沈陽清福陵火災預防與及時撲救試驗研究

王肖宇 （沈陽工業大學建筑與土木工程學院 遼寧沈陽 110870）

徐公文 （沈陽工業大學建筑與土木工程學院 遼寧沈陽 110870）

朱天偉 （沈陽工業大學建筑與土木工程學院 遼寧沈陽 110870）

國內外有眾多的古建筑被毀于火災。據2019年媒體披露，近十年來，我國共接報文物古建筑火災392起，直接財產損失2808.9萬元人民幣。其中30.2%為電氣原因引起，19.8%為用火不慎，在這些火災中，能夠及時發現撲救的占7.1%[1]。由于多數古建筑都遠離市區，有的甚至建在山腰和山頂上或被深山包圍，人員步行到達困難，消防車更難以接近。另外，由于離城鎮較遠，消防用水得不到保障，對古建筑火災的撲救工作很不利。因此，如何應用現代消防技術，結合我國古建筑保護現狀和所處地形特點，構建古建筑火災預防和及時撲救的雙層保護體系，就成為古建筑保護的當務之急。

古建筑發生火災后，最好的辦法是自救。本文通過木材阻燃煙氣實驗和掃描電鏡（SEM）分析與水噴霧滅火數值模擬相結合的研究方法，運用火災動力學仿真模擬軟件Fire Dynamic Simulator（FDS），對沈陽清福陵方城內隆恩殿的建筑材料黃松木，進行木材阻燃、水噴霧模擬前后數據對比分析，針對熱釋放速率的變化規律、火災火勢及煙氣蔓延過程以及溫度、CO濃度和熱輻射強度分布隨時間變化情況，分析其存在的消防安全隱患，達到控制火災蔓延，盡量減少文物損失，及時撲救火災的目的。

一、清福陵概況

清福陵位于沈陽市東郊十公里的天柱山上，是清太祖努爾哈赤及其皇后葉赫那拉的陵墓，是盛京三大陵墓之一。清福陵的建筑格局隨山勢為前低后高，南北狹長，自南向北可分為大紅門區、神道區、方城區（含寶城）三個部分。陵寢建筑規制完備，禮制設施齊全，主體建筑規模宏大，陵寢建筑群保存較為完整[2]。清福陵的方城位于陵區中央，為縱長方形，周長370米，城墻高約5米，出入方城的洞口只有2.5米[3]。陵寢的主要建筑都在方城內，這些古建筑主要結構多為木材，又以組群規模布置。由于有城墻阻隔，消防車無法直接進入清福陵方城內，不利于古建筑的消防安全。

清福陵在1962年遭遇過一場火災，火災之后方城內的明樓只剩下殘垣斷壁。1982年底重建修復完成（圖1）。據資料顯示，火災當天調動了三個城區消防隊的14輛消防車，200余人滅火，但因天正下雨、風力很大，該樓全部是木結構且已干燥多年，致使火勢發展迅速，而古建筑內沒有考慮消防給水，消防水源又接續不上，撲救難度很大[4]。

圖1 清福陵（a）隆恩門洞口（b）明樓修復后現狀（c）明樓大火后（圖片來源：華商晨報）

二、木材阻燃實驗

我國古建筑的建筑材料以木材為主，北方多為黃松木。為了提高木材的著火溫度或減慢木材的燃燒速度，現在經常對建筑材料進行耐火阻燃處理。阻燃劑可以通過改變木纖維熱解方式，有效延緩木纖維的燃燒過程，從而改善木材的燃燒性能，提高其耐火性。

（一）煙氣燃燒實驗結果

實驗選用古建筑常用的黃松木，實驗木塊2個，大小100mm×100mm×10mm，把其中一個木塊使用氮磷阻燃劑浸泡，另外一個木塊不采取阻燃處理。實驗設備選用NES 713煙毒性測試箱（菲尼克斯，中國蘇州）和煙氣分析儀（德國德圖testo350）。按照《NES 713英國海軍工程標準》[5]和《GB/T 8627建筑材料燃燒或分解的煙密度試驗方法》[6]，對黃松木進行阻燃前后的燃燒實驗，實驗過程5分鐘。該實驗探討在特定條件下，材料的一個小試樣完全燃燒時產生的毒性氣體和密度分析。NES 713煙毒性測試箱在實驗過程中，燃燒爐預熱到800℃，2個木塊被分別燃燒，再利用氣流排放速率收集各種燃燒釋放氣體，然后通過化學分析計算每種燃燒釋放物質的含量，并以數字表示其毒性。德圖testo350煙氣分析儀是根據6個煙氣傳感器，測試CO、CO2、NO、NO2、NOX、SO2的煙氣密度分析。

