西南民族村寨火災(zāi)荷載調(diào)查研究

袁沙沙，韓騰奔，晏 風(fēng)，相 坤，周欣鑫，王志偉

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

西南民族村寨的代表性建筑為竹樓和吊腳樓等，絕大多數(shù)以木質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，建筑通常不實(shí)施阻燃和防護(hù)處理，房屋防火性能差，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)高。與普通單體木結(jié)構(gòu)建筑不同的是，西南民族村寨受地形地勢(shì)所限，一般依山就勢(shì)而建，房屋鱗次櫛比，連成片狀，建筑密度大，而建筑防火間距嚴(yán)重不足。加之村寨地處偏遠(yuǎn)，水源缺乏、交通不便，一旦發(fā)生火災(zāi)，可借助風(fēng)勢(shì)迅速蔓延，形成“火燒連營(yíng)”的局面，撲救難度極大。據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］，自 2000 年以來(lái)，貴州東南州農(nóng)村村寨共發(fā)生火災(zāi) 3 590 起，死亡 192 人，受傷 105 人，受災(zāi) 21 132 戶，受災(zāi)群眾達(dá) 102 862 人，燒毀房屋建筑面積 198.4 萬(wàn)m2。西南民族村寨火災(zāi)不僅嚴(yán)重威脅少數(shù)民族群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，影響民族經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且還會(huì)對(duì)原生民族文化、原始自然生態(tài)和原貌歷史遺存造成毀滅性破壞。

火災(zāi)科學(xué)中，通常將建筑、空間或區(qū)域內(nèi)部所有可燃物完全燃燒釋放出的總熱量值定義為火災(zāi)荷載，火災(zāi)荷載決定了火災(zāi)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短和室內(nèi)溫度的變化幅度，是預(yù)測(cè)火災(zāi)規(guī)模與火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)。火災(zāi)荷載通常分為固定火災(zāi)荷載、活動(dòng)火災(zāi)荷載和臨時(shí)性火災(zāi)荷載。固定火災(zāi)荷載是指由建筑構(gòu)件和內(nèi)部裝修形成的、基本位置固定不變的可燃材料形成的火災(zāi)荷載，如門(mén)窗、地板；活動(dòng)火災(zāi)荷載是指為了建筑功能的正常使用而另外布置的，位置和數(shù)量可變性較大的可燃物形成的火災(zāi)荷載，如家具；臨時(shí)性火災(zāi)荷載是指被使用人員臨時(shí)放置在建筑內(nèi)并短暫停留的可燃物，具有較大隨機(jī)性和不確定性，通常不予計(jì)算。

我國(guó)對(duì)于火災(zāi)荷載的調(diào)查工作始于 20 世紀(jì) 90 年代，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)通過(guò)實(shí)地調(diào)查和文獻(xiàn)調(diào)研獲得了合肥、煙臺(tái)、天津地區(qū)賓館的火災(zāi)荷載密度均值為330.29 MJ/m2，學(xué)校宿舍的火災(zāi)荷載密度均值為 543.22 MJ/m2；張明振等［2］以杭州市 4 種不同類(lèi)型公交車(chē)為調(diào)研對(duì)象，得到公交車(chē)前部、中部、尾部區(qū)域的平均火災(zāi)荷載密度分別為 494.6 、250.35、569.84 MJ/m2；王中翔［3］調(diào)查了在廊坊、長(zhǎng)治、鄭州及天津 4 個(gè)城市的快餐店、服裝店等 117 家零售類(lèi)商業(yè)店鋪火災(zāi)荷載情況，調(diào)查得到的所有店鋪火災(zāi)荷載密度平均值為 1 230 MJ/m2。目前，我國(guó)各大科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者已經(jīng)對(duì)很多常見(jiàn)場(chǎng)景的火災(zāi)荷載密度進(jìn)行了調(diào)查，涵蓋的場(chǎng)景多、范圍廣，主要調(diào)查對(duì)象集中于人群流動(dòng)頻率較高的公共場(chǎng)所，而對(duì)于地處偏僻的西南民族村寨火災(zāi)荷載調(diào)查研究相對(duì)缺乏。

