FDS軟件在三坊七巷火災風險評估中的應用研究

李凌楓 劉舒媛

(福州軌道交通設計院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

福州三坊七巷歷史文化街區(簡稱“三坊七巷”)由東西走向的3個坊7條巷和1條南北走向的中軸街肆(南后街)組成，與朱紫坊歷史文化街區烏山和于山歷史風貌區鄰近，是福州歷史文化名城中古城風貌的核心組成部分[1]。“三坊七巷”基本保留著明清時期的格局，涵蓋有保存較為完好的明清古建筑近200座。以眾多的文物古跡名人故居和民居街巷為載體，是福州市最具代表性的“明清民居古建筑博物館”。歷史文化街區的保護需要遵循科學規劃嚴格保護的原則，要保持和延續其傳統格局和歷史風貌，維護歷史文化遺產的真實性和完整性，繼承和弘揚中華民族優秀傳統文化，正確處理經濟社會發展和歷史文化遺產保護的關系[2]。

歷史文化街區在進行消防規劃保護維修和改造建筑過程中，難以簡單地執行現行國家消防技術規范。通過對“三坊七巷”的火災風險評估，可以充分了解“三坊七巷”面臨的消防安全狀況，提高消防安全決策的科學性，減少火災事故的發生，特別是防止重大惡性火災事故的發生。相關研究成果，也可以為街區消防規劃的編制提供數據和支持，并根據街區內消防安全的客觀要求和火災風險的高低輕重緩急，提出相應的改造方案和建議，解決或減少街區內消防安全隱患[3]。

1 FDS軟件模型建立

火災的蔓延方式，有飛火延燒熱傳導熱輻射等。當可燃物為離散布置時，飛火和熱輻射是火災在建筑物間蔓延的重要途徑。

美國防火研究基金會(NFPRF)提出的火災風險評估方法，按照表1中列出的輻射熱通量范圍對材料的可燃性進行分類。

表1 點燃能力及對應的熱通量

注：括號內為常用值。

本研究保守地將熱輻射通量為10kW/m2，作為判定火災是否蔓延出著火區域的極限熱輻射通量。為確定三坊七巷街區內某典型建筑發生火災對周圍建筑的影響，本次模擬采用了火災動力學模擬軟件Fire Dynamics Simulator，簡稱FDS，通過數值方法求解湍流方程，分析燃燒過程中的煙氣擴散和熱傳導，包含燃燒模型熱輻射模型和熱解模型等[4-5]。FDS偏微分方程組解的核心算法，是一種顯式的預測-糾錯的方法，時間和空間的精度為二階，計算中渦流處理方式為大渦模擬，處理火災煙氣流場，具有較好的精度。FDS在建模時，只能建立矩形模型。因此，對于本建筑中的圓弧，采用了以折線代替弧線的處理方式。圖1為模型效果圖。

圖1 模型效果圖

在設計火災場景時，需要確定火源位置火災發展速率火災的可能最大熱釋放速率消防設施的作用等要素。火源位置設計在三坊七巷街區內某典型建筑距離相鄰建筑的一側，在該側墻體上留有窗戶及門等開口。一旦發生火災，火災和高溫煙氣的熱輻射可能引燃相鄰建筑內的可燃物，導致火災的蔓延。

火災增長速率是衡量火災危險性的重要指標。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：

Qf=α(t-t0)2

(1)

式中：Qf-火源熱釋放速率，kW；

α-火災增長速率，kW/s2；

t-火災的燃燒時間，s；

t0-火災的陰燃時間，s。

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，可以簡化為式(2)：

Qf=αt2

(2)

2 火災場景設置

火災場景A：建筑一層的次房著火，3個窗戶全開，次房門打開。火源熱釋放速率5MW。

火災場景B：側門附近的門道內堆放的可燃物發生火災，并引燃次房內的可燃物，門道內可燃物的最大熱釋放速率為3MW，次房內的最大熱釋放速率為5MW。火災增長速率α=0.04689kW/s2，火災場景及火源位置如圖2所示。

