基于FDS的連片木結構房屋控滅火研究

摘要：利用FDS軟件，結合連片木結構房屋傳統古村落現狀，設定火源、滅火設備，模擬多棟連片木結構建筑火災場景，從建筑火災蔓延規律、滅火設施控火和滅火效果及其適用性等方面開展實驗研究，通過系列模擬火災實驗，得到相關實驗參數，從而有效指導連片木結構房屋傳統村落的消防規劃，提高消防設施建設的精準性。

關鍵詞：FDS；連片木結構房屋；傳統村落

木結構房屋耐火等級低，極易發生燃燒，一般會在5～10min發生轟燃[1]。傳統村落連片木結構房屋一般依山就勢而建，連成片狀，建筑密度大，防火間距不足，水源缺乏，救援設施簡易，難以撲滅早期火災。加上交通不便，專業消防救援隊難以及時到達火災現場進行滅火救援。因此，傳統村落連片木結構房屋一旦發生火災，容易造成火燒連營，存在較大的火災隱患[2]。需要對連片木結構建筑的火災蔓延規律、滅火設施控火和滅火效果及其適用性等方面開展實驗進行系統研究。

1 房屋火災蔓延趨勢判定

1.1" 分析方法

在定量分析和判定實體火災實驗火災蔓延規律時，利用火災發展分析工具，設定相應的火災場景，模擬煙氣的運動規律，觀察煙氣運動，并以此為依據指導或與實體火災實驗結果進行整合比較，得出實驗結論。

火災的蔓延方式有火焰接觸、延燒、熱傳導、熱輻射等。當可燃物為離散布置時，熱輻射是一種促使火災在室內及建筑物間蔓延的重要形式。當火災煙氣達到足夠的溫度時，其產生的熱輻射強度將會引燃周圍可燃物，從而導致火災的蔓延。

在防火分隔部位的所有開口孔洞和縫隙均采用防火封堵措施嚴密封堵的條件下，可采用防火分隔體背火面的輻射熱流值作為判定火災是否可以蔓延到相鄰區域的定量標準。

1.2" 判定標準

根據美國消防研究基金會（NFPA）的火災風險評估方法，不同材料的可燃性對應的引燃熱輻射通量在相關實驗中表明，可燃物品被引燃所需的最小熱流量為10kW/m2。當火災的輻射熱為10kW/m2時，相當于煙氣層溫度達到360～400℃。因此，本報告將360℃作為火災在防火區域間蔓延的極限溫度，即煙氣層溫度大于該值時，火災將通過熱輻射在防火區域間蔓延。

1.3" FDS模型

本研究運用目前消防安全工程領域常用的火災動力學模擬軟件FDS，對建筑內的火災發展和煙氣蔓延情況進行模擬分析。

2 火災場景

2.1" 計算模型邊界條件

建筑尺寸：典型建筑實際尺寸；環境條件：環境溫度為23℃；假設火源：火災初期發展規律根據模擬火源設定的火災增長分析設定；燃料類型：木材；模擬時間：1800s或3600s；網格大小：0.25m×0.25m×0.25m。

2.2" 模擬火源設定

2.2.1" 火災增長速率分析

火災增長速率是衡量火災危險性的重要指標，其與可燃物的燃燒特性、儲存狀態、空間擺放形式、是否有自動噴水滅火系統、火場通風排煙條件等因素密切相關。在消防性能化設計中，火災增長速率通常可以根據典型可燃物的火災增長速度或依據火災荷載密度計算[3]。通常，火災的熱釋放速率與火災發展時間關系可用公式（1）表示：

在工程應用中，由于火災陰燃階段對火災蔓延影響較小，通常不考慮火災達到有效燃燒需要的時間，而僅研究火災開始有效燃燒后的情況，故近似取t0=0。因此，火災熱釋放速率隨時間的變化關系可以簡化為公式（2）：

對于t2火災，根據火災增長系數α的數值定義了4種標準t2火災：慢速火、中速火、快速火和超快速火。這些火災的熱釋放速率分別在600s、300s、150s、75s時可達到1MW。