劉慶等［4］以黑龍江、內(nèi)蒙古、河南、江西、山東 5 省市部分農(nóng)村為代表，進(jìn)行了小范圍的火災(zāi)荷載的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，計(jì)算了室內(nèi)平均火災(zāi)荷載密度，但其調(diào)查范圍主要集中于北方農(nóng)村，房屋建筑風(fēng)格、材質(zhì)結(jié)構(gòu)及排列分布等與西南民族村寨建筑存在較大差異，因此不能為西南民族村寨火災(zāi)荷載調(diào)查研究提供充分參考價(jià)值；韓嘉興［5］采用實(shí)地調(diào)查研究方法對(duì)北京市 12 個(gè)區(qū)域，共計(jì) 77 座古建筑進(jìn)行火災(zāi)荷載調(diào)查研究，統(tǒng)計(jì)古建筑的結(jié)構(gòu)形式與內(nèi)部可燃物分布情況，分析得出古建筑固定火災(zāi)荷載和活動(dòng)火災(zāi)荷載平均值分別為 2 638.3 MJ/m2和 182.98 MJ/m2。古建筑雖然以木結(jié)構(gòu)為主，通常為成組、成群分布，和西南民族村寨有相似之處。但由于古建筑通常有較大尺寸的梁、板、柱、枋、墻等結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其固定火災(zāi)荷載遠(yuǎn)超普通民居；加之古建筑通常年代久遠(yuǎn)，木材高度劣化，其燃燒性能發(fā)生極大改變，因此和西南民族村寨差異較大。

在國(guó)家鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)振興的戰(zhàn)略背景下，西南民族村寨建筑的消防安全問(wèn)題形勢(shì)嚴(yán)峻。火災(zāi)荷載的調(diào)查分析是認(rèn)識(shí)其火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的重要基礎(chǔ)，是人們掌握火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展、蔓延規(guī)律并采取有效消防措施的重要前提。對(duì)此，筆者選取貴州省榕江縣寨蒿鎮(zhèn)高郝村為研究對(duì)象，實(shí)地調(diào)查了西南民族村寨建筑的火災(zāi)荷載，分別計(jì)算了每棟建筑的燃燒總熱值及單位面積的火災(zāi)荷載密度，填補(bǔ)了目前我國(guó)關(guān)于西南民族村寨建筑火災(zāi)荷載調(diào)查的空白，同時(shí)也能為建筑防火設(shè)計(jì)進(jìn)一步發(fā)展提出合理化建議。

1 調(diào)查及計(jì)算方法

1.1 火災(zāi)荷載的調(diào)查方法

本次調(diào)查選用直接調(diào)查法。直接調(diào)查法是在調(diào)查對(duì)象范圍內(nèi)，對(duì)于所有可燃物進(jìn)行逐一、詳細(xì)統(tǒng)計(jì)的方法。在做建筑火災(zāi)荷載調(diào)查前，應(yīng)熟悉其建筑設(shè)計(jì)圖紙、裝修圖紙、制定調(diào)查表格、確定調(diào)查人員、數(shù)據(jù)采集的區(qū)域等。為了使調(diào)查過(guò)程有序進(jìn)行，一般應(yīng)預(yù)先編制建筑可燃物記錄表（見(jiàn)圖 1），調(diào)查內(nèi)容主要包括調(diào)查時(shí)間、建筑物的名稱(chēng)、調(diào)查人員基本信息、建筑類(lèi)型、建筑地址、建筑規(guī)模及裝修狀態(tài)等；其次測(cè)量房間尺寸，確定墻壁、地板和門(mén)窗等材料的類(lèi)型，并且記錄在調(diào)查表格的固定火災(zāi)荷載部分；然后識(shí)別和劃分每個(gè)空間內(nèi)的所有可燃物，記錄在調(diào)查表格的活動(dòng)火災(zāi)荷載部分。至于質(zhì)量測(cè)量方法的選用，對(duì)于小型可燃物，可以采用直接稱(chēng)量方法；對(duì)于固定尺寸較大的大型可燃物，可以采用間接測(cè)量方法，即通過(guò)測(cè)量物體的長(zhǎng)度尺寸計(jì)算出體積，其次利用平均密度估算物體質(zhì)量。

圖1 建筑可燃物調(diào)查記錄表

在進(jìn)行火災(zāi)荷載調(diào)查時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備的可靠性。常用的調(diào)查設(shè)備包括數(shù)碼相機(jī)、電子秤、卷尺、測(cè)距儀等。數(shù)碼相機(jī)用于采集調(diào)查建筑內(nèi)可燃物的布置方式，對(duì)建筑內(nèi)活動(dòng)火災(zāi)載荷進(jìn)行影像存檔，實(shí)時(shí)記錄其狀態(tài)；電子秤用于可燃物的稱(chēng)重；卷尺可應(yīng)用于測(cè)量部分物品的尺寸，如書(shū)本堆積的厚度、桌椅的尺寸等；當(dāng)需測(cè)量尺寸較大時(shí)，可用測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)量，如門(mén)窗或建筑高度的測(cè)量。

本次調(diào)查地點(diǎn)選為貴州省榕江縣寨蒿鎮(zhèn)高郝村，火災(zāi)荷載調(diào)查對(duì)象選取當(dāng)?shù)赜写硇缘南噜?4 間房屋建筑，分別標(biāo)記為 1、2、3、4 號(hào)房，其外部構(gòu)造及現(xiàn)場(chǎng)的空間分布和現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)量圖分別如圖 2、3 所示。

