1. 前言
1.1 車庫的歷史
自汽車發(fā)明以來，車庫就成了城市的一部分。早期的車庫是由馬廄改造而成的，但到了 19 世紀初開始出現(xiàn)一種新的建筑形式。這些車庫由專門的侍者提供停車服務，或者采用早期的自動化機械停車系統(tǒng)。最初，車庫僅被視作一種特殊類型的倉庫，然而隨著其本身及存放于內的車輛的不斷發(fā)展完善，車庫逐漸成為一種特定類型的建筑物。
起初，路面上為數(shù)不多的汽車僅是少數(shù)富人所擁有，直到亨利 . 福特的工業(yè)化造車讓廣大中產(chǎn)階級都用上了汽車。第二次世界大戰(zhàn)后情況發(fā)生了重大變化，私人汽車迅速增加，路網(wǎng)規(guī)模擴大，郊區(qū)范圍擴大，郊區(qū)的購物中心紛紛建立，等等。為了滿足人們停車的需要，車庫的數(shù)量越來越多，面積越來越大，其配置也發(fā)生了變化。
1.2 車庫的設計
盡管車庫有著一些獨特之處，但它也與其他建筑類型一樣面臨著許多火災風險。現(xiàn)代車庫的形式很多，有地上的、地下的，有獨立的、也有與住宅、商場、機場等相連的。地上車庫有的是封閉式的，有的是一面或多面敞開式的。地下車庫往往在通道和通風上是受限的。此外，盡管機械式的立體停車越來越常見，但最典型的還是將車輛直接停放在地面上。為此，相關機構出版了多項車庫的設計標準，例如英國皇家結構工程師協(xié)會（ISE）出版的《停車庫設計》。
車庫一般是較大的開放空間，內部分隔較少，其地面到天花板的高度可以低至 2.2 米，明顯低于其他類型的建筑。在結構上，車庫必須足夠支撐其自身重量和所容納車輛的重量，同時考慮停車區(qū)大小、車輛通行區(qū)大小以及乘客上下區(qū)的空間等。另外，在機場、商場等場所中還應考慮車位周轉率、乘客數(shù)量、車位大小等，這些因素還取決于車輛是長期停放還是短期停放。
車庫的消防安全問題并不是一個新的課題。在美國，NFPA 88A《Standard of Parking Structures（停車場標準）》于 1927 年啟動編制，并于 1932 年頒布實施。20 世紀 40 年代末，英國出版的《戰(zhàn)后建筑研究》第 28 號報告中討論了發(fā)生在地下車庫內部的爆炸和火災，并研究了車庫火災對其上蓋建筑的影響。近年來，隨著電動車的普及，電動車給車庫帶來的火災風險成為新的研究熱點。這些研究對設計和指南的影響已經(jīng)顯現(xiàn)出來，例如荷蘭公共安全研究所（Instituut Publieke Veiligheid）、英國零排放車輛辦公室（Office for Zero Emission Vehicles）都頒布了相關文件。此外，相關學者對電動車火災發(fā)生頻率、嚴重程度和對生命財產(chǎn)安全的影響，以及消防部門撲救電動車火災的能力等問題也開展了研究。
2. 車庫火災
車庫內的可燃物質主要是車輛及其攜帶的貨物，其中車輛包括摩托車和各種尺寸的汽車、卡車、公共汽車。本文主要討論的是燃油車（汽車），其他類型的車輛也面臨類似的問題。由于汽車是車庫內的主要可燃物，因此汽車的燃燒特性是研究的關鍵。汽車火災分為：初期階段、帶來熱釋放峰值的增長階段、衰減階段，這一點與其他燃料火災類似。
2.1 火災荷載
汽車火災釋放的總能量取決于車輛的可燃物成分及其在火災中所占的比例。研究者從制造材料和車輛尺寸等方面討論了車輛結構上的變化。首先，車輛尺寸越來越大，購買者也傾向于買更大的汽車。英國汽車協(xié)會（AA）的一項研究表明，英國道路上的車輪印比 50 年前加寬了 16%-53%。英國皇家結構工程師協(xié)會（ISE）的一項研究指出，汽車的平均重量從 1974 年的 1.5 噸上升到現(xiàn)在的 2 噸。
但是，重量的增加對汽車火災的影響是一個復雜的問題。學者 Wolf 發(fā)現(xiàn)，美國車輛中使用的塑料件從 1940 年的約 2公斤左右增加到 60 年代末的約 32 公斤。Boehmer 等人指出，美國輕型汽車總塑料件的含量在 2017 年進一步增加至 160 公斤左右。然而，Emilsson 等人發(fā)現(xiàn)，從 2000 年至 2018 年期間，無論是汽車還是電動車，聚合物材料的用量都沒有增加。經(jīng)過對一系列小型、中型和大型類似車輛的對比發(fā)現(xiàn)，電動車的重量比汽車平均重 22% 左右。這主要是因為電動車上含有更多的銅、石墨、鎳、錳和鋰等材質，而這些材料是難燃的。
