木結構文物建筑火災蔓延特點研究

田承玉　周文棟

摘 要：我國有著悠久的歷史文化，在千百年的歷史文明推進中出現了許多吸引人且具有創造力的建筑物。其中最具代表性的就是各種木結構文物建筑。木結構文物建筑蘊含的經濟、文化、歷史價值突出，因此有必要展開木結構文物建筑火災特點分析，確定防火辦法，保護我國木結構文物建筑，傳承歷史文明。文章將以木結構文物建筑的火災原因和特征作為切入點，圍繞火災理論展開影響要素研究，分析火災蔓延的特征，最終確定減少火災損失與影響的安全間距。

關鍵詞：木結構;文物建筑;火災蔓延特征;防火間距

0 前言

我國的古建筑大多為木質結構，受木材自身特點限制，消防基礎較差，大多沒有進行任何阻燃處理。有些建筑物雖然過去進行了火災方面的阻燃處理，但隨著時間的推移，其火災抵抗能力早已消逝。近些年隨著國內旅游產業的快速發展，建筑能耗、人員密度、經營業態發生翻天覆地的變化，這是目前木結構文物建筑消防安全管理面臨的最大挑戰。為解決消防安全問題，要展開木結構文物建筑火災蔓延特點分析，確定合適的防火間距。

1 國內外研究

1.1 木材熱解動力學研究

木結構文物建筑就是以木材為主體的建筑物。就木材的燃燒與火災蔓延而言，熱解過程作用顯著。木材燃燒與蔓延中，熱解提供了可燃氣體，關系到火焰燃燒能力。首先是預熱。在外部熱量作用下，木材的內部溫度開始上升，此時內部聚合物出現微小的變化。其次是降解。該過程木材有比較穩定的表面，且表面顏色逐漸加深。加熱木材后，內部的分子鏈分解，一些聚合物分子開始玻璃化。再次是熱分解。該環節木材逐漸分解，內部的大多數分子會在熱作用下漸漸失效。在熱解作用下，木材變成分子片段與炭渣。最后是氧化。熱解出現易氧化分子片段后氧化燃燒，釋放熱量。以宏觀角度來看，木材的熱分解包括預熱、熱分解、著火、燃燒與蔓延。熱解是后續三個過程的前提和先導，關系到最后木材是否可以完全燃燒以及燃燒熱量。

1.2 木結構文物建筑室內火災蔓延研究

國內外眾多學者與專家對建筑物火災的發展、蔓延進行研究，不過卻很少研究火災后木結構文物建筑的內部情況。許發俊研究的是木結構文物建筑在火災后，室內的木材部分碳化明顯，研究重點是微觀結構、碳化速度以及碳化機理①。楊光研究的是在模擬實驗中，在建筑物的兩層設置火源，分析不同房間溫度的變化以燃燒后木材碳化層的厚度，最終得出樓板與木隔板在一定程度上具有阻止火災發展與蔓延的價值②。彭磊研究的是木結構文物建筑發生火災之后炭化速率，其利用木結構受熱后的炭化速率與溫度分布創建模型，充分考慮木材的含水率、密度、炭化收縮動力、木質素③。高曉明通過建立走廊、房屋模型，模擬研究煙氣傳播規律，得出走廊回燃原因④。國內外學者目前的主要研究方向集中于中庭、大空間、高層建筑，缺少足夠多的木結構文物建筑模擬研究。

1.3 木結構文物建筑間火災蔓延

在木結構文物建筑火災發生時，熱量會以輻射形式朝向整個空間流竄。距離建筑物越近，輻射作用越明顯，同時也會增加火災出現概率。木結構文物建筑發生火災以后難以救援，很大程度上是因為熱輻射對于木材的影響十分明顯。研究人員用理論方法研究和處理木結構文物建筑間火災蔓延，使用計算機計算和模擬木結構文物建筑火災蔓延過程。

