鐵皮屋之火害與搶救探討

陳純森 技師

前言

2015年1月20日桃園新屋保齡球館違建鐵皮屋發生大火，造成6名年輕消防隊員喪生震撼全台，其實鐵皮屋之火害由來已久且層出不窮，一直至2015年4月24日鐵皮屋之火害傷亡仍然持續發生。幾乎每次之鐵皮屋火警都造成嚴重的財物損失或人員傷亡，因此，鐵皮屋之火害不可不慎。

鐵皮屋火害之回顧

經統計三年來國內鐵皮屋之火害事件如表1所示。

    表1 三年來鐵皮屋火害紀錄

鐵皮屋之種類與構造

鐵皮屋建築乃是用薄鐵皮牆面與屋面包覆鋼架所構成，鐵皮屋之用途包括輕型加工廠與倉庫等，有平房、夾層或二樓建築，也有部分鐵皮屋興建在多層建築物之頂樓，形成增建。如果僅用鐵皮覆蓋作為屋面，牆面並無遮蓋時，稱為「鋼棚架」。所謂薄鐵皮俗稱「亞鉛板」，其實是熱浸鍍鋅鋼浪板，早期都採用波浪型薄鋼板，浪板厚度0.6~1.0mm不等，浪深18mm，浪距76.2mm(3吋)，近來都採用烤漆之鍍鋅槽型鋼板，表面顏色亮麗，俗稱「彩鋼」。一般鐵皮屋之屋頂之設計活載重為每平方公尺60公斤，平常不宜堆置物品，以免發生強度不足而影響結構安全或嚴重損壞。常用之鐵皮斷面如圖1所示。

圖1 常用之鐵皮斷面

用以支撐鐵皮的鋼架有鋼骨、輕量型鋼與鋼桁架等多種，鋼骨以小型之槽型鋼與工型鋼佔多數，輕量型鋼則多半採用以薄鋼片冷軋成型之槽鋼，國外稱為cold form或light gauge，部分斷面顯現微小缺口之輕槽鋼，形狀酷似嘴唇，也有稱為lip channel。至於鋼桁架則用鋼筋、鋼棒、角鋼、槽鋼與工型鋼等多種鋼料組合而成，如圖2所示。輕鋼結構之板厚約1.2~4.5mm；鋼棒或鋼筋之直徑約16~19mm。各種支撐鐵皮之鋼構架如圖3~圖5所示。

圖2 鐵皮屋之各種梁與柱構材		圖3 山形鋼架鐵皮屋
圖4 屋頂桁架鐵皮屋		圖5 拱形桁架鐵皮屋

由於鐵皮屋之鋼構件厚度很薄，隔熱效果很差，因此，並不適合居家與工作，有部分鐵皮屋採用內襯泡棉隔熱板，雖能隔離輻射熱，但泡棉容易燃燒，並非良好防火材，若採用耐燃之石膏板或矽酸鈣板作內襯材，其隔熱與防火效果會較佳。早期有些輕型加工廠與倉庫使用石棉浪板作為屋面與牆面，由於石棉對人體健康有不良影響，且1977年「賽洛瑪」颱風掀破許多石棉板之屋牆面，近來已經很少使用。

鋼鐵材料

一般所稱的「鋼料」為碳含量（C）1.7%以下之鋼鐵材料。如果碳含量在1.7%以上稱為「生鐵」。普通土木、建築工程所使用的鋼料其碳含量甚低，約為0.15%~0.3%左右，因為碳含量較少，故俗稱「軟鋼」。碳的含量越高則鋼料的強度越強，但鋼料之性質越脆，且銲接性越差。許多鐵皮屋之梁與柱構材採用鋼筋或鋼棒組合成桁架，重量輕造價便宜。竹節鋼筋以#5與#6較為普遍。部分鐵皮屋之主要構架則採用鋼骨，其型鋼斷面包括角鋼、槽鋼、I型鋼與細小斷面之鋼管等。如圖6所示，鐵皮屋常用之鋼料為普通強度之鋼料，包括SS400及SM400。有時鐵皮屋之型鋼亦採用美規規格，如ASTM A36等。

