考慮不同場(chǎng)景的磚木結(jié)構(gòu)古建筑火災(zāi)特征研究*

袁春燕，鄭高凱，郎雨佳，王鵬飛

(1.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.鄭州市永威置業(yè)有限公司，河南 鄭州 450046)

0 引言

古建筑(群)火災(zāi)頻發(fā)。磚木結(jié)構(gòu)古建筑一旦發(fā)生火災(zāi)將遭到嚴(yán)重毀壞。這是由于磚木結(jié)構(gòu)古建筑具有很高的火荷載密度[1]，潛藏巨大火災(zāi)危險(xiǎn)性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑面積為1 m2的古建筑約需耗用1 m3的木材[2]。具有數(shù)百年歷史的磚木結(jié)構(gòu)古建筑，其結(jié)構(gòu)體系遭受侵蝕和風(fēng)化，木材含水率極低，極易燃燒[3],且火災(zāi)一旦發(fā)生，會(huì)很快蔓延。對(duì)不同場(chǎng)景的磚木結(jié)構(gòu)古建筑在火災(zāi)中重要火災(zāi)因素發(fā)展規(guī)律的研究，能為古建筑的性能化防火提供科學(xué)參考依據(jù)。

已有對(duì)古建筑火災(zāi)的研究，大多體現(xiàn)在對(duì)火災(zāi)發(fā)展和蔓延規(guī)律的研究。江師詠[4]對(duì)設(shè)計(jì)的九華山典型古寺廟的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出火災(zāi)相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律；肖國清等[5]通過觀察煙氣擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)升溫過程，分析煙氣擴(kuò)散和升溫規(guī)律，對(duì)比分析不同疏散路線上溫度、煙氣層高度和能見度的數(shù)據(jù)變化規(guī)律。在木結(jié)構(gòu)建筑群火災(zāi)蔓延特性[6]、火災(zāi)的蔓延規(guī)律和發(fā)展以及古建筑性能化防火方面，學(xué)者們?nèi)〉昧艘恍┭芯砍晒鸞7-9]。

為研究磚木結(jié)構(gòu)古建筑不同空間位置遭受火災(zāi)時(shí)的發(fā)展及蔓延規(guī)律，以600多年歷史的韓城市黨家村賈祖祠為研究對(duì)象，研究在不同火災(zāi)場(chǎng)景下，磚木古建筑火災(zāi)燃燒過程中溫度、煙氣濃度等相關(guān)參數(shù)的變化。

1 模型建立

韓城市黨家村民居以典型的四合院空間布局，賈祖祠是黨家村民居中一級(jí)保護(hù)建筑的代表，賈祖祠平面及剖面布局如圖1～2所示。賈祖祠主房祠堂至大門方向長約22.5 m，南廂房至北廂房方向長約10.5 m，高度以建筑室內(nèi)凈高計(jì)算，主房高約8.93 m，南北廂房高約5.39 m，大門門廳高約6.75 m。

圖1 賈祖祠平面示意Fig.1 Plan of Jia-ancestral shrine

圖2 賈祖祠剖面示意Fig.2 Profile of Jia-ancestral shrine

以調(diào)研測(cè)量繪制的CAD圖紙為基礎(chǔ)，對(duì)于規(guī)則墻體采用2D形式建模，其他不規(guī)則墻體或復(fù)雜構(gòu)件采用3D形式[10]。依據(jù)調(diào)研所測(cè)數(shù)據(jù)確定模型中材料的參數(shù)，主房建筑內(nèi)部家具等陳設(shè)與實(shí)際情況相符，神社和兩側(cè)廂房處的內(nèi)部可燃物進(jìn)行少量替代。為更好地研究該建筑火災(zāi)時(shí)的狀況，將周圍路況加入模型當(dāng)中。模型內(nèi)外視圖如圖3～4所示。

圖3 賈祖祠模型內(nèi)部示意Fig.3 Internal view of Jia-ancestral shrine model

圖4 賈祖祠模型外部示意Fig.4 External view of Jia-ancestral shrine model

2 參數(shù)及場(chǎng)景設(shè)置

2.1 火源功率及場(chǎng)景設(shè)置

由于該四合院內(nèi)的燃燒物主要為木制家具或構(gòu)件，所以模擬中的燃燒過程用t2增長火進(jìn)行描述[11]，利用火災(zāi)過程中最大熱釋放速率進(jìn)行計(jì)算[12]。t2火模型的增長類型可劃分為4個(gè)等級(jí)，具體表達(dá)式見式(1)：