沒有經過阻燃處理的黃松木塊在5分鐘燃燒過程中，明火燃燒，基本燃燒完全；阻燃后黃松木在燃燒過程中，一直沒有形成明火燃燒，說明經過氮磷阻燃劑浸泡過的黃松木的阻燃效果非常明顯（圖2）。煙氣密度分析實驗數據見表1。

表1 黃松木及阻燃后煙氣試驗燃燒數據

圖2 木材阻燃前后煙氣實驗：（a）黃松木試件（沒有經過阻燃處理）燃燒前狀態（b）黃松木試件正面（沒有經過阻燃處理）燃燒后狀態（c）黃松木試件背面（沒有經過阻燃處理）燃燒后狀態（d）黃松木試件（經過阻燃處理）燃燒前狀態（e）黃松木試件正面（經過阻燃處理）燃燒后狀態（f）黃松木試件背面（經過阻燃處理）燃燒后狀態

（二）掃描電鏡觀察結果

黃松木進行阻燃前后的燃燒實驗后，將2個木塊切割成20mm×20mm×10mm大小，選用日立S-3400N掃描電鏡實驗設備，設定放大倍數為100倍、400倍、1000倍，得到黃松木阻燃前后的200μm、50μm、20μm的SEM顯微圖像（圖3）。

圖3 木材阻燃前后電鏡實驗：（a）黃松木（沒有經過阻燃處理）200μm的SEM顯微圖像（b）黃松木（沒有經過阻燃處理）50μm的SEM顯微圖像（c）黃松木（沒有經過阻燃處理）20μm的SEM顯微圖像（d）黃松木（經過阻燃處理）200μm的SEM顯微圖像（e）黃松木（經過阻燃處理）50μm的SEM顯微圖像（f）黃松木（經過阻燃處理）20μm的SEM顯微圖像

由圖3可見，沒有經過阻燃處理的黃松木塊基本燃燒完全，其殘余炭結構相對疏松，表面僅有少量白色木灰和大量不完全燃燒的殘炭。經過阻燃處理的黃松白木剩余結構較多，不同程度燃燒的殘炭形態各異。氮磷阻燃劑中含磷化合物的氧化態較多，它們的熱分解產物具有很強的脫水作用，使被覆聚合物表面炭化，形成炭膜，起到阻燃作用。炭膜不僅可以有效隔離傳熱，還可以保護內部木結構不被分解。而且，它可以防止可燃氣體的產生，最終減少內部可燃材料與氧氣和熱量的接觸，從而結束燃燒。這說明，在發生火災時，使用氮磷阻燃劑作為古建筑木材阻燃劑是非常可行的，它可以有效地保證木材的結構和強度，減少木材的火災風險。

三、水噴霧滅火系統設計

清福陵的水噴霧滅火系統設計，學習日本合掌村的先進經驗，在方城內合適的位置設置室外消火栓、室內消火栓、消防水槍水帶，消防器材箱（圖4）。室外消火栓是設置在建筑物外消防給水管網上的供水設施，主要供消防車從市政給水管網或室外消防給水管網取水滅火，工作人員也可直接連接軟管和水槍滅火，是撲救火災的重要消防設施之一。在清福陵方城內東配殿的南面和隆恩殿的西面，設置2個室外消火栓，間距在120米以內，在寶頂和明樓之間設置1個室外消火栓，滿足撲救滅火的要求。室外消火栓設置安裝應明顯容易發現，方便出水操作。為了不影響其歷史風貌，可設置地下消火栓。

