基于PyroSim模擬的木質結構古建筑火災報警系統研究
——以曹溪寺大殿為例

陳曉楠 李祖鑫 謝建斌

目前，古建筑防火方面的研究已有一定基礎。王雁楠等人通過火災動力學模擬工具（Fire Dynamics Simulator，FDS）模擬得出房屋間距和風速是影響古建群落火災蔓延速度的兩個主要因素[1]。郭子東等人以布達拉宮東大殿為研究對象，探討了性能化防火分析方法在古建筑防火保護中的應用[2]。孫貴磊等人以云南巍山古城拱辰樓為研究對象，應用火災動力學模擬軟件PyroSim 進行建模，分別設置7 組不同的風速進行模擬，得到了風速對古建防火的影響規律[3]。鄢銀連等人以麗江市某擬建古城項目為研究對象，分析了不同防火保護距離、不同防火保護措施條件下的火災蔓延情況[4]。任海龍等人利用FDS 對河北省正定縣的大悲閣進行了模擬研究，論證了設置感煙探測器探測火災的合理性[5]。李凌楓利用FDS 模擬分析了古建筑傳統防火措施的適用性[6]。易曉列等人運用PyroSim軟件評估了廣州陳氏書院山墻和青云巷等傳統防火構造的性能[7]。

但是，當前關于古建筑火災致災機理以及報警系統設置的研究仍然不多。為進一步揭示木質古建筑的火災致災機理，本文以云南省昆明市曹溪寺的木質結構大殿寶華閣為例，運用PyroSim 軟件進行模擬，并提出火災報警系統布設方案，旨在為木質古建筑的火災初期預警提供一定的理論支撐。

1 曹溪寺大殿火災模型的建立

曹溪寺位于安寧溫泉對岸的龍山東麓，相傳始建于宋代大理國時期，是云南省現存的最早且最完善的一座木結構建筑[8]。

曹溪寺大殿寶華閣坐西面東，平面為方形，面闊三間。殿內有“西方三圣像”和“三大士像”。大殿長12 m，寬10.6 m，內部空間高8 m，面積為127.2 m2，大殿中有24 根大柱。曹溪寺大殿的主要材料為木材，其承重結構均為木柱、木梁，殿中有供奉用的易燃織物品，耐火等級低于四級。

1.1 大殿模型

本文采用PyroSim 軟件按照1 ∶1創建的大殿模型，如圖1 所示。整個模型實際尺寸為12 m×10.5 m×8.3 m。模型網格數量共計8 064 個，模型中的單元格尺寸為0.50 m×0.50 m×0.52 m。考慮到大殿火災蔓延等因素，將大殿內的起火點位置設置在香臺1 處，起火點距地面1 m，距東面墻5.25 m，距北面墻6 m。

圖1 曹溪寺大殿計算模型與火源示意圖

1.2 邊界及初始條件

大殿內的壓力值為標準大氣壓，初始溫度為20 ℃。整個計算區域采用默認的絕緣、無滑移壁面邊界條件。大殿開口處為東側門的自然通風口，并與外界相通。

1.3 火源設置

由于曹溪寺大殿寶華閣的燃燒材料大多為木材，結合工程常用防火模擬實際，采用t2火的火災增長模型模擬實際火災過程[9]。t2火模型公式為：

Q 為熱釋放速率，kW；α 為火災增長系數，kW/s2；t 為火災增長時間，s。

t火模型的熱釋放速率可根據建筑物的實際情況選取。曹溪寺大殿寶華閣的最大熱釋放速率確定為8 MW。t2火模型的火災增長系數可以分為4 個類型，根據曹溪寺大殿寶華閣中的可燃物情況，選用快速增長的火源類型，即火災增長系數α=0.046 9 kW/s2[10]。根據式（1）計算，曹溪寺大殿寶華閣在起火后413 s 時將達到設定的熱釋放速率最大值。因此，本文將火災模擬時間設定為600 s。

2 曹溪寺大殿火災模擬

2.1 大殿室內煙氣流動模擬

圖2 為曹溪寺大殿寶華閣起火點起火后22 s、50 s、60 s 和250 s 時大殿煙氣分布模擬結果示意圖。曹溪寺大殿寶華閣內在起火點著火后將產生大量煙氣，在起火后22 s 時大量煙氣上升至大殿屋脊，在起火后30 s 時煙氣沿大殿屋脊迅速蔓延，在起火后60 s 時擴充滿整個大殿屋頂區域并開始沿邊墻向下擴散，在起火后250 s 時煙氣擴散至整個大殿的絕大部分空間。