圖2 西南民族村寨建筑分布情況

圖3 現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)量圖（單位：mm）

1.2 火災(zāi)荷載密度的計(jì)算

火災(zāi)荷載是指涉火空間內(nèi)所有可燃物燃燒時(shí)所產(chǎn)生的總熱量。由于火災(zāi)燃燒中的不確定性，為了簡(jiǎn)化工作量和計(jì)算量，火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中通常對(duì)建筑物和可燃物進(jìn)行以下基本假設(shè)：

1）可燃物在建筑物內(nèi)呈均勻分布；

2）所有可燃物均參與燃燒過(guò)程，并燃盡。

火災(zāi)荷載密度在數(shù)值上表現(xiàn)為涉火空間內(nèi)所有可燃物完全燃燒所釋放熱量與該涉火空間面積之比，即該涉火空間單位面積上可燃物的發(fā)熱量。公式表述如式（1）所示。

式中：q為燃燒空間內(nèi)火災(zāi)載荷密度，MJ/m2；M為燃燒空間內(nèi)單個(gè)可燃物的質(zhì)量，kg；Δhc為可燃物的熱值，MJ/kg；At為燃燒空間總面積，m2。

2 火災(zāi)荷載調(diào)查結(jié)果

2.1 活動(dòng)火災(zāi)荷載調(diào)查結(jié)果

一般情況下，家具、家電等可燃物的數(shù)量和重量決定了活動(dòng)火災(zāi)荷載的大小，因此活動(dòng)火災(zāi)荷載調(diào)查的主要范圍是日常家具、家電等可燃物的重量和材質(zhì)。由于可燃物的分布情況在受限空間內(nèi)對(duì)活動(dòng)火災(zāi)荷載影響不大，因此本文不考慮可燃物的分布情況。采用直接稱(chēng)重法或間接測(cè)量法對(duì)涉及到的可燃物的重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可燃物總熱值等于可燃物重量與其燃燒熱值的乘積，室內(nèi)常見(jiàn)材料燃燒熱值具體取值如表 1 所示。

表1 室內(nèi)常見(jiàn)材料燃燒熱值

由于村寨內(nèi)住宅數(shù)量較大，因此采用抽樣調(diào)查方法，抽取 24 戶住宅進(jìn)行活動(dòng)火災(zāi)荷載現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，將調(diào)查結(jié)果匯總?cè)绫?2 所示。

表2 西南民族村寨住宅樣本活動(dòng)火災(zāi)荷載密度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)抽樣調(diào)查和計(jì)算，西南民族村寨住宅樣本活動(dòng)火災(zāi)荷載密度統(tǒng)計(jì)如表 2 所示。其中最大值為 418.89 MJ/m2，最小值為 348.43 MJ/m2，平均值為 381.77 MJ/m2，標(biāo)準(zhǔn)差為 19.76 MJ/m2。調(diào)查住宅樣本的活動(dòng)火災(zāi)荷載密度分布散點(diǎn)圖如圖 4 所示，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)分布情況和計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)差可知，西南民族村寨住宅的活動(dòng)火災(zāi)荷載密度分布離散程度小且都接近平均值。結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人文因素等分析可知，由于西南民族村寨地處偏僻，經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，部分地區(qū)仍然尚未脫貧，居民收入微薄、購(gòu)買(mǎi)力相對(duì)不足且貧富差距較小。因此居民住宅中一般只存在如衣服、被褥、床柜、桌椅等日常生活用品和電視、電磁爐等少數(shù)家用電器，而且家家戶戶相似度極大。這種由于經(jīng)濟(jì)文化因素導(dǎo)致的社會(huì)現(xiàn)象恰好也印證了本文得到的數(shù)據(jù)的可靠性。因此，為了減少部分冗雜的工作量，在后續(xù)調(diào)查中便選取活動(dòng)火災(zāi)荷載的平均值 381.77 MJ/m2進(jìn)行計(jì)算。

圖4 調(diào)查住宅樣本的活動(dòng)火災(zāi)荷載密度分布散點(diǎn)圖

2.2 固定火災(zāi)荷載調(diào)查結(jié)果

通過(guò)相關(guān)建筑圖紙參考和實(shí)地調(diào)查，以 3 號(hào)房為例，固定火災(zāi)荷載調(diào)查結(jié)果如表 3 所示，并將 1～4 號(hào)房的固定火災(zāi)荷載調(diào)查結(jié)果匯總?cè)绫?4 所示。