如陸斌輝對吊腳樓這種類型的建筑物特點、火災因素進行了研究，之后應用數值模擬的方法，確定與了解吊腳樓火災成因④。雖然模擬結合與真實結果出現了一定偏差，包括建筑材料沒有充分燃燒，但卻從中得到火災現象重要參數，包括溫度分布與煙氣濃度。

1.4 木結構文物建筑防火研究

目前，國內在木結構文物建筑的防火研究中，主要研究方向為結構防火與材料阻燃，沒有深入研究木結構文物建筑的火災動力學機理。國內的一些研究所和高校結合國外的經驗與技術，對建筑物木材燃燒參數和阻燃技術進行了許多研究，并在2005年修訂《木結構設計規范》，限定各種木結構文物建筑構件耐火極限與燃燒性能。

2 木結構文物建筑火災原因與特點

2.1 原因

2.1.1 引起火災因素多

不慎用火是火災出現的主要原因。相較于過去，如今木結構文物建筑不合理用火的情況變得更嚴重、種類更多、范圍更廣。如目前很多木結構文物建筑為滿足旅客的需求，使用各種新能源，包括液化石油氣、煤氣，為游客提供熱水、供暖。不正確地使用這些能源很有可能引起火災①。

木結構文物建筑的電氣火災發生原因一般是原本線路老化嚴重，存在潛在隱患。如很多歷史街區的木結構文物建筑在解放時期開始遷入電纜線路，歷經數十年的時間卻沒有更新換代，不少電纜線路嚴重老化。

在旅游業快速發展的今天，木結構文物建筑周圍出現各種服務設施，大功率用電增加了火災隱患。

2.1.2 材料本身存在危險

木結構文物建筑的主材是各種木材，木材燃燒性關系到最后的火災危險性。木材是有機物質，主要成分是纖維素、木質素、有機物，有著很高的可燃成分，其大多數是易燃揮發物，在受熱后容易分解②。在溫度小于100攝氏度時，木材水分開始蒸發;超過100攝氏度以后，一些可燃氣體從木材內部溢出;在溫度處于260攝氏度時，木材內部溢出非常多的可燃氣，在可燃物燃燒之后會釋放大量熱量，進一步增加木材熱解性，產生惡性循環。木材的引燃點只有158攝氏度，自燃點在400至600攝氏度間，屬于非常容易燃燒的材料③。木結構文物建筑的木材多年風化，含水量非常低，大多為全干木材，非常容易燃燒。

2.1.3 構件本身存在危險

建筑物的燃燒速度除了和材料性能有關，還和構件形式有關。表面積越大的構件越容易劇烈燃燒、受熱分解。木結構文物建筑物大多采取鏤空構件模式，有著極大的表面積。發生火災后，火勢往往非常大，火焰會四處亂竄。

物體燃燒需要氧氣、火源兩個條件④。木結構文物建筑的火災與環境氧氣量供應的穩定性有很大聯系。木結構文物建筑一般會制作有著較大火災荷載的屋頂，因此通風條件非常好，有著很充足的氧氣供應。屋頂燃燒時如同架空后的干柴，不僅燃燒速度驚人，同時反應也十分劇烈。

2.1.4 建筑布局存在危險

大多數木結構文物建筑都是單棟建筑物，用門廊連接成庭院。庭院的組合又構成了建筑物群。木結構文物建筑大多成組、成群的對稱布置，有著宏偉的氣勢與壯觀的規模。庭院往往不會考慮防火間距問題⑤。其中一棟著火后，立刻會引燃周圍建筑物。如果此時風向提供助攻，會導致火災大面積、快速蔓延。

2.2 特征

2.2.1 燃燒速度快，容易復燃

我國歷史悠久，許多木結構文物建筑已經保存千年。隨著千百年的時間推移，這些建筑物的主材風干老化，出現了許多裂縫。建筑物圓柱并非完整木材，大多用了許多木材拼接。圓柱的表面涂刷油漆并包裹了麻布。在發生火災之后，火焰順著拼接縫隙與裂縫快速蔓延⑥。

