燃燒行為,而燃燒現象就是燃料與氧氣進行氧化反應且產生光和熱的現象。火災時的燃燒需要消耗大量氧氣,自然環境中的氧氣就存在於空氣裡。在開放空間中的可燃物體,其自由燃燒所需要的空氣可以從四面八方捲入,沒有氧氣不足的問題,而燃燒的快慢與規模,受到可燃物體的熱性質、形狀與數量的影響,這樣的燃燒行為稱為「燃料支配型燃燒」。

由於建築物火災的基本型態是發生在居室空間內的燃燒行為,在起火初期燃燒規模尚小時,火源的燃燒行為可以視為自由空間的燃料支配型燃燒。由於建築物居室空間內所收納的可燃物多為固體材料,必須在熱分解氣化成為可燃性氣體後,才與氧氣混合燃燒。材料熱分解氣化需要熱能,火災初期燃燒產生的熱能小,回饋供做材料熱分解氣化的熱能亦小,使可燃性氣體(燃料)的供給量小,而相對地居室空間內的空氣量比燃燒所需要的空氣還多,所以是燃料支配型燃燒。

在未及時給予控制或滅火的情況下,火災初期階段的建築物居室空間內的燃燒規模將持續擴大,成長的速度極快,約為經過時間的二次方函數,而到達火盛期的時間常不超過十分鐘。此時隨著燃燒規模擴大,熱能釋放增大,火災居室空間的溫度也會快速地由常溫上升至攝氏八、九百度左右。

當火災進入火盛期,居室內燃燒的規模會達到顛峰,此時火災產生的熱能與回饋,使材料熱分解的熱能大增,可燃性氣體燃料的供給量也大增。但是,由於居室空間內存在的空氣量並不足以供應燃燒所需,而進入居室空間的氧氣量又受限於居室周界開口部所決定的換氣量,故當進入居室空間的氧氣量因燃燒消耗殆盡而燃料的供給量過剩時,燃燒行為受限於建築物居室空間火災時的換氣狀況,這樣的燃燒行為稱為「換氣支配型燃燒」,因為開口的換氣量決定了火災燃燒與釋放熱能的規模。

實際上,火盛階段居室空間內的火災燃燒,呈現穩定平衡的狀態,燃燒速度約略一定,燃燒釋放的熱能也約略一定,整個熱的收支狀態也大致相同。而火災初期快速升高的空間溫度,在此時進入緩慢、穩定增加的狀態,大約在攝氏一千度。

火災時這種高溫狀態維持時間的長短,一般稱為建築物的「火災持續時間」。其中相互的關係為:若是開口條件相同,由於火災居室空間內受換氣量支配的燃燒速度約略一定,火災的持續時間便是由建築物居室空間內的可燃物總量來決定。建築物居室空間內的可燃物總量則是建築物居室空間的規模(通常以空間水平面積來表示)與火載量(單位面積內的標準可燃物量,以木材換算)的乘積。火載量是一個相當重要的火災行為參數,其值因空間用途與使用方式不同而有所差異。當我們在進行建築物的防火設計而必須預估火災行為時,採用的是公認的火載量基準。而前述條件下,居室空間面積便成為火災持續時間長短的決定因素,居室的面積越大,火災持續時間越長。

建築物在火災時能不能確保結構的安全而不致倒塌,重點就在於建築物結構軀體的構造設計,在火災持續時間內的高溫狀態下仍然能否保有承載能力。在火災持續時間中,燃燒釋放的熱能傳入建築物軀體構造中,使得軀體材料的溫度上升。一般而言,用做建築物軀體的材料在高溫狀態下,其工程力學性質必然較差,而且溫度越高,建材性質的折減越大。

世界上大部分建築物所採用的軀體構造主要為鋼骨構造、鋼筋混凝土構造或鋼骨鋼筋混凝土構造,所用的材料為鋼材與混凝土。外圍由混凝土材料所包覆的鋼筋混凝土構造及鋼骨鋼筋混凝土構造,由於混凝土保護層的隔熱作用,可以減緩材料的升溫與伴隨而來的承載能力折減。鋼骨構造則由於鋼材的高熱傳性,必須另外以隔熱性材料來包覆,以減緩構件鋼材的升溫與伴隨而來的承載能力折減。這些為了火災防護的結構包覆材料,稱為「耐火被覆材料」。而耐火被覆材料與各類軀體結構構件整合後所能防護火災的時間長短,就是建築物結構的「防火時效」。

高層建築物的火災特性

與一般中低層建築物比較,高層建築物發生火災時,不僅是在起火點的確認、火災擴展狀況的掌握、以及需要救助者狀況的了解等的情報蒐集上,需要相當多的時間。消防活動如消防隊的進入、滅火操作、以及人命救援等也極其困難。因此,在火災防護概念上以自救為出發點,相關法令則強化了各種防火設施與設備的設置規制,而在這些規制下,形成了高層建築物的火災特性。

為了火災時結構的安全,可以採用小面積防火區劃空間,再搭配火災初期的自動灑水設備,抑制高層建築物火災時的燃燒規模。為考慮消防隊高樓滅火的困難,並顧及消防隊無法到達時的結構安全,對於高層樓築物火災,只要求最低的一小時防火時效。

