西北傳統木結構民居建筑火災數值模擬研究

李鴻飛，藺慧媛，葉明暉，程 駿

(1. 蘭州理工大學設計藝術學院，甘肅 蘭州 730050；2. 城市與建筑遺產保護教育部重點實驗室(東南大學-西北中心)，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

我國古建筑擁有悠久的歷史底蘊和豐富的文化內涵，承載著傳統文化、民俗習慣、建筑構造等多方面的理論和智慧。近年來國內外多次發生古建筑火災，造成了難以補償的損失和影響。2021年2月14日，被譽為“中國最后一個原始部落”的云南省翁丁村毀于一場大火，又一次敲響了傳統村落保護的警鐘。而據國家文物局統計，僅2019年就接報文物火災事故21起，其中涉及世界文化遺產1起、全國重點文物保護單位4起、省級文物保護單位9起，這些古建筑火災容易蔓延且難以控制，極易造成巨大文化財產損失。因此，充分認識古建筑火災的危害性，尤其以居住為主的傳統民居建筑與人民生活息息相關，把握其火災發生發展、蔓延規律，采取有效的消防防火措施，才能根本性降低火災造成的各種損失[1]。

青城古鎮位于甘肅省榆中縣最北端的黃河南岸，是蘭州市唯一的國家級歷史文化名鎮和全國民間藝術之鄉，也是甘肅省古民居保存較為完整的古鎮，對研究西北民居及其古建筑營建技藝有一定歷史價值，2013年，青城古民居被列為全國重點文物保護單位。其中最典型的羅家大院是民國時期青城四大水煙作坊之一的“永順成”老板羅希周先生的宅院，始建于民國十六年(公元1927年)。該院落由東院、中院和西院三部分組成，占地面積7100平方米，整體院落由十六道門互相連通，是青城地區保留最完整的古民居四合院之一，其傳統民居建筑古樸典雅，做工精美，在西北傳統木結構民居建筑中具有較強代表性。

在前期對西北傳統四合院木構民居建筑火災發生特點研究基礎上[2-3]，以避免傳統文物破壞為前提，結合消防實際情況和設計方法，進行四合院建筑火災危險性評價，并提出性能化防火的研究策略。本文重點以羅家大院為例，借助火災動力學仿真軟件FDS(Fire Dynamic Simulator)模擬分析環境參數并設定依據，對單體木結構建筑進行火災模擬分析，厘清熱釋放規律、煙氣擴散、溫度場、能見性、有毒氣體濃度等分布規律，并以人員安全疏散標準為依據，確定安全疏散的最短時間[4-5]。與以往研究相比較，模擬結果完全依據典型民居建筑測繪數據，具有較強真實性和可操作性，最終防火建議可直接應用于青城古鎮乃至西北地區傳統木結構民居的防火改造中，針對性地從消防設施的布置、管理、疏散等方面構建古建筑消防安全體系，為以后西北地區傳統木結構民居建筑的防火設計提供參考依據。

2 建筑測繪與FDS建模

首先選取羅家大院廂房作為研究對象(建筑坐西朝東，入口在東側)，該建筑的體量尺寸、營建技藝及建筑材料較為符合西北地區木結構民居建筑的常見做法，因此對其進行精確測量并繪制成圖紙，建筑立面及具體平立剖面尺寸如圖1-4所示。單體建筑總長為8.5m，寬為5.1m，單層高為5m，木制隔墻厚0.12m，建筑后墻及側墻均為磚墻，墻厚0.33m。

