陶慶

0 前言

近年來，全國各地圍繞古村古鎮(zhèn)開發(fā)的旅游業(yè)得到蓬勃發(fā)展，極大地促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。但古村古鎮(zhèn)由于歷史原因，建筑結(jié)構(gòu)大都以易燃的木結(jié)構(gòu)為主，建筑物耐火等級較低；古村古鎮(zhèn)建筑之間距離較近，建筑間防火間距普遍不足[1][2]。由此導(dǎo)致古村古鎮(zhèn)可燃物較多，火災(zāi)危險性較高，且一旦發(fā)生火災(zāi)，極易發(fā)生火災(zāi)蔓延、造成火燒連營的嚴(yán)重后果。此外，由于古村古鎮(zhèn)普遍缺乏整體消防規(guī)劃，消防設(shè)施缺乏、消防道路狹窄等制約火災(zāi)撲救的現(xiàn)象也較為普遍，初期火災(zāi)發(fā)生后，往往難以第一時間及時撲救，極易造成火勢迅速蔓延擴大[3][4]。如2014年以來，云南香格里拉獨克宗古城、湖南洪江古商城、云南麗江束河古鎮(zhèn)、貴州省黔東南州西江千戶苗寨、廣東中山古鎮(zhèn)等相繼發(fā)生火災(zāi)，給人民生命財產(chǎn)、歷史文化造成了巨大損失。由此，基于古村古鎮(zhèn)建筑結(jié)構(gòu)和布局現(xiàn)狀、火災(zāi)危險性特點，掌握古村古鎮(zhèn)建筑火災(zāi)蔓延特性，并采取針對性的火災(zāi)預(yù)防措施，對降低古村古鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險有重要意義。

本文擬對某古鎮(zhèn)商鋪建筑開展火災(zāi)蔓延數(shù)值模擬分析，研究商鋪建筑火災(zāi)水平和豎向蔓延情況，為該古鎮(zhèn)火災(zāi)防治提供技術(shù)參考依據(jù)。

1 古鎮(zhèn)概況及火災(zāi)危險性分析

該古鎮(zhèn)是以休閑、購物、觀光為特色的旅游古鎮(zhèn)，總面積約5平方公里。古鎮(zhèn)主體部分是沿南北方向分布的一條300余米長的大街，街寬2.5m，沿大街依次分布10～30m2大小不等的商鋪，其中南大街以特色小吃為主，北大街以旅游工藝品、古玩、字畫為主。商鋪建筑結(jié)構(gòu)以磚木結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)為主，建筑層數(shù)以一層為主。古鎮(zhèn)平時日均客流量在3000人左右。

通過前期對古鎮(zhèn)實地消防安全調(diào)查，發(fā)現(xiàn)古鎮(zhèn)火災(zāi)危險性主要體現(xiàn)在：

一是建筑材料以木結(jié)構(gòu)為主，易于起火燃燒。該古鎮(zhèn)多是采用木結(jié)構(gòu)或磚木結(jié)構(gòu)建造的耐火等級僅為三級或四級的建筑群。建筑大量采用木材，非常容易燃燒，耐火性能差。同時，古鎮(zhèn)建筑中的門、窗、梁、斗拱等形狀復(fù)雜，構(gòu)件交錯疊落，使木材的受熱面積大大增加，極易導(dǎo)致火災(zāi)快速蔓延。

二是防火間距不足，易形成大面積建筑火災(zāi)。該古鎮(zhèn)沿南北大街兩邊修建建筑，建筑彼此相連，缺少防火隔間，各個店鋪飛檐搭接，廊道相連。一旦其中某個建筑著火，極易迅速蔓延至與之毗鄰的其它建筑，形成火燒連營的現(xiàn)象。

三是建筑規(guī)劃不合理，火災(zāi)撲救困難。該古鎮(zhèn)由于歷史原因，商鋪建筑與居民建筑混建，街道狹窄。消防車道內(nèi)堆放貨物、擺攤設(shè)點，易造成緊急情況下消防車的通行困難，影響古鎮(zhèn)火災(zāi)的初期快速撲救。同時，古鎮(zhèn)內(nèi)建筑普遍存在消防設(shè)施配置不足，較少配置火災(zāi)報警和自動噴水滅火系統(tǒng)。

2 古鎮(zhèn)商鋪建筑火災(zāi)蔓延分析

2.1 火災(zāi)場景設(shè)計

通過前文對古鎮(zhèn)的火災(zāi)危險性分析，發(fā)現(xiàn)老街所有商鋪中，飯店類商鋪火災(zāi)荷載較多，火災(zāi)危險性較高，根據(jù)“可信且最不利”原則設(shè)定老街中某飯店商鋪發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)時簡易噴淋失效，采用自然排煙。為考察商鋪火災(zāi)豎向蔓延至商鋪2樓，同時水平蔓延至大街對面商鋪的最不利情況，火源設(shè)置在飯店大廳靠近南大街一側(cè)存在明火的食品加工處。火源具體位置如圖1所示。

