木結(jié)構(gòu)文物建筑火災(zāi)蔓延特點(diǎn)研究

田承玉　周文棟

摘 要：我國(guó)有著悠久的歷史文化，在千百年的歷史文明推進(jìn)中出現(xiàn)了許多吸引人且具有創(chuàng)造力的建筑物。其中最具代表性的就是各種木結(jié)構(gòu)文物建筑。木結(jié)構(gòu)文物建筑蘊(yùn)含的經(jīng)濟(jì)、文化、歷史價(jià)值突出，因此有必要展開木結(jié)構(gòu)文物建筑火災(zāi)特點(diǎn)分析，確定防火辦法，保護(hù)我國(guó)木結(jié)構(gòu)文物建筑，傳承歷史文明。文章將以木結(jié)構(gòu)文物建筑的火災(zāi)原因和特征作為切入點(diǎn)，圍繞火災(zāi)理論展開影響要素研究，分析火災(zāi)蔓延的特征，最終確定減少火災(zāi)損失與影響的安全間距。

關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu);文物建筑;火災(zāi)蔓延特征;防火間距

0 前言

我國(guó)的古建筑大多為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，受木材自身特點(diǎn)限制，消防基礎(chǔ)較差，大多沒有進(jìn)行任何阻燃處理。有些建筑物雖然過(guò)去進(jìn)行了火災(zāi)方面的阻燃處理，但隨著時(shí)間的推移，其火災(zāi)抵抗能力早已消逝。近些年隨著國(guó)內(nèi)旅游產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，建筑能耗、人員密度、經(jīng)營(yíng)業(yè)態(tài)發(fā)生翻天覆地的變化，這是目前木結(jié)構(gòu)文物建筑消防安全管理面臨的最大挑戰(zhàn)。為解決消防安全問(wèn)題，要展開木結(jié)構(gòu)文物建筑火災(zāi)蔓延特點(diǎn)分析，確定合適的防火間距。

1 國(guó)內(nèi)外研究

1.1 木材熱解動(dòng)力學(xué)研究

木結(jié)構(gòu)文物建筑就是以木材為主體的建筑物。就木材的燃燒與火災(zāi)蔓延而言，熱解過(guò)程作用顯著。木材燃燒與蔓延中，熱解提供了可燃?xì)怏w，關(guān)系到火焰燃燒能力。首先是預(yù)熱。在外部熱量作用下，木材的內(nèi)部溫度開始上升，此時(shí)內(nèi)部聚合物出現(xiàn)微小的變化。其次是降解。該過(guò)程木材有比較穩(wěn)定的表面，且表面顏色逐漸加深。加熱木材后，內(nèi)部的分子鏈分解，一些聚合物分子開始玻璃化。再次是熱分解。該環(huán)節(jié)木材逐漸分解，內(nèi)部的大多數(shù)分子會(huì)在熱作用下漸漸失效。在熱解作用下，木材變成分子片段與炭渣。最后是氧化。熱解出現(xiàn)易氧化分子片段后氧化燃燒，釋放熱量。以宏觀角度來(lái)看，木材的熱分解包括預(yù)熱、熱分解、著火、燃燒與蔓延。熱解是后續(xù)三個(gè)過(guò)程的前提和先導(dǎo)，關(guān)系到最后木材是否可以完全燃燒以及燃燒熱量。