目前，業(yè)內常采用火災荷載密度表示可燃物含量。1986 年，學者 Thomas 引用了一項對車輛停放、維修和研發(fā)等環(huán)節(jié)的調查，計算出汽車火災載荷密度平均值為 190 ± 105 兆焦耳 / 平方米，其 80% 分位數(shù)為 270 兆焦耳 / 平方米。2015 年，Spearpoint 等人對車庫的火災載荷進行了研究，綜合考慮停車位大小、車輛能量釋放（變量為車輛重量的函數(shù)）、車輛的重量分布（按車輛總數(shù)）等，汽車火災載荷密度的 80% 分為數(shù)約為 260 兆焦耳 / 平方米。
2.2 火災發(fā)展
Tohir 等人開展了一項對載有熱釋放率峰值達到 9 兆瓦的內燃機的汽車自由燃燒特性的實驗研究。汽車火災的變化趨勢通常可用中型 t2 增長曲線來表征，Tohir 等人用不同的數(shù)學方法對該趨勢進行了更詳細的分析。[1]
電動車火災與汽車火災的不同之處，很可能取決于著火點的位置。對電池熱失控的研究是當前的一個熱點，因為通常認為電動車火災主要源自電池。有研究對比了汽車與電動車的火災測量數(shù)據(jù)，結果表明二者具有相似的熱釋放峰值和總量。但從網(wǎng)絡上流傳的視頻中發(fā)現(xiàn)，中型 t2 增長曲線可能無法表征電動車火災的變化趨勢。W?grzyński 認為，當電池熱失控是車輛著火的主要原因時，其初始增長率要高得多。
此外，電池火災可能在幾小時或者幾天后復燃。
發(fā)生在車庫的汽車火災可能會因為熱煙氣層和建筑結構的影響而加劇。相反，當火災發(fā)生在地下車庫或者側面敞開的車庫的深處時，受限的通風條件可能會限制火勢的蔓延。火災會在停放車輛之間蔓延，可以視作行進的火災，這將導致釋放能量和燃燒時間的增加。這種火災蔓延的性質取決于停車位大小、相鄰車位是否有車輛以及車輛之間的距離。此外，車輛制造材料的可燃性將導致更多車輛卷入火災。對電動車來說，電池著火產(chǎn)生的噴射火焰會射向附近的車輛。
在立體停車系統(tǒng)中，由于垂直火災蔓延、屏蔽區(qū)等導致的火勢增長（或抑制）給車庫帶來了新的挑戰(zhàn)。在這方面，英國建筑研究院（BRE）已經(jīng)開展了一些工作。對于立體停車系統(tǒng)，建議采用超快型 t2 增長率。
3. 火災危害
火災危害被定義為生命或財產(chǎn)的損失，而風險則被定義為造成這種危害的可能性和嚴重性。車庫火災會對建筑物的居住者（包括車庫內的居住者和車庫附屬建筑物中的居住者），以及消防員等搶險救援人員造成生命威脅。同時，車庫火災還會對車庫的結構和車庫中的物品造成財產(chǎn)威脅。
3.1 火災熱釋放
燃燒產(chǎn)生對流和熱輻射，其中對流會導致車庫內氣體溫度的升高，熱輻射則將能量傳遞出去（如人、車輛等）。與密閉空間的火災一樣，氣體的升溫會對車庫內部和周圍的人員造成生命威脅，而熱輻射和因此產(chǎn)生的火勢蔓延會造成財產(chǎn)損失。
3.2 煙霧和有毒氣體
除了熱釋放，汽車火災還會產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物，如煙霧顆粒和有毒氣體。煙霧的體積與熱釋放速率和卷帶條件有關。相應的，這將影響有毒氣體的濃度和煙霧條件下的能見度。大型車庫較低的天花板和有限的通風條件將影響新鮮空氣的進入及其與火災煙氣的混合。
有毒氣體中的物質取決于燃燒物質和燃燒效率，其排放將對人和環(huán)境會產(chǎn)生影響。L?nnermark 等人對汽車火災的有毒排放物進行了研究。Held 等人對電動車的研究側重于火災殘留物及其對基礎設施和人員健康的影響。研究表明，容量為 32 千瓦時的電池在能夠容納 30 輛汽車停放的封閉車庫中燃燒時，測得的煙塵量為 20 克 / 平方米，其主要成分為鎳、錳、鈷等的重金屬氧化物以及少量的鋰、氟化物和氯化物。Willstrand 等人的結論是，盡管汽車與電動車在燃燒時產(chǎn)生煙霧有明顯不同，但它們都會產(chǎn)生急性有毒氣體，都對人員生命安全構成威脅。
