研究動機及目的

第一節 研究動機及目的

由於現階段建築設計、技術和建築材料的日新月異，現行傳統 規格化法規(Prescriptive Code)顯得不利於新技術、新材料之發展。

近年來，防火工程技術漸趨成熟、火災行為評估計算式建立、預測 火災特性與災害危險度評估的電腦模擬程式也因電腦工業之發達而 逐漸普遍，因此在防火工程方面採用性能式法規(Performance-Based Code)設計已成為全世界的發展趨勢。相較於規格化法規雖易於執行 但缺乏彈性，其條文目標不明確且規定複雜；而性能式法規則具有 明確的意旨、彈性的設計方法以及更經濟的建造成本，實為我國必 須邁入性能式法規的要因，同時採用性能式法規更是降低貿易障礙 的重要措施。

新近大力推動的性能法規，希望以科學的方法來解決現有規格 法規或標準僵化，對於不斷創新、改進的材料或技術，產生不合理 的限制或拘束，並使得有限的防火資源達到使用最佳化。固然，性 能法規設計可以脫離傳統規格化法規或標準的一體化限制，但其展 現的防火性能仍需適當的加以驗證。本研究將藉由實尺寸火災實

的本土適用參數。

一、火災歷程及防火對策

以居室內沙發椅被引燃（如圖 1.1-a 所示）所衍生的火災歷程 為例^{1, 2}。當一小火源引發燃燒幾秒鐘後，初期的火焰蔓延將迅速成 長，釋出大量燃燒熱。燃燒火焰持續成長除了釋出能量外，也產生 各種燃燒產物，包括有毒氣體和固體微粒。圖1.1-b 顯示沙發椅上的 引火源迅速形成火柱，燃燒釋出能量一部分（λr，約 0.35）以熱輻 射方式傳遞到房間內可燃物、牆壁以及天花板，其餘的部分（1-λr） 則隨著火柱往上流動。房間內的火災，初期並不會受到封閉空間的 影響，其燃燒現象完全由燃料來主導。往上流動的熱氣流吸入房間 的冷空氣，少量的燃燒產物和大量的空氣混合，使得火柱下游的質 量流率增加，但是氣流溫度和燃燒產物濃度卻反而下降。接著，火 柱上方具渦漩流動特性的煙柱，進一步衝擊天花板而形成天花板噴 流，如圖1.1-c 所示。

1Cooper, L.Y., “Compartment Fire-Generated Environment and Smoke Filling,” the SPFE Handbook of Fire Protection Engineering, Chapter 2-7, National Fire Protection Association, Quincy, MA, 1988.

2林大惠，「火－能源、環境與安全」通識教育課程，教育部提昇大 學基礎教育計畫，民國 92 年。

圖 1.1-d 顯示水平四散的天花板噴流碰到房間壁面後，將沿著 壁面往下流動；由於噴流溫度高於房間空氣溫度，而其密度則低於 空氣密度，往下流動噴流受到向上浮力影響而趨緩。房間壁面也會 對往下流動噴流產生阻力作用，同時經由熱傳而將噴流冷卻。相較 於連續流動的天花板噴流，浮力效應和壁面作用將使得房間上層氣 流顯得遲滯不動。房間上方的天花板噴流和壁面噴流交互作用的結 果，在天花板噴流下方，將形成一溫度提升而遲滯不動的均勻厚度 煙氣層，與房間下方冷空氣存在一明顯交界面，其厚度不斷向下擴 展，溫度和煙濃度也持續增高（如圖 1.1-e 所示）。最後進入煙霧發 展階段（如圖 1.1-f 所示），上層氣體溫度高於房間壁面溫度，當煙 氣層下移時，壁面熱傳使得貼近壁面的煙霧溫度降低，密度增加，

壁面煙霧因此往下流入下層冷空氣區，冷空氣與煙霧混合，溫度將 增加，而浮力使其往上流動。

當上方煙氣層溫度達到600℃時，將發生閃燃現象(Flashover)，

房間內部幾乎所有未燃燒的可燃物，將因受到高溫及高輻射熱通量 而瞬間引燃，如圖 1.2 的 A 點，火勢的發展迅速進入完全發展階段

（全盛期），如圖 1.2 的 B 點，整個房間同時陷入一片火海，並且達 到最大的熱釋放率。一般而言，人員的逃生避難必須在閃燃發生前 完成，一旦房間內部發生閃燃，人員的生存機會已是相當渺茫。火

