考慮不同場景的磚木結構古建筑火災特征研究*

袁春燕，鄭高凱，郎雨佳，王鵬飛

(1.長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061；2.鄭州市永威置業有限公司，河南 鄭州 450046)

0 引言

古建筑(群)火災頻發。磚木結構古建筑一旦發生火災將遭到嚴重毀壞。這是由于磚木結構古建筑具有很高的火荷載密度[1]，潛藏巨大火災危險性。據統計，建筑面積為1 m2的古建筑約需耗用1 m3的木材[2]。具有數百年歷史的磚木結構古建筑，其結構體系遭受侵蝕和風化，木材含水率極低，極易燃燒[3],且火災一旦發生，會很快蔓延。對不同場景的磚木結構古建筑在火災中重要火災因素發展規律的研究，能為古建筑的性能化防火提供科學參考依據。

已有對古建筑火災的研究，大多體現在對火災發展和蔓延規律的研究。江師詠[4]對設計的九華山典型古寺廟的火災場景進行了模擬計算，得出火災相關參數的變化規律；肖國清等[5]通過觀察煙氣擴散和動態升溫過程，分析煙氣擴散和升溫規律，對比分析不同疏散路線上溫度、煙氣層高度和能見度的數據變化規律。在木結構建筑群火災蔓延特性[6]、火災的蔓延規律和發展以及古建筑性能化防火方面，學者們取得了一些研究成果[7-9]。

為研究磚木結構古建筑不同空間位置遭受火災時的發展及蔓延規律，以600多年歷史的韓城市黨家村賈祖祠為研究對象，研究在不同火災場景下，磚木古建筑火災燃燒過程中溫度、煙氣濃度等相關參數的變化。

1 模型建立

韓城市黨家村民居以典型的四合院空間布局，賈祖祠是黨家村民居中一級保護建筑的代表，賈祖祠平面及剖面布局如圖1～2所示。賈祖祠主房祠堂至大門方向長約22.5 m，南廂房至北廂房方向長約10.5 m，高度以建筑室內凈高計算，主房高約8.93 m，南北廂房高約5.39 m，大門門廳高約6.75 m。

圖1 賈祖祠平面示意Fig.1 Plan of Jia-ancestral shrine

圖2 賈祖祠剖面示意Fig.2 Profile of Jia-ancestral shrine

以調研測量繪制的CAD圖紙為基礎，對于規則墻體采用2D形式建模，其他不規則墻體或復雜構件采用3D形式[10]。依據調研所測數據確定模型中材料的參數，主房建筑內部家具等陳設與實際情況相符，神社和兩側廂房處的內部可燃物進行少量替代。為更好地研究該建筑火災時的狀況，將周圍路況加入模型當中。模型內外視圖如圖3～4所示。

圖3 賈祖祠模型內部示意Fig.3 Internal view of Jia-ancestral shrine model

圖4 賈祖祠模型外部示意Fig.4 External view of Jia-ancestral shrine model

2 參數及場景設置

2.1 火源功率及場景設置

由于該四合院內的燃燒物主要為木制家具或構件，所以模擬中的燃燒過程用t2增長火進行描述[11]，利用火災過程中最大熱釋放速率進行計算[12]。t2火模型的增長類型可劃分為4個等級，具體表達式見式(1)：

Q=αt2

(1)

式中：Q為火源功率，kW；t為時間，s；α為火源增長系數，kW/s2；其中，增長系數分為超快速、快速、中速、慢速4種類型，火源功率的增長系數見表1。

表1 t2火源功率增長系數Table 1 Growth coefficients of t2 fire source power kW/s2

根據木材的燃燒特點，結合該建筑內木材歷經數百年的侵蝕、風化，含水率極低，極易燃燒的特性，故選擇快速增長類型，取α=0.046 890。對于最大火源功率可根據表2最大熱釋放速率依據進行確定，即選取Q=8.0 MW。將Q，α代入式(1)可得火災發展過程符合t2火模型的時間為t=413.05 s，因此，為研究火源功率快速增長點及之后火場特征變化，模擬時間設為1 200 s。

表2 最大熱釋放速率確定依據Table 2 Basis for determination of maximum heat release rate

結合對黨家村賈祖祠的實地調研和收集數據的統計分析[3]，確定火災場景。賈祖祠主房大廳牌位供臺處易燃物多，且有蠟燭及香火等，火災危險性大，由此確定為火災場景1；在主房與廂房中間設有伙房，并有不規范用電，是火災危險源，確定為火災場景2。具體火災場景布置如圖5所示。

圖5 火災場景1，2Fig.5 Fire sceneⅠ and Ⅱ

2.2 網格劃分

采用PyroSim軟件模擬時，為判定運算區域網格劃分是否合理，使用基于傅里葉快速轉換公式(FFTs)的泊松分布法進行驗證[13]。單元格的尺寸符合2u，3v，5w(u，v，w均為整數)基數的要求，且各坐標軸上的單元格數應確保為合數。網格劃分時，按式(2)進行驗證：