Q=αt2

(1)

式中：Q為火源功率，kW；t為時(shí)間，s；α為火源增長系數(shù)，kW/s2；其中，增長系數(shù)分為超快速、快速、中速、慢速4種類型，火源功率的增長系數(shù)見表1。

表1 t2火源功率增長系數(shù)Table 1 Growth coefficients of t2 fire source power kW/s2

根據(jù)木材的燃燒特點(diǎn)，結(jié)合該建筑內(nèi)木材歷經(jīng)數(shù)百年的侵蝕、風(fēng)化，含水率極低，極易燃燒的特性，故選擇快速增長類型，取α=0.046 890。對(duì)于最大火源功率可根據(jù)表2最大熱釋放速率依據(jù)進(jìn)行確定，即選取Q=8.0 MW。將Q，α代入式(1)可得火災(zāi)發(fā)展過程符合t2火模型的時(shí)間為t=413.05 s，因此，為研究火源功率快速增長點(diǎn)及之后火場(chǎng)特征變化，模擬時(shí)間設(shè)為1 200 s。

表2 最大熱釋放速率確定依據(jù)Table 2 Basis for determination of maximum heat release rate

結(jié)合對(duì)黨家村賈祖祠的實(shí)地調(diào)研和收集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析[3]，確定火災(zāi)場(chǎng)景。賈祖祠主房大廳牌位供臺(tái)處易燃物多，且有蠟燭及香火等，火災(zāi)危險(xiǎn)性大，由此確定為火災(zāi)場(chǎng)景1；在主房與廂房中間設(shè)有伙房，并有不規(guī)范用電，是火災(zāi)危險(xiǎn)源，確定為火災(zāi)場(chǎng)景2。具體火災(zāi)場(chǎng)景布置如圖5所示。

圖5 火災(zāi)場(chǎng)景1，2Fig.5 Fire sceneⅠ and Ⅱ

2.2 網(wǎng)格劃分

采用PyroSim軟件模擬時(shí)，為判定運(yùn)算區(qū)域網(wǎng)格劃分是否合理，使用基于傅里葉快速轉(zhuǎn)換公式(FFTs)的泊松分布法進(jìn)行驗(yàn)證[13]。單元格的尺寸符合2u，3v，5w(u，v，w均為整數(shù))基數(shù)的要求，且各坐標(biāo)軸上的單元格數(shù)應(yīng)確保為合數(shù)。網(wǎng)格劃分時(shí)，按式(2)進(jìn)行驗(yàn)證：

(2)

式中：D*為火災(zāi)特征直徑，m；Q為火源功率，kW；T0為環(huán)境溫度，℃；Cp為定壓比熱，J/(kg·℃)；ρ0為環(huán)境初始密度；g為重力加速度，m/s2；

2.3 測(cè)點(diǎn)及切片設(shè)置

為測(cè)量古建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)的溫度、CO質(zhì)量濃度及摩爾濃度、能見度、風(fēng)速等火災(zāi)參數(shù)，依據(jù)2個(gè)設(shè)定的火災(zāi)場(chǎng)景，各測(cè)點(diǎn)布置情況如圖6～7所示。