圖1 羅家大院廂房

圖2 廂房平面圖

圖3 廂房立面圖

圖4 廂房剖面圖

同時使用前處理程序PyroSim(Thunderhead Engineering PyroSim)建立研究民居建筑模型及運算分析(如圖5-6所示)，建模過程中采用2D、3D相結合為主，編輯建模為輔的形式，這樣既能保證模型屬性的準確性，又能夠提高建模效率[6-8]。規則墻體主要采用2D形式建模，根據現有CAD測繪圖紙進行模型建立，由于PyroSim在曲面模塊方面的弱勢，因此將廂房屋頂以近似坡度形成屋頂斜面，材料數據依據調研數據選用PyroSim內置的參數值，對主要建筑材料松木及防火磚基于調查數據進行了物理參數的統一設置(見表1)，同時模型內部的裝飾與實際情況保持一致，具有一定研究代表性。

圖5 PyroSim模型外部視圖

圖6 PyroSim模型內部視圖

3 模型輸入條件

3.1 計算區域及網格劃分

網格尺寸是FDS需要設置的重要參數，該古建筑模型尺寸較大，為同時兼顧計算效率及質量，采用網格尺寸的經驗值計算公式并進行多次試驗，最終確定網格尺寸為0.25m×0.25m×0.25m進行模擬，所有區域都采用直角坐標均勻網格，網格總數為9.6萬個。

3.2 火源功率

由于單體建筑絕大部分建筑構件為可燃物，燃燒采用自定義熱解模型，火源設為普通火即可。火源的面積為1m×1m，單位面積熱釋放速率為1000kW/m2則燃燒后火源的功率為1000kW(依據熱釋放速率按t2規律變化公式：Q=0.04689 t2，0.04689為火災增長系數，求得火源達到1000kW的時間為146s)。其值能夠起到引火作用，且由于該火源是采用通風口vent設置，一旦火源處可燃物燃燒殆盡后，將不會再釋放熱量，避免因后期古建筑大規模燃燒而造成數據誤差。同時考慮到建筑面積較小且室內家具分布較為集中，因此采用不同通風條件下的單火源進行模擬，經分析后最終確定火源位于體積較大的木柜子上，從而確保能長時間燃燒，保證模擬的進行。

3.3 環境及輸出設置

根據青城歷年的氣象資料，統計的平均年氣溫為10℃，平均濕度為20%，盛行風向為西北風，平均風速為2m/s。通過對多起火災案例的分析，火災很難持續1200秒，本次模擬采用最不利條件，故設置模擬時間為1200秒。

3.4 測點及切片設置

根據建筑特點，以建筑幾何中心向東南西北四個不同方向各設置6個間隔為1m的測點，測點主要測試火災燃燒時的溫度，用于評估火災的危險性及火災蔓延趨勢。同時在高度1.6m處設置溫度、能見度等參數的切片，以便觀察火災對成人的影響程度和蔓延規律(如圖7所示)。

圖7 測點及切片位置示意圖

3.5 通風條件設置

通風條件是影響火災產生和蔓延的重要因素，在磚木結構建筑中，木材燃燒釋放出大量煙氣，考慮到建筑室內空氣滯留問題[9]，若建筑內通風條件差，必然會導致室內氧氣濃度持續下降，從而導致火焰熄滅，但是此時室內溫度遠高于木材著火點，若有新的通風口出現，必將在一瞬間引起回燃，甚至于轟燃。因此本次模擬重點分析了通風條件在常規自然改變中的火災蔓延趨勢，這對了解木結構民居建筑火災蔓延特征具有較強的必要性。另外民居古建筑構件本身具有一定的通風間隙，同時考慮到古建筑窗紙易燃特性，因此在模型設置中除了必要的間隙外，單獨設置有門和窗的通風口，并通過在窗戶及門表面設置多個控制點，當溫度達到窗紙著火點時，開放部分窗戶通風口，進而當溫度達到木材著火點時，開放全部門窗通風口。

