西北傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)民居建筑火災(zāi)數(shù)值模擬研究

李鴻飛，藺慧媛，葉明暉，程 駿

(1. 蘭州理工大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2. 城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東南大學(xué)-西北中心)，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

我國(guó)古建筑擁有悠久的歷史底蘊(yùn)和豐富的文化內(nèi)涵，承載著傳統(tǒng)文化、民俗習(xí)慣、建筑構(gòu)造等多方面的理論和智慧。近年來國(guó)內(nèi)外多次發(fā)生古建筑火災(zāi)，造成了難以補(bǔ)償?shù)膿p失和影響。2021年2月14日，被譽(yù)為“中國(guó)最后一個(gè)原始部落”的云南省翁丁村毀于一場(chǎng)大火，又一次敲響了傳統(tǒng)村落保護(hù)的警鐘。而據(jù)國(guó)家文物局統(tǒng)計(jì)，僅2019年就接報(bào)文物火災(zāi)事故21起，其中涉及世界文化遺產(chǎn)1起、全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位4起、省級(jí)文物保護(hù)單位9起，這些古建筑火災(zāi)容易蔓延且難以控制，極易造成巨大文化財(cái)產(chǎn)損失。因此，充分認(rèn)識(shí)古建筑火災(zāi)的危害性，尤其以居住為主的傳統(tǒng)民居建筑與人民生活息息相關(guān)，把握其火災(zāi)發(fā)生發(fā)展、蔓延規(guī)律，采取有效的消防防火措施，才能根本性降低火災(zāi)造成的各種損失[1]。

青城古鎮(zhèn)位于甘肅省榆中縣最北端的黃河南岸，是蘭州市唯一的國(guó)家級(jí)歷史文化名鎮(zhèn)和全國(guó)民間藝術(shù)之鄉(xiāng)，也是甘肅省古民居保存較為完整的古鎮(zhèn)，對(duì)研究西北民居及其古建筑營(yíng)建技藝有一定歷史價(jià)值，2013年，青城古民居被列為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。其中最典型的羅家大院是民國(guó)時(shí)期青城四大水煙作坊之一的“永順成”老板羅希周先生的宅院，始建于民國(guó)十六年(公元1927年)。該院落由東院、中院和西院三部分組成，占地面積7100平方米，整體院落由十六道門互相連通，是青城地區(qū)保留最完整的古民居四合院之一，其傳統(tǒng)民居建筑古樸典雅，做工精美，在西北傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)民居建筑中具有較強(qiáng)代表性。

在前期對(duì)西北傳統(tǒng)四合院木構(gòu)民居建筑火災(zāi)發(fā)生特點(diǎn)研究基礎(chǔ)上[2-3]，以避免傳統(tǒng)文物破壞為前提，結(jié)合消防實(shí)際情況和設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行四合院建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并提出性能化防火的研究策略。本文重點(diǎn)以羅家大院為例，借助火災(zāi)動(dòng)力學(xué)仿真軟件FDS(Fire Dynamic Simulator)模擬分析環(huán)境參數(shù)并設(shè)定依據(jù)，對(duì)單體木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行火災(zāi)模擬分析，厘清熱釋放規(guī)律、煙氣擴(kuò)散、溫度場(chǎng)、能見性、有毒氣體濃度等分布規(guī)律，并以人員安全疏散標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，確定安全疏散的最短時(shí)間[4-5]。與以往研究相比較，模擬結(jié)果完全依據(jù)典型民居建筑測(cè)繪數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)真實(shí)性和可操作性，最終防火建議可直接應(yīng)用于青城古鎮(zhèn)乃至西北地區(qū)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)民居的防火改造中，針對(duì)性地從消防設(shè)施的布置、管理、疏散等方面構(gòu)建古建筑消防安全體系，為以后西北地區(qū)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)民居建筑的防火設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 建筑測(cè)繪與FDS建模

首先選取羅家大院廂房作為研究對(duì)象(建筑坐西朝東，入口在東側(cè))，該建筑的體量尺寸、營(yíng)建技藝及建筑材料較為符合西北地區(qū)木結(jié)構(gòu)民居建筑的常見做法，因此對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量并繪制成圖紙，建筑立面及具體平立剖面尺寸如圖1-4所示。單體建筑總長(zhǎng)為8.5m，寬為5.1m，單層高為5m，木制隔墻厚0.12m，建筑后墻及側(cè)墻均為磚墻，墻厚0.33m。

