古城镇和村寨建筑火灾数值模拟及防火技术对策探究

褚福涛

（山东省济宁市公安消防支队，山东　济宁）

摘要：古城镇、村寨近年来随着社会的发展和文化旅游、民俗旅游的兴起，开发利用的程度越来越高，其建筑火灾数量呈迅速上升趋势，如何防范此类火灾的发生引起了全社会的高度关注。本文从分析古城镇、村寨建筑火灾的危险性入手，利用FDS软件对火灾数值模拟得出的结果，从火灾蔓延至相邻建筑物火场温度；外界风速对火灾蔓延至相邻建筑的影响；外界风速对火灾热释放速率影响；热释放速率与火灾致死关系等方面的分析，得出了防范古城镇和村寨建筑火灾大面积蔓延和亡人事故发生对策。

关键词：古城镇；FDS；模拟；防范；对策

1　引言

古城镇、村寨主要是指以木结构或砖木结构为主，保留传统格局或历史风貌，能够集中反映本地区文化特色、民族特色，建筑集中连片的城镇和村寨。2014年以来（截至2015年10月27日），各类宗教寺庙以及古建筑、古村寨共发生火灾835起，造成1人死亡，1人受伤，过火总面积3.9万平方米。2014年1月9日四川省甘孜州色达县五明佛学院发生火灾，150间僧舍过火受灾；1月11日云南省香格里拉县独克宗古城发生火灾，烧毁房屋242栋；1月25日贵州省镇远县报京大寨发生火灾，烧毁房屋148栋。2015年1月6日青海省果洛藏族自治州达日县建设乡查郎寺发生火灾，造成大经堂正门前厅过火。

2　古城镇和村寨建筑地域分布分析和火灾危险性

2.1　古城镇和村寨主要地域分布分析

图１为古城镇和村寨主要地域分布分析。

从官方公布的历史文化名镇和历史文化名村得到图1，通过分析可知我国古城镇和村寨主要分布在山西和以江浙、川贵为代表的南方省份，而这些区域的建筑都各有特点，但主要还是以木构件为主要建筑材料的木结构建筑，有的还设置有“山墙”“风火檐”和“马头墙”等古人发明的建筑防火构件。针对这种建筑结构，在保存古城镇和村寨的历史文化风貌和传统格局的基础上，加以防火技术改造是我们目前面临的课题。

2.2　从中国古城镇和村寨建筑主要建筑特征分析火灾危险性

在材料使用上主要以木构件为主要建筑材料，以烧结砖、瓦片、石材等为辅，形成了火灾荷载大，耐火等级低，抗火能力弱的特点。建筑的木料经过百余年的干燥脱水和木材变性，经过高温火源作用极易燃烧；加上屋面使用不透水材料，有的采用无窗户的山墙结构，高温烟气不易散发，一旦起火，室内发生轰燃情况将很快发生，形成立体火灾。

建筑主体结构一般采用木柱子和木梁架承重，有的还采用斗拱的形式（斗拱的作用是将屋顶及梁架的荷载集中传达给柱子）。经过600～900年后木材的抗拉强度及横纹抗压强度降低的系数值最大，无论是松木还是杨木其强度都降低了50%。这种情况下直接导致了柱子、梁架的承载能力下降，传递荷载的斗拱构件强度降低。在火灾情况下随着火灾进程的发展，各主体结构木构件强度在短时间内极大下降，导致失稳情况发生，最后发生整体坍塌。

建筑装饰大多以鸮尾、瑞兽、悬鱼等木雕为底；彩画、描金、匾牌为饰。这种建筑作法也加大了建筑物的火灾荷载和外露木构件的表面积。在建筑高大、通风良好的情况下从屋面层下水平方向火势蔓延很快。

建筑排列形式一般为横向铺排，群体组合，布置成院落形式，形成“廊院”和“四合院”的布局。这种布局形式导致建筑物间防火间距不足，加上设置的“外山墙”不会朝向院落设置，在火灾发生后，无法有效控制火势蔓延，导致连片燃烧。

建筑火灾扑救难度大。古城镇和村寨大多数远离市区，建造在环境幽静的偏远地带，交通不便。有的地方消防车辆无法通行。古城镇和村寨居民和使用者普遍缺乏消防自救能力，也没有足够的消防器材、设施和救火水源，发生火灾后只能望火兴叹，等到消防队出警到现场已经到了火灾末期形成无法控制局面成片燃烧的情形。对于一些建设在山地上的古城镇和村寨建筑消防车辆即使能够靠近，由于没有消防水源，无法持续灭火，扑救难度极大。