1.2 木結(jié)構(gòu)文物建筑室內(nèi)火災(zāi)蔓延研究

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者與專家對(duì)建筑物火災(zāi)的發(fā)展、蔓延進(jìn)行研究，不過(guò)卻很少研究火災(zāi)后木結(jié)構(gòu)文物建筑的內(nèi)部情況。許發(fā)俊研究的是木結(jié)構(gòu)文物建筑在火災(zāi)后，室內(nèi)的木材部分碳化明顯，研究重點(diǎn)是微觀結(jié)構(gòu)、碳化速度以及碳化機(jī)理①。楊光研究的是在模擬實(shí)驗(yàn)中，在建筑物的兩層設(shè)置火源，分析不同房間溫度的變化以燃燒后木材碳化層的厚度，最終得出樓板與木隔板在一定程度上具有阻止火災(zāi)發(fā)展與蔓延的價(jià)值②。彭磊研究的是木結(jié)構(gòu)文物建筑發(fā)生火災(zāi)之后炭化速率，其利用木結(jié)構(gòu)受熱后的炭化速率與溫度分布創(chuàng)建模型，充分考慮木材的含水率、密度、炭化收縮動(dòng)力、木質(zhì)素③。高曉明通過(guò)建立走廊、房屋模型，模擬研究煙氣傳播規(guī)律，得出走廊回燃原因④。國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前的主要研究方向集中于中庭、大空間、高層建筑，缺少足夠多的木結(jié)構(gòu)文物建筑模擬研究。

1.3 木結(jié)構(gòu)文物建筑間火災(zāi)蔓延

在木結(jié)構(gòu)文物建筑火災(zāi)發(fā)生時(shí)，熱量會(huì)以輻射形式朝向整個(gè)空間流竄。距離建筑物越近，輻射作用越明顯，同時(shí)也會(huì)增加火災(zāi)出現(xiàn)概率。木結(jié)構(gòu)文物建筑發(fā)生火災(zāi)以后難以救援，很大程度上是因?yàn)闊彷椛鋵?duì)于木材的影響十分明顯。研究人員用理論方法研究和處理木結(jié)構(gòu)文物建筑間火災(zāi)蔓延，使用計(jì)算機(jī)計(jì)算和模擬木結(jié)構(gòu)文物建筑火災(zāi)蔓延過(guò)程。

如陸斌輝對(duì)吊腳樓這種類型的建筑物特點(diǎn)、火災(zāi)因素進(jìn)行了研究，之后應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，確定與了解吊腳樓火災(zāi)成因④。雖然模擬結(jié)合與真實(shí)結(jié)果出現(xiàn)了一定偏差，包括建筑材料沒有充分燃燒，但卻從中得到火災(zāi)現(xiàn)象重要參數(shù)，包括溫度分布與煙氣濃度。

1.4 木結(jié)構(gòu)文物建筑防火研究

目前，國(guó)內(nèi)在木結(jié)構(gòu)文物建筑的防火研究中，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)防火與材料阻燃，沒有深入研究木結(jié)構(gòu)文物建筑的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。國(guó)內(nèi)的一些研究所和高校結(jié)合國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，對(duì)建筑物木材燃燒參數(shù)和阻燃技術(shù)進(jìn)行了許多研究，并在2005年修訂《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，限定各種木結(jié)構(gòu)文物建筑構(gòu)件耐火極限與燃燒性能。

2 木結(jié)構(gòu)文物建筑火災(zāi)原因與特點(diǎn)

2.1 原因

2.1.1 引起火災(zāi)因素多

不慎用火是火災(zāi)出現(xiàn)的主要原因。相較于過(guò)去，如今木結(jié)構(gòu)文物建筑不合理用火的情況變得更嚴(yán)重、種類更多、范圍更廣。如目前很多木結(jié)構(gòu)文物建筑為滿足旅客的需求，使用各種新能源，包括液化石油氣、煤氣，為游客提供熱水、供暖。不正確地使用這些能源很有可能引起火災(zāi)①。

木結(jié)構(gòu)文物建筑的電氣火災(zāi)發(fā)生原因一般是原本線路老化嚴(yán)重，存在潛在隱患。如很多歷史街區(qū)的木結(jié)構(gòu)文物建筑在解放時(shí)期開始遷入電纜線路，歷經(jīng)數(shù)十年的時(shí)間卻沒有更新?lián)Q代，不少電纜線路嚴(yán)重老化。

在旅游業(yè)快速發(fā)展的今天，木結(jié)構(gòu)文物建筑周圍出現(xiàn)各種服務(wù)設(shè)施，大功率用電增加了火災(zāi)隱患。

2.1.2 材料本身存在危險(xiǎn)