(2)

式中：D*為火災特征直徑，m；Q為火源功率，kW；T0為環境溫度，℃；Cp為定壓比熱，J/(kg·℃)；ρ0為環境初始密度；g為重力加速度，m/s2；

2.3 測點及切片設置

為測量古建筑發生火災時的溫度、CO質量濃度及摩爾濃度、能見度、風速等火災參數，依據2個設定的火災場景，各測點布置情況如圖6～7所示。

圖6 場景1各測點布置情況Fig.6 Layout of each measuring point in sceneⅠ

圖7 場景2各測點布置情況Fig.7 Layout of each measuring point in sceneⅡ

為觀測成人目測高度位置火災參數變化及火災危險性，在H=1.65 m處設置切片，如圖8所示。

圖8 高度1.65 m處切片設置示意Fig.8 Slices setting at a height of 1.65 m

3 火災場景1模擬分析

3.1 溫度

火災場景1中各測點溫度隨時間變化曲線如圖9所示。將室溫20 ℃設為初始溫度，由圖9可知，測點1在0～200 s穩定上升至250 ℃，隨后曲線斜率驟然增加，300 s左右達到700 ℃，300～400 s溫度極不穩定，溫度值波動劇烈，400 s達峰值750 ℃，隨后至1 200 s之間曲線較穩定，溫度值在500 ℃上下波動。測點2前期變化并不明顯，400 s以前幾乎維持在20 ℃，之后緩慢上升，大約1 000 s到達峰值100 ℃，大部分時間段維持在50 ℃左右。測點3，4曲線在0～1 200 s內未出現明顯變化。

圖9 各測點溫度隨時間變化Fig.9 Curves of temperature changing with time at each measuring point

以上分析說明：火災發生中，主房祠堂內溫度急劇上升，400 s左右達到峰值750 ℃，而后漸漸趨于穩定，在500 ℃上下波動。測點2，3，4距離火源較遠且中間存在隔墻，溫度變化并不明顯。

3.2 CO濃度

火災場景1中各測點CO質量濃度隨時間變化的曲線如圖10所示。

圖10 各測點CO質量濃度隨時間變化Fig.10 Curves of CO concentration changing with time at each measuring point

測點2，3，4未發生明顯變化，測點1濃度曲線大致可分為3個階段：

①穩定上升階段(0～200 s)：該段CO濃度穩定增長，200 s時質量濃度為0.001 5 kg/m3。

②波動階段(200～400 s)：該段CO濃度波動較大總體保持上升狀態，質量濃度達到0.003 kg/m3。

③平穩下降階段(400～1 200 s)：該段CO濃度有小幅度下降，但下降趨勢極緩，質量濃度在0.002 kg/m3上下波動。

分析得：主房內CO質量濃度大約50 s后迅速上升，在400 s左右達到峰值，而后趨于穩定，說明祠堂火災發生后，產生的大量CO氣體會迅速彌漫整個祠堂區域。

3.3 能見度

火災場景1中各測點能見度隨時間變化曲線如圖11所示。

圖11 各測點能見度隨時間變化Fig.11 Curves of visibility changing with time at each measuring point

測點1在大約50 s時開始急速下降，測點2在大約500 s時出現劇烈波動，測點3，4并未出現明顯變化。由此分析可知：火災發生50 s后，祠堂內的能見度迅速下降，能見度幾乎為0 m，兩側神社處也受到影響，能見度出現劇烈變化，而中庭和門口處由于距離較遠未出現明顯變化，能見度良好。

3.4 測點風速

火災場景1中各測點風速隨時間變化的曲線如圖12所示。測點1在30 s左右開始上升，至200 s時達到4 m/s，200～300 s之間雖有下降狀態，但整體呈上升趨勢，300 s達到峰值10 m/s，300～400 s發生劇烈震蕩，呈下降趨勢，400 s之后趨于穩定，風速穩定于4 m/s左右。而測點2，3，4在300 s左右開始有小幅度上升，但風速仍保持在1 m/s以下，變化并不顯著。

圖12 各測點風速隨時間變化Fig.12 Curves of wind speed changing with time at each measuring point

由圖12可知，火災發生后50 s左右，祠堂內空氣受熱輻射等影響，會發生明顯的熱對流現象，其內風速發生劇烈變化，且不穩定，最高達10 m/s，而祠堂外至大門處，雖有一定影響，但并不顯著。

4 火災場景2模擬分析

4.1 溫度

火災場景2中各測點溫度隨時間變化的曲線如圖13所示。由于火源位于主房和廂房之間的神社處，距中庭院落較近，幾乎直接與外界相連，故火災發生后，測點1，4溫度未出現明顯變化，而測點2，3處在熱量交換或擴散地帶，溫度發生顯著變化。由于400 s左右熱量擴散至測點2(門窗處于敞開狀態)，導致廂房溫度有一定幅度的上升，后穩定于28 ℃左右。測點3溫度變化最為明顯，由于熱量交換中出現較大的空氣對流，致使此處溫度出現劇烈波動，峰值達55 ℃，整體在30 ℃上下波動。