圖1 羅家大院廂房

圖2 廂房平面圖

圖3 廂房立面圖

圖4 廂房剖面圖

同時(shí)使用前處理程序PyroSim(Thunderhead Engineering PyroSim)建立研究民居建筑模型及運(yùn)算分析(如圖5-6所示)，建模過程中采用2D、3D相結(jié)合為主，編輯建模為輔的形式，這樣既能保證模型屬性的準(zhǔn)確性，又能夠提高建模效率[6-8]。規(guī)則墻體主要采用2D形式建模，根據(jù)現(xiàn)有CAD測(cè)繪圖紙進(jìn)行模型建立，由于PyroSim在曲面模塊方面的弱勢(shì)，因此將廂房屋頂以近似坡度形成屋頂斜面，材料數(shù)據(jù)依據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)選用PyroSim內(nèi)置的參數(shù)值，對(duì)主要建筑材料松木及防火磚基于調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行了物理參數(shù)的統(tǒng)一設(shè)置(見表1)，同時(shí)模型內(nèi)部的裝飾與實(shí)際情況保持一致，具有一定研究代表性。

圖5 PyroSim模型外部視圖

圖6 PyroSim模型內(nèi)部視圖

3 模型輸入條件

3.1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸是FDS需要設(shè)置的重要參數(shù)，該古建筑模型尺寸較大，為同時(shí)兼顧計(jì)算效率及質(zhì)量，采用網(wǎng)格尺寸的經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算公式并進(jìn)行多次試驗(yàn)，最終確定網(wǎng)格尺寸為0.25m×0.25m×0.25m進(jìn)行模擬，所有區(qū)域都采用直角坐標(biāo)均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為9.6萬(wàn)個(gè)。

3.2 火源功率

由于單體建筑絕大部分建筑構(gòu)件為可燃物，燃燒采用自定義熱解模型，火源設(shè)為普通火即可?；鹪吹拿娣e為1m×1m，單位面積熱釋放速率為1000kW/m2則燃燒后火源的功率為1000kW(依據(jù)熱釋放速率按t2規(guī)律變化公式：Q=0.04689 t2，0.04689為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，求得火源達(dá)到1000kW的時(shí)間為146s)。其值能夠起到引火作用，且由于該火源是采用通風(fēng)口vent設(shè)置，一旦火源處可燃物燃燒殆盡后，將不會(huì)再釋放熱量，避免因后期古建筑大規(guī)模燃燒而造成數(shù)據(jù)誤差。同時(shí)考慮到建筑面積較小且室內(nèi)家具分布較為集中，因此采用不同通風(fēng)條件下的單火源進(jìn)行模擬，經(jīng)分析后最終確定火源位于體積較大的木柜子上，從而確保能長(zhǎng)時(shí)間燃燒，保證模擬的進(jìn)行。

3.3 環(huán)境及輸出設(shè)置

根據(jù)青城歷年的氣象資料，統(tǒng)計(jì)的平均年氣溫為10℃，平均濕度為20%，盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，平均風(fēng)速為2m/s。通過對(duì)多起火災(zāi)案例的分析，火災(zāi)很難持續(xù)1200秒，本次模擬采用最不利條件，故設(shè)置模擬時(shí)間為1200秒。

3.4 測(cè)點(diǎn)及切片設(shè)置

根據(jù)建筑特點(diǎn)，以建筑幾何中心向東南西北四個(gè)不同方向各設(shè)置6個(gè)間隔為1m的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)主要測(cè)試火災(zāi)燃燒時(shí)的溫度，用于評(píng)估火災(zāi)的危險(xiǎn)性及火災(zāi)蔓延趨勢(shì)。同時(shí)在高度1.6m處設(shè)置溫度、能見度等參數(shù)的切片，以便觀察火災(zāi)對(duì)成人的影響程度和蔓延規(guī)律(如圖7所示)。