根據初期火災較易撲滅的特點，應盡量采取措施，做好火災報警預防工作。爭取早發現，早撲救，“止之于始萌，絕之于未形”，把火災制止在萌芽狀態，不使其形成災害。1965年，日本世界遺產白川鄉合掌村發生了一場大火，燒毀了一半以上的合掌造房屋。之后他們開始重視防火工作。現在，全村共有34個室外消防栓和28個室內消防栓，共有59個消防水槍。每年村里居民都要進行消防演練，學習滅火技術。火災發生后，在消防隊沒到現場之前，由村民自行及時撲救。

四、火災數值模擬實驗

FDS（Fire Dynamics Simulator）是由美國國家標準與技術局開發的一種火災動力學模擬軟件工具，用于模擬火災中能量驅動的流體流動。軟件將要模擬的空間劃分為幾個小的三維矩形控制體網格或計算單元，使用動量守恒、能量守恒、質量守恒和偏轉方程計算每個網格單元中的氣體密度、速度、溫度、壓力和組分濃度，它類似于有限差分，使用有限體積技術來計算流體流動中的湍流和熱輻射，并跟蹤火焰氣體的運動[7]。

（一）FDS 理論基礎

FDS運用流體力學中的基本方程，可以準確描述火災的發生與煙氣的流動。包括：質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程等，具體方程表達式如下：

質量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：h —比晗，J/kg；

k —導熱系數，W/(m·k)。

組分守恒方程：

式中：Yi —第i種組分的質量分數；Di —第i種組分的擴散系數，m2/s；單位體積第i種組分的質量生成率，kg/(m3·s)。

（二）火災場景設置

隆恩殿是清福陵最重要的核心建筑物，內部主要建筑結構材料均為黃松木。火災模擬實驗定在隆恩殿殿門出入口進行。首先運用FDS軟件構建清福陵隆恩殿的模型（圖5），設置古建筑結構構件材料均為黃松木，黃松木木材的系數設置密度640.0 kg/m3，比熱容2.85 kJ/(kg·K)，導熱系數0.14 W/(m·K)[8]。起火點設置在殿門出入口。火源設定 Heat Release Rate Per Area(HRRPUA) 為1500KW/m2，計算時間為300s[9]。根據木材阻燃實驗設定煙氣和各種火災產生氣體參數，消防水噴霧設置水流量為180.0 L/min，直徑平均值為300.0 μm。模擬計算區域為整個隆恩殿15m×15m×5m。模型選取0.3m×0.3m×0.3m的網格尺寸，網格數量為25萬個單元格。根據實際火場情況，計算區域網格的+X面、-X面、+Y面、-Y面、+Z面均為開放邊界，與環境大氣相接；-Z面為閉合邊界，模擬現實中的大地。

圖5 FDS火災模擬實驗：FDS建立模型和起火建筑

為了進行模擬結果分析，在隆恩殿殿門出入口設置多個監測點和監測切片，用于監測不同位置的熱釋放速率、煙氣濃度、溫度及CO濃度。同時在隆恩殿殿門南向5米處設置用于監測熱輻射強度切片和監測點，用來監測火災向外蔓延的情況。

五、結果與討論

為方便正確的表達實驗結果，本文的實驗結果設定3種工況：工況1是指原始情況，木材沒有經過阻燃處理，火場沒有水噴霧。工況2是指有木材經過阻燃處理，火場沒有水噴霧。工況3是指有木材經過阻燃處理，并且火場設有水噴霧滅火系統。

（一）熱釋放速率（HRR）

熱釋放速率是影響單位燃燒放熱率的重要參數，也是衡量火災危險程度的重要參數[10]。熱釋放速率通常用于表示火災隨時間的發展過程。圖6（a）（b）（c）分別是工況1、工況2、工況3，火災發生后300s時火勢燃燒的情況，（d）圖是在隆恩殿殿門上方1.7米，三種工況不同時間的熱釋放速率（HRR）數據對比。

