巴黎圣母院火災(zāi)蔓延過程初步模擬與防火改造建議

許鎮(zhèn) 魏煒 楊哲飚 陸新征

法國當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年4月15日下午6點(diǎn)50分，巴黎圣母院發(fā)生火災(zāi)，這座人類著名歷史建筑破壞嚴(yán)重。在收集火災(zāi)相關(guān)公開資料的基礎(chǔ)上，本文建立了巴黎圣母院計(jì)算流體力學(xué)CFD模型，在火災(zāi)第2日就及時(shí)給出了巴黎圣母院火災(zāi)蔓延的初步數(shù)值模擬結(jié)果，并與實(shí)際蔓延過程進(jìn)行了對(duì)照，結(jié)果表明模擬結(jié)果與實(shí)際火災(zāi)事故過程是一致的，為火災(zāi)事故原因調(diào)查提供了初步的參考。同時(shí)，我們借鑒中國古建馬頭墻做法，提出了巴黎圣母院屋頂?shù)姆阑鸶綦x改造建議，并且進(jìn)一步借助CFD模擬手段，論證了不同防火隔離方案的隔離效果，為巴黎圣母院重建后的防火措施提供了參考。本文完成的巴黎圣母院火災(zāi)初步模擬與防火改造建議，對(duì)類似古建的消防安全工作都具有重要借鑒意義。

火災(zāi)蔓延過程初步模擬

（一）模擬對(duì)象

巴黎圣母院主體為砌體拱結(jié)構(gòu)，上部覆蓋木結(jié)構(gòu)屋頂，如圖1所示。砌體是不可燃物，因此，本次大火的蔓延區(qū)域主要在木屋頂部分，如圖2深紅色區(qū)域范圍。該區(qū)域是本次火災(zāi)模擬的重點(diǎn)研究對(duì)象。

（二）CFD建模

為了模擬此次火災(zāi)事故，本文建立了巴黎圣母院的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模型，如圖3所示。模擬平臺(tái)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）研發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件（FDS）。圖3中綠色部分為巴黎圣母院的木質(zhì)屋頂，設(shè)置成可燃物，其他區(qū)域?yàn)槎栊圆豢扇嘉矬w。

圖1 巴黎圣母院內(nèi)部結(jié)構(gòu)（源自pinterest網(wǎng)站）

圖2 巴黎圣母院火災(zāi)蔓延區(qū)域（圖片源自BBC）

圖3 巴黎圣母院火災(zāi)數(shù)值模型

精細(xì)化的火災(zāi)CFD模擬需要有詳盡的火災(zāi)調(diào)查、設(shè)計(jì)圖紙等數(shù)據(jù)的支持，而且一般需要大型計(jì)算機(jī)，長達(dá)數(shù)日才能給出結(jié)果。在本研究中，一方面無法獲得火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的詳盡資料，另一方面也未及時(shí)給出火災(zāi)蔓延結(jié)果，因此本次巴黎圣母院CFD火災(zāi)模擬采用了大量簡化處理手段，例如模型使用邊長2m的立方體大網(wǎng)格，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

（三）模擬結(jié)果討論

經(jīng)過數(shù)小時(shí)的計(jì)算，本文得到了巴黎圣母院火災(zāi)蔓延過程的CFD模擬結(jié)果。為驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性，本文將CFD模擬結(jié)果與《紐約時(shí)報(bào)》整理的巴黎圣母院火災(zāi)蔓延過程進(jìn)行了對(duì)照。

根據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》的整理結(jié)果，巴黎圣母院的火災(zāi)過程分為3個(gè)階段：

1. 尖塔底部開始起火

法國當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年4月15日下午6點(diǎn)50分，巴黎圣母院大教堂屋頂上冒出火焰和煙霧。《紐約時(shí)報(bào)》結(jié)果與本文CFD模擬結(jié)果對(duì)照如圖4所示。可以看出，本文模擬結(jié)果起火區(qū)域位于《紐約時(shí)報(bào)》給出的區(qū)域內(nèi)，而且清晰地展示了起火區(qū)域的火災(zāi)煙氣。

2. 火勢(shì)蔓延到塔尖

2019年4月15日晚上7時(shí)40分，火勢(shì)蔓延到巴黎圣母院大教堂的尖頂上。從圖5可以看出，本文CFD結(jié)果蔓延范圍與《紐約時(shí)報(bào)》整理結(jié)果吻合，均為尖塔及尖塔周邊區(qū)域。

3. 火勢(shì)蔓延到整個(gè)木屋頂

后來，火勢(shì)逐漸蔓延到整個(gè)木屋頂，直至屋頂被燃盡。從圖6可以看出，本次模擬的蔓延結(jié)果覆蓋了整個(gè)屋頂，蔓延范圍與實(shí)際蔓延范圍相符，而且還模擬了木屋頂被燃盡的情況。

圖4 起火階段對(duì)照

圖5 尖塔及底部火災(zāi)蔓延情況對(duì)照

圖6 整個(gè)屋頂火災(zāi)蔓延情況對(duì)照

通過上述巴黎圣母院的火災(zāi)蔓延過程，可以清楚地看到：火是從屋頂中間部分開始，先向上蔓延燒毀了尖塔，然后向四周蔓延，燒光了整個(gè)十字型木屋頂。需要說明的是：（1）實(shí)際過程中，尖塔由于底部結(jié)構(gòu)被燒毀，無法承受上部重力，發(fā)生了倒塌。但CFD模擬中，無法加載重力模擬其倒塌過程，這與實(shí)際過程有所不同。（2）由于數(shù)據(jù)有限，本文CFD模擬不能做到很精細(xì)，只給出一種基本判斷。如需深入調(diào)研事故原因，必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，開展詳細(xì)的模擬。