圖7 測(cè)點(diǎn)及切片位置示意圖

3.5 通風(fēng)條件設(shè)置

通風(fēng)條件是影響火災(zāi)產(chǎn)生和蔓延的重要因素，在磚木結(jié)構(gòu)建筑中，木材燃燒釋放出大量煙氣，考慮到建筑室內(nèi)空氣滯留問題[9]，若建筑內(nèi)通風(fēng)條件差，必然會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)氧氣濃度持續(xù)下降，從而導(dǎo)致火焰熄滅，但是此時(shí)室內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于木材著火點(diǎn)，若有新的通風(fēng)口出現(xiàn)，必將在一瞬間引起回燃，甚至于轟燃。因此本次模擬重點(diǎn)分析了通風(fēng)條件在常規(guī)自然改變中的火災(zāi)蔓延趨勢(shì)，這對(duì)了解木結(jié)構(gòu)民居建筑火災(zāi)蔓延特征具有較強(qiáng)的必要性。另外民居古建筑構(gòu)件本身具有一定的通風(fēng)間隙，同時(shí)考慮到古建筑窗紙易燃特性，因此在模型設(shè)置中除了必要的間隙外，單獨(dú)設(shè)置有門和窗的通風(fēng)口，并通過在窗戶及門表面設(shè)置多個(gè)控制點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到窗紙著火點(diǎn)時(shí)，開放部分窗戶通風(fēng)口，進(jìn)而當(dāng)溫度達(dá)到木材著火點(diǎn)時(shí)，開放全部門窗通風(fēng)口。

4 模擬結(jié)果與分析

模擬場(chǎng)景中內(nèi)門窗通風(fēng)口均為門窗燃燒后開啟，模擬過程中經(jīng)過多次調(diào)試后模型計(jì)算完成，同時(shí)后處理器 Smokeview 程序運(yùn)行正常，3D 圖像運(yùn)行符合設(shè)計(jì)要求。

4.1 熱釋放速率

隨著火源逐漸燃燒，室內(nèi)氧氣濃度不斷降低，當(dāng)200s時(shí)，室內(nèi)火焰逐漸開始減弱，隨著熱釋放率下降室內(nèi)溫度開始降低，直到300s時(shí)，東墻北窗被引燃，形成新的通風(fēng)口，含氧量的增加使得室內(nèi)北側(cè)家具開始燃燒，熱釋放速率迅速增加到2000kW。當(dāng)500s時(shí)，北窗燃燒殆盡，通風(fēng)口面積擴(kuò)大，提供了大量的氧氣，熱釋放速率迅速增加，廂房木墻及部分家具發(fā)生燃燒，逐漸熱釋放速率達(dá)到最大值。但由于整個(gè)模擬過程中，門以及東墻南側(cè)窗戶表面溫度未達(dá)到木材及窗紙的著火點(diǎn)，室內(nèi)氧氣濃度逐漸無法滿足燃燒的需求，火災(zāi)由燃料控制型轉(zhuǎn)變?yōu)橥L(fēng)控制型，故而熱釋放速率隨氧氣濃度的變化波動(dòng)較大，熱釋放速率最大值為3000kW(如圖8所示)。

圖8 場(chǎng)景熱釋放速率-時(shí)間曲線

4.2 溫度模擬分布

由于建筑北面、西面、南面均為磚墻，隔熱效果明顯，室外測(cè)點(diǎn)溫度基本無明顯變化。而建筑東面為木墻，熱傳遞性能好，且木墻燃燒后，會(huì)形成大面積通風(fēng)口，加速熱煙氣往室外環(huán)境中擴(kuò)散，故建筑東面成為火災(zāi)蔓延的主要方向[10]。將初始溫度設(shè)置為10℃，從建筑內(nèi)部來看(即距離為0m的測(cè)點(diǎn))，北面、西面、南面溫度曲線斜率較大，在200s時(shí)溫度上升至250℃，在250s-300s時(shí)氧氣濃度降低，溫度出現(xiàn)下滑，當(dāng)300s-400s時(shí)，東墻北側(cè)窗戶燃燒形成通風(fēng)口，氧氣濃度上升，溫度隨之上升(如圖9所示)。