圖6 各種型鋼斷面之種類

物體燃燒

物體之燃燒是造成鐵皮屋火害之最主要原因，有些不燃物雖然本身不會燃燒，如鋼料與混凝土等，但受到鄰近燃燒物的影響以致於溫度增加而強度降低，則有可能造成構造倒塌或損害的嚴重後果。有關物體的燃燒除了材料本身的易燃性質以外，外在環境的影響溫度尚包括自燃點、著火點與閃火點等，簡述如下。

一、自燃點

可燃物雖然未受外來火焰與火花之影響，但受到環境之高溫或本身累積之熱量所發生之自然燃燒，燃燒當時所累積之溫度，稱為自燃點。例如汽油的自然點約為260℃，即當汽油之溫度累積至260℃時，不需要點火就有可能會自行燃燒。

二、著火點

當可燃物與空氣共同存在，在某特定溫度下遇到火源而產生燃燒，所能產生燃燒之最低溫度稱為著火點，又稱「燃點」。一般紙張的燃點非常低，大約130℃的火焰即可能讓紙張起火燃燒。

三、閃燃點

於可燃性之液體，當其揮發性氣體與空氣混合成可燃氣體後，遇到火源所產生之燃燒，其產生燃燒之最低溫度稱為閃燃點，又稱「閃火點」。例如當環境溫度高於-43℃時，汽油之揮發油氣即有可能閃燃。汽油的「閃燃」是油氣在燃燒並非汽油液體燃燒，而且必須與空氣混合才會持續閃燃，發生閃燃時如果溫度持續失控或上升，則有可能全面發生大火，造成嚴重火害。其他之燃燒氣體(如丙烯、乙烯、丙烷、氫氣、天然瓦斯等)與助燃之氧氣混合後遇火也容易閃爆，均必須留意處理。高雄氣爆即是丙烯與空氣混合所惹的閃爆禍害。

除了自燃現象外，著火與閃燃都必須具有火源或火種。但無論哪一種燃燒現象，燃燒之三個必要條件，包括可燃物、燃點與助燃物(或稱氧化劑)都必須具備，才會持續燃燒，且缺一不可。必須滅火時，只要去除其中的一個條件即可滅火，以天然氣燃燒為例，可採取之滅火方式如下：1.將天然氣關閉，移除燃料；或2.將火焰覆蓋，隔絕助燃物(氧氣)；或3.沖水降低溫度或減少熱量；或4.噴灑阻燃劑(如海龍等)減緩劇烈之氧化反應。

高溫熱量對鋼料之影響

鐵皮屋遭受火害時，其高溫之熱量傳遞方式有3種，包括熱對流，熱輻射與熱傳導等。分述如下。

熱對流乃氣體與液體之主要傳熱方式，溫度較高之氣體與液體由於體積膨漲，密度降低比重也減少，故向上漂浮或竄升；反之溫度較低者則向下流動，形成對流。熱對流之方向僅有向上之方向。於失火的地方，如遇刮風，除有促成劇烈氧化外，亦容易助長火勢與氣燄，乃是熱對流之現象。

熱輻射為熱量傳遞之主要方式，所有之物質當它的溫度超過-273℃時，就會向四面八方散發出輻射熱。熱輻射之傳遞並不需要借重任何媒介物質，所以太陽之輻射熱能直接透過真空層傳遞至地球。當熱輻射受到物體之阻擋時，其輻射熱部分被物體表面吸收，其餘熱能則會反射。物理學稱熱能吸收之比率為「射入率」。一般物質之射入率如表2所示。熱能被反射之比率則稱為「反射率」。射入率與反射率之和等於1.0。白色、淡色或光滑之物體表面不易吸收幅射熱，卻容易反射輻射熱。反之，黑色、深色或粗糙之物體表面則容易吸收幅射熱。易於吸收輻射熱之物體亦容易放射輻射熱。

表2一般物質表面之射入率^【1】

熱傳導係高溫之熱量藉由物體逐漸傳遞給低溫的物體，是固體材料主要的導熱方式。高密度之材料，其熱量傳遞之速度愈快，即熱傳導率愈高。一般言之，金屬的熱傳導效果較好，而非金屬之熱傳導效果較差。熱傳導率之排序為：金屬>液體>氣體。熱傳導之特性以熱傳導率表示，熱傳導率係指單位時間內通過某物體之熱流，以熱傳導係數k表示。若有某物體，其斷面為A，長度為L，兩端之溫度差為△T，則單位時間通過該物體的熱能 dQ/dt，熱傳導係數以數學式表示如下。