4 模擬結果與分析

模擬場景中內門窗通風口均為門窗燃燒后開啟，模擬過程中經過多次調試后模型計算完成，同時后處理器 Smokeview 程序運行正常，3D 圖像運行符合設計要求。

4.1 熱釋放速率

隨著火源逐漸燃燒，室內氧氣濃度不斷降低，當200s時，室內火焰逐漸開始減弱，隨著熱釋放率下降室內溫度開始降低，直到300s時，東墻北窗被引燃，形成新的通風口，含氧量的增加使得室內北側家具開始燃燒，熱釋放速率迅速增加到2000kW。當500s時，北窗燃燒殆盡，通風口面積擴大，提供了大量的氧氣，熱釋放速率迅速增加，廂房木墻及部分家具發生燃燒，逐漸熱釋放速率達到最大值。但由于整個模擬過程中，門以及東墻南側窗戶表面溫度未達到木材及窗紙的著火點，室內氧氣濃度逐漸無法滿足燃燒的需求，火災由燃料控制型轉變為通風控制型，故而熱釋放速率隨氧氣濃度的變化波動較大，熱釋放速率最大值為3000kW(如圖8所示)。

圖8 場景熱釋放速率-時間曲線

4.2 溫度模擬分布

由于建筑北面、西面、南面均為磚墻，隔熱效果明顯，室外測點溫度基本無明顯變化。而建筑東面為木墻，熱傳遞性能好，且木墻燃燒后，會形成大面積通風口，加速熱煙氣往室外環境中擴散，故建筑東面成為火災蔓延的主要方向[10]。將初始溫度設置為10℃，從建筑內部來看(即距離為0m的測點)，北面、西面、南面溫度曲線斜率較大，在200s時溫度上升至250℃，在250s-300s時氧氣濃度降低，溫度出現下滑，當300s-400s時，東墻北側窗戶燃燒形成通風口，氧氣濃度上升，溫度隨之上升(如圖9所示)。

圖9 場景各測點溫度隨時間變化圖

通過建筑四周的測點數據可以看出，南側溫度波動較小，在400s時溫度上升至250℃，隨后400s-1100s時在250℃左右上下波動，1100s-1200s出現上升趨勢，溫度達到最大值350℃。西側溫度波動較大，在370s時溫度突增至400℃，隨后溫度降至250℃，在400s-1100s期間，溫度在250℃左右上下波動，在1100s-1200s期間呈現緩慢上升趨勢。北側溫度波動較大，在400s時溫度上升至350℃，隨后400s-700s時，溫度降至200℃并在其左右上下波動，在700s-1200時，溫度突增至400℃，隨后溫度在300℃左右上下波動。相比其它方向，東側溫度變化緩慢，在0-700s期間緩慢上升，700s左右溫度突增至250℃，在800s-1100s期間溫度降至50℃并在其左右上下波動，在1100s時溫度突增至300℃，在1100s-1200s期間，溫度在250℃-300℃期間上下波動。

從建筑室內情況來看，室內溫度的提升與熱煙氣運動密切相關，火源燃燒釋放了大量高溫煙氣，受到磚墻及木墻的阻隔，大量煙氣在屋頂堆積，致使溫度升高。由于磚墻良好的隔熱和密閉性，北面、西面、南面幾乎不受外部冷空氣的影響。而作為東側木質墻隔熱和密閉性較差，在冷空氣和室內熱煙氣的交互作用下，溫度很難有大的提升。其在700s、1100s時由于木墻部分燃燒造成溫度突增。但截止1200s木墻仍未出現大面積燃燒，這與東面溫度較低不能達到其著火點有直接關系。

從建筑室外情況來看，北面、西面、南面由于磚墻的分隔，各測點溫度基本無明顯變化，故僅選取火災蔓延方向-東面進行分析。東面室外5個測點溫度曲線斜率較低，溫度提升緩慢，距建筑1m、2m、3m、4m、5m的各測點穩定溫度分別為80℃、70℃、60℃、50℃、30℃，僅距離為1m的測點溫度峰值達到150℃，其余測點峰值均在100℃以下。在東面測點溫度逐漸上升過程中，由于受木墻的阻隔及室外溫度較低的影響，各測點溫度均遠遠低于木材著火點，火災蔓延存在“有心而力不足”的現象。