圖6 場(chǎng)景1各測(cè)點(diǎn)布置情況Fig.6 Layout of each measuring point in sceneⅠ

圖7 場(chǎng)景2各測(cè)點(diǎn)布置情況Fig.7 Layout of each measuring point in sceneⅡ

為觀測(cè)成人目測(cè)高度位置火災(zāi)參數(shù)變化及火災(zāi)危險(xiǎn)性，在H=1.65 m處設(shè)置切片，如圖8所示。

圖8 高度1.65 m處切片設(shè)置示意Fig.8 Slices setting at a height of 1.65 m

3 火災(zāi)場(chǎng)景1模擬分析

3.1 溫度

火災(zāi)場(chǎng)景1中各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。將室溫20 ℃設(shè)為初始溫度，由圖9可知，測(cè)點(diǎn)1在0～200 s穩(wěn)定上升至250 ℃，隨后曲線斜率驟然增加，300 s左右達(dá)到700 ℃，300～400 s溫度極不穩(wěn)定，溫度值波動(dòng)劇烈，400 s達(dá)峰值750 ℃，隨后至1 200 s之間曲線較穩(wěn)定，溫度值在500 ℃上下波動(dòng)。測(cè)點(diǎn)2前期變化并不明顯，400 s以前幾乎維持在20 ℃，之后緩慢上升，大約1 000 s到達(dá)峰值100 ℃，大部分時(shí)間段維持在50 ℃左右。測(cè)點(diǎn)3，4曲線在0～1 200 s內(nèi)未出現(xiàn)明顯變化。

圖9 各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化Fig.9 Curves of temperature changing with time at each measuring point

以上分析說明：火災(zāi)發(fā)生中，主房祠堂內(nèi)溫度急劇上升，400 s左右達(dá)到峰值750 ℃，而后漸漸趨于穩(wěn)定，在500 ℃上下波動(dòng)。測(cè)點(diǎn)2，3，4距離火源較遠(yuǎn)且中間存在隔墻，溫度變化并不明顯。

3.2 CO濃度

火災(zāi)場(chǎng)景1中各測(cè)點(diǎn)CO質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的曲線如圖10所示。

圖10 各測(cè)點(diǎn)CO質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化Fig.10 Curves of CO concentration changing with time at each measuring point

測(cè)點(diǎn)2，3，4未發(fā)生明顯變化，測(cè)點(diǎn)1濃度曲線大致可分為3個(gè)階段：

①穩(wěn)定上升階段(0～200 s)：該段CO濃度穩(wěn)定增長，200 s時(shí)質(zhì)量濃度為0.001 5 kg/m3。

②波動(dòng)階段(200～400 s)：該段CO濃度波動(dòng)較大總體保持上升狀態(tài)，質(zhì)量濃度達(dá)到0.003 kg/m3。

③平穩(wěn)下降階段(400～1 200 s)：該段CO濃度有小幅度下降，但下降趨勢(shì)極緩，質(zhì)量濃度在0.002 kg/m3上下波動(dòng)。

分析得：主房內(nèi)CO質(zhì)量濃度大約50 s后迅速上升，在400 s左右達(dá)到峰值，而后趨于穩(wěn)定，說明祠堂火災(zāi)發(fā)生后，產(chǎn)生的大量CO氣體會(huì)迅速彌漫整個(gè)祠堂區(qū)域。

3.3 能見度

火災(zāi)場(chǎng)景1中各測(cè)點(diǎn)能見度隨時(shí)間變化曲線如圖11所示。

圖11 各測(cè)點(diǎn)能見度隨時(shí)間變化Fig.11 Curves of visibility changing with time at each measuring point

測(cè)點(diǎn)1在大約50 s時(shí)開始急速下降，測(cè)點(diǎn)2在大約500 s時(shí)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，測(cè)點(diǎn)3，4并未出現(xiàn)明顯變化。由此分析可知：火災(zāi)發(fā)生50 s后，祠堂內(nèi)的能見度迅速下降，能見度幾乎為0 m，兩側(cè)神社處也受到影響，能見度出現(xiàn)劇烈變化，而中庭和門口處由于距離較遠(yuǎn)未出現(xiàn)明顯變化，能見度良好。

3.4 測(cè)點(diǎn)風(fēng)速

火災(zāi)場(chǎng)景1中各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨時(shí)間變化的曲線如圖12所示。測(cè)點(diǎn)1在30 s左右開始上升，至200 s時(shí)達(dá)到4 m/s，200～300 s之間雖有下降狀態(tài)，但整體呈上升趨勢(shì)，300 s達(dá)到峰值10 m/s，300～400 s發(fā)生劇烈震蕩，呈下降趨勢(shì)，400 s之后趨于穩(wěn)定，風(fēng)速穩(wěn)定于4 m/s左右。而測(cè)點(diǎn)2，3，4在300 s左右開始有小幅度上升，但風(fēng)速仍保持在1 m/s以下，變化并不顯著。

圖12 各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨時(shí)間變化Fig.12 Curves of wind speed changing with time at each measuring point

