侗族吊腳樓建筑防火間距的數值模擬研究

翟瀅瑩　葉雁冰　馬黎進　張余萍

摘??? 要：木結構干欄式吊腳樓是侗族村寨最普遍的建筑形式，火災荷載大，且傳統侗族村落建筑排布檐廊相接，存在巨大的火災隱患.運用火災動力學仿真模擬軟件Fire Dynamic Simulator、Thunderhead Engineering PyroSim在條件環境下對典型吊腳樓防火間距進行重新評估，得到不同方向的最小安全防火間距：面寬側間距6.5 m、山墻側間距4 m，并將成果應用于廣西三江侗族自治縣林略村的新村規劃.本研究試圖在維護建筑傳統風貌的情況下，通過安全防火隔離的設置達到控制火災蔓延的目的，為侗族村落的建筑布局規劃提供參考.

關鍵詞：吊腳樓;防火間距;數值模擬

中圖分類號：TU241.5;TU998.1?????????? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.02.010

0??? 引言

侗族吊腳樓建筑排布檐廊相接，火災一旦發生極易因火勢蔓延導致災情擴大化.建筑規劃領域對古村落的防火保護有著大量的探索，提出了具有文化保護理念的防火改造策略，但研究缺乏定量數據支撐，較少能提出量化的結論.

在建筑布局緊湊的侗族村落，防火分隔是火災控制的最后一道防線，同時也能最大限度地維護原有村落風貌，故本文將防火分隔作為侗族村落消防的策略突破口.因燃燒物體對周圍的熱輻射隨距離增大呈現遞減的趨勢，當距離達某臨界值則無法引燃相鄰可燃物，故采取防火隔離的方式來實現火災控制對于侗族村落的防火是現實可行的.根據《建筑設計防火規范》，木結構建筑之間最小防火間距為10 m[1]，而侗族村落多居于山地，土地資源緊張難以實現此標準，故本文借助計算機對火災動態進行仿真模擬，為侗族吊腳樓建筑重新選擇適宜的防火間距[2].

選取廣西三江侗族自治縣林略村作為研究背景.該村為典型的山地團聚型侗族村落，曾于2009年經歷過一場特大火災，造成巨大的損失，而災后重建過程中由于未注重民族傳統特色的保護，破壞了傳統村落風貌.本文以林略村為背景，通過實地調研與模擬分析，試圖為傳統吊腳樓建筑的保護提供新的思路.

1???? FDS數值模擬

1.1??? FDS建模

模型及材料設置：利用FDS（Fire Dynamic Simulator）預、后處理軟件PyroSIM（Thunderhead Engineering PyroSim）建立木吊腳樓模型（如圖1所示），建筑開間10.5 m、進深9 m，共3層，屬于侗族村寨中較為普遍的吊腳樓體量，房屋結構形式為穿斗式，主要建筑材料為杉木.通常建立一座三層木吊腳樓所耗木材量為40 ～50 m3，統計該模型木材用量約為42.7 m3，故具有代表性[3].通過手動反應設置（covered manually）來控制杉木的燃燒，參數見表1.屋頂的小青瓦不可燃，但在實際火災過程中由于失去結構支撐存在掉落的可能，在小青瓦下布置熱電偶，當電偶溫度達到450? °C時，青瓦消失模擬其掉落情況[4].

網格劃分與邊界條件設定：FDS模擬中網格對于計算結果影響較大，選取0.3 m3、0.25 m3、0.2 m3、0.15 m3精度進行網格獨立性分析，逐步加密計算網格對吊腳樓模型進行FDS模擬，若加密前后計算結果不存在明顯差異，則認為計算結果獨立于網格密度[3]（見圖2）.0.25 m3、0.2 m3、0.15 m3模擬的結果吻合度較高，結果可獨立于網格，綜合計算精度與計算效率，采取0.15 m×0.15 m×0.15 m的網格進行模擬.根據實際火場情況，計算區域網格的-X面、+X面、-Y面、+Y面、+Z面均為開放邊界，與環境大氣相接;? -Z面為閉合邊界，模擬現實中的大地.根據對三江縣歷年火災統計情況，發現秋冬季屬于火災多發季節，模擬中參考林略村秋冬季氣候情況設置模擬的邊界條件如表2.

火源設定：將火源設在最危險的上風向區域，即建筑一層南側沙發上.火源設定以成功引燃建筑而不影響建筑燃燒為原則，火源面積設為2.6 m×0.8 m.根據沙發燃燒特性，設置第0 s時火源的熱釋放速率為0，第1～51 s時火源的熱釋放速率為2 000 kW/m2，第52 s火源熱釋放速率為0[5].

監測切片布置：根據臨界引燃條件獲取最小安全防火間距，杉木著火的臨界熱流在11～15 kW/m2之間.取熱通量13 kW/m2作為杉木引燃判據，該值與NFPA的常規木材引燃判據12.6 kW/m2接近[6].圍繞建筑四周以0.5 m、1.0 m、1.5 m、…等間距布置±X向、±Y向的熱通量記錄切片，用以全程記錄建筑模型燃燒對環境的熱輻射情況，從而推斷不能引燃周邊木吊腳的最小安全距離（如圖3所示）.

1.2?? 單棟建筑燃燒模擬結果及分析

起火的沙發首先引燃相鄰的墻體，向上蔓延的火焰在二層樓板的限制下沿樓面板向遠處蔓延，樓梯通高處將火勢迅速引向二層，火焰將外挑的樓板底部引燃，建筑外部已有火焰躥出，建筑二層開窗部位以及閣樓層山墻開洞部位是火焰外竄薄弱環節，此時燃燒的熱釋放速率開始急劇增大;過了鼎盛燃燒期后，火勢開始逐漸下降，到1 000 s，火焰基本全部熄滅，還剩余少量未能完全燃燒的木材殘余，火勢蔓延情況見圖4.