從消防撲救角度看，場景中建筑室內溫度達到木材著火點253℃用時在200s左右，此時室內氧氣已不足以維持燃燒，但木窗并未完全燃燒，因此在防火操作過程中可以對木墻表面潑水即可大大減小新通風口形成的機會，避免火勢加重。若東墻北側窗已經燃燒，新通風口已經形成，此時室內有一定的氧氣來源，此時應在防止木墻繼續燃燒的同時，盡可能降低室內溫度，可通過消防栓，向建筑表面及室內噴水降溫，同時注意建筑結構的完整性，避免建筑垮塌。

4.3 能見度分析

伴隨著煙氣的不斷釋放和擴散，火災發生50s時室內的能見度降低至10m以下，火災發生至300s時，室內能見度基本為0m，同時大量的高溫煙氣從東墻北側窗擴散并作用于室外的平臺，使其能見度下降至10m左右，500s時外部平臺北側能見度降至6m左右，平臺南側能見度降至12m(如圖10所示，從上往下為t=100s、t=500s、t=1000s時的瞬時能見度分布)。因此，通過對火災場景能見度結果分析，當廂房發生火災后，室內能見度在短短300s內即對人員視線造成嚴重影響，同時由于北側窗戶燃燒，使得煙霧得以擴散，并大大降低了室外平臺的能見度，影響人員安全疏散。建議在主入口附近安裝排煙設施，同時設置室內外疏散標識，指導人員迅速有序疏散。

圖10 場景能見度變化分布圖

5 結論

本文在對羅家大院傳統民居建筑現場數據的收集測量基礎上，通過FDS軟件模擬分析火災發生的全部過程，將不同階段火災場景的演變特征進行量化分析，依據并參照普適場景下的溫度變化、氧化物濃度變化、能見度等結果，針對性提出西北地區木結構民居建筑的防火工作提出具體的措施手段。經仿真模擬結果驗證，通過精確測繪和火災數值模擬結合的方法可以真實有效地預判傳統村落木結構民居建筑火災情況，進而提出具有針對提出防火策略，適用于古建筑火災預警和防火撲救工作的順利開展。主要具體防火建議如下：

1)古建筑火災荷載密度大，一旦發生火災，煙氣會快速擴散至整個室內，不同場景下火災煙氣蔓延方向基本相同，大量煙氣擴散至屋頂處后開始水平蔓延，當充滿整個屋頂后開始垂直沉降[11]。因此，在火災發生初期，人員安全疏散過程中可采用半蹲式、匍匐式行走，降低煙氣對自身的影響。

2)古建筑發生燃燒后，室內溫度和氧氣濃度作為其火災蔓延的重要條件，影響著火災發展速度。單體建筑在不同通風條件下的火災模擬中，門在500s被打開時為最不利火災情況，此時北側窗戶已經燃燒殆盡，實際消防撲救中可以窗戶、門等通風口位置是否燃燒作為依據，判斷火災發展階段，采取相應消防措施[1]。

3)場景中火災自然發展，受氧氣濃度限制并未發生轟燃，究其原因與室內可燃物僅保留較少的木質家具有直接關系，木材雖然易燃，但其著火點較紙屑、棉織物而言高了不少，沒有了紙屑及棉織物的助燃，木材很難發生大規模燃燒。由此可見，將極易燃燒的紙屑、棉織物與火災隱患點分離可有效防止火災擴散。在村落防火宣傳方面，可以作為重點宣講內容進行防火知識普及。

4)火災蔓延過程中，東面熱輻射較其它三面大，溫度隨著距離的增加而降低，間距為5m時，局部溫度可達100℃；由于古建筑磚墻保護，使得其它三面熱輻射傳遞受限，室外溫度基本不受室內影響。古建筑中房間狹小、可燃物密度大的房間發生火災時達到轟燃的時間較短，應加強對院落和建筑室內角落空間的監管，減小火災發生的幾率，降低損失。