上式中：

    k：熱傳導係數，單位為W/(m．K)；

    W：瓦，熱流單位，1W=1 J/sec，1 Btu=1,055 J；

    m：公尺，長度單位；

    K：為絕對溫度=℃+273^o；

    一般建材之熱傳導係數如表3所示。

表3 一般物質之熱傳導係數

鐵皮屋之失火並非鐵皮本身在燃燒，而是屋內所堆積之物質在燃燒，其燃燒時之溫度、燃燒歷時與鋼料厚度都是鋼料強度降低之敏感因素。鐵皮屋之輕鋼結構之鋼料板厚約1.2~4.5mm，鐵皮之厚度則僅有0.5~1.0mm，鋼棒或鋼筋之直徑約16~19mm，均甚容易導熱。復由於鋼料之熱傳導性高，對於溫度十分敏感。依照ECCS規範建議，若以0℃的鋼料降伏強度為基準，可計算各種溫度下之鋼料降伏強度與基準降伏強度之比值如圖7所示。

圖7 鋼料之強度與溫度之關係		圖8  CNS12514之升溫曲線【3】

由圖7顯示，當整塊鋼料之溫度達到300℃時，其降伏強度降低約22%，剩餘78%之強度；若達到500℃時，強度降低約52%，僅剩48%之強度，已低於一般設計之容許強度，鋼料隨時有嚴重破壞之危險。若鋼料溫度達到600℃，強度降低約73%，只剩約27%之強度。一般冶金學另定義溫度於723℃時，鋼料內部之金相顆粒與材質均已明顯變質，稱為「變態點」。    通常火警現場，在5~10鐘內溫度就會竄升到500~600℃，是鋼料保全的關鍵，有關材料之防止火害試驗，ISO 834與CNS 12514都規定雷同之升溫曲線，如圖8。圖中顯示於5分鐘時，溫度已達576℃；於10分鐘時，溫度更高達678℃。如此的高溫鋼料均甚容易降低強度甚至軟化。有關鋼料溫度之計測，可用溫度計或其他儀器精確測出，但在緊要關鍵之時刻，鋼料之溫度亦可依其表面所顯現之顏色作概略判斷，鋼料之溫度與顏色之關係大致如表4所示。

表4 鋼料溫度與呈現之顏色

鐵皮屋火害之搶救

由於鐵皮屋於失火後容易熔解甚至崩塌，綜觀前述諸多案例之火災歷時與損傷，建議救火之要領如下。

一、除非屋內有人待救，否則不宜進入火場救火。

二、進入火場盡量從背風面進入，避免火勢與氣焰增長。

三、滅火之順序大致如下。

1.應先斷絕電源

2.降溫或覆蓋容易閃燃之化工材料或氣體，防止全面閃燃與氣爆。

3.如鋼料已呈現暗紅色，應對柱與梁之鋼骨結構射水，避免鋼料軟化而倒塌。

4.消滅易燃或可燃固體材料之火勢，如木料、紙張與塑膠等。

四、非閃燃時，起火點如局限於某部分區域，最遲約30分鐘應退出火場；如果全面燃燒，可能15分鐘就應該退場。實際撤離之時間應視火場之現況與鋼料之變質審慎判斷決定。若閃燃時應即刻退出火場，有易爆氣體者應保持警戒之安全距離。

五、盡量安排數組人員同時救火，人力不宜過度單薄。

六、入內或上樓必須先將鋼架射水降溫，否則不應貿然進入火場。因為鋼架顏色尚未變紅時，強度有可能已降低不到一半，隨時有倒塌顧慮，非常危險。

結語

綜上所述，鐵皮屋火害之結構安全風險頗大，所有鐵皮屋之設計與施工均應委請專業之技師與廠商確實依法規辦理，並作必要之防火與消防工安設施，容易閃燃之液體必須具備充分之安全防範與警戒措施，不合法之違章建築應列為第一優先拆除或補辦審查與許可，建築使用之管理應從嚴認定，以避免無謂之災害與犧牲。

【參考文獻】

1. 反射隔熱手冊，反射隔熱製造商協會。

2. 陳純森（2015）。鐵皮屋之火害與搶救。台南市政府消防局。

3. 陳純森（2012）。鋼結構工程實務(第四版)。科技圖書公司。