通過Smokeview可以得到不同距離切片熱輻射通量的瞬時值（如圖5所示），統計±X、±Y方向所有熱通量切片的最高熱通量值.由于火源燃燒對周圍的熱輻射強度與輻射點至火源距離的平方成反比，因此輻射強度與距離呈現冪函數關系.根據統計的最高熱通量及相應的切片位置，可擬合繪制建筑各方向最高熱通量隨距離衰減曲線圖.13 kW/m2為杉木引燃臨界熱通量，通過臨界熱通量界線與最高熱通量衰減曲線的交點對應找到建筑各個方向的防火間距（如圖6所示），分別為：西側4 m、東側3 m、南側5.5 m、北側5.5 m.

1.3?? 多棟建筑燃燒模擬

群發性火災通常會由于燃燒的疊加而加劇火勢蔓延，引發大區域火災.結合林略村新村規劃的需要，本文對2～3棟建筑并列布局燃燒的情況進行火災仿真模擬.結合侗族村寨實地調研中建筑的布局情況，將2～3棟建筑按照間距0.5 m并列，吊腳樓屋檐相互搭接.由西側建筑一層沙發處引燃，燃燒逐漸發展，西側建筑劇烈燃燒后通過相互搭接的屋頂引燃東側建筑，火勢蔓延至東側建筑二三層.由于大火向上蔓延的趨勢使東側建筑一層的大量木材未能參與燃燒，在一定程度上起到了隔火的作用，降低了對東側環境的熱輻射.

根據監測切片獲取不同距離處的最高熱通量值擬合曲線，得到2～3棟并排建筑燃燒最高熱通量隨距離衰減曲線如圖7、圖8所示.同理，根據13 kW/m2的熱通量臨界值與熱通量衰減曲線的交點對應獲取各個方向的防火間距：2棟并排建筑各方向防火間距分別為：西側4 m、東側1.5 m、南側5 m、北側6.5 m;3棟并排建筑各方向防火間距分別為：西側4.3 m、東側1.3 m、南側5.5 m、北側5.2 m.綜合前文中單棟建筑模擬結果，1～3棟建筑燃燒防火間距呈現較為穩定狀態，面寬側的安全防火間距基本維持在5～6.5 m，山墻側起火端防火間距在3～4 m.

2??? 規劃應用

結合模擬獲取的防火間距結果，對林略村新村規劃提出設想.新宅將建到公路旁的等媽新村，從而減輕舊村高密度木構建筑所帶來的高火災負荷.等媽新村與林略村相鄰，地勢較為平緩且用地相對寬裕，但是建筑用地較為零散.

新村規劃充分尊重自然地形及原有耕種用地，共由兩道水田、坡地形成的天然防火隔離將整體劃分為3個防火分區.應用所獲最小安全防火距離，3棟建筑并列形成一個小組團，每個小組團面寬側預留至少6.5 m防火間距，山墻側預留至少4 m防火間距（如圖9所示），若干小組團構成一個防火分區.這種布局方式在某棟建筑發生火情時盡可能地避免或延緩火勢蔓延到其他建筑組團，根本上避免了大規模火災的發生.

3??? 結論與展望

本文借助FDS軟件模擬獲取建筑最小防火間距，并對林略新村的防火規劃進行了模擬應用，可為同類型侗族村落新村規劃提供參考.輻射引燃是大面積建筑火災蔓延的主要能量傳遞方式，本文研究中主要考慮臨界輻射熱通量引發的燃燒蔓延，由于飛火引燃具有隨機性，本文未對該情況進行分析.

參考文獻

[1]???? 住房城鄉建設部.建筑設計防火規范：GB50016-2014[S].北京：中國計劃出版社，2015.

[2]???? 翟瀅瑩.廣西傳統侗族村落形態的性能化防火設計研究[D].南寧：廣西大學，2017.

[3]???? 翟瀅瑩，葉雁冰.侗族吊腳樓火災模擬建模研究[J].消防科學與技術，2018，37（1）：32-34.

[4]???? 楊春澤.基于FDS風速條件下木結構建筑火災數值模擬[J].建筑安全，2013，28（7）：17-21.

[5]???? 王雁楠，邱洪興.基于FDS的古建群落火災蔓延規律數值分析[J].中國安全科學學報，2014，24（6）：26-32.

[6]???? 康濤.五店市歷史傳統街區建筑群防火間距研究[J].火災科學，2013，22（3）：175-180.

[7]???? 管仕平.人機工程學在計算機軟件界面中的應用[J].廣西工學院學報，2001，12（2）：39-41.

[8]???? 張婷婷，尹輝俊，劉赟，等.某燃油箱邊界約束對應力分析精度的影響研究[J].廣西科技大學學報，2018，29（1）：49-54，68.

Study on fire prevention spacing of stilted houses in Dong village

with numerical analysis

ZHAI Yingying， YE Yanbing， MA Lijin， ZHANG Yuping

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In Dong-ethnic village， wooden buildings stood close to each other so there was a great??? hazard in this community. The purpose of the research is to find out the shortest fire separation distance for that village using Fire Dynamic Simulator （FDS） and PyroSim. Under typical condition， fire??????? separation for stilts were reevaluated which were 6.5 m for fa?ade and 4 m for gable. These results were applied to rural planning for Linlue Village. The research also intended to preserve the traditional????? decoration for historical buildings and control the fire widespread， which could be helpful for the?? building layout for other Dong-ethnic villages.

Key words： stilted house; fire prevention spacing; numerical analysis