由于村寨內建筑主要使用功能為住宅，因此本研究根據場所內典型可燃物的火災增長速率來確定設定火災場景的火災增長速率。

美國國家標準技術研究院（NIST）、原公安部天津消防研究所以及德國卡爾斯魯厄大學火災防護研究所曾做過一些可燃物的火災增長系數，例如，住宅內的沙發、床墊、衣物的火災增長系數，可認為住宅火災近似為快速火，其火災增長系數α=0.044kW/s2。

2.2.2" 火災最大熱釋放速率分析

根據火災實驗，火災初期常只有少量可燃物參與燃燒。經過一段時間后，才能通過熱輻射作用引燃相鄰區域內的可燃物；隨著時間不斷延長，火源的熱輻射作用逐漸增強，導致鄰近可燃物不斷被引燃，燃燒面積不斷增大。如果火源周圍存在足夠的可燃物，卷入火災的可燃物將會隨著時間的推移而增加，火勢也將不斷增長。根據村寨實際情況，本研究不考慮建筑內自動噴水滅火系統的滅火作用。

村寨內建筑的主要使用功能為住宅，因此本研究根據場所內穩定燃燒時的火災熱釋放速率作為設定火災的最大熱釋放速率。按照美國NFPA92中給出的一些物品的火災規模數據結合村寨實際以及以上相關統計數據綜合考慮，本研究設定火源功率為3MW。

3 計算分析內容及小結

3.1" 研究階段1，四棟房屋火災蔓延方式

建模條件：四棟房屋；環境溫度：23℃；火源：火源位于1號房屋一層；燃燒材料：木材；模擬時間：600s；火源功率：3MW；木屋熱釋放速率為300kW/m2。

小結：單只水炮流量35L/s與40L/s的滅火作用相差不大，見表1、圖1，且均不能起到完全滅火的作用，相比水炮位于房屋正上方的控火滅火方式，水炮位于兩棟房屋之間的控火效果更好。

3.2" 研究階段2，六棟房屋火災模擬場景分析

建模條件：六棟房屋；環境條件：環境溫度為23℃；火源位置：火源位于2號房屋一層；建筑材料：木材；模擬時間：1800s；木屋熱釋放速率為300kW/m2；火源功率：3MW；考慮火從2號房屋一層蔓延至周邊建筑的情況。

小結：在未設置滅火設施的條件下，見表2，在600s時，火源由2號房屋蔓延點燃了其正對面5號房屋；在900s時，4號房屋和6號房屋也被點燃。

水炮在火災初期對火災蔓延起到了一定的抑制作用，但是后期該模型條件下，單只水炮沒能夠起到滅火、控火的作用。

3.3" 研究階段3，八棟木房屋火災場景模擬分析

建模條件：8棟木房屋均勻布置，總尺寸：6.6m×3.6m；環境條件：環境溫度為23℃；燃燒材料：木材；火源功率：1.4MW；模擬時間：1800s。

通過模擬，見表3、圖2，分析可知：

1）在單棟木房屋引燃方式下，采取單股水柱，以40L/s的流量進行控火滅火，總火源功率在火災發生過程中500s達到3MW，500s后保持在8MW，起到了一定控火作用，并未起到滅火的作用。

2）在多棟房屋同時點燃的條件下，40L/s的流量基本不能起到控火和滅火的作用。

3）在單棟房屋引燃方式下，采取兩股水柱，以35L/s的流量進行控火滅火，總火源功率為0.2MW，起到了一定的控火和滅火的作用。

4 結束語

本文利用FDS軟件，設定火源、滅火設備，模擬多棟連片木結構建筑火災場景，從建筑火災蔓延規律、滅火設施控火和滅火效果及其適用性等方面開展模擬實驗研究，得到相關實驗參數，對連片木結構房屋傳統村落的消防規劃、火災防控工作、消防設施建設有一定的參考意義。

參考文獻

[1]袁沙沙，韓騰奔，晏風，等.西南民族村寨火災荷載調查研究[J].工程質量，2021，39（7）：23-27+36.

[2]蔡路，郝愛玲，郭偉.歷史文化街區保護性開發過程中的防火間距問題[J].消防科學與技術，2021，40（12）：1747-1750.

[3]戚玉亮，趙倩，黃柯柯，等.模塊化多層箱型隔離酒店消防性能分析及足尺模型真火試驗研究[J].廣州建筑，2023，51（1）：20-26.