圖9 場(chǎng)景各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖

通過建筑四周的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，南側(cè)溫度波動(dòng)較小，在400s時(shí)溫度上升至250℃，隨后400s-1100s時(shí)在250℃左右上下波動(dòng)，1100s-1200s出現(xiàn)上升趨勢(shì)，溫度達(dá)到最大值350℃。西側(cè)溫度波動(dòng)較大，在370s時(shí)溫度突增至400℃，隨后溫度降至250℃，在400s-1100s期間，溫度在250℃左右上下波動(dòng)，在1100s-1200s期間呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。北側(cè)溫度波動(dòng)較大，在400s時(shí)溫度上升至350℃，隨后400s-700s時(shí)，溫度降至200℃并在其左右上下波動(dòng)，在700s-1200時(shí)，溫度突增至400℃，隨后溫度在300℃左右上下波動(dòng)。相比其它方向，東側(cè)溫度變化緩慢，在0-700s期間緩慢上升，700s左右溫度突增至250℃，在800s-1100s期間溫度降至50℃并在其左右上下波動(dòng)，在1100s時(shí)溫度突增至300℃，在1100s-1200s期間，溫度在250℃-300℃期間上下波動(dòng)。

從建筑室內(nèi)情況來看，室內(nèi)溫度的提升與熱煙氣運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，火源燃燒釋放了大量高溫?zé)煔?，受到磚墻及木墻的阻隔，大量煙氣在屋頂堆積，致使溫度升高。由于磚墻良好的隔熱和密閉性，北面、西面、南面幾乎不受外部冷空氣的影響。而作為東側(cè)木質(zhì)墻隔熱和密閉性較差，在冷空氣和室內(nèi)熱煙氣的交互作用下，溫度很難有大的提升。其在700s、1100s時(shí)由于木墻部分燃燒造成溫度突增。但截止1200s木墻仍未出現(xiàn)大面積燃燒，這與東面溫度較低不能達(dá)到其著火點(diǎn)有直接關(guān)系。

從建筑室外情況來看，北面、西面、南面由于磚墻的分隔，各測(cè)點(diǎn)溫度基本無明顯變化，故僅選取火災(zāi)蔓延方向-東面進(jìn)行分析。東面室外5個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度曲線斜率較低，溫度提升緩慢，距建筑1m、2m、3m、4m、5m的各測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定溫度分別為80℃、70℃、60℃、50℃、30℃，僅距離為1m的測(cè)點(diǎn)溫度峰值達(dá)到150℃，其余測(cè)點(diǎn)峰值均在100℃以下。在東面測(cè)點(diǎn)溫度逐漸上升過程中，由于受木墻的阻隔及室外溫度較低的影響，各測(cè)點(diǎn)溫度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于木材著火點(diǎn)，火災(zāi)蔓延存在“有心而力不足”的現(xiàn)象。

從消防撲救角度看，場(chǎng)景中建筑室內(nèi)溫度達(dá)到木材著火點(diǎn)253℃用時(shí)在200s左右，此時(shí)室內(nèi)氧氣已不足以維持燃燒，但木窗并未完全燃燒，因此在防火操作過程中可以對(duì)木墻表面潑水即可大大減小新通風(fēng)口形成的機(jī)會(huì)，避免火勢(shì)加重。若東墻北側(cè)窗已經(jīng)燃燒，新通風(fēng)口已經(jīng)形成，此時(shí)室內(nèi)有一定的氧氣來源，此時(shí)應(yīng)在防止木墻繼續(xù)燃燒的同時(shí)，盡可能降低室內(nèi)溫度，可通過消防栓，向建筑表面及室內(nèi)噴水降溫，同時(shí)注意建筑結(jié)構(gòu)的完整性，避免建筑垮塌。