L?nnermark 等人發(fā)現(xiàn)，截至 2006 年幾乎沒有關于汽車和電動車火災排放對空氣質量影響的數(shù)據(jù)。汽車火災對于環(huán)境的影響還表現(xiàn)在滅火作業(yè)產(chǎn)生的地表徑流。L?nnermark 等人在研究了撲救汽車火災的滅火劑后發(fā)現(xiàn)，其受到了有機化合物和重金屬的污染，如果涉及電池火災，那么其有毒物質的組成和濃度與普通汽車有所不同。
3.3 爆炸風險
在研究使用傳統(tǒng)的化石燃料而產(chǎn)生的廢氣時，車庫的通風條件是一個重要的因素。通風還解決了易燃液體因溢出而蒸發(fā)的問題，從而解決了潛在的爆炸風險。對于電動車，當電池進入熱失控狀態(tài)車輛也存在爆炸的風險。電池包內累積的壓力最終將導致電池破裂并釋放出導致爆炸的混合物蒸汽。
3.4 財產(chǎn)損失
第二次世界大戰(zhàn)后，大多數(shù)車庫都是混凝土結構。到了 20 世紀 60 年代，為了滿足日益增長的停車需求，鋼架結構車庫越來越多。在過去的幾十年里，Butcher、Gewain、Bennetts 等研究團隊，對鋼架結構車庫的性能進行了研究。這些研究包括車輛之間的火勢蔓延、空間內的溫度和結構性能等。
火災對建筑結構的影響，取決于火災載荷、通風條件和結構設計等。車庫的耐火性能因所在地區(qū)的管轄要求而不同，同一地區(qū)的要求在歷史上也有所變化。例如，Spearpoint 等人對歷史上英國車庫的耐火等級進行了研究。近期發(fā)生的幾場火災，如倫敦盧頓機場、挪威斯塔萬格機場，以及此前的利物浦國王碼頭火災，經(jīng)過長時間燃燒后建筑結構上已經(jīng)出現(xiàn)不同形式的實質損壞。類似事故的發(fā)生，引發(fā)了關于建筑耐火等級是否適應當前車輛變化的討論。例如，火災條件下的建筑結構需要考慮新型車輛（如電動車）不斷增加的重量。
火災不僅會損壞車庫的結構（包括附近的其他建筑），還會或多或少地損壞停放的車輛。如果車窗關閉并保持完好，那么火災對車輛造成的損壞主要是熱效應而不是煙霧。
3.5 業(yè)務連續(xù)性
車庫火災會對直接或間接地影響相關業(yè)務的連續(xù)性，停車位的損失會限制相關的商業(yè)運營。例如，倫敦盧頓機場火災不僅導致處置事故時供乘客使用的停車位減少，還對機場的運營產(chǎn)生了重大影響。當時，所有進出盧頓機場的航班都暫停了幾個小時，這給乘客和航空公司帶來了不同程度損失。
4. 討論
未來車庫消防安全面臨的挑戰(zhàn)包括電動車的增長以及車輛尺寸和結構的變化。車庫可能增加電動車充電設施，這些設施在某些情況下將改變車庫的原有結構。而無人駕駛汽車的增加也會對影響車庫的設計。社會和公眾行為的變化也影響著車輛的使用習慣，例如：日益廣泛的共享應用程序、良好的公共交通系統(tǒng)等，使市中心開車的人越來越少，這意味著車輛預期周轉率的變化；木材等材料在車庫中的大量使用；不同體能的人對于車輛到達便利性的需求改變了停車位的布置。
車庫的一個特點是汽車火災產(chǎn)生的煙霧很容易充滿整個空間，消防員難以接近著火車輛，因此很難開展滅火作業(yè)。目前，已經(jīng)有各種安全設施來減輕車庫火災的危害，例如安裝探測、滅火和排煙系統(tǒng)等。然而，電動車的增長以及前述因素的增加使車庫相關利益方開始調整對這些安全措施的預期。這些內容超出了本文的討論范圍，但在選擇消防安全設施時要考慮成本效益的平衡。例如，有研究表明，從火災風險發(fā)生的概率來看在車庫安裝噴淋系統(tǒng)不一定具備出足夠的經(jīng)濟性。
原作者：MICHAEL SPEARPOINT 博士。圖片由原作者提供。
參考文獻
[1] M. Z. Mohd Tohir, M. Spearpoint, and C. Fleischmann. “Probabilistic Design Fires for Passenger Vehicle Scenarios,” Fire Safety Journal, vol. 120, p. 103039, 2021, doi: 10.1016/j.firesaf.2020.103039
轉載自：應急管理部上海消防研究所