木結(jié)構(gòu)文物建筑的主材是各種木材，木材燃燒性關(guān)系到最后的火災(zāi)危險(xiǎn)性。木材是有機(jī)物質(zhì)，主要成分是纖維素、木質(zhì)素、有機(jī)物，有著很高的可燃成分，其大多數(shù)是易燃揮發(fā)物，在受熱后容易分解②。在溫度小于100攝氏度時(shí)，木材水分開始蒸發(fā);超過(guò)100攝氏度以后，一些可燃?xì)怏w從木材內(nèi)部溢出;在溫度處于260攝氏度時(shí)，木材內(nèi)部溢出非常多的可燃?xì)?，在可燃物燃燒之后?huì)釋放大量熱量，進(jìn)一步增加木材熱解性，產(chǎn)生惡性循環(huán)。木材的引燃點(diǎn)只有158攝氏度，自燃點(diǎn)在400至600攝氏度間，屬于非常容易燃燒的材料③。木結(jié)構(gòu)文物建筑的木材多年風(fēng)化，含水量非常低，大多為全干木材，非常容易燃燒。

2.1.3 構(gòu)件本身存在危險(xiǎn)

建筑物的燃燒速度除了和材料性能有關(guān)，還和構(gòu)件形式有關(guān)。表面積越大的構(gòu)件越容易劇烈燃燒、受熱分解。木結(jié)構(gòu)文物建筑物大多采取鏤空構(gòu)件模式，有著極大的表面積。發(fā)生火災(zāi)后，火勢(shì)往往非常大，火焰會(huì)四處亂竄。

物體燃燒需要氧氣、火源兩個(gè)條件④。木結(jié)構(gòu)文物建筑的火災(zāi)與環(huán)境氧氣量供應(yīng)的穩(wěn)定性有很大聯(lián)系。木結(jié)構(gòu)文物建筑一般會(huì)制作有著較大火災(zāi)荷載的屋頂，因此通風(fēng)條件非常好，有著很充足的氧氣供應(yīng)。屋頂燃燒時(shí)如同架空后的干柴，不僅燃燒速度驚人，同時(shí)反應(yīng)也十分劇烈。

2.1.4 建筑布局存在危險(xiǎn)

大多數(shù)木結(jié)構(gòu)文物建筑都是單棟建筑物，用門廊連接成庭院。庭院的組合又構(gòu)成了建筑物群。木結(jié)構(gòu)文物建筑大多成組、成群的對(duì)稱布置，有著宏偉的氣勢(shì)與壯觀的規(guī)模。庭院往往不會(huì)考慮防火間距問(wèn)題⑤。其中一棟著火后，立刻會(huì)引燃周圍建筑物。如果此時(shí)風(fēng)向提供助攻，會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)大面積、快速蔓延。

2.2 特征

2.2.1 燃燒速度快，容易復(fù)燃

我國(guó)歷史悠久，許多木結(jié)構(gòu)文物建筑已經(jīng)保存千年。隨著千百年的時(shí)間推移，這些建筑物的主材風(fēng)干老化，出現(xiàn)了許多裂縫。建筑物圓柱并非完整木材，大多用了許多木材拼接。圓柱的表面涂刷油漆并包裹了麻布。在發(fā)生火災(zāi)之后，火焰順著拼接縫隙與裂縫快速蔓延⑥。

木結(jié)構(gòu)文物建筑熱解參數(shù)低，易燃燒。發(fā)生火災(zāi)后，室內(nèi)溫度快速上漲，很容易短時(shí)間內(nèi)便出現(xiàn)轟燃情況。木結(jié)構(gòu)文物建筑火災(zāi)發(fā)生后，火焰順著縫隙蔓延，火災(zāi)規(guī)模變大?？p隙如果積累了足夠高的熱量，且沒有良好的散熱條件，即便工作人員已經(jīng)撲滅火災(zāi)，也有很高的概率出現(xiàn)復(fù)燃。