表3 3 號(hào)房火災(zāi)荷載調(diào)查結(jié)果

表4 1～4號(hào)房固定火災(zāi)荷載調(diào)查結(jié)果匯總

3 結(jié)果分析

3.1 火災(zāi)荷載與占據(jù)空間關(guān)系

將以上調(diào)查得到的活動(dòng)火災(zāi)荷載和固定火災(zāi)荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，得到如下數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（見(jiàn)表 5）。本文中將建筑占地面積和建筑高度的乘積定義為占據(jù)空間，占據(jù)空間的數(shù)值可以大致反應(yīng)建筑占地面積和高度兩個(gè)維度的大小及整個(gè)建筑體積大小。將占據(jù)空間數(shù)值及總火災(zāi)荷載數(shù)值繪制成散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖 5），可以發(fā)現(xiàn)占據(jù)空間和總火災(zāi)荷載呈正相關(guān)關(guān)系。應(yīng)用 SPSS 軟件對(duì)這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明占據(jù)空間和總火災(zāi)荷載之間近似呈一元線性回歸分布，回歸方程為y=217.59x+3 500.3。利用相關(guān)系數(shù)r檢驗(yàn)線性相關(guān)關(guān)系的密切程度，所得R2=0.999 5，表示線性關(guān)系好，可見(jiàn)該一元線性回歸方程對(duì)所得結(jié)果的擬合程度較高。此結(jié)果也符合人們的常識(shí)，空間占據(jù)越大的建筑，可燃物的數(shù)量越多，總火災(zāi)荷載越大。

表5 1～4 號(hào)房火災(zāi)荷載數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖5 占據(jù)空間和總火災(zāi)荷載分布散點(diǎn)圖

3.2 西南民族村寨火災(zāi)荷載和其他建筑比較

中國(guó)建筑科學(xué)研究院從 20 世紀(jì) 90 年代便開(kāi)始在全國(guó)各地展開(kāi)火災(zāi)荷載的調(diào)查研究工作，以住宅、商場(chǎng)、賓館、醫(yī)院、學(xué)校、影院、KTV 等建筑為主要調(diào)查對(duì)象，詳細(xì)了解建筑內(nèi)可燃物數(shù)量、種類(lèi)和分布狀態(tài)，各種調(diào)查場(chǎng)所的調(diào)查量均在百次以上，最終得到不同功能典型建筑的火災(zāi)荷載密度［6］（見(jiàn)表 6）。

表6 國(guó)內(nèi)典型建筑火災(zāi)荷載密度表

國(guó)外從 20 世紀(jì) 30 年代便開(kāi)展了大量的建筑物火災(zāi)荷載的調(diào)查，由于建筑形式、風(fēng)俗習(xí)慣、生活習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)水平、氣候條件、材料種類(lèi)等與我國(guó)存在較大差異，因此火災(zāi)荷載值有一定差別，具體統(tǒng)計(jì)如表 7 所示。

表7 國(guó)外各國(guó)典型建筑火災(zāi)荷載平均值統(tǒng)計(jì)

從上述數(shù)據(jù)中不難發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)住宅火災(zāi)荷載密度平均值為 564.99 MJ/m2，在美國(guó)、日本和英國(guó)，這項(xiàng)數(shù)值分別為 792、585、780 MJ/m2，略大于國(guó)內(nèi)。而在本次火災(zāi)荷載調(diào)查中，1～4 號(hào)建筑的火災(zāi)荷載密度分別為 1 109.99、1 464.72、1 520.74、1 056.76 MJ/m2，這些數(shù)值比國(guó)內(nèi)外住宅火災(zāi)荷載平均值高出 1～2 倍，同時(shí)也遠(yuǎn)超其他功能類(lèi)型建筑。可見(jiàn)，西南民族村寨建筑火災(zāi)的危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通建筑，存在極大的火災(zāi)隱患。

4 結(jié)論

1）對(duì)于活動(dòng)火災(zāi)荷載密度，所隨機(jī)抽取的 24 戶西南民族村寨住宅，其中最大值為 418.89 MJ/m2，最小值為 348.43 MJ/m2，平均值為 381.77 MJ/m2，標(biāo)準(zhǔn)差為 19.76 MJ/m2。西南民族村寨住宅的活動(dòng)火災(zāi)荷載密度分布離散程度小且都接近平均值。

2）西南民族村寨建筑占據(jù)空間和總火災(zāi)荷載之間近似呈一元線性回歸分布，回歸方程為y=217.59x+3 500.3。利用相關(guān)系數(shù)r檢驗(yàn)線性相關(guān)關(guān)系的密切程度，所得r2= 0.995，表示線性關(guān)系好。

3）西南民族村寨建筑火災(zāi)荷載平均密度比國(guó)內(nèi)外相同及不同類(lèi)型建筑高出 1～2 倍，因此西南民族村寨建筑火災(zāi)的危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通建筑和公共建筑，存在極大的火災(zāi)隱患。Q