基于PyroSim模擬的木質(zhì)結(jié)構(gòu)古建筑火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)研究
——以曹溪寺大殿為例

陳曉楠 李祖鑫 謝建斌

目前，古建筑防火方面的研究已有一定基礎(chǔ)。王雁楠等人通過火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬工具（Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS）模擬得出房屋間距和風(fēng)速是影響古建群落火災(zāi)蔓延速度的兩個(gè)主要因素[1]。郭子?xùn)|等人以布達(dá)拉宮東大殿為研究對象，探討了性能化防火分析方法在古建筑防火保護(hù)中的應(yīng)用[2]。孫貴磊等人以云南巍山古城拱辰樓為研究對象，應(yīng)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件PyroSim 進(jìn)行建模，分別設(shè)置7 組不同的風(fēng)速進(jìn)行模擬，得到了風(fēng)速對古建防火的影響規(guī)律[3]。鄢銀連等人以麗江市某擬建古城項(xiàng)目為研究對象，分析了不同防火保護(hù)距離、不同防火保護(hù)措施條件下的火災(zāi)蔓延情況[4]。任海龍等人利用FDS 對河北省正定縣的大悲閣進(jìn)行了模擬研究，論證了設(shè)置感煙探測器探測火災(zāi)的合理性[5]。李凌楓利用FDS 模擬分析了古建筑傳統(tǒng)防火措施的適用性[6]。易曉列等人運(yùn)用PyroSim軟件評估了廣州陳氏書院山墻和青云巷等傳統(tǒng)防火構(gòu)造的性能[7]。

但是，當(dāng)前關(guān)于古建筑火災(zāi)致災(zāi)機(jī)理以及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置的研究仍然不多。為進(jìn)一步揭示木質(zhì)古建筑的火災(zāi)致災(zāi)機(jī)理，本文以云南省昆明市曹溪寺的木質(zhì)結(jié)構(gòu)大殿寶華閣為例，運(yùn)用PyroSim 軟件進(jìn)行模擬，并提出火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)布設(shè)方案，旨在為木質(zhì)古建筑的火災(zāi)初期預(yù)警提供一定的理論支撐。

1 曹溪寺大殿火災(zāi)模型的建立

曹溪寺位于安寧溫泉對岸的龍山東麓，相傳始建于宋代大理國時(shí)期，是云南省現(xiàn)存的最早且最完善的一座木結(jié)構(gòu)建筑[8]。

曹溪寺大殿寶華閣坐西面東，平面為方形，面闊三間。殿內(nèi)有“西方三圣像”和“三大士像”。大殿長12 m，寬10.6 m，內(nèi)部空間高8 m，面積為127.2 m2，大殿中有24 根大柱。曹溪寺大殿的主要材料為木材，其承重結(jié)構(gòu)均為木柱、木梁，殿中有供奉用的易燃織物品，耐火等級低于四級。

1.1 大殿模型

本文采用PyroSim 軟件按照1 ∶1創(chuàng)建的大殿模型，如圖1 所示。整個(gè)模型實(shí)際尺寸為12 m×10.5 m×8.3 m。模型網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)8 064 個(gè)，模型中的單元格尺寸為0.50 m×0.50 m×0.52 m?？紤]到大殿火災(zāi)蔓延等因素，將大殿內(nèi)的起火點(diǎn)位置設(shè)置在香臺(tái)1 處，起火點(diǎn)距地面1 m，距東面墻5.25 m，距北面墻6 m。

圖1 曹溪寺大殿計(jì)算模型與火源示意圖

1.2 邊界及初始條件

大殿內(nèi)的壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，初始溫度為20 ℃。整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用默認(rèn)的絕緣、無滑移壁面邊界條件。大殿開口處為東側(cè)門的自然通風(fēng)口，并與外界相通。

1.3 火源設(shè)置

由于曹溪寺大殿寶華閣的燃燒材料大多為木材，結(jié)合工程常用防火模擬實(shí)際，采用t2火的火災(zāi)增長模型模擬實(shí)際火災(zāi)過程[9]。t2火模型公式為：

Q 為熱釋放速率，kW；α 為火災(zāi)增長系數(shù)，kW/s2；t 為火災(zāi)增長時(shí)間，s。

t火模型的熱釋放速率可根據(jù)建筑物的實(shí)際情況選取。曹溪寺大殿寶華閣的最大熱釋放速率確定為8 MW。t2火模型的火災(zāi)增長系數(shù)可以分為4 個(gè)類型，根據(jù)曹溪寺大殿寶華閣中的可燃物情況，選用快速增長的火源類型，即火災(zāi)增長系數(shù)α=0.046 9 kW/s2[10]。根據(jù)式（1）計(jì)算，曹溪寺大殿寶華閣在起火后413 s 時(shí)將達(dá)到設(shè)定的熱釋放速率最大值。因此，本文將火災(zāi)模擬時(shí)間設(shè)定為600 s。

2 曹溪寺大殿火災(zāi)模擬

2.1 大殿室內(nèi)煙氣流動(dòng)模擬

圖2 為曹溪寺大殿寶華閣起火點(diǎn)起火后22 s、50 s、60 s 和250 s 時(shí)大殿煙氣分布模擬結(jié)果示意圖。曹溪寺大殿寶華閣內(nèi)在起火點(diǎn)著火后將產(chǎn)生大量煙氣，在起火后22 s 時(shí)大量煙氣上升至大殿屋脊，在起火后30 s 時(shí)煙氣沿大殿屋脊迅速蔓延，在起火后60 s 時(shí)擴(kuò)充滿整個(gè)大殿屋頂區(qū)域并開始沿邊墻向下擴(kuò)散，在起火后250 s 時(shí)煙氣擴(kuò)散至整個(gè)大殿的絕大部分空間。