2.2.2 早期難撲滅

絕大多數(shù)木結(jié)構(gòu)文物建筑物的問(wèn)題都是內(nèi)部缺少良好的消防條件。雖然配備了一定量的滅火器，但給排水管道的配備和煙霧報(bào)警、自動(dòng)噴淋滅火功能的缺失導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)以后，往往做不到第一時(shí)間滅火。沒有配備以上設(shè)施考慮的是，給排水管道以及自動(dòng)噴淋滅火很有可能會(huì)導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)文物建筑受水腐蝕。中華人民共和國(guó)成立后我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，清潔且方便的自來(lái)水已經(jīng)成為人們生活最重要的水源。不過(guò)考慮到原生態(tài)保護(hù)，木結(jié)構(gòu)文物建筑并沒有配備自來(lái)水管網(wǎng)①。

2.3 損失影響大

木結(jié)構(gòu)文物建筑歷史悠久，不僅有歷史研究?jī)r(jià)值，同時(shí)也有文化研究、旅游經(jīng)濟(jì)價(jià)值。發(fā)生火災(zāi)不僅會(huì)導(dǎo)致歷史文化斷層問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致人員傷亡。經(jīng)濟(jì)損失尚能在外界、政府幫助下彌補(bǔ)，但在火海中一同消失的各種文物將永遠(yuǎn)無(wú)法挽救。我國(guó)木結(jié)構(gòu)文物建筑歷史悠久，極具時(shí)代美感，是我國(guó)歷史、藝術(shù)、人文、文化載體。

3 木結(jié)構(gòu)文物建筑火災(zāi)理論

3.1 熱解、著火與蔓延理論

除了屋頂蓋瓦以及部分墻體外，木結(jié)構(gòu)文物建筑中的大多數(shù)構(gòu)件都是木材。相較于現(xiàn)代建筑，木結(jié)構(gòu)文物建筑燃燒速度更快，燃燒程度更激烈，火災(zāi)危險(xiǎn)性極高。木材燃燒由下述流程組成：在外界環(huán)境的熱量影響下，木材分解出非揮發(fā)性炭化物質(zhì)與易燃燒揮發(fā)性物質(zhì)。在引火源作用下木材表面溫度快速提高，在溫度達(dá)到能夠揮發(fā)可燃?xì)怏w燃點(diǎn)以后，木材燃燒。穩(wěn)定燃燒一段時(shí)間以后，釋放出的熱量又會(huì)引導(dǎo)周圍還沒有燃燒的木材，這些木材同樣會(huì)分解大量可燃揮發(fā)物質(zhì)，隨后快速燃燒。

木材熱解溫度說(shuō)的是木材被外界溫度熱量影響，分解易燃燒物質(zhì)。木材包括自燃、點(diǎn)燃兩種著火模式②。自燃說(shuō)的是沒有引火源而是被外界環(huán)境作用，在可燃物溫度達(dá)到一定水平就會(huì)出現(xiàn)燃燒。點(diǎn)燃說(shuō)的是有引火源導(dǎo)致局部區(qū)域先著火，隨后火焰就會(huì)朝著其他部位開始蔓延燃燒。

3.2 火羽流和熱煙氣流動(dòng)

在火源點(diǎn)燃了室內(nèi)可燃物之后，可燃物的表面會(huì)出現(xiàn)氣相火焰，包括三個(gè)部分，底部是連續(xù)火區(qū)域，中間是間斷火區(qū)域，二者共同組成了火羽流，最上面是浮力羽流區(qū)。在浮力作用下熱煙氣上升，到達(dá)屋頂之后順著屋頂水平蔓延，該現(xiàn)象被稱為頂棚射流。

3.3 火災(zāi)發(fā)展過(guò)程

火災(zāi)的燃燒包括三個(gè)階段。

第一個(gè)階段：初期火災(zāi)。在房間出現(xiàn)火災(zāi)以后，最開始可燃范圍比較小，此時(shí)的燃燒耗氧量并不是很高。在火災(zāi)發(fā)展以后，火焰蔓延到其他可燃物，擴(kuò)大燃燒范圍。該階段可燃物的燃燒速度并不是很快，且范圍并不大，屋內(nèi)的溫度不高，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。雖然該階段的室內(nèi)溫度不是很高，但靠近火源的地方仍舊會(huì)釋放很多易燃?xì)怏w。

