某古鎮商鋪建筑火災蔓延數值模擬分析研究

摘要：針對某古鎮商鋪建筑耐火等級低、防火間距不足而等問題，運用FDS5.6軟件進行了商鋪建筑火災蔓延數值模擬分析，分析結果表明：在5MW火災規模下，火災發生后，114s～125s內，頂棚將被引燃，火災開始豎向蔓延。178s后，轟燃已發生，火災進入全面燃燒階段。302s～324s（5.02min～5.4min）內，距商鋪2.5m處另一商鋪將被引燃，火災開始水平蔓延。分析結果可為古鎮制定有針對性的火災報警、防火分隔、人員疏散等預案提供技術依據。

關鍵詞：火災蔓延；數值模擬；古鎮消防安全

0 前言

近年來，全國各地圍繞古村古鎮開發的旅游業得到蓬勃發展，極大地促進了當地經濟的發展。但古村古鎮也存在建筑物耐火等級低、防火間距普遍不足等先天火災隱患，極易發生連片燃燒的火災。如2014年以來，云南香格里拉獨克宗古城、貴州鎮遠侗寨、湖南洪江古商城、云南麗江束河古鎮、云南巍山拱辰樓等相繼發生火災，給人民生命財產、歷史文化造成了巨大損失。由此，掌握古村古鎮建筑火災蔓延特性，并采取針對性的火災預防措施，對降低古村古鎮火災風險有重要意義。

本文擬對某古鎮商鋪建筑開展火災蔓延數值模擬分析，研究商鋪建筑火災水平和豎向蔓延情況，為該古鎮火災防治提供技術參考依據。

1 古鎮概況

該古鎮是以休閑、購物、觀光為特色的旅游古鎮，古鎮主體部分是沿南北方向分布的一條300余米長的大街，街寬2.5m，沿大街依次分布10～30m2大小不等的商鋪，其中南大街以特色小吃為主，北大街以旅游工藝品、古玩、字畫為主。商鋪建筑結構以磚木結構、木結構為主，建筑層數以一層為主。古鎮平時日均客流量在3000人左右。

古鎮由于建筑物耐火等級低、防火間距嚴重不足、基本無防火分隔，火災蔓延風險較高。一旦發生火災，極有可能造成火燒連營的現象。因此，有必要研究古鎮商鋪建筑火災蔓延特性，為火災防治措施提供參考依據。

2 古鎮商鋪建筑火災蔓延分析

2.1 火災場景設計

老街所有商鋪中，飯店類商鋪火災荷載較多，火災危險性較高，根據“可信且最不利”原則設定老街中某飯店商鋪發生火災，火災時簡易噴淋失效，采用自然排煙。火源設置在飯店大廳靠近南大街位置處，既考慮火災豎向蔓延，也考慮水平蔓延情況。火源具體位置如圖所示。

模擬分析中，考慮一組桌椅（每組為1張餐桌、4把座椅組成）著火，火災增長類型為t2快速增長火。一張木制餐桌的火災規模為2MW。依據“THE SFPE HANDBOOK OF Fire Protection Engineering（Third Edition）”，NIST曾對某些家具進行過火源熱釋放速率試驗測試，單張座椅的最大熱釋放率為0.3MW。

通過計算得一組桌椅著火的火災規模為3.2MW（4×0.3+2=3.2MW），本文在此考慮一定的安全系數（1.5），將無自動滅火系統控制下餐飲區火災規模定為5MW。

根據以上內容，最終確定古鎮商鋪建筑火災場景如表1所示。

2.2 總體模型

模型分析采用NIST發布的CFD軟件FDS5.6進行建模和相應的數值模擬分析。模型為2層樓，有人字形屋頂。長14.7m，寬8.2m，層高2.2m，有兩部樓梯，樓梯寬度為1.1m，CFD模型如圖2所示。