圖6 三種工況熱釋放速率情況：（a）300s時工況1切片（b）300s時工況2切片（c）300s時工況3切片（d）三種工況熱釋放速率數據對比

阻燃劑的加入和水噴霧滅火系統可以減少火場的熱釋放速率，使火災得到控制。由圖6（d）可以看出，工況1的火災發生后，火勢迅速擴展，隨著材料的燃燒釋放出大量的熱量，熱釋放速率也迅速增加，在53s左右，熱釋放速率達到最高值13747.3kW。熱釋放速率隨時間的變化趨勢與火災蔓延趨勢基本一致。工況2的木材加入阻燃劑后，材料燃燒減慢，放出的熱量減少。雖然火災現場熱釋放速率仍然較大，但熱釋放速率峰值明顯降低，火災發生后16s的熱釋放速率峰值達到12594.2kW，比工況1降低8.4%。工況3的火場在用水噴霧滅火系統作用下，火災發生后128s的熱釋放速率達到峰值11907.6kW，比工況1低13.4%，比工況2低5.5%。

（二）煙氣濃度

煙氣濃度和煙氣釋放量是評價物料燃燒時煙氣狀況的重要參數。如果物體沒有完全燃燒會產生大量煙氣，煙氣會阻礙人們的視線，延長火災現場的疏散和逃生時間，給滅火增加了難度。煙氣在建筑中的擴散具有獨特的流動性，它受室內空間的布局和連通性的影響。因此煙氣的安全性不應大于5%，不會對人員安全疏散產生較大影響。圖7（a）（b）（c）分別是工況1、工況2、工況3，火災發生后300s時的煙氣濃度情況，（d）圖是在隆恩殿殿門上方1.7米，三種工況不同時間的煙氣濃度數據對比。

圖7 三種工況煙氣濃度情況：（a）300s時工況1切片（b）300s時工況2切片（c）300s時工況3切片（d）三種工況煙氣濃度數據對比

阻燃劑的加入可以減少黃松木煙氣的生成和釋放，但水噴霧滅火系統使得部分黃松木不完全燃燒，從而比工況2產生了更多的煙氣。由圖7（d）可知，工況1起火后，煙氣逐漸產生，主要聚集在火源空間的頂部界面，在氣壓差的作用下擴散到相鄰的開口空間，在277s左右產生大量濃煙，煙氣濃度達到最高峰值5.19*10-3kg/m3；工況2的木材添加阻燃劑后，釋放的煙霧量顯著減少，起火后3s時煙氣濃度達到峰值3.96 *10-3kg/m3，相比工況1降低了23.7%；工況3火場在水噴霧滅火系統作用下，起火后194s時煙氣濃度達到峰值4.51*10-3kg/m3，相比工況1降低了13.1%，相比工況2升高了13.9%。

（三）火場溫度

火災發生后，火場溫度迅速上升，燃燒的速度將非常快。如果在短時間內無法撲滅明火，將會出現大面積的火災。火場溫度過高，也會灼傷人員。圖8（a）（b）（c）分別是工況1、工況2、工況3，火災發生后300s時的火場溫度情況，（d）圖是在隆恩殿殿門上方1.7米，三種工況不同時間的火場溫度數據對比。

圖8 三種工況火場溫度情況：（a）300s時工況1切片（b）300s時工況2切片（c）300s時工況3切片（d）三種工況火場溫度數據對比

由圖8（d）可知，工況1起火后，火場溫度在90s左右達到最高峰值1076.5℃；工況2木材加入阻燃劑后，火場溫度在起火后256s時達到峰值1027.6℃，相比工況1降低了4.5%。工況3火場在水噴霧滅火系統作用下，起火后5s時火場溫度達到峰值823.2℃，但在9s后進入穩定狀態，272s左右，是穩定狀態的最高溫度438.7℃，相比工況1降低了57.3%，相比工況2降低了59.2%。這表明阻燃劑的加入降低了火場溫度，但水噴霧滅火系統降低火場溫度的效果非常明顯。

（四）一氧化碳濃度

火災中大量的人身傷亡都是由于煙氣釋放造成的。據統計，因一氧化碳（CO）中毒而窒息死亡或被其他有毒煙霧熏死的，占火災死亡總人數的50% ～ 60%，而被燒死的人中大多數是先中毒、窒息、昏厥，然后被燒死的[11]。圖9（a）（b）（c）分別是工況1、工況2、工況3，火災發生后300s時的CO氣體濃度情況，（d）圖是在隆恩殿殿門上方1.7米，三種工況不同時間的CO氣體濃度數據對比。