九一一事件中火害的可能相貌

回顧九一一事件之大樓崩塌始末,在美國東部時間約8點45分,第一架噴射客機撞擊紐約世貿中心北棟較高部分樓層,產生爆炸引發火災;約9點03分,第二架噴射客機撞擊紐約世貿中心南棟中高部分樓層,產生爆炸引發火災。10點05分,南棟崩塌,約10點30分;北棟崩塌。

767型的噴射客機由於剛起飛不久,滿載大量的燃油,在撞擊大樓時引火爆炸,發生了異於前述一般建築物火災的猛烈大火。跳過一般火災的初期,爆炸的瞬間,樓層各空間同時進入了火災盛期階段,而火災燃燒的燃料,除原有的可燃物總量外,還加上了飛機燃油。且飛機衝撞建築物時,爆炸的爆風同時也炸開了樓層的建築物外周開口,加上高處的強風,使得火災燃燒與釋放熱能的規模遽增,形成樓層空間內約攝氏一千度的高溫狀態。另外,飛機衝撞建築物時爆炸的爆風,可能也吹脫了一部分鋼骨結構的耐火被覆材料,在沒有耐火被覆的狀態下,普通鋼在一般火災中三十分鐘後的承載能力約只剩下常態時的五分之一。

如果世貿中心大樓受撞擊後即刻倒塌,顯然可判定單純為結構破壞所致。但由時間歷程來看,世貿中心南棟崩塌前,軀體結構暴露在火災高溫中約一小時;而北棟崩塌前,軀體結構暴露在火災高溫中約1小時45分鐘。可以說是由於火害使得部分樓層結構承載能力喪失,才會引發大樓的崩塌。

紐約世界貿易中心大樓的結構軀體

從紐約港灣局所屬110層高紐約世界貿易中心大樓的標準層平面圖來看,外牆很密集的鋼骨柱與電梯間內柱都是由四片鋼板電焊組合的箱形斷面,箱形外表尺寸保持14英寸寬13英寸深。箱形外面再覆蓋防火材料,一支柱與另一支柱的中心間隔是1公尺。施工時以三支三層高的外柱為一個單元,先在工廠以三支122公分的鋼梁組合,再運到工地拼接,各單元的拼接位置不在同一個高度,而分三段錯開,以便分散工地施工所造成的瑕疵。外柱與內柱藉84公分深的輕型鋼骨桁架梁互相連接,鋼梁跨度18.3公尺。鋼梁上面鋪設浪型鋼板,板上澆灌混凝土。標準層高大約3.75公尺。

北棟總高度為417公尺,南棟總高度為415公尺。因為高度太高,電梯必須在第44層與第78層轉搭,無法一次上升到第110層。該建築物於1966年8月5日動土興建,1973年4月4日剪綵落成。當年結構體的設計標準是,能夠承受紐約當地一百年回歸期的強風(風速為每小時200英里)而不會破壞;同時也考慮到萬一波音707型客機導航失敗撞擊該大樓時,結構軀體不會崩塌,但未考慮起火爆炸的情況。

紐約世貿中心大樓結構軀體崩落過程

當一架滿載油料的波音767型客機衝入紐約世貿中心大樓時,立即起火爆炸,首當其衝的二至三層樓板與支柱必定被炸破。接著高溫燃燒,10分鐘內已達火盛期,溫度可能高達攝氏800至1,000度。當高溫持續30分鐘後,混凝土強度完全消失,鋼骨強度大約剩下原來的五分之一。於是樓板及輕型鋼骨桁架梁首先下墜。接著下層樓板梁一來因為高溫燃燒自身難保,二來上層樓板又墜落在它的上面,有如泰山壓頂,更是無法承擔,也就應聲墜下。就這樣連鎖墜落,終成千層派式的層層相疊。在此同時,內柱與外柱因為高溫燃燒,強度已失,加上樓板梁突然下墜,頓時失去依靠,也紛紛瓦解。飛機衝撞南棟大樓的第60層處,因此它倒下時好像大樹被砍倒一樣有點傾斜。飛機衝撞北棟大樓的第90層處,可是它卻筆直崩落,這個現象到現在為止工程界仍然議論紛紛,尚無定論。

臺灣地區興建不少超高層大樓,這些大樓的結構設計,按內政部現行的建築技術規則規定,只考慮強烈颱風與強烈地震,並不考慮飛機撞擊的意外事件。由九一一的慘痛經驗看來,今後超高層大樓的結構設計,要不要適當地考慮意外事件發生時的安全問題,值得省思。

超高層大樓一旦發生火害,消防隊的雲梯是不可能到達的,大樓必須滅火自救。因此,結構材必須覆蓋耐火材料,才不會在高溫下失去支承能力。更重要的是必須安裝自動灑水設備,在火苗很小時就要立即撲滅。萬一無法立即撲滅,也要有防火門把火源控制在一個有限的空間內,不讓它四處蔓延。結構材覆蓋的耐火材料,不容易老化,問題較小,可是自動灑水設備與防火門卻容易因年久失修而失去功能。因此,定期的檢修是大樓防火最基本的例行性工作,疏忽不得!
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