由圖12可知，火災(zāi)發(fā)生后50 s左右，祠堂內(nèi)空氣受熱輻射等影響，會(huì)發(fā)生明顯的熱對(duì)流現(xiàn)象，其內(nèi)風(fēng)速發(fā)生劇烈變化，且不穩(wěn)定，最高達(dá)10 m/s，而祠堂外至大門處，雖有一定影響，但并不顯著。

4 火災(zāi)場(chǎng)景2模擬分析

4.1 溫度

火災(zāi)場(chǎng)景2中各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖13所示。由于火源位于主房和廂房之間的神社處，距中庭院落較近，幾乎直接與外界相連，故火災(zāi)發(fā)生后，測(cè)點(diǎn)1，4溫度未出現(xiàn)明顯變化，而測(cè)點(diǎn)2，3處在熱量交換或擴(kuò)散地帶，溫度發(fā)生顯著變化。由于400 s左右熱量擴(kuò)散至測(cè)點(diǎn)2(門窗處于敞開狀態(tài))，導(dǎo)致廂房溫度有一定幅度的上升，后穩(wěn)定于28 ℃左右。測(cè)點(diǎn)3溫度變化最為明顯，由于熱量交換中出現(xiàn)較大的空氣對(duì)流，致使此處溫度出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，峰值達(dá)55 ℃，整體在30 ℃上下波動(dòng)。

圖13 各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化Fig.13 Curves of temperature changing with time at each measuring point

4.2 CO濃度

火災(zāi)場(chǎng)景2中各測(cè)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化的曲線如圖14所示。各測(cè)點(diǎn)摩爾濃度在0～200 s之間基本無變化，200 s之后測(cè)點(diǎn)3明顯波動(dòng)，波動(dòng)幅度很大，峰值可達(dá)0.000 18kg/m3。測(cè)點(diǎn)2在400～600 s有微小變化，濃度值仍處在很低水平。而測(cè)點(diǎn)1，4自始至終無明顯變化。

圖14 各測(cè)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化Fig.14 Curve of CO concentration at each measuring point over time

因此場(chǎng)景2中，神社處火災(zāi)產(chǎn)生的CO會(huì)波及至與外界相連處，由于空氣流動(dòng)的原因，該處CO氣體會(huì)產(chǎn)生明顯的波動(dòng)，主房祠堂、廂房以及大門處影響不明顯。

4.3 能見度

火災(zāi)場(chǎng)景2中各測(cè)點(diǎn)能見度隨時(shí)間變化的曲線如圖15所示。由圖15可知，測(cè)點(diǎn)1，4基本無明顯變化，能見度維持在30 m。測(cè)點(diǎn)2在500,～600s之間產(chǎn)生稍微波動(dòng)，能見度降到20 m，隨后又恢復(fù)原態(tài)基本無變化。而測(cè)點(diǎn)3變化最為明顯，250 s之后出現(xiàn)往復(fù)震蕩，且能見度值極不穩(wěn)定，最低不足2 m。由此分析可知：該場(chǎng)景下，煙氣濃度變化極不穩(wěn)定，致使祠堂門口、廂房門口和中庭左側(cè)區(qū)的能見度較差，且變化劇烈。

圖15 各測(cè)點(diǎn)能見度隨時(shí)間變化Fig.15 Curves of visibility changing with time at each measuring point

4.4 測(cè)點(diǎn)風(fēng)速

火災(zāi)場(chǎng)景1中各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨時(shí)間變化的曲線如圖16所示。整體變化幅度均不是很大，只有測(cè)點(diǎn)3變化稍為強(qiáng)烈。測(cè)點(diǎn)1在0～400 s穩(wěn)定上升至0.5 m/s，之后穩(wěn)定于此風(fēng)速值，但伴有稍微波動(dòng)，測(cè)點(diǎn)2，4風(fēng)速值始終低于0.3 m/s，測(cè)點(diǎn)3變化比較明顯，200 s時(shí)風(fēng)速值上升至1 m/s，之后在1 m/s上下劇烈震動(dòng)。

圖16 各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨時(shí)間變化Fig.16 Curves of wind speed changing with time at each measuring point