第二個(gè)階段：轟燃和回燃。該過(guò)程是火災(zāi)重要現(xiàn)象。轟燃后室內(nèi)溫度快速提升，并且燃燒速率開始加大，釋放大量熱量，出現(xiàn)有毒氣體和濃煙。煙氣回燃出現(xiàn)在煙氣層下邊界，一般聚集在房間上部。

第三個(gè)階段：旺燃期。轟燃后房間的門窗破損，此時(shí)外界的空氣涌入建筑物，導(dǎo)致房間的可燃?xì)怏w劇烈燃燒，進(jìn)一步提高室內(nèi)溫度。建筑物內(nèi)部可燃物全面燃燒，并且煙氣迅速充斥所有房間，破壞力極強(qiáng)，嚴(yán)重?fù)p害建筑物構(gòu)件。

3.4 影響火災(zāi)蔓延因素

①火災(zāi)荷載。在火災(zāi)研究中，火災(zāi)荷載屬于重要研究?jī)?nèi)容，大小關(guān)系到火災(zāi)室內(nèi)溫度變化與持續(xù)時(shí)間。確定火災(zāi)荷載的方法有兩種，包括熱釋放速率和燃燒熱值。火災(zāi)荷載說(shuō)的是建筑物的可燃物總量，該數(shù)字越大表示火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)越大，意味著需要非常嚴(yán)格的防火手段?；馂?zāi)荷載并不能用于火災(zāi)發(fā)展、蔓延描述。

②材料特性。建筑物可燃物大多數(shù)是固體燃料。固體燃料危險(xiǎn)性包括燃燒后的熱釋放速率、火焰蔓延速度、易燃性、引燃性。固體可燃物有著十分復(fù)雜的火災(zāi)危險(xiǎn)性，在材料物理、化學(xué)等條件影響下，可引發(fā)嚴(yán)重問(wèn)題。一些建筑物中的塑料受熱后會(huì)有融化與軟化現(xiàn)象出現(xiàn)，不像木材一樣炭化?？扇既廴谖锞奂诓牧系撞磕軌虺掷m(xù)性燃燒。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化以后，木結(jié)構(gòu)文物建筑的水分會(huì)蒸發(fā)干凈，同時(shí)木結(jié)構(gòu)文物建筑的表面通常會(huì)涂抹一些容易燃燒的油漆。起火以后火災(zāi)會(huì)迅速擴(kuò)散與蔓延，以極短的時(shí)間出現(xiàn)轟燃情況。推算可以得知，木結(jié)構(gòu)文物建筑內(nèi)部火災(zāi)大多為中速火、快速火之間的類型。在轟燃后，火焰順著門窗涌出，沿著門廊發(fā)展。此時(shí)門廊回燃燒，釋放大量熱量，引燃前木質(zhì)立面?；馂?zāi)順著門窗四處流竄與蔓延。樓梯間起火后，熱量迅速擴(kuò)散并聚集在屋頂，在良好的通風(fēng)環(huán)境下，火災(zāi)迅速蔓延。通過(guò)涂抹防火涂料可以很好地應(yīng)對(duì)火災(zāi)蔓延速度和發(fā)展速度，盡可能為滅火創(chuàng)造有利條件。因此，必須注意易發(fā)生火災(zāi)且蔓延迅速部位的防火工作。涂刷防火涂料，推遲轟燃發(fā)生時(shí)間，甚至是切斷蔓延途徑。在建筑物全面燃燒以后，熱輻射問(wèn)題必須充分考慮，很有可能會(huì)引燃對(duì)立面、側(cè)面的建筑物。從本文的敘述可以了解到，正對(duì)面建筑的木結(jié)構(gòu)文物建筑，最佳安全防火距離為5.6米，側(cè)面距離為2.8米。

①許發(fā)俊，張?zhí)?，戴丹?某建筑物火災(zāi)后結(jié)構(gòu)檢測(cè)及鑒定[J].工程質(zhì)量，2020（12）：40-44.

②楊光.新農(nóng)村建設(shè)中消防工作存在的問(wèn)題及對(duì)策研究[J].決策探索：中，2020（11）：78-79.

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【作者簡(jiǎn)介】田承玉，男，漢族，山東泰安人，本科，中級(jí)職稱，研究方向：文物修復(fù)及保護(hù)。