勢進入全盛期，高溫氣體膨脹產生高壓，進而衝破窗戶或門，火焰 燒出開口部延燒至起火房間外，接著便發生建築物中的水平延燒以 及垂直延燒現象。

閃燃現象如果發生在密閉空間，高溫煙氣層會迅速逼近火焰，

覆蓋火焰，火焰將因缺氧(Oxygen Starvation)而熄滅，但是房間內部 可燃物在高溫下依然持續裂解而蓄積可燃煙氣；一旦房間的門或窗 戶被破壞（消防人員破門而入來滅火或救人），房間內部高溫煙氣往 外竄出，而房間外冷空氣則迅速貫入，高溫煙氣和貫入空氣急速混 合，接著將出現一發不可收拾的復燃現象(Backdraft)，如圖 1.2 的 C 點，爆炸性的燃燒和火舌竄燒出窗戶外，往往造成消防人員的嚴重 傷亡。復燃通常是在幾秒的短暫瞬間出現，圖 1.2 的 C 點在復燃現 象發生時，其溫度或熱釋放率變化應該是一條從 C 點上揚的垂直 線。復燃發生以後，房間內部所有可燃物被引燃，房間內將出現閃 燃，火勢則進入全盛期。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f) 圖1.1 居室內沙發椅被引燃所衍生的火災歷程

圖1.2 火災歷程的溫度或熱釋放率變化

Point C Air enters

溫度或熱釋放率

時間 缺氧衰減

助；其努力方向在於：(1)防止起火，預防失控燃燒狀況發生，(2) 延緩或防止室內延燒及向外擴大，(3)減低煙毒氣體生成量，及(4) 確保火災時避難救助行動的安全性、有效性。在手段方式可分為以 材 料 、 構 件 、 構 造 為 主 的 自 然 式 或 被 動 式 防 火(Passive Fire Precaution)，及以消防安全設備為主的積極式或主動式防火(Active Fire Precaution)。防止火災的延燒擴大，基本上有滅火、延遲、限制 等三種方法。滅火法係使用滅火設備，在火災初期進行撲滅、壓制 行動。延遲法利用內裝不燃化及減少可燃物量，來抑制急劇燃燒。

至於限制法，則是藉劃定區間來阻止火災擴大至另一區間，如防火 安全區劃(Fire Safety Compartment)。防火安全區劃的主要目的為限 制火災危害範圍，隔離火災有害因子， 且提供人員避難行動之安全 空間。其功能要求包括：在火災持續燃燒時間內，限制向鄰近空間 及上、下樓層擴大延燒；從火災發生起在避難通道（走廊、樓梯、

排煙室）不得有煙、熱氣、火焰、輻射熱等火災危害，直到室內人 員完成避難為止。

二、 實尺寸火災分析

與實尺寸火災分析相關的研究成果，文獻 ^3~19已有詳細記載可 供參考。近年本所已建立完成的10MW 大尺度燃燒分析裝置和燃燒 氣體排放連續線上分析系統，已進行過油類火源、木框架火源、機

車、沙發、看台坐椅、大尺度房間火災模擬等實驗及分析；經由實 際量測分析經驗，建立不同火載量試體的標準實驗程序以及實驗安 全措施，得到的研究成果摘要說明如下²⁰：

(1) 在 10MW 大尺度燃燒分析裝置特性方面，針對火焰高度、抽氣量 大小以及測試物體和集煙罩間距離等實驗條件，對於整體實驗以 及熱釋放率計算之影響，深入研究並詳細歸納。

(2) 在熱釋放率之計算分析方面，利用氧氣消耗法、CO 及 CO2生成法 以及熱對流升溫法進行熱釋放率估算，並和質量損失率相比較。

(3) 在實尺寸火災分析方面，首先針對標準油類燃燒(1~7 個油盤)實 驗，量測分析其排氣組成、溫度和速度，進而估算熱釋放率。接 著進行木框架(1~4 堆及不同數量木條)燃燒實驗，探討其引燃特 性、火焰行為、質量損失率、發煙特性以及熱釋放率估算。再進 行房間火災試驗，包括：九次不同空間大小及壁裝材料火災模擬 實驗、十八次不同空間高度及送排風條件之防間火災影響實驗、

國內一般輕型機車（1、2、3、4、6 輛）、單人座耐火沙發、三人 座一般沙發以及國內巨蛋球場所使用之看台坐椅(3、5、9、13 張) 燃燒實驗。

三、研究目的

由前述實驗經驗說明，本所近年所完成之研究對於火災整體發 展歷程有一概略性的了解。本研究的主要目的將針對一般居室和辦 公室，分別以本所九十一年完成之「建築防火有關性能式設計法建 議草案與案例解說」，建構規格式及性能法規防火設計實驗模型；利 用10MW 大尺度燃燒分析裝置，執行實尺寸火災實驗以驗證性能法 規的防火性能，並經由火災歷程來探討並界定防火性能法規的本土 參數。研究中將考慮不同火源（起火點和發熱量）、可燃物（火載量 與配置）以及空間設計等參數，以進行實尺寸火災實驗。火災發展 歷程之分析將包括引燃、延燒、閃燃以及熄滅等現象，探討火場溫 度、熱釋放率及發煙特性之變化。