3　利用FDS软件模拟古城镇和村寨建筑火灾蔓延

3.1　使用FDS软件模拟建筑火灾蔓延

FDS软件是一个火灾模拟仿真专用软件，主要模拟预测火灾的发展变化。FDS软件是基于流体动力学并仿真建模的火灾模拟软件，应用Navier-Stokes方程（黏性流体方程）对低速、热驱动流进行定量计算，侧重于对热传输的模拟。FDS功能主要通过其包含的具有模拟场景的构建和计算功能FDS软件主体和SomkerView模拟计算结果的后处理程序两部分来完成。通过处理动态数据、显示静态数据，并将数据以数据图表形式显示出来。

3.2　根据建筑木材燃点确定火灾蔓延至相邻建筑物火场温度

建筑木材是固体可燃物，由90%的纤维素、半纤维素、木质素及10%的其他成分（树脂、单宁、香精油、色素、生物碱、果胶、蛋白质等）组成。其燃烧过程包括一系列的物理变化及化学反应：木材在外界热源作用下受热，水分首先从木材中蒸发出来，其化学组分没有明显变化；伴随温度继续升高，热分解反应加快，半纤维素发生分解，当温度达到180℃时，木材热解产生可燃的甲烷、乙烷、一氧化碳、烷烃，它们从木材中逸出并与空气混合形成可燃性混合气体，250℃以上时木材热解急剧进行，可燃气体被大量释放，此时的木材发生自燃或被点。

为了确保燃点测定的准确性，采集了古城镇、村寨建筑常用的三种不同的木材，使用燃点测定仪对其进行了燃点测定。见表1。

通过分析古城镇、村寨建筑常用的三种不同的木材的燃点一般为240～250℃，考虑到热量散失的问题，温度下降在10℃左右，古城镇、村寨建筑建筑的屋顶承重构件和屋面材料一般都是木料，所以当屋面附近存在260℃以上高温区时，该区域内的建筑有被引燃得可能，属于危险区域，我们将火灾蔓延至相邻建筑物火场温度定为260℃。

3.3　外界风速对古城镇和村寨建筑火灾蔓延至相邻建筑的影响

古城镇和村寨的是典型的木结构建筑或以木结构为主体的混合建筑，通过FDS软件模拟各种风速条件下的木结构建筑物火灾，其上风侧和下风侧火场外围260℃温度线距建筑外表面的距离（简称高温距离）统计如表2所示。其中，风速为3.0m/s、5.0m/s、8.0m/s时分列统计。

通过表2我们看到上风侧的260℃高温距离随风速的不断增加而逐步下降，当风速达到8.0m/s时高温距离为0m，即上风侧达不到260℃以上温度，显示上风侧建筑被引燃可能性极低；下风侧的260℃以上高温距离随风速的增加而不断上升，当风速达到8.0m/s，260℃高温距离达到1.75m，在古城镇和村寨中有的建筑之间间距不足1m情况下火势会迅速蔓延。通过数据我们可以看到在低风速时热辐射控制火场中火势蔓延；在风速不断提高情况下，热对流发挥了主要作用，成为火势蔓延的主要推动力。在古城镇和村寨建筑火灾防范技术研究中要重视外界风速的影响。

3.4　外界风速对古城镇和村寨建筑火灾热释放速率影响

热释放速率是指单位时间内燃料燃烧释放的热量，它是火灾科学研究中的一个重要参数，可以表达火灾发生、发展并蔓延的过程和火灾的大小及规模。古城镇和村寨建筑火灾过程一般可以分为4个阶段。其中分为火灾发展阶段、快速增长阶段、充分发展阶段和火灾熄灭阶段。见图2。

但是，我们通过FDS软件的模拟仿真，在设定的火源不影响木结构建筑物燃烧热释放速率的情况下，当风速为0m/s、3.0m/s、5.0m/s、8.0m/s时，燃烧建筑上风和下风方向所形成的风场对木结构建筑物燃烧的热释放速率基本无影响。

