高層建筑火災事故應急響應與滅火救援設備的智能化設計

李偉亮

（江蘇省南通市消防救援支隊如東縣大隊，江蘇 南通 226400）

高層建筑是現(xiàn)代城市的重要標志，也是人類文明的成果。然而，高層建筑也面臨著嚴峻的火災風險，一旦發(fā)生火災事故，往往造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，甚至引發(fā)社會恐慌。近年來，國內外發(fā)生了多起高層建筑火災事故。根據(jù)應急管理部消防救援局數(shù)據(jù)顯示，2021 年，全年共接報高層建筑火災4057 起，造成168人死亡，死亡人數(shù)比上年增加了22.6%。為什么高層建筑起火，其“殺傷力”如此之大？

智能化設計是指利用現(xiàn)代科技手段，對高層建筑的消防安全進行全方位的感知分析，提高高層建筑的消防安全水平和滅火救援效率。智能化設計在高層建筑火災事故應急響應和滅火救援中的應用，是當前消防領域的前沿，也是未來消防發(fā)展的方向。本文旨在探討高層建筑火災事故應急響應與滅火救援設備的智能化設計，結合現(xiàn)在消防滅火救援的實際特點，為提高高層建筑的消防安全和滅火救援能力提供借鑒。

1 高層建筑火災事故的現(xiàn)狀

1.1 高層建筑火災事故的嚴重性

高層建筑火災事故的發(fā)生頻率與嚴重性，與高層建筑的數(shù)量、結構材料等因素有關。隨著城市化進程的加快，高層建筑的數(shù)量不斷增加，截至2021 年年底，我國在建和已建的超高層建筑（高度超過200m）達到了1400 多座，占全球的60%以上。高層建筑的結構復雜，功能多樣，危險源多，火災荷載大，一旦發(fā)生火災，往往造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，甚至引發(fā)社會恐慌和動蕩。近年來，國內外發(fā)生了多起高層建筑火災事故，如2010 年上?！?1·15”高層住宅火災、2017 年英國倫敦格倫費爾塔公寓火災、2019 年法國巴黎圣母院大火等，都給人們敲響了警鐘，暴露了高層建筑火災事故應急響應和滅火救援的不足。

1.2 現(xiàn)有滅火救援設備在高層建筑火災中存在的局限性

現(xiàn)有滅火救援設備在高層建筑火災中存在的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）外部救援設備的高度不足。外部救援的主要設備是消防云梯車，但是常用的消防云梯只有50m 左右，只能到達15 層樓的高度。目前已知國內最高的消防云梯為101m，最多也只能到達35 層左右。之所以消防云梯要“限高”，主要是因為高度越高，對作業(yè)及消防車行駛的要求也越高。

（2）內部救援設備的水壓不足。由于高層建筑的垂直距離長，水壓損失大，常規(guī)的消防水泵難以滿足高層建筑滅火的需要。據(jù)測算，當水泵的揚程達到100m 時，其流量就會降低到零。

（3）無人化救援設備的智能化不足。無人化救援設備，如消防機器人、無人機等，可以協(xié)助消防員在危險區(qū)域執(zhí)行一系列任務。然而，這些設備的智能化水平還不夠高，需要消防員在火場外部操控，而火場的復雜環(huán)境和信號干擾，會影響設備的穩(wěn)定性。此外，這些設備的成本也較高，普及率不高，難以在大規(guī)模的火災中發(fā)揮作用。

1.3 國內外相關研究現(xiàn)狀

國內外相關研究主要集中在兩個方面：一方面，高層建筑火災的動力學模擬和風險評估。通過建立高層建筑火災的動力學模型，模擬火災的蔓延規(guī)律，分析火災的影響因素，為火災的預防控制提供科學依據(jù)。例如，美國國家標準與技術研究院利用火災動力學模擬器和煙氣運動模擬器對英國倫敦格倫費爾塔公寓火災進行了模擬，揭示了火災的蔓延路徑和致災機理；另一方面，高層建筑火災的防火設計。通過優(yōu)化高層建筑的防火設計，提高建筑的防火分區(qū)效果，減少火災的發(fā)生和蔓延。例如，我國《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB 50045-2021）規(guī)定了高層建筑的防火隔斷、避難層、消防水源等消防設施的設計要求。