2.3 CFD假設

此CFD模型中所采用的主要假設條件包括：

（1）初始的建筑內部與外部溫度相同；

（2）無外部風，通風氣流和煙氣均視為理想氣體；

（3）在探測到火災后，所有通向外部的門應保持開啟狀態，所有側窗或頂窗開啟狀態；

（4）忽略阻礙物和人員對氣流的阻礙，以及人員疏散時對氣流的擾動影響；

（5）忽略排煙系統和氧氣含量對火源釋熱速率的影響。

2.4 火災蔓延判據

商鋪建筑結構為磚木結構，主要承重構件如梁、柱均為木結構，因此模擬分析中火災蔓延主要考慮木材的火災蔓延特性。

火災蔓延方面的判據主要通過兩方面來刻畫。一方面是木材被引燃，此時認為火災蔓延已經開始。另一方面是轟燃，轟燃的發生意味著火災已經進入完全燃燒階段。木材的引燃通過溫度和熱流量來表征。根據文獻1中所述，木材被引燃的溫度在250℃～300℃，臨界引燃熱流量值在10～13kw/m2。

轟燃的定量描述一般有兩種。一種是以地面的熱流量達到一定值為條件。通常認為，處于室內地面上可燃物所接受到的熱流量達到20kw/m2就可以發生轟燃。另一種方式是以頂棚下的煙氣溫度接近600℃為臨界條件。

2.5 結果分析

根據模擬分析需要，本次數值模擬分析共分析兩個主要熱物理量——溫度和熱流量。布置的測點有三個，分別是火源正上方頂棚處煙氣溫度測點T1，火源正上方頂棚煙氣熱流量Q1，飯店南大街對面墻壁熱流量Q2。

頂棚煙氣溫度測點T1模擬值隨時間變化的曲線如圖3所示。頂棚煙氣熱流量Q1模擬值隨時間變化的曲線如圖4所示。飯店南大街對面墻壁熱流量Q2模擬值隨時間變化的曲線如圖5所示。

從圖3中可以看出，頂棚煙氣層溫度T1在前270s內一直處于不斷上升的過程，270s后，溫度維持在大概600℃左右。其中，在175s處，溫度處于251℃，221s處，溫度值達到301℃。根據2.4火災蔓延判據，可以得出：火災發生后，175s～221s內，頂棚將被引燃，火災開始豎向蔓延。270s后，轟燃已發生，火災進入全面燃燒階段。

從圖4中可以看出，頂棚煙氣層熱流量Q1在前307s內一直處于不斷上升的過程，307s后，溫度維持在大概60kw/m2左右。其中，在114s處，熱流量值達到10.3kw/m2；在125s處，熱流量值達到13.0kw/m2；178s處，熱流量值達到20.8kw/m2。根據2.4火災蔓延判據，可以得出：火災發生后，114s～125s內，頂棚將被引燃，火災開始豎向蔓延。178s后，轟燃已發生，火災進入全面燃燒階段。

從圖5中可以看出，飯店南大街對面墻壁熱流量Q2在前324s內一直處于不斷上升的過程，324s后，溫度維持在大概13.2kw/m2左右。其中，在302s處，熱流量值達到10.1kw/m2；在324s處，熱流量值達到13.2kw/m2。根據2.4火災蔓延判據，可以得出：火災發生后，302s～324s內，飯店南大街對面將被引燃，火災開始水平蔓延。

3 結論

筆者根據某古鎮商鋪建筑實際情況，采用FDS5.6進行了建模和火災蔓延數值模擬分析，對結果進行了分析，分析結果表明：

（1）在飯店5MW火災規模下，火災發生后，114s～125s（1.9min～2.08min）內，頂棚將被引燃，火災開始豎向蔓延。178s（2.97min）后，轟燃已發生，火災進入全面燃燒階段。

（2）火災發生后，302s～324s（5.02min～5.4min）內，飯店南大街對面將被引燃，火災開始水平蔓延。

（3）建議古鎮根據以上火災蔓延臨界點時間制定有針對性的火災報警、防火分隔、人員疏散等預案，以保障古鎮建筑內及街道人員安全。

參考文獻

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作者簡介：陶慶，男，上海市公安消防總隊浦東支隊第六大隊助理工程師，主要從事消防監督檢查，火災事故調查等工作。