侗族吊腳樓建筑防火間距的數(shù)值模擬研究

翟瀅瑩　葉雁冰　馬黎進　張余萍

摘??? 要：木結(jié)構(gòu)干欄式吊腳樓是侗族村寨最普遍的建筑形式，火災(zāi)荷載大，且傳統(tǒng)侗族村落建筑排布檐廊相接，存在巨大的火災(zāi)隱患.運用火災(zāi)動力學(xué)仿真模擬軟件Fire Dynamic Simulator、Thunderhead Engineering PyroSim在條件環(huán)境下對典型吊腳樓防火間距進行重新評估，得到不同方向的最小安全防火間距：面寬側(cè)間距6.5 m、山墻側(cè)間距4 m，并將成果應(yīng)用于廣西三江侗族自治縣林略村的新村規(guī)劃.本研究試圖在維護建筑傳統(tǒng)風(fēng)貌的情況下，通過安全防火隔離的設(shè)置達到控制火災(zāi)蔓延的目的，為侗族村落的建筑布局規(guī)劃提供參考.

關(guān)鍵詞：吊腳樓;防火間距;數(shù)值模擬

中圖分類號：TU241.5;TU998.1?????????? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.02.010

0??? 引言

侗族吊腳樓建筑排布檐廊相接，火災(zāi)一旦發(fā)生極易因火勢蔓延導(dǎo)致災(zāi)情擴大化.建筑規(guī)劃領(lǐng)域?qū)糯迓涞姆阑鸨Ｗo有著大量的探索，提出了具有文化保護理念的防火改造策略，但研究缺乏定量數(shù)據(jù)支撐，較少能提出量化的結(jié)論.

在建筑布局緊湊的侗族村落，防火分隔是火災(zāi)控制的最后一道防線，同時也能最大限度地維護原有村落風(fēng)貌，故本文將防火分隔作為侗族村落消防的策略突破口.因燃燒物體對周圍的熱輻射隨距離增大呈現(xiàn)遞減的趨勢，當(dāng)距離達某臨界值則無法引燃相鄰可燃物，故采取防火隔離的方式來實現(xiàn)火災(zāi)控制對于侗族村落的防火是現(xiàn)實可行的.根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，木結(jié)構(gòu)建筑之間最小防火間距為10 m[1]，而侗族村落多居于山地，土地資源緊張難以實現(xiàn)此標(biāo)準(zhǔn)，故本文借助計算機對火災(zāi)動態(tài)進行仿真模擬，為侗族吊腳樓建筑重新選擇適宜的防火間距[2].

選取廣西三江侗族自治縣林略村作為研究背景.該村為典型的山地團聚型侗族村落，曾于2009年經(jīng)歷過一場特大火災(zāi)，造成巨大的損失，而災(zāi)后重建過程中由于未注重民族傳統(tǒng)特色的保護，破壞了傳統(tǒng)村落風(fēng)貌.本文以林略村為背景，通過實地調(diào)研與模擬分析，試圖為傳統(tǒng)吊腳樓建筑的保護提供新的思路.

1???? FDS數(shù)值模擬

1.1??? FDS建模

模型及材料設(shè)置：利用FDS（Fire Dynamic Simulator）預(yù)、后處理軟件PyroSIM（Thunderhead Engineering PyroSim）建立木吊腳樓模型（如圖1所示），建筑開間10.5 m、進深9 m，共3層，屬于侗族村寨中較為普遍的吊腳樓體量，房屋結(jié)構(gòu)形式為穿斗式，主要建筑材料為杉木.通常建立一座三層木吊腳樓所耗木材量為40 ～50 m3，統(tǒng)計該模型木材用量約為42.7 m3，故具有代表性[3].通過手動反應(yīng)設(shè)置（covered manually）來控制杉木的燃燒，參數(shù)見表1.屋頂?shù)男∏嗤卟豢扇迹趯嶋H火災(zāi)過程中由于失去結(jié)構(gòu)支撐存在掉落的可能，在小青瓦下布置熱電偶，當(dāng)電偶溫度達到450? °C時，青瓦消失模擬其掉落情況[4].