3.5　热释放速率与古城镇和村寨建筑火灾致死关系

大量的研究表明，火灾发展初期热释放速率基本满足t2规律增长。

“t2火”的火灾增长模型对实际火灾进行模拟。火灾的增长规律可用下面的方程描述：

式中 —热释放速率，kW；

a —火灾增长系数，kW/s2；

t —时间，s。

“t2火”的增长速度一般分为慢速、中速、快速、超快速四种类型。

将图2对照标准火灾发展曲线，可以看出古城镇和村寨建筑火灾在初起阶段就进入超快速增长阶段。随着火灾进程的发展，在t=420s时达到一个小高峰，此时建筑内的大量可燃物参与燃烧，封闭室内氧气的消耗率达到相当高的水平。在此时，可燃物和空气中的氧气同时大量消耗，火灾烟气及有毒有害气体布满相对封闭的室内，燃料的不充分燃烧也增大了一氧化碳等有毒气体的释放，这将导致火场内被困人员在火灾初期就丧失生命。随着火灾的继续，外面的氧气无法进入，过低的氧气浓度导致了燃烧速率由上升转为下降；但是随着木质结构屋面因烧损发生局部或大面积坍塌，新的空气进入室内，此时发生了轰燃，建筑物室内所有达到燃点的可燃物全部开始燃烧，在t=600s时达到热释放速率的峰值，此时火场温度也达到顶峰，火场内生命已无生还可能。可见遏制或延缓热释放速率快速增长是我们防范古城镇和村寨建筑火灾人员伤亡的重要课题。

4　防范古城镇和村寨建筑火灾大面积蔓延和亡人事故发生对策

4.1　应用被动防火技术

（1）提高古城镇和村寨建筑的主要木质构件的耐火性能。可以涂抹灰泥的办法来提高可燃构件的防火性能，这是我国古建筑采用最久且最广泛的一种防火技术措施；也可以对外露的木质可燃构件喷涂防火涂料进行防火技术处理，对于建筑装饰的木雕、彩画、匾牌等饰物，可以在不影响其质地、色彩的情况下喷洒阻燃剂进行阻燃处理。

在考虑风速对火灾蔓延至相邻建筑的影响后，要重点加强对相邻建筑外墙上突出于建筑外的木质的梁架和斗拱等木构件的防火处理，使该处的木构件的燃点有显著提升，这样才能防止火势通过热对流和热辐射蔓延。

（2）借助古城镇和村寨建筑原有的“防火墙”防止火势蔓延。“山墙”“风火檐”和“马头墙”等“防火墙”是我国古建筑防火技术的特有创造，针对这种设计加以改善和提高，既能保存原建筑的历史和文化风貌，也能提高建筑的防火性能。可以利用“防火墙”完全截断墙体附近外露的木质的梁架，将梁架外露部分使用不燃材料完全包覆起来；也可以在不影响建筑物整体外观的情况下适当提高“防火墙”的高度或设置简易水幕设施达到防护效果。

（3）开辟室外防火隔离带。针对古城镇和村寨建筑间林木种植情况，适当清除油性比较大的林木，划出20～30m的防火隔离带，避免火灾通过林木蔓延。

（4）合理进行防雷和电气设施改造，防止雷击和电气火灾发生。要充分利用古城镇和村寨建筑原有的防雷设施严格按照《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）的要求加以改造，防止雷击火灾的发生；在改造电气线路设施时要严格按照《用电安全导则》（GBT 13869—2008）和《建筑电气工程施工质量验收规范》（GB 50303—2011）等国家规范要求进行合理的改造施工。

4.2　应用主动防火技术

（1）在古城镇和村寨建筑的修复和保护改造中增设必要的消防设施。通过合理增设自动灭火系统和火灾自动报警系统可以第一时间发现火情，可以有效严控火势扩大，不致发生火烧连营的火灾事故。对于比较文化历史价值很高的建筑，要使用火灾早期探测技术加以改造，以尽快早期发现火情。

（2）使用先进的自动灭火系统和灭火药剂，快速响应灭火。快速扑救古城镇和村寨建筑初期火灾，使灭火后建筑内各类构件能保持原有功能不致垮塌，对保护古城镇和村寨建筑至关重要，这就必须使用快速可靠的自动灭火系统和灭火药剂。水喷雾灭火系统、细水雾灭火系统（装置）和气体灭火系统（装置）具有技术成熟、高效节水和不易污染的特点，可以应用于古城镇和村寨建筑火灾防范中。

（3）增设必要的排烟设施。针对建筑物室内环境相对封闭容纳人员较多的场所，除了利用原有的门窗洞口排烟外，要增设必要的机械排烟设施并与相关消防报警设备联动，防止火灾烟气的侵害。

5　结论

通过FDS数值模拟分析得出了外界风速对古城镇和村寨建筑火灾蔓延至相邻建筑以及对火灾热释放速率的影响，分析了热释放速率与古城镇和村寨建筑火灾致死关系，有针对性地提出了防范古城镇和村寨建筑火灾大面积蔓延和亡人事故发生对策，在消防改造中在积极利用建筑物原有防火设施的基础上应用主动和被动防火技术，在经济合理的原则下实现预防古城镇和村寨建筑火灾的最终目标。

参考文献

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