2 智能化設計在高層建筑火災應急響應中的應用

2.1 智能感知技術在火災預警中的作用

智能感知技術在火災預警中的作用：（1）智能感知技術可以對高層建筑內外的各種火災特征進行綜合監(jiān)測，通過人工智能算法，對火災的發(fā)生位置和類型規(guī)模等進行精準識別，實現(xiàn)火災的早期發(fā)現(xiàn)，為火災的控制和撲救爭取時間。例如，河北省接入4727 個鐵塔視頻探頭，利用視頻智能分析技術，實現(xiàn)了對83%以上森林草原防火區(qū)火情的自動監(jiān)測，及時處置火情4000 余次；（2）智能感知技術可以利用無人機、衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)等技術，對高層建筑火災的發(fā)展過程和蔓延規(guī)律進行實時跟蹤，通過大數(shù)據(jù)分析，對火災的影響因素和危害程度進行預測，實現(xiàn)火災的動態(tài)跟蹤。

2.2 智能化疏散系統(tǒng)的設計與應用

智能化疏散系統(tǒng)的設計與應用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）提高人員的疏散指引能力。利用智能顯示屏、智能廣播、智能燈光等設備，根據(jù)火災的實時情況，動態(tài)調整疏散路徑和疏散策略，實現(xiàn)人員的疏散指引；（2）提高人員的疏散管理能力。利用智能門禁、智能攝像頭、智能手環(huán)等設備，對高層建筑內的人員分布和疏散情況進行實時監(jiān)測和統(tǒng)計，實現(xiàn)人員的疏散管理；（3）提高人員的疏散保障能力。利用智能避難層、智能消防電梯、智能安全繩索等設備，對高層建筑內的人員提供必要的疏散保障，實現(xiàn)人員的疏散保障。例如，智能樓宇消防安全及應急系統(tǒng)利用智能避難層，根據(jù)火災的情況，自動啟動正壓送風系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)等，為人員提供安全的避難空間。

2.3 智能化通信設備在火災應急響應中的作用

智能化通信設備是指利用智能化技術，對高層建筑內外的信息進行實時收集、傳輸和共享，實現(xiàn)火災的協(xié)調指揮、救援支持的設備。智能化通信設備在火災應急響應中的作用：（1）利用智能手機、智能手表、智能手環(huán)等設備，對高層建筑內的人員進行實時定位和狀態(tài)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)火災或人員受困，可以自動或手動觸發(fā)火災報警，將火災信息及時傳送到消防部門和應急指揮中心，實現(xiàn)火災的救援請求；（2）利用無線電、衛(wèi)星電話、移動通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術，對高層建筑內外的通信信號進行增強和保障，實現(xiàn)火災現(xiàn)場與多方的實時通信和信息共享，實現(xiàn)火災的資源調度。例如，湖北省應急管理廳組織通信保障隊模擬在重大災害事故現(xiàn)場公網(wǎng)信號缺失的條件下，快速搭建通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)了應急指揮、救援隊伍、現(xiàn)場群眾之間的高效通信。

3 智能化設計在高層建筑火災滅火救援設備中的應用

3.1 智能化滅火器材的設計與研發(fā)

智能化滅火器材是指利用智能化技術，對傳統(tǒng)的滅火器材進行改進或開發(fā)的新型滅火器材，如智能滅火機器人、智能滅火彈、智能滅火噴頭等。智能化滅火器材的設計與研發(fā)，可以采用傳感器、控制器、執(zhí)行器等組件，實現(xiàn)對火災的自動檢測、識別和滅火的功能，減少人工干預，提高滅火的準確性。例如，中國航天科工集團第二研究院206 所研發(fā)的“投射式高層建筑干粉消防車”可采用導彈發(fā)射技術對高層樓房發(fā)射滅火導彈，每顆炮彈內都有3.6kg 的高效干粉滅火劑，能夠自動識別火源并進行精確打擊。

3.2 無人機在高層建筑火災救援中的應用

無人機是指無人駕駛的飛行器，可以搭載各種設備和器材，執(zhí)行各種任務。無人機在高層建筑火災救援中的應用：（1）提高火災的偵察和預警能力。對高層建筑火災的現(xiàn)場情況進行實時拍攝和傳輸，為應急指揮中心提供火場的第一手資料，為救援決策提供科學依據(jù)；（2）提高火災的滅火和救援能力。無人機可以利用水槍、滅火彈、救生繩等設備，對高層建筑火災進行滅火和救援，實現(xiàn)對高空、高溫、有毒等危險區(qū)域的有效覆蓋，減少消防員的傷亡風險，提高滅火和救援的效果和效率。例如，中國航天科工集團研發(fā)的“無人機滅火系統(tǒng)”可搭載水槍、滅火彈等設備，對高層建筑火災進行滅火和救援，實現(xiàn)對高空火災的快速打擊。