因此，場(chǎng)景2中火災(zāi)導(dǎo)致的風(fēng)速變化對(duì)古建筑內(nèi)部的影響并不顯著，影響明顯區(qū)域主要集中在與火源較近的走廊和中庭左側(cè)。

4.5 火災(zāi)參數(shù)峰值點(diǎn)統(tǒng)計(jì)與分析

為更容易區(qū)別不同火災(zāi)場(chǎng)景對(duì)古建筑的影響，將場(chǎng)景1，2各火災(zāi)參數(shù)峰值進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。

由表3可知，場(chǎng)景1中，祠堂門口溫度峰值達(dá)750 ℃，CO質(zhì)量濃度峰值達(dá)0.003 kg/m3，可見度幾乎為0 m，風(fēng)速最高達(dá)10 m/s；場(chǎng)景2中，祠堂門口溫度幾乎無變化，院落左側(cè)變化顯著，峰值為55 ℃，CO質(zhì)量濃度峰值為0.000 12 kg/m3，可見度最低2 m，風(fēng)速最高4.5 m/s，各參數(shù)峰值明顯低于場(chǎng)景1。

表3 各火災(zāi)參數(shù)峰值Table 3 Peak values of each fire parameter

對(duì)于更易產(chǎn)生嚴(yán)重危害的火災(zāi)場(chǎng)景1，進(jìn)一步分析：

1)賈祖祠內(nèi)主廂房火災(zāi)時(shí)易導(dǎo)致轟燃現(xiàn)象。溫度判別是應(yīng)用最為廣泛的轟燃判據(jù)，當(dāng)試驗(yàn)房間高度為2.7 m左右，火災(zāi)發(fā)生轟燃的頂棚溫度接近600 ℃；當(dāng)試驗(yàn)房間高度為10 m左右，頂棚溫度接近450 ℃，火災(zāi)發(fā)生轟燃[13]。賈祖祠內(nèi)主房內(nèi)凈高8.93 m，室內(nèi)上層熱煙氣平均溫度達(dá)到450 ℃即判定為轟燃現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)圖10，主房在火災(zāi)發(fā)生250 s時(shí)，溫度便達(dá)到500 ℃左右，會(huì)發(fā)生轟燃。

2)主廂房內(nèi)火災(zāi)煙氣中CO會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生巨大的危害作用。根據(jù)人體生理機(jī)能報(bào)告，當(dāng)CO質(zhì)量濃度達(dá)到4×10-4kg/m3時(shí)，人體處于其中將會(huì)有嚴(yán)重的生命危險(xiǎn)。根據(jù)圖10，主房在火災(zāi)發(fā)生250 s時(shí)，CO質(zhì)量濃度已經(jīng)達(dá)到2×10-3kg/m3，遠(yuǎn)高于人體產(chǎn)生嚴(yán)重生命危險(xiǎn)濃度。此時(shí)，主房不可再有人員停留，否則有生命危險(xiǎn)。

5 結(jié)論

1)磚木結(jié)構(gòu)古建筑四合院內(nèi)，主房祠堂處火源最為不利，且發(fā)生火災(zāi)情況更嚴(yán)重。火源附近溫度變化較為明顯。由于風(fēng)速、熱對(duì)流等因素影響，此區(qū)域溫度波動(dòng)很大，極不穩(wěn)定。祠堂內(nèi)空間相對(duì)封閉，熱量難擴(kuò)散，易導(dǎo)致轟燃，是防火重點(diǎn)區(qū)域。

2)四合院祠堂內(nèi)空間相對(duì)封閉，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣不能有效擴(kuò)散，導(dǎo)致主房內(nèi)部CO濃度急劇上升，且能見度幾乎為0 m，會(huì)為消防救援帶來極大困難。

3)綜合分析古建筑空間區(qū)域內(nèi)火場(chǎng)下溫度場(chǎng)、CO濃度、能見度及測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速等變化，研究火災(zāi)發(fā)生機(jī)理及在設(shè)定最大熱釋放速率下的煙氣狀況、熱輻射機(jī)理，為磚木古建筑性能化防火設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4)對(duì)于具有類似賈祖祠四合院構(gòu)造形式磚木結(jié)構(gòu)古建筑，不同火災(zāi)場(chǎng)景火災(zāi)特性下的分析結(jié)果可為此類古建筑消防研究提供可參考依據(jù)。