圖2 起火后大殿煙氣分布示意圖

2.2 大殿室內(nèi)溫度變化模擬

模擬曹溪寺大殿寶華閣內(nèi)火源中心正上方不同高度處的溫度變化和高8 m距火源中心水平距離2 m 點(diǎn)處和4 m 點(diǎn)處感應(yīng)熱電偶的溫度變化情況。

曹溪寺大殿寶華閣起火后20 ～22 s時(shí)，曹溪寺大殿寶華閣室內(nèi)各高度的溫度開始迅速增加，起火前期建筑物底部溫度較高，升溫速度隨著建筑物高度的增加逐漸變慢。在曹溪寺大殿寶華閣起火后約80 s 時(shí)，寶華閣內(nèi)高8 m 距火源中心水平距離2 m點(diǎn)處的溫度約為60 ℃，達(dá)到目前常用A 型感溫探測器的動(dòng)作溫度。在曹溪寺大殿寶華閣起火后約85 s時(shí)，寶華閣內(nèi)高8 m、距火源中心水平距離約4 m 點(diǎn)處的溫度約為60 ℃，達(dá)到目前常用A 型感溫探測器的動(dòng)作溫度。在曹溪寺大殿寶華閣著火早期，曹溪寺大殿的室內(nèi)溫度變化速度比煙氣擴(kuò)散速度慢，因此感煙探測器能更早感應(yīng)早期火災(zāi)。

3 曹溪寺大殿火災(zāi)的報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置

3.1 曹溪寺大殿火災(zāi)探測器的選用

由曹溪寺大殿的特點(diǎn)及火災(zāi)模擬結(jié)果可知，火災(zāi)初期升溫慢，煙霧擴(kuò)散速度極快，采用感煙探測器有利于初期報(bào)警。但由于曹溪寺大殿寶華閣常有香客燒香祭拜，使用傳統(tǒng)的感煙探測器易發(fā)生誤報(bào)，因此應(yīng)盡量避免使用傳統(tǒng)感煙探測器，宜采用線型光束感煙探測器。此外，由于曹溪寺大殿結(jié)構(gòu)高度和空間的限制，曹溪寺大殿不宜布置線型火災(zāi)探測器，宜采用點(diǎn)型感溫探測器[2]。因此，曹溪寺大殿火災(zāi)探測系統(tǒng)可采用線型光束感煙探測器和感溫火災(zāi)探測器組合設(shè)置方式。

目前，點(diǎn)型感溫探測器一般分為A1、A2、B、C、D、E、F 及G 共8 種 類別。其中，A 類適用于8 ～10 m 的建筑，B 類適用于6 ～8 m 的建筑，C ～G 類適用于6 m 以下的建筑。曹溪寺大殿內(nèi)部空間最高為8 m。因此，曹溪寺大殿宜采用A 類感溫火災(zāi)探測器。

3.2 線型光束感煙探測器的布設(shè)

線型光束感煙探測器設(shè)置光束軸線至建筑物頂棚的垂直距離宜為0.3～1 m，距地高度不宜超過20 m；相鄰兩組探測器的水平距離不應(yīng)大于14 m，探測器至側(cè)墻的水平距離不應(yīng)大于7 m，且不應(yīng)小于0.5 m。故曹溪寺大殿可在屋脊7.5 m以上設(shè)置一組線型光束感煙探測器。

3.3 感溫探測系統(tǒng)的布設(shè)

當(dāng)建筑物空間高度為8 m及以下時(shí)，屋頂坡度大于30°，一個(gè)感溫探測器的探測保護(hù)面積為40 m2。曹溪寺大殿內(nèi)A 型感溫探測器的排布數(shù)量可以根據(jù)式（2）計(jì)算：

式中，N為探測器數(shù)量，只；S為探測區(qū)域面積，m2；K為修正系數(shù)；A為探測器保護(hù)面積，m2。

由式（2）可計(jì)算出大殿內(nèi)應(yīng)選用4個(gè)動(dòng)作溫度為60 ℃的A 型感溫火災(zāi)探測器。曹溪寺大殿火災(zāi)探測器的排布情況如圖3 所示。

圖3 曹溪寺大殿火災(zāi)探測器的排布情況

4 結(jié)語

本文對木質(zhì)結(jié)構(gòu)古建筑曹溪寺大殿寶華閣進(jìn)行了火災(zāi)模擬，得出以下結(jié)論。

第一，煙氣擴(kuò)散模擬結(jié)果顯示，曹溪寺大殿失火后產(chǎn)生的煙氣將先上升到屋頂，沿屋頂擴(kuò)散到墻面，此后沿著大殿側(cè)墻墻面由大殿四周向大殿中央擴(kuò)散，最后充滿整個(gè)大殿內(nèi)空間。

第二，起火后20 ～22 s 時(shí)，室內(nèi)各高度處的溫度開始迅速增加。

第三，起火后約80 s 和85 s 時(shí)，寶華閣內(nèi)高8 m 距火源中心水平距離2 m點(diǎn)處和4 m 點(diǎn)處溫度達(dá)60 ℃；起火后約85 s 時(shí)，寶華閣內(nèi)高8 m 距火源中心水平距離2 m 點(diǎn)處的溫度達(dá)60 ℃。

第四，由曹溪寺大殿火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)響應(yīng)模擬可知，在大殿室內(nèi)起火后18 s，大殿內(nèi)線型光束感煙探測器開始響應(yīng)；在大殿室內(nèi)起火后210 s 時(shí)，大殿室內(nèi)1號(hào)A 型感溫探測器開始響應(yīng)。