3.3 智能化安全繩索系統(tǒng)的設計與應用

智能化安全繩索系統(tǒng)是指利用智能化技術，對傳統(tǒng)的安全繩索系統(tǒng)進行改進或開發(fā)的新型安全繩索系統(tǒng)。智能化安全繩索系統(tǒng)的設計與應用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）提高人員的疏散保障能力。智能化安全繩索系統(tǒng)可以利用智能避難層、智能消防電梯等設備，對高層建筑內的人員提供必要的疏散保障，實現(xiàn)人員的疏散保障。例如，智慧消防系統(tǒng)利用智能避難層，根據(jù)火災的情況，自動啟動正壓送風系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)等，為人員提供安全的避難空間。

（2）提高人員的救援保障能力。鋼絲繩安全“守護者”，自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時在線檢測鋼絲繩的斷絲、疲勞、磨損等損傷信息，及時發(fā)現(xiàn)和處理故障，保證鋼絲繩的正常運行，為人員的救援提供安全可靠的安全繩索。

（3）提高人員的安全教育能力。對高層建筑內的人員進行實時定位和狀態(tài)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)火災或人員受困，可以自動或手動觸發(fā)火災報警，實現(xiàn)火災的快速報警。同時，智能化安全繩索系統(tǒng)還可以通過智能手機等設備，向人員推送火災的相關知識、預防措施、應急方法等，提高人員的自救能力。例如，智能家居安防系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術，對家庭內的煙霧、溫度、氣體等進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)生火災，可以自動啟動滅火器材，同時，通過手機APP 向用戶發(fā)送火災報警信息和救援指南，增強用戶的安全意識。

4 挑戰(zhàn)與展望

4.1 智能化設計面臨的技術與實踐難題

4.1.1 泛化瓶頸

泛化能力，即能夠適應不同的設計場景，生成個性化的設計方案。但目前的智能化設計技術往往局限于特定的領域，難以跨越領域和任務的邊界，實現(xiàn)泛化的智能化設計。同時，智能化設計需要消耗大量的計算資源，但目前的計算設備和算法往往存在能效低下的問題，導致智能化設計的能耗成本較高。

4.1.2 預義鴻溝瓶頸

目前的智能化設計技術往往缺乏對設計師的預期和偏好的理解和反饋，導致智能化設計的結果與設計師的預期存在差距，難以滿足設計師的審美。

4.1.3 可解釋性瓶頸

智能化設計需要提供對設計過程和結果的可解釋性，即向設計師說明智能化設計的原理，以增強設計師對智能化設計的接受度。但目前的智能化設計技術往往缺乏可解釋性，導致設計的可靠性受到質疑。

4.2 未來智能化設計的發(fā)展方向

4.2.1 數(shù)據(jù)驅動與模型創(chuàng)新

數(shù)據(jù)是智能化設計的基礎，未來智能化設計需要加強對數(shù)據(jù)的管理和利用，構建數(shù)據(jù)生態(tài)，為智能化設計提供更精準的數(shù)據(jù)支持。模型是智能化設計的工具，未來智能化設計需要不斷創(chuàng)新模型的方法，開發(fā)更先進的智能化設計模型，實現(xiàn)智能化設計的自適應。

4.2.2 能效優(yōu)化與安全保障

能效是智能化設計的重要目標，未來智能化設計需要優(yōu)化能效的策略，實現(xiàn)智能化設計的低碳排放和綠色發(fā)展，為智能化設計提供可持續(xù)的能效支持。未來智能化設計需要保障可靠性的規(guī)范，實現(xiàn)智能化設計的規(guī)范遵守、標準符合和法律合規(guī)，為智能化設計提供更高質的可靠性支持。

5 結語

智能化設計是設計領域的一場革命，它將為設計師帶來更多的可能性，也將為社會帶來更多的價值。但智能化設計也面臨著一些技術與實踐難題，需要技術人員、政策制定者等多方的共同努力，才能克服困難，推動智能化設計的發(fā)展。因此，期待智能化設計能夠在未來的10 年里，實現(xiàn)更大的進步和突破，為設計領域和人類社會帶來更美好的未來。