木結構文物建筑熱解參數低，易燃燒。發生火災后，室內溫度快速上漲，很容易短時間內便出現轟燃情況。木結構文物建筑火災發生后，火焰順著縫隙蔓延，火災規模變大。縫隙如果積累了足夠高的熱量，且沒有良好的散熱條件，即便工作人員已經撲滅火災，也有很高的概率出現復燃。

2.2.2 早期難撲滅

絕大多數木結構文物建筑物的問題都是內部缺少良好的消防條件。雖然配備了一定量的滅火器，但給排水管道的配備和煙霧報警、自動噴淋滅火功能的缺失導致發生火災以后，往往做不到第一時間滅火。沒有配備以上設施考慮的是，給排水管道以及自動噴淋滅火很有可能會導致木結構文物建筑受水腐蝕。中華人民共和國成立后我國經濟快速發展，清潔且方便的自來水已經成為人們生活最重要的水源。不過考慮到原生態保護，木結構文物建筑并沒有配備自來水管網①。

2.3 損失影響大

木結構文物建筑歷史悠久，不僅有歷史研究價值，同時也有文化研究、旅游經濟價值。發生火災不僅會導致歷史文化斷層問題，同時也會導致人員傷亡。經濟損失尚能在外界、政府幫助下彌補，但在火海中一同消失的各種文物將永遠無法挽救。我國木結構文物建筑歷史悠久，極具時代美感，是我國歷史、藝術、人文、文化載體。

3 木結構文物建筑火災理論

3.1 熱解、著火與蔓延理論

除了屋頂蓋瓦以及部分墻體外，木結構文物建筑中的大多數構件都是木材。相較于現代建筑，木結構文物建筑燃燒速度更快，燃燒程度更激烈，火災危險性極高。木材燃燒由下述流程組成：在外界環境的熱量影響下，木材分解出非揮發性炭化物質與易燃燒揮發性物質。在引火源作用下木材表面溫度快速提高，在溫度達到能夠揮發可燃氣體燃點以后，木材燃燒。穩定燃燒一段時間以后，釋放出的熱量又會引導周圍還沒有燃燒的木材，這些木材同樣會分解大量可燃揮發物質，隨后快速燃燒。

木材熱解溫度說的是木材被外界溫度熱量影響，分解易燃燒物質。木材包括自燃、點燃兩種著火模式②。自燃說的是沒有引火源而是被外界環境作用，在可燃物溫度達到一定水平就會出現燃燒。點燃說的是有引火源導致局部區域先著火，隨后火焰就會朝著其他部位開始蔓延燃燒。

3.2 火羽流和熱煙氣流動

在火源點燃了室內可燃物之后，可燃物的表面會出現氣相火焰，包括三個部分，底部是連續火區域，中間是間斷火區域，二者共同組成了火羽流，最上面是浮力羽流區。在浮力作用下熱煙氣上升，到達屋頂之后順著屋頂水平蔓延，該現象被稱為頂棚射流。

3.3 火災發展過程

火災的燃燒包括三個階段。

第一個階段：初期火災。在房間出現火災以后，最開始可燃范圍比較小，此時的燃燒耗氧量并不是很高。在火災發展以后，火焰蔓延到其他可燃物，擴大燃燒范圍。該階段可燃物的燃燒速度并不是很快，且范圍并不大，屋內的溫度不高，不會產生嚴重影響。雖然該階段的室內溫度不是很高，但靠近火源的地方仍舊會釋放很多易燃氣體。

第二個階段：轟燃和回燃。該過程是火災重要現象。轟燃后室內溫度快速提升，并且燃燒速率開始加大，釋放大量熱量，出現有毒氣體和濃煙。煙氣回燃出現在煙氣層下邊界，一般聚集在房間上部。

第三個階段：旺燃期。轟燃后房間的門窗破損，此時外界的空氣涌入建筑物，導致房間的可燃氣體劇烈燃燒，進一步提高室內溫度。建筑物內部可燃物全面燃燒，并且煙氣迅速充斥所有房間，破壞力極強，嚴重損害建筑物構件。