圖2 火災場景及火源位置

3 火災場景模擬

將初始條件輸入到FDS中進行模擬，火災場景A的模擬結果見圖3～圖5所示。

圖3 火災中產生的煙氣分布情況

圖4 火災中熱釋放速率分布圖

(a)距著火建筑側墻1.0m處熱輻射強度縱向切面

(b)距著火建筑側墻2.5m處熱輻射強度縱向切面

(c)距著火建筑側墻4.0m處熱輻射強度縱向切面圖5 熱輻射強度分布圖

將火災場景B初始條件輸入到FDS中進行模擬，模擬結果如圖6～圖8所示。

圖6 火災中產生的煙氣分布情況

圖7 火災中熱釋放速率分布圖

(a)距著火建筑側墻1.0m處熱輻射強度縱向切面

(b)距著火建筑側墻2.5m處熱輻射強度縱向切面

(c)距著火建筑側墻4.0m處熱輻射強度縱向切面圖8 熱輻射強度分布圖

4 模擬結果分析及結論

通過設定火災場景下火災蔓延和煙氣運動的模擬計算，可以得到如下結論。

(1)不同火災場景及防火間距下，相鄰建筑外墻所受到的最大熱輻射強度，如表2所示。

表2 不同防火間距下相鄰建筑物外墻所受最大熱輻射強度

(2)距離建筑外墻4.0m以外的熱輻射強度小于10 kW/m2，火災不會通過熱輻射蔓延至相鄰建筑。

(3)距離建筑外墻2.5m～4.0m范圍內的輻射強度可能大于10 kW/m2，火災可能通過熱輻射蔓延至相鄰建筑，應對墻上的開口采用進行保護措施，防止火災蔓延。

(4)距離建筑外墻2.5m范圍以內的輻射強度遠大于10 kW/m2，應避免在墻上設置開口或設置噴淋系統，防止火災蔓延。

5 提出建議及措施

對照主要風險因素，對三坊七巷歷史文化街區整體的火災風險控制提出建議及措施：

通過上述模擬發現，該典型院落的消防薄弱點位于門窗等開院落開口處。由于三坊七巷歷史文化街區內很多建筑為磚木或木結構建筑，其可燃物多，耐火等級低，在火災中往往出現屋頂坍塌的情況。根據《福州市歷史文化街區消防專項設計導則》中關于消防給水系統的描述：消防給水系統宜結合地形特征，采用常高壓或臨時高壓給水系統。在保持建筑原貌的前提下，進行安裝設置。在連廊處加裝高壓細水霧滅火設備。細水霧滅火設備將水流分解成細小霧滴進行滅火或防護，具有無環境污染滅火迅速耗水量低對防護對象破壞性小保護方式靈活。快速響應救火需求，及早撲滅火災，減低火勢的蔓延。

在不影響歷史文化建筑風格的基礎上，對在門窗柱梁仿椽斗拱等主要木質構件(特別是悶頂內的梁架等)的表面涂刷或噴涂防火涂料，以降低木材燃燒性能。普通歷史建筑主要的承重構件樓梯，采用不燃或難燃材料；新建建筑，可采用傳統材料和型制，當使用木質構件時，木材應經過阻燃處理，且應達到B級。這樣，即提高了構件的耐火極限，同時保持了古建筑中構件的原貌。

對于位于消防分區邊界長時間不使用的門窗，可以進行封堵，使其處于常閉狀態。用防火封堵材料對木梁木柱等構件中的開裂縫隙木構架中的連接處進行封堵，在火災發生時，防止火勢的蔓延通道。具體措施：①當消防分區之間的距離小于《建筑設計防火規范》 GB50016-2014要求的最小距離但不小于4.0m時，分區之間的墻采用防火墻設計，防火墻上的開口采用防火門窗進行保護。②當消防分區之間的距離小于4.0m但不小于2.5m時，分區之間的墻采用防火墻設計，墻上的開口采用防火門窗進行保護，并在附近設置消火栓接口連接屏障式水幕水槍或移動式消防水炮進行防火保護。其中，屏障式水幕水槍噴頭為扇形，噴出的扇形水幕可形成12m～15m的保護半徑；移動式消防水炮體積小重量輕操作簡便靈活可靠，特別適用于消防車難以進入的區域。③當消防分區之間的距離小于2.5m時，分區之間的墻采用無孔洞的防火墻；當確有必要開口時，開口采用防火門窗進行保護，并在該防火墻一側的建筑內設置自動噴水滅火局部，應用系統(或簡易自動噴水滅火系統)。

加強組織領導建立管理制度明確管理職責；嚴格控制火源規范電氣管理，清除火災隱患；加強消火栓火災探測器火災報警裝置滅火劑等消防設施的管理；加強安全疏散設施的管理，保證消防應急照明安全疏散指示標志應完好有效，確保疏散通道安全出口的暢通。強化宣傳教育，提高人員消防安全意識。