網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定：FDS模擬中網(wǎng)格對于計算結(jié)果影響較大，選取0.3 m3、0.25 m3、0.2 m3、0.15 m3精度進行網(wǎng)格獨立性分析，逐步加密計算網(wǎng)格對吊腳樓模型進行FDS模擬，若加密前后計算結(jié)果不存在明顯差異，則認為計算結(jié)果獨立于網(wǎng)格密度[3]（見圖2）.0.25 m3、0.2 m3、0.15 m3模擬的結(jié)果吻合度較高，結(jié)果可獨立于網(wǎng)格，綜合計算精度與計算效率，采取0.15 m×0.15 m×0.15 m的網(wǎng)格進行模擬.根據(jù)實際火場情況，計算區(qū)域網(wǎng)格的-X面、+X面、-Y面、+Y面、+Z面均為開放邊界，與環(huán)境大氣相接;? -Z面為閉合邊界，模擬現(xiàn)實中的大地.根據(jù)對三江縣歷年火災(zāi)統(tǒng)計情況，發(fā)現(xiàn)秋冬季屬于火災(zāi)多發(fā)季節(jié)，模擬中參考林略村秋冬季氣候情況設(shè)置模擬的邊界條件如表2.

火源設(shè)定：將火源設(shè)在最危險的上風(fēng)向區(qū)域，即建筑一層南側(cè)沙發(fā)上.火源設(shè)定以成功引燃建筑而不影響建筑燃燒為原則，火源面積設(shè)為2.6 m×0.8 m.根據(jù)沙發(fā)燃燒特性，設(shè)置第0 s時火源的熱釋放速率為0，第1～51 s時火源的熱釋放速率為2 000 kW/m2，第52 s火源熱釋放速率為0[5].

監(jiān)測切片布置：根據(jù)臨界引燃條件獲取最小安全防火間距，杉木著火的臨界熱流在11～15 kW/m2之間.取熱通量13 kW/m2作為杉木引燃判據(jù)，該值與NFPA的常規(guī)木材引燃判據(jù)12.6 kW/m2接近[6].圍繞建筑四周以0.5 m、1.0 m、1.5 m、…等間距布置±X向、±Y向的熱通量記錄切片，用以全程記錄建筑模型燃燒對環(huán)境的熱輻射情況，從而推斷不能引燃周邊木吊腳的最小安全距離（如圖3所示）.

1.2?? 單棟建筑燃燒模擬結(jié)果及分析

起火的沙發(fā)首先引燃相鄰的墻體，向上蔓延的火焰在二層樓板的限制下沿樓面板向遠處蔓延，樓梯通高處將火勢迅速引向二層，火焰將外挑的樓板底部引燃，建筑外部已有火焰躥出，建筑二層開窗部位以及閣樓層山墻開洞部位是火焰外竄薄弱環(huán)節(jié)，此時燃燒的熱釋放速率開始急劇增大;過了鼎盛燃燒期后，火勢開始逐漸下降，到1 000 s，火焰基本全部熄滅，還剩余少量未能完全燃燒的木材殘余，火勢蔓延情況見圖4.

通過Smokeview可以得到不同距離切片熱輻射通量的瞬時值（如圖5所示），統(tǒng)計±X、±Y方向所有熱通量切片的最高熱通量值.由于火源燃燒對周圍的熱輻射強度與輻射點至火源距離的平方成反比，因此輻射強度與距離呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系.根據(jù)統(tǒng)計的最高熱通量及相應(yīng)的切片位置，可擬合繪制建筑各方向最高熱通量隨距離衰減曲線圖.13 kW/m2為杉木引燃臨界熱通量，通過臨界熱通量界線與最高熱通量衰減曲線的交點對應(yīng)找到建筑各個方向的防火間距（如圖6所示），分別為：西側(cè)4 m、東側(cè)3 m、南側(cè)5.5 m、北側(cè)5.5 m.

1.3?? 多棟建筑燃燒模擬

群發(fā)性火災(zāi)通常會由于燃燒的疊加而加劇火勢蔓延，引發(fā)大區(qū)域火災(zāi).結(jié)合林略村新村規(guī)劃的需要，本文對2～3棟建筑并列布局燃燒的情況進行火災(zāi)仿真模擬.結(jié)合侗族村寨實地調(diào)研中建筑的布局情況，將2～3棟建筑按照間距0.5 m并列，吊腳樓屋檐相互搭接.由西側(cè)建筑一層沙發(fā)處引燃，燃燒逐漸發(fā)展，西側(cè)建筑劇烈燃燒后通過相互搭接的屋頂引燃東側(cè)建筑，火勢蔓延至東側(cè)建筑二三層.由于大火向上蔓延的趨勢使東側(cè)建筑一層的大量木材未能參與燃燒，在一定程度上起到了隔火的作用，降低了對東側(cè)環(huán)境的熱輻射.