3.4 影響火災蔓延因素

①火災荷載。在火災研究中，火災荷載屬于重要研究內容，大小關系到火災室內溫度變化與持續時間。確定火災荷載的方法有兩種，包括熱釋放速率和燃燒熱值。火災荷載說的是建筑物的可燃物總量，該數字越大表示火災風險越大，意味著需要非常嚴格的防火手段。火災荷載并不能用于火災發展、蔓延描述。

②材料特性。建筑物可燃物大多數是固體燃料。固體燃料危險性包括燃燒后的熱釋放速率、火焰蔓延速度、易燃性、引燃性。固體可燃物有著十分復雜的火災危險性，在材料物理、化學等條件影響下，可引發嚴重問題。一些建筑物中的塑料受熱后會有融化與軟化現象出現，不像木材一樣炭化。可燃熔融物聚集在材料底部能夠持續性燃燒。

4 結語

長時間風化以后，木結構文物建筑的水分會蒸發干凈，同時木結構文物建筑的表面通常會涂抹一些容易燃燒的油漆。起火以后火災會迅速擴散與蔓延，以極短的時間出現轟燃情況。推算可以得知，木結構文物建筑內部火災大多為中速火、快速火之間的類型。在轟燃后，火焰順著門窗涌出，沿著門廊發展。此時門廊回燃燒，釋放大量熱量，引燃前木質立面。火災順著門窗四處流竄與蔓延。樓梯間起火后，熱量迅速擴散并聚集在屋頂，在良好的通風環境下，火災迅速蔓延。通過涂抹防火涂料可以很好地應對火災蔓延速度和發展速度，盡可能為滅火創造有利條件。因此，必須注意易發生火災且蔓延迅速部位的防火工作。涂刷防火涂料，推遲轟燃發生時間，甚至是切斷蔓延途徑。在建筑物全面燃燒以后，熱輻射問題必須充分考慮，很有可能會引燃對立面、側面的建筑物。從本文的敘述可以了解到，正對面建筑的木結構文物建筑，最佳安全防火距離為5.6米，側面距離為2.8米。

①許發俊，張太亮，戴丹丹.某建筑物火災后結構檢測及鑒定[J].工程質量，2020（12）：40-44.

②楊光.新農村建設中消防工作存在的問題及對策研究[J].決策探索：中，2020（11）：78-79.

③彭磊，邱培芳，蔣鄧睿.輕型木結構建筑外墻火災蔓延試驗研究[J].消防科學與技術，2020（3）：340-344.

④高曉明.木結構建筑電氣設計關鍵技術[J].農村電氣化，2020（1）：45-47.

①陸斌輝，陸偉東，劉杏杏，等.國外多高層木結構建筑發展概況及趨勢[J].建設科技，2019（17）：41-45，51，3.

②鄢銀連，相華江，解志勇，等.基于PyroSim的木結構建筑防火間距探討[J].消防科學與技術，2019（8）：1091-1093.

③王琦.裝配式木結構在建筑設計中的應用[J].建筑技術開發，2019（12）：5-6.

④馬黎進，葉雁冰.侗族木結構建筑室內火災危險性分析[J].消防科學與技術，2019（5）：640-644.

⑤屈偉，吳沐廷，宋偉，等.阻燃生態板在裝配式木結構中的應用研究[J].建筑技術，2019（4）：399-401.

⑥蔣瞻，付海燕，王正，等.國內外木結構建筑耐火性能的研究進展[J].浙江林業科技，2019（2）：110-114.

①劉爍彤，包喜杰，劉玲.木結構建筑火災現場勘驗與認定方法研究[J].消防技術與產品信息，2018（12）：40-43，72.

②吳冬平.透明木材防火漆讓木結構建筑在涂飾中得到防火[J].建設科技，2018（5）：36-37.

【作者簡介】田承玉，男，漢族，山東泰安人，本科，中級職稱，研究方向：文物修復及保護。