圖2 起火后大殿煙氣分布示意圖

2.2 大殿室內溫度變化模擬

模擬曹溪寺大殿寶華閣內火源中心正上方不同高度處的溫度變化和高8 m距火源中心水平距離2 m 點處和4 m 點處感應熱電偶的溫度變化情況。

曹溪寺大殿寶華閣起火后20 ～22 s時，曹溪寺大殿寶華閣室內各高度的溫度開始迅速增加，起火前期建筑物底部溫度較高，升溫速度隨著建筑物高度的增加逐漸變慢。在曹溪寺大殿寶華閣起火后約80 s 時，寶華閣內高8 m 距火源中心水平距離2 m點處的溫度約為60 ℃，達到目前常用A 型感溫探測器的動作溫度。在曹溪寺大殿寶華閣起火后約85 s時，寶華閣內高8 m、距火源中心水平距離約4 m 點處的溫度約為60 ℃，達到目前常用A 型感溫探測器的動作溫度。在曹溪寺大殿寶華閣著火早期，曹溪寺大殿的室內溫度變化速度比煙氣擴散速度慢，因此感煙探測器能更早感應早期火災。

3 曹溪寺大殿火災的報警系統設置

3.1 曹溪寺大殿火災探測器的選用

由曹溪寺大殿的特點及火災模擬結果可知，火災初期升溫慢，煙霧擴散速度極快，采用感煙探測器有利于初期報警。但由于曹溪寺大殿寶華閣常有香客燒香祭拜，使用傳統的感煙探測器易發生誤報，因此應盡量避免使用傳統感煙探測器，宜采用線型光束感煙探測器。此外，由于曹溪寺大殿結構高度和空間的限制，曹溪寺大殿不宜布置線型火災探測器，宜采用點型感溫探測器[2]。因此，曹溪寺大殿火災探測系統可采用線型光束感煙探測器和感溫火災探測器組合設置方式。

目前，點型感溫探測器一般分為A1、A2、B、C、D、E、F 及G 共8 種 類別。其中，A 類適用于8 ～10 m 的建筑，B 類適用于6 ～8 m 的建筑，C ～G 類適用于6 m 以下的建筑。曹溪寺大殿內部空間最高為8 m。因此，曹溪寺大殿宜采用A 類感溫火災探測器。

3.2 線型光束感煙探測器的布設

線型光束感煙探測器設置光束軸線至建筑物頂棚的垂直距離宜為0.3～1 m，距地高度不宜超過20 m；相鄰兩組探測器的水平距離不應大于14 m，探測器至側墻的水平距離不應大于7 m，且不應小于0.5 m。故曹溪寺大殿可在屋脊7.5 m以上設置一組線型光束感煙探測器。

3.3 感溫探測系統的布設

當建筑物空間高度為8 m及以下時，屋頂坡度大于30°，一個感溫探測器的探測保護面積為40 m2。曹溪寺大殿內A 型感溫探測器的排布數量可以根據式（2）計算：

式中，N為探測器數量，只；S為探測區域面積，m2；K為修正系數；A為探測器保護面積，m2。

由式（2）可計算出大殿內應選用4個動作溫度為60 ℃的A 型感溫火災探測器。曹溪寺大殿火災探測器的排布情況如圖3 所示。

圖3 曹溪寺大殿火災探測器的排布情況

4 結語

本文對木質結構古建筑曹溪寺大殿寶華閣進行了火災模擬，得出以下結論。

第一，煙氣擴散模擬結果顯示，曹溪寺大殿失火后產生的煙氣將先上升到屋頂，沿屋頂擴散到墻面，此后沿著大殿側墻墻面由大殿四周向大殿中央擴散，最后充滿整個大殿內空間。

第二，起火后20 ～22 s 時，室內各高度處的溫度開始迅速增加。

第三，起火后約80 s 和85 s 時，寶華閣內高8 m 距火源中心水平距離2 m點處和4 m 點處溫度達60 ℃；起火后約85 s 時，寶華閣內高8 m 距火源中心水平距離2 m 點處的溫度達60 ℃。

第四，由曹溪寺大殿火災報警系統響應模擬可知，在大殿室內起火后18 s，大殿內線型光束感煙探測器開始響應；在大殿室內起火后210 s 時，大殿室內1號A 型感溫探測器開始響應。