整體而言，與《紐約時(shí)報(bào)》對(duì)照結(jié)果表明：本文CFD模擬的火災(zāi)蔓延過程與巴黎圣母院實(shí)際蔓延過程是相符的。因此，火災(zāi)CFD蔓延模擬還原的火災(zāi)事故過程可以為火災(zāi)事故調(diào)研提供參考。

防火改造建議

（一）防火隔離改造建議

類似巴黎圣母院這樣的木結(jié)構(gòu)屋頂防火，自古以來就是一個(gè)難題。在人類長期與災(zāi)害斗爭(zhēng)的歷程中，也探索出了很多卓有成效的方法。例如，去過安徽的朋友們想必都對(duì)徽派建筑上的馬頭墻（圖7）印象深刻。馬頭墻除了裝飾作用外，一個(gè)很重要的用途就是作為防火隔斷，防止火勢(shì)在屋頂?shù)募芸湛臻g里面快速蔓延。

受馬頭墻的啟發(fā)，如果巴黎圣母院木屋頂也有這樣的防火隔離，是不是就可以避免整個(gè)屋頂都被燒毀的結(jié)果呢？在這一點(diǎn)上，國內(nèi)外學(xué)者的意見是一致的?！都~約時(shí)報(bào)》也提出，巴黎圣母院應(yīng)該考慮采用防火墻來提高其防火能力，并且還建議了安置防火隔離的合適位置，如圖8所示。

圖7 徽派建筑的馬頭墻

圖8 《紐約時(shí)報(bào)》建議的防火墻位置

圖9 高防火墻方案

（二）基于模擬的方案論證

然而，《紐約時(shí)報(bào)》提出的設(shè)置防火墻方案只是一個(gè)概念建議，需要通過科學(xué)手段加以檢驗(yàn)是否有效。在暫時(shí)不具備更好的研究條件的情況下，本文采用此前建立的火災(zāi)計(jì)算流體力學(xué)CFD模型，研究《紐約時(shí)報(bào)》提議的巴黎圣母院防火墻設(shè)置的可行性。

本文按照《紐約時(shí)報(bào)》的建議，在巴黎圣母院CFD模型中設(shè)置了防火墻，如圖9中屋頂處黃色幾何體即為防火墻。需要注意的是，該防火墻的高度是高出木屋頂?shù)?，因此該方案可以稱為“高防火墻方案”。

在FDS計(jì)算得到的火災(zāi)蔓延結(jié)果如圖10所示。通過模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)采用高防火墻方案后，火災(zāi)被有效隔斷在起火的塔尖底部，沒有進(jìn)一步蔓延到“十”字形屋頂，巴黎圣母院的悲劇可以得到避免。

那是不是只要設(shè)置防火墻就解決問題了呢？我們還做了另一個(gè)防火墻設(shè)置方案，如圖11所示。為了美觀，該方案防火墻高度與教堂屋頂相近，可以稱之為“低防火墻方案”。需要注意的是：兩個(gè)方案中防火墻位置是相同的，只有高度是不同的。

圖10 高防火墻方案下的火災(zāi)蔓延過程

低防火墻方案模擬得到的火災(zāi)蔓延結(jié)果如圖12所示。在該方案中，由于防火墻高度僅與屋頂平齊，不能很好地阻止火苗的蔓延，防火墻并未完全達(dá)到抑制火災(zāi)蔓延的效果。

從高低兩個(gè)防火隔離方案可以看出，防火隔離的高度是需要科學(xué)依據(jù)的，否則不能達(dá)到隔離效果，因此其相關(guān)設(shè)計(jì)需要包括CFD模擬在內(nèi)的科學(xué)手段作為支撐。

結(jié)論

本文在巴黎圣母院火災(zāi)事故第2天就及時(shí)給出了其火災(zāi)蔓延過程CFD初步模擬結(jié)果，該結(jié)果基本上與實(shí)際火災(zāi)過程是一致的，可以為火災(zāi)事故原因調(diào)查提供初步參考。

本文采用CFD模擬對(duì)比了不同防火墻方案下巴黎圣母院火災(zāi)的蔓延過程，模擬結(jié)果表明：在屋頂增設(shè)防火墻對(duì)火災(zāi)蔓延是有效果的，但防火墻不能隨意增設(shè)，必須進(jìn)行合理可靠的設(shè)計(jì)，才能達(dá)到抑制火災(zāi)蔓延的效果。

巴黎圣母院火災(zāi)CFD模擬這樣的工程災(zāi)變模擬具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。一方面，工程災(zāi)變模擬可以幫助我們理解災(zāi)害演化過程中的機(jī)理和規(guī)律，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)更好的防災(zāi)減災(zāi)方法；另一方面，工程中很多防災(zāi)減災(zāi)措施，也需要通過必要的災(zāi)變模擬分析，才能保障其有效性。因此，準(zhǔn)確可靠的工程災(zāi)變模擬是防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域不斷努力研究并追求的目標(biāo)之一。

圖11 低防火墻方案

圖12 低防火墻方案下的火災(zāi)蔓延過程

由于時(shí)間和資料都很有限，以上研究巴黎圣母院火災(zāi)的相關(guān)工作還是比較粗淺的，主要是為大家提供一些科普素材，促進(jìn)更多的朋友們來關(guān)注、支持土木工程防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)。