古建筑火災數值模擬淺析

帥建強

摘要：古建筑多為木結構，存在耐火等級低、火災荷載大、撲救困難等特點。本文通過場模擬軟件進行數值模擬分析，研究古建筑內火災的發展規律，合理地布置火災探測裝置，及時探測火災，抑制火災于萌芽狀態，對保護古建筑具有十分重大的意義。

關鍵詞：古建筑;火災;數值模擬

古建筑是指古人遺留下來的距今有較長歷史年代且具有歷史價值的寺院、廟宇、宮殿、樓閣、古塔、宅院等建筑物。多為木結構，存在耐火等級低、火災荷載大、撲救困難等特點。本文利用計算機場模擬軟件FDS對古建筑進行模擬分析，對古建筑內火災溫度、熱流量變化及煙氣流動規律進行研究。

一、火災場模擬計算方法

火災場模擬的基本原理是將模擬空間劃分成許多微元控制體，以微元控制體為基本單元，假設在同一時刻內每個微元控制體內各種物理量（溫度、壓力、速度、密度等）的值是相同的。每個控制單元內，根據質量守恒、動量守恒、能量守恒和化學反應定律建立描述火災過程的控制方程組。為了能夠從整體上求解火災過程，必須建立火災各主要分過程的理論模型，如受浮力影響的湍流模型、湍流燃燒模型、輻射換熱模型和炭黑模型等，從而使場模擬的方程組封閉。最后計算出不同時刻每個微元控制體內各種物理的值。FDS由NIST定期發布，由于其功能強大，模擬結果可靠性以及獲取方便，目前已被越來越多的業內人士認可并采用。

二、模擬場景設計

本文選取某縣一古建筑塔為研究對象。該塔為木結構建筑，其中二層層高8.84m，內外兩槽立柱為承重結構，內槽立柱5根，外槽立柱24根，以木板及木質門窗為圍護結構，底部為木質甲板，頂部有大量的木質梁枋結構，發生火災的可能性最大，并且除了首層以外，二層承擔著以上各層的重量。因此，本文以木塔二層為研究對象，對其進行火災數值模擬，二層平面圖如圖1所示：

整個火災模型為一個區域，區域尺寸為23m×23m×10m，網格大小為0.25m×0.25m×0.25m。整個模型由幾個實體部分組合而成，底板為正八面體，邊長9m，厚0.25m;模擬時間為1600s。火源位于梁2（L2）的正下方，兩個感溫探測器位于頂棚上，坐標為：Y1（0.00，2.50，9.00），Y2（0.00，7.50，9.00）。靠近火源的兩根柱上沿高度方向上布置了熱流量探測裝置，模型如圖2所示：

三、建筑火災煙氣及溫度的變化規律

設定火源以中速火發展，在沿火源和中心線上布置了兩個感煙探測器，火災初期煙氣的流動狀況如圖3所示為180s后室內煙氣的狀態。

由圖3可知，火災初期，煙氣由地面木板燃燒產生，并垂直上升到頂板，然后沿頂板水平流動，在此區域形成頂棚射流，當水平煙氣遇到墻壁后會沿來流的方向逆流，以此規律流動，煙氣逐漸充滿整個房間。180s后煙氣的厚度約為3.5m。

（二）火災溫度場分析

圖4所示為L1、L2處的溫度隨時間的變化率。由圖可知室內最高溫度可達1000℃，火災由室溫以近似于正切函數增長，大約在700s時達到最高溫度。梁1的最高溫度可達1000℃，梁2的最高溫度可以達到950℃，隨著燃燒的進行，室內氧氣不斷消耗，受通風口的限制，火災在800s后開始衰減，1050s后溫度維持在一個較穩定的值約為170℃。感溫探測器的響應溫度為68℃，由圖4可知：梁1下的感溫探測器的響應時間為135s;梁2下的感溫探測器的響應時間為170s。故感溫探測器的響應時間明顯滯后于感煙探測器的響應時間，并且感溫探測器的響應時間較長，不能夠起到快速報警的目的。梁1中心處木材在392s后達到260℃（木材開始熱解溫度），梁2中心處在410s后達到260℃。如果以表4.1所列的溫度作為木材的著火溫度，取430℃，則梁1與梁2被引燃的時間分別為430s和500s。所以梁1先被引燃。

圖5為700s時x=0處的溫度切片，由圖可知，室內溫度在700s時，高溫沿火源垂直方向分布，在火源的正上方頂棚處能量不斷地集聚，溫度最高，距地面約1.5m以下，溫度在100℃以下，火源以外的其他區域，沿高度方向由下自上，溫度逐漸升高，頂棚處溫度最高。由圖6可知：700s時，260℃的等溫面沿高度約6m的位置分布。對應的以上高度方向的維護木結構發生熱分解。

四、結語

本文通過建立古建筑的火災模型，根據火災荷載確定了火源的熱釋放速率按中速火進行火災的初期模擬。通過模擬發現：古建筑內煙氣到達頂棚后，沿水平方向貼著頂棚流動，遇到障礙物后，又沿原路徑貼著上層煙氣回流。在火源上方及出口處都有射流現象。在垂直面內，溫度沿高度方向上由上向下呈遞減趨勢;在水平面內，離火源由近及遠，溫度也呈遞減趨勢。并由模擬的數值參數可知，室內的最高溫度達1000℃以上。沿柱高度方向上，表面接收到的最大熱流量隨高度的增加而增加。同時，中速火源的發展由初期的燃燒控制轉變為通風控制。最后室內維持在一個緩慢的陰燃階段，和實際情況有所區別，如果在此情況下，通過額外通風口（由于將木質維護結構燒穿）的補風，室內積聚的大量可燃氣體遇到新鮮空氣后形成的預混氣體被部分高溫木炭引燃，就會發生回火的現象。因此在滅火時如果遇到此種問題，一定要妥善處理，以免造成人員傷亡。