圖9 三種工況CO濃度情況：（a）300s時工況1切片（b）300s時工況2切片（c）300s時工況3切片（d）三種工況CO濃度數據對比

由圖9（d）可知，工況1起火后，CO氣體濃度在277s左右達到最高峰值2.60*10-3kg/m3左右；工況2木材加入阻燃劑后，CO氣體濃度明顯地減少了，起火后3s時CO氣體濃度達到峰值1.98*103kg/m3，相比工況1降低了23.8%；工況3火場在水噴霧滅火系統作用下，起火后194s時CO氣體濃度達到峰值2.26*10-3kg/m3，相比工況1降低了13.1%，相比工況2升高了14.1%。這表明阻燃劑的加入減少了黃松木CO氣體的生成和釋放，但水噴霧滅火系統使得部分黃松木不完全燃燒，從而比工況2產生了更多的CO氣體。

（五）熱輻射強度

建筑物遭遇火災燃燒后，熱量在四周傳遞，如果相鄰建筑物獲得的熱量達到一定閾值，就會引燃可燃物，使火災在建筑物之間蔓延。研究表明，該建筑與外墻的距離為4.0米以外的熱輻射強度小于10kW/m2，火災不會通過熱輻射蔓延到鄰近建筑[12]。圖10（a）（b）（c）分別是工況1、工況2、工況3，火災發生后300s時的熱輻射強度情況，（d）圖是在隆恩殿殿門南向5米處上方1.7米，三種工況不同時間的熱輻射強度數據對比。

圖10 三種工況熱輻射強度情況：（a）300s時工況1切片（b）300s時工況2切片（c）300s時工況3切片（d）三種工況熱輻射強度數據對比

由圖10（d）可知，工況1起火后，熱輻射強度在282s左右達到最高峰值19.2kW/m2；工況2木材加入阻燃劑后，熱輻射強度在起火后252s時達到峰值16.5 kW/m2，相比工況1降低了14.1%。工況3火場在水噴霧滅火系統作用下，起火后3s時熱輻射強度達到峰值12.5 kW/ m2，但在5s后進入穩定狀態，最高熱輻射強度9.1 kW/ m2，相比工況1降低了52.6%，相比工況2降低了27.2%。這表明阻燃劑的加入降低了熱輻射強度，但水噴霧滅火系統降低熱輻射強度的效果非常明顯。

六、結論

本文通過對清福陵隆恩殿的黃松木進行木材阻燃實驗與水噴霧FDS滅火數值模擬，分析對比黃松木阻燃前后，水噴霧前后數據結果，得到以下結論：

（1）沈陽清福陵古建筑的消防安全隱患是木質結構內有著生活祭祀用品等大量可燃物，一旦發生火災，如撲救不及時, 很快就會蔓延至周圍的木梁、木柱等結構，甚至造成古建筑的垮塌。通過木材阻燃實驗和FDS數值模擬分析，表明阻燃劑的加入可以降低火災危險程度，達到控制火災蔓延，及時滅火撲救，盡量減少火災給古建筑造成的損失的目的。

（2）火災發生后，火場熱釋放速率隨時間的變化趨勢與火勢蔓延趨勢基本吻合。木材加入阻燃劑后，相比阻燃前的工況，熱釋放速率降低了8.4%，這說明加入阻燃劑后木材的熱釋放量減少了，阻燃劑的加入也減少了黃松木煙氣和CO氣體的生成和釋放，降低了火場溫度，降低了熱輻射強度，火災得到控制。

（3）通過清福陵方城內的水噴霧滅火系統的FDS模擬，對木材進行阻燃并開啟水噴霧，相比阻燃前的工況，熱釋放速率降低了13.4%，這說明水噴霧滅火系統后的木材熱釋放量進一步減少了，水噴霧滅火系統也減少了黃松木煙氣和CO氣體的生成和釋放，最明顯的是降低了火場溫度和熱輻射強度，使火災不會繼續蔓延到其他古建筑。