圖1 火源位置設(shè)置

模擬分析中，考慮一組桌椅（每組為1張餐桌、4把座椅組成）著火。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）曾對某些家具進(jìn)行過火源測熱釋放速率試驗[5]，一張木制餐桌的火災(zāi)規(guī)模為2MW，單張座椅的最大熱釋放率為0.3MW。通過計算得一組桌椅著火的火災(zāi)規(guī)模為3.2MW（4×0.3＋2＝3.2MW），同時本文考慮引入安全系數(shù)，目前可參考的家具的熱釋放速率試驗數(shù)據(jù)來源于美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST），與美國相比，國內(nèi)家具木材含量更多，火源功率會偏大，為增強場景的可信性和合理性，將安全系數(shù)定為1.5，將無自動滅火系統(tǒng)控制下餐飲區(qū)火災(zāi)規(guī)模定為5MW。

基于以上研究可設(shè)計t2火，用下式描述：

式中Qf為火源的熱釋放速率，KW；α為火災(zāi)增長速率，KW/s2；t為時間，s。

火災(zāi)增長速率α是以熱釋放速率表征火災(zāi)增長快慢的程度的重要參數(shù)，一般采用表1的四種劃分方法[6][7]。由于本場景桌椅為木板結(jié)構(gòu)，故采用表中的快速火，α取值0.0469。

根據(jù)以上內(nèi)容，最終確定古鎮(zhèn)商鋪建筑火災(zāi)場景如表2所示。

2.2 火災(zāi)模型

模型分析采用采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）研究開發(fā)的火災(zāi)動力學(xué)場模型軟件FDS作為分析手段，版本號為6.7.5。FDS模擬軟件是使用大渦模擬技術(shù)的計算流體力學(xué)（CFD）軟件，可以用于計算燃燒所引起的流場、溫度場、能見度和氣體組分濃度等。該軟件可通過數(shù)值方法求解Navier-Stokes方程來分析氣體擴散和燃燒過程中傳質(zhì)過程和傳熱過程。

表1 火災(zāi)增長速率分類表

表2 設(shè)定火災(zāi)場景

采用PyroSim軟件進(jìn)行模型的建模。模型為2層樓，有人字形屋頂。長14.7m，寬8.2m，層高2.2m，有兩部樓梯，樓梯寬度為1.1m，CFD模型如圖2所示。

圖2 CFD模型

2.3 CFD假設(shè)

此CFD模型中所采用的主要假設(shè)條件包括：

（1）初始的建筑內(nèi)部與外部溫度相同；

（2）無外部風(fēng)，通風(fēng)氣流和煙氣均視為理想氣體；

（3）在探測到火災(zāi)后，所有通向外部的門應(yīng)保持開啟狀態(tài)，所有側(cè)窗或頂窗開啟狀態(tài)；

（4）忽略阻礙物和人員對氣流的阻礙，以及人員疏散時對氣流的擾動影響；

（5）忽略排煙系統(tǒng)和氧氣含量對火源釋熱速率的影響。

2.4 火災(zāi)蔓延判據(jù)

商鋪建筑結(jié)構(gòu)為磚木結(jié)構(gòu)，主要承重構(gòu)件如梁、柱均為木結(jié)構(gòu)，因此模擬分析中火災(zāi)蔓延主要考慮木材的火災(zāi)蔓延特性。

火災(zāi)蔓延方面的判據(jù)主要通過兩方面來刻畫[8]。一方面是木材被引燃，此時認(rèn)為火災(zāi)蔓延已經(jīng)開始。另一方面是轟燃，轟燃的發(fā)生意味著火災(zāi)已經(jīng)進(jìn)入完全燃燒階段。木材的引燃通過溫度和熱流量來表征。根據(jù)文獻(xiàn)8中所述，木材被引燃的溫度在250℃～300℃，臨界引燃熱流量值在10～13KW/m2。

轟燃的定量描述一般有兩種[9][10]。一種是以地面的熱流量達(dá)到一定值為條件。通常認(rèn)為，處于室內(nèi)地面上可燃物所接受到的熱流量達(dá)到20KW/m2就可以發(fā)生轟燃。另一種方式是以頂棚下的煙氣溫度接近600℃為臨界條件。

2.5 結(jié)果分析

本文火災(zāi)蔓延數(shù)值模擬的目的是考察由于防火間距不足帶來的火災(zāi)蔓延問題，主要考慮火災(zāi)在豎向蔓延至商鋪的2樓，水平蔓延至大街對面商鋪兩種情況，研究這兩種蔓延發(fā)生的臨界時間，為防火改造和滅火救援提供技術(shù)參考。根據(jù)模擬分析需要，本次數(shù)值模擬分析共分析兩個主要熱物理量——溫度和熱流量。布置的測點有三個，分別是火源正上方頂棚處煙氣溫度測點T1，火源正上方頂棚煙氣熱流量Q1，飯店南大街對面墻壁熱流量Q2。