4.3 能見度分析

伴隨著煙氣的不斷釋放和擴(kuò)散，火災(zāi)發(fā)生50s時(shí)室內(nèi)的能見度降低至10m以下，火災(zāi)發(fā)生至300s時(shí)，室內(nèi)能見度基本為0m，同時(shí)大量的高溫?zé)煔鈴臇|墻北側(cè)窗擴(kuò)散并作用于室外的平臺(tái)，使其能見度下降至10m左右，500s時(shí)外部平臺(tái)北側(cè)能見度降至6m左右，平臺(tái)南側(cè)能見度降至12m(如圖10所示，從上往下為t=100s、t=500s、t=1000s時(shí)的瞬時(shí)能見度分布)。因此，通過對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景能見度結(jié)果分析，當(dāng)廂房發(fā)生火災(zāi)后，室內(nèi)能見度在短短300s內(nèi)即對(duì)人員視線造成嚴(yán)重影響，同時(shí)由于北側(cè)窗戶燃燒，使得煙霧得以擴(kuò)散，并大大降低了室外平臺(tái)的能見度，影響人員安全疏散。建議在主入口附近安裝排煙設(shè)施，同時(shí)設(shè)置室內(nèi)外疏散標(biāo)識(shí)，指導(dǎo)人員迅速有序疏散。

圖10 場(chǎng)景能見度變化分布圖

5 結(jié)論

本文在對(duì)羅家大院傳統(tǒng)民居建筑現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集測(cè)量基礎(chǔ)上，通過FDS軟件模擬分析火災(zāi)發(fā)生的全部過程，將不同階段火災(zāi)場(chǎng)景的演變特征進(jìn)行量化分析，依據(jù)并參照普適場(chǎng)景下的溫度變化、氧化物濃度變化、能見度等結(jié)果，針對(duì)性提出西北地區(qū)木結(jié)構(gòu)民居建筑的防火工作提出具體的措施手段。經(jīng)仿真模擬結(jié)果驗(yàn)證，通過精確測(cè)繪和火災(zāi)數(shù)值模擬結(jié)合的方法可以真實(shí)有效地預(yù)判傳統(tǒng)村落木結(jié)構(gòu)民居建筑火災(zāi)情況，進(jìn)而提出具有針對(duì)提出防火策略，適用于古建筑火災(zāi)預(yù)警和防火撲救工作的順利開展。主要具體防火建議如下：

1)古建筑火災(zāi)荷載密度大，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣會(huì)快速擴(kuò)散至整個(gè)室內(nèi)，不同場(chǎng)景下火災(zāi)煙氣蔓延方向基本相同，大量煙氣擴(kuò)散至屋頂處后開始水平蔓延，當(dāng)充滿整個(gè)屋頂后開始垂直沉降[11]。因此，在火災(zāi)發(fā)生初期，人員安全疏散過程中可采用半蹲式、匍匐式行走，降低煙氣對(duì)自身的影響。

2)古建筑發(fā)生燃燒后，室內(nèi)溫度和氧氣濃度作為其火災(zāi)蔓延的重要條件，影響著火災(zāi)發(fā)展速度。單體建筑在不同通風(fēng)條件下的火災(zāi)模擬中，門在500s被打開時(shí)為最不利火災(zāi)情況，此時(shí)北側(cè)窗戶已經(jīng)燃燒殆盡，實(shí)際消防撲救中可以窗戶、門等通風(fēng)口位置是否燃燒作為依據(jù)，判斷火災(zāi)發(fā)展階段，采取相應(yīng)消防措施[1]。

3)場(chǎng)景中火災(zāi)自然發(fā)展，受氧氣濃度限制并未發(fā)生轟燃，究其原因與室內(nèi)可燃物僅保留較少的木質(zhì)家具有直接關(guān)系，木材雖然易燃，但其著火點(diǎn)較紙屑、棉織物而言高了不少，沒有了紙屑及棉織物的助燃，木材很難發(fā)生大規(guī)模燃燒。由此可見，將極易燃燒的紙屑、棉織物與火災(zāi)隱患點(diǎn)分離可有效防止火災(zāi)擴(kuò)散。在村落防火宣傳方面，可以作為重點(diǎn)宣講內(nèi)容進(jìn)行防火知識(shí)普及。

4)火災(zāi)蔓延過程中，東面熱輻射較其它三面大，溫度隨著距離的增加而降低，間距為5m時(shí)，局部溫度可達(dá)100℃；由于古建筑磚墻保護(hù)，使得其它三面熱輻射傳遞受限，室外溫度基本不受室內(nèi)影響。古建筑中房間狹小、可燃物密度大的房間發(fā)生火災(zāi)時(shí)達(dá)到轟燃的時(shí)間較短，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)院落和建筑室內(nèi)角落空間的監(jiān)管，減小火災(zāi)發(fā)生的幾率，降低損失。