根據(jù)監(jiān)測切片獲取不同距離處的最高熱通量值擬合曲線，得到2～3棟并排建筑燃燒最高熱通量隨距離衰減曲線如圖7、圖8所示.同理，根據(jù)13 kW/m2的熱通量臨界值與熱通量衰減曲線的交點對應(yīng)獲取各個方向的防火間距：2棟并排建筑各方向防火間距分別為：西側(cè)4 m、東側(cè)1.5 m、南側(cè)5 m、北側(cè)6.5 m;3棟并排建筑各方向防火間距分別為：西側(cè)4.3 m、東側(cè)1.3 m、南側(cè)5.5 m、北側(cè)5.2 m.綜合前文中單棟建筑模擬結(jié)果，1～3棟建筑燃燒防火間距呈現(xiàn)較為穩(wěn)定狀態(tài)，面寬側(cè)的安全防火間距基本維持在5～6.5 m，山墻側(cè)起火端防火間距在3～4 m.

2??? 規(guī)劃應(yīng)用

結(jié)合模擬獲取的防火間距結(jié)果，對林略村新村規(guī)劃提出設(shè)想.新宅將建到公路旁的等媽新村，從而減輕舊村高密度木構(gòu)建筑所帶來的高火災(zāi)負荷.等媽新村與林略村相鄰，地勢較為平緩且用地相對寬裕，但是建筑用地較為零散.

新村規(guī)劃充分尊重自然地形及原有耕種用地，共由兩道水田、坡地形成的天然防火隔離將整體劃分為3個防火分區(qū).應(yīng)用所獲最小安全防火距離，3棟建筑并列形成一個小組團，每個小組團面寬側(cè)預(yù)留至少6.5 m防火間距，山墻側(cè)預(yù)留至少4 m防火間距（如圖9所示），若干小組團構(gòu)成一個防火分區(qū).這種布局方式在某棟建筑發(fā)生火情時盡可能地避免或延緩火勢蔓延到其他建筑組團，根本上避免了大規(guī)?；馂?zāi)的發(fā)生.

3??? 結(jié)論與展望

本文借助FDS軟件模擬獲取建筑最小防火間距，并對林略新村的防火規(guī)劃進行了模擬應(yīng)用，可為同類型侗族村落新村規(guī)劃提供參考.輻射引燃是大面積建筑火災(zāi)蔓延的主要能量傳遞方式，本文研究中主要考慮臨界輻射熱通量引發(fā)的燃燒蔓延，由于飛火引燃具有隨機性，本文未對該情況進行分析.

參考文獻

[1]???? 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑設(shè)計防火規(guī)范：GB50016-2014[S].北京：中國計劃出版社，2015.

[2]???? 翟瀅瑩.廣西傳統(tǒng)侗族村落形態(tài)的性能化防火設(shè)計研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2017.

[3]???? 翟瀅瑩，葉雁冰.侗族吊腳樓火災(zāi)模擬建模研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018，37（1）：32-34.

[4]???? 楊春澤.基于FDS風(fēng)速條件下木結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)數(shù)值模擬[J].建筑安全，2013，28（7）：17-21.

[5]???? 王雁楠，邱洪興.基于FDS的古建群落火災(zāi)蔓延規(guī)律數(shù)值分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2014，24（6）：26-32.

[6]???? 康濤.五店市歷史傳統(tǒng)街區(qū)建筑群防火間距研究[J].火災(zāi)科學(xué)，2013，22（3）：175-180.

[7]???? 管仕平.人機工程學(xué)在計算機軟件界面中的應(yīng)用[J].廣西工學(xué)院學(xué)報，2001，12（2）：39-41.

[8]???? 張婷婷，尹輝俊，劉赟，等.某燃油箱邊界約束對應(yīng)力分析精度的影響研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2018，29（1）：49-54，68.

Study on fire prevention spacing of stilted houses in Dong village

with numerical analysis

ZHAI Yingying， YE Yanbing， MA Lijin， ZHANG Yuping

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In Dong-ethnic village， wooden buildings stood close to each other so there was a great??? hazard in this community. The purpose of the research is to find out the shortest fire separation distance for that village using Fire Dynamic Simulator （FDS） and PyroSim. Under typical condition， fire??????? separation for stilts were reevaluated which were 6.5 m for fa?ade and 4 m for gable. These results were applied to rural planning for Linlue Village. The research also intended to preserve the traditional????? decoration for historical buildings and control the fire widespread， which could be helpful for the?? building layout for other Dong-ethnic villages.

Key words： stilted house; fire prevention spacing; numerical analysis