圖3 頂棚煙氣溫度測點T1模擬值隨時間變化的曲線

圖4 頂棚熱流量測點Q1模擬值隨時間變化的曲線

頂棚煙氣溫度測點T1模擬值隨時間變化的曲線如圖3所示。頂棚煙氣熱流量Q1模擬值隨時間變化的曲線如圖4所示。飯店南大街對面墻壁熱流量Q2模擬值隨時間變化的曲線如圖5所示。

從圖3中可以看出，頂棚煙氣層溫度T1在前270s內(nèi)一直處于不斷上升的過程，270s后，溫度維持在大概600℃左右。其中，在175s處，溫度處于251℃，221s處，溫度值達(dá)到301℃。根據(jù)2.4火災(zāi)蔓延判據(jù)，可以得出：火災(zāi)發(fā)生后，175s～221s內(nèi)，頂棚將被引燃，火災(zāi)開始豎向蔓延。270s后，轟燃已發(fā)生，火災(zāi)進(jìn)入全面燃燒階段。

從圖4中可以看出，頂棚煙氣層熱流量Q1在前307s內(nèi)一直處于不斷上升的過程，307s后，溫度維持在大概60KW/m2左右。其中，在114s處，熱流量值達(dá)到10.3KW/m2；在125s處，熱流量值達(dá)到13.0KW/m2；178s處，熱流量值達(dá)到20.8KW/m2。根據(jù)2.4火災(zāi)蔓延判據(jù)，可以得出：火災(zāi)發(fā)生后，114s～125s內(nèi)，頂棚將被引燃，火災(zāi)開始豎向蔓延。178s后，轟燃已發(fā)生，火災(zāi)進(jìn)入全面燃燒階段。

從圖5中可以看出，飯店南大街對面墻壁熱流量Q2在前324s內(nèi)一直處于不斷上升的過程，324s后，溫度維持在大概13.2KW/m2左右。其中，在302s處，熱流量值達(dá)到10.1KW/m2；在324s處，熱流量值達(dá)到13.2KW/m2。根據(jù)2.4火災(zāi)蔓延判據(jù)，可以得出：火災(zāi)發(fā)生后，302s～324s內(nèi)，飯店南大街對面將被引燃，火災(zāi)開始水平蔓延。

3 結(jié)語

3.1 結(jié)論

根據(jù)某古鎮(zhèn)商鋪建筑實際情況，采用FDS6.7.5進(jìn)行了建模和火災(zāi)蔓延數(shù)值模擬分析，對結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：

在飯店5MW火災(zāi)規(guī)模下，火災(zāi)發(fā)生后，114s～125s（1.9min～2.08min）內(nèi)，頂棚將被引燃，火災(zāi)開始豎向蔓延。178s（2.97min）后，轟燃已發(fā)生，火災(zāi)進(jìn)入全面燃燒階段。302s～324s（5.02min～5.4min）內(nèi)，飯店南大街對面將被引燃，火災(zāi)開始水平蔓延。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，火災(zāi)豎向蔓延、水平蔓延速度均較快，古鎮(zhèn)商鋪火災(zāi)風(fēng)險較高。

3.2 建議

建議古鎮(zhèn)管委會根據(jù)以上火災(zāi)蔓延臨界點時間制定有針對性的防火改造、滅火救援、消防安全管理等方面措施，以保障古鎮(zhèn)建筑內(nèi)及街道人員安全。具體來說，一是對古鎮(zhèn)建筑內(nèi)梁柱木質(zhì)承重構(gòu)件、樓梯等刷涂防火阻燃材料，提高建筑結(jié)構(gòu)耐火極限；二是建議南北大街的毗鄰商業(yè)店鋪，水平方向上每隔一定距離左右設(shè)置封火墻，防止火災(zāi)快速蔓延；三是店鋪裝修應(yīng)使用難燃和不燃材料，嚴(yán)禁使用聚苯乙烯和聚氨酯泡沫塑料作為裝修裝飾和保溫材料，嚴(yán)禁使用易燃可燃材料或彩鋼板分隔房間或搭建建筑；四是店鋪安裝火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)，提高初期火災(zāi)發(fā)現(xiàn)和處置能力；五是保障消防救援通道和疏散通道的暢通，不堆積雜物和設(shè)攤營業(yè)，加強管理和安全檢查；六是完善志愿消防隊建設(shè)，增強適用于古鎮(zhèn)狹窄通道的小型消防車、移動式手抬泵和便攜式滅火裝置等裝備器材的配置，提高初期火災(zāi)撲救的響應(yīng)速度和滅火救援能力。