圖13 各測點溫度隨時間變化Fig.13 Curves of temperature changing with time at each measuring point

4.2 CO濃度

火災場景2中各測點CO濃度隨時間變化的曲線如圖14所示。各測點摩爾濃度在0～200 s之間基本無變化，200 s之后測點3明顯波動，波動幅度很大，峰值可達0.000 18kg/m3。測點2在400～600 s有微小變化，濃度值仍處在很低水平。而測點1，4自始至終無明顯變化。

圖14 各測點CO濃度隨時間變化Fig.14 Curve of CO concentration at each measuring point over time

因此場景2中，神社處火災產生的CO會波及至與外界相連處，由于空氣流動的原因，該處CO氣體會產生明顯的波動，主房祠堂、廂房以及大門處影響不明顯。

4.3 能見度

火災場景2中各測點能見度隨時間變化的曲線如圖15所示。由圖15可知，測點1，4基本無明顯變化，能見度維持在30 m。測點2在500,～600s之間產生稍微波動，能見度降到20 m，隨后又恢復原態基本無變化。而測點3變化最為明顯，250 s之后出現往復震蕩，且能見度值極不穩定，最低不足2 m。由此分析可知：該場景下，煙氣濃度變化極不穩定，致使祠堂門口、廂房門口和中庭左側區的能見度較差，且變化劇烈。

圖15 各測點能見度隨時間變化Fig.15 Curves of visibility changing with time at each measuring point

4.4 測點風速

火災場景1中各測點風速隨時間變化的曲線如圖16所示。整體變化幅度均不是很大，只有測點3變化稍為強烈。測點1在0～400 s穩定上升至0.5 m/s，之后穩定于此風速值，但伴有稍微波動，測點2，4風速值始終低于0.3 m/s，測點3變化比較明顯，200 s時風速值上升至1 m/s，之后在1 m/s上下劇烈震動。

圖16 各測點風速隨時間變化Fig.16 Curves of wind speed changing with time at each measuring point

因此，場景2中火災導致的風速變化對古建筑內部的影響并不顯著，影響明顯區域主要集中在與火源較近的走廊和中庭左側。

4.5 火災參數峰值點統計與分析

為更容易區別不同火災場景對古建筑的影響，將場景1，2各火災參數峰值進行對比，數據統計見表3。

由表3可知，場景1中，祠堂門口溫度峰值達750 ℃，CO質量濃度峰值達0.003 kg/m3，可見度幾乎為0 m，風速最高達10 m/s；場景2中，祠堂門口溫度幾乎無變化，院落左側變化顯著，峰值為55 ℃，CO質量濃度峰值為0.000 12 kg/m3，可見度最低2 m，風速最高4.5 m/s，各參數峰值明顯低于場景1。

表3 各火災參數峰值Table 3 Peak values of each fire parameter

對于更易產生嚴重危害的火災場景1，進一步分析：

1)賈祖祠內主廂房火災時易導致轟燃現象。溫度判別是應用最為廣泛的轟燃判據，當試驗房間高度為2.7 m左右，火災發生轟燃的頂棚溫度接近600 ℃；當試驗房間高度為10 m左右，頂棚溫度接近450 ℃，火災發生轟燃[13]。賈祖祠內主房內凈高8.93 m，室內上層熱煙氣平均溫度達到450 ℃即判定為轟燃現象發生。根據圖10，主房在火災發生250 s時，溫度便達到500 ℃左右，會發生轟燃。

2)主廂房內火災煙氣中CO會對人體產生巨大的危害作用。根據人體生理機能報告，當CO質量濃度達到4×10-4kg/m3時，人體處于其中將會有嚴重的生命危險。根據圖10，主房在火災發生250 s時，CO質量濃度已經達到2×10-3kg/m3，遠高于人體產生嚴重生命危險濃度。此時，主房不可再有人員停留，否則有生命危險。

5 結論

1)磚木結構古建筑四合院內，主房祠堂處火源最為不利，且發生火災情況更嚴重。火源附近溫度變化較為明顯。由于風速、熱對流等因素影響，此區域溫度波動很大，極不穩定。祠堂內空間相對封閉，熱量難擴散，易導致轟燃，是防火重點區域。

2)四合院祠堂內空間相對封閉，火災產生的煙氣不能有效擴散，導致主房內部CO濃度急劇上升，且能見度幾乎為0 m，會為消防救援帶來極大困難。

3)綜合分析古建筑空間區域內火場下溫度場、CO濃度、能見度及測點的風速等變化，研究火災發生機理及在設定最大熱釋放速率下的煙氣狀況、熱輻射機理，為磚木古建筑性能化防火設計提供依據。

4)對于具有類似賈祖祠四合院構造形式磚木結構古建筑，不同火災場景火災特性下的分析結果可為此類古建筑消防研究提供可參考依據。