中國古建筑智能防火對策初探

高 儀，顏 豐

（臺州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

古代建筑是人類文明的瑰寶，歷史變遷的重要見證者。建筑本體及其內(nèi)部文物是研究社會人文進步的一手資料，當古建筑尤其是木構(gòu)古建筑（以下簡稱古建筑）因火災(zāi)燃燒而遭到損毀時，其價值將遭受極大影響，給社會歷史的研究帶來無可挽回的損失。

古建筑自身建造特點與外在人為因素的交叉影響是導(dǎo)致其火災(zāi)安全隱患眾多的主要原因。隨著時代文明的進步，古建筑的保護與修繕也越來越受到人們的重視，當下全球現(xiàn)代智能建筑的飛速發(fā)展與普及，對于古建筑的防火安全具有一定的借鑒意義。國內(nèi)對古建筑智能防火改造的研究也層出不窮，例如薛奕［1］在獨樂寺防火改造方案中指出，在布置火災(zāi)自動探測器時，應(yīng)依據(jù)區(qū)域性質(zhì)加大復(fù)合探測器與點型探測器的布置數(shù)量，建筑內(nèi)采用中壓單流體細水霧系統(tǒng)的水管線和噴頭應(yīng)架設(shè)在鋼架網(wǎng)上，預(yù)留自動噴水滅火系統(tǒng)；翁文國，范維澄［2］分析了運用數(shù)值模擬計算、小尺寸模擬實驗和鹽水模擬實驗進行古建筑中的火蔓延及煙氣運動的計算，對古建的防火、滅火及火災(zāi)評估具有一定的指導(dǎo)作用；李曉剛［3］通過對消防物聯(lián)網(wǎng)理念的借鑒與學(xué)習(xí)，探討了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行無線監(jiān)測與反向控制來增強古建筑智能防火安全的必要性；李昕宇［4］結(jié)合人工智能技術(shù)，提出了在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代運用先進科學(xué)技術(shù)進一步提高消防安全信息化平臺的能力。雖然我國在古建筑智能防火設(shè)計方面已完成部分的研發(fā)與應(yīng)用，但目前的智能防火對策較為有限，研究只局限于火災(zāi)防范過程的某一階段或組成部分，利用先進技術(shù)在根本上對古建筑進行火災(zāi)防范的研究不夠系統(tǒng)全面，討論大都局限于固定范圍內(nèi)。因此，如何將傳統(tǒng)建筑與前沿科學(xué)相結(jié)合，在古建筑內(nèi)構(gòu)建一個穩(wěn)定的智能防火網(wǎng)絡(luò)，于火災(zāi)發(fā)生時能迅速采取對應(yīng)的防火與滅火措施就成為了一項新的課題［5］。

1 近年我國古建筑火災(zāi)案例分析

2017年12月10日，四川省綿竹市九龍鎮(zhèn)九龍寺大殿因電焊作業(yè)不慎引發(fā)火災(zāi)，因當時風(fēng)勢過大，建筑物間隔較小，大殿火災(zāi)發(fā)生后快速引燃了旁邊的“亞洲第一高木塔”靈官樓(如圖1［6］所示)?；饎萋?，熊熊燃燒，最終造成二殿一塔被毀，過火面積800余平方米。其中，靈官樓始建于明崇禎年間，曾在汶川大地震中損毀，震后原址重建的靈官樓共16層高，是中國傳統(tǒng)的全榫卯結(jié)構(gòu)，失火后損失不可估量［7］。

2018年2月17日，拉薩大昭寺供奉有釋迦牟尼佛像的后殿二樓右側(cè)通風(fēng)室著火，著火時火勢兇猛并伴有濃煙，過火面積50平方米左右，起火原因系電氣線路故障所致［8］。

2019年5月30日，山西省晉中市平遙古城武廟發(fā)生火災(zāi)，致使正殿主體建筑燒毀坍塌。此次起火原因為文物保護工程施工單位在施工過程中存在明顯違規(guī)行為，監(jiān)管不力。此外，平遙古城還存在著部分市區(qū)和建筑電線線路敷設(shè)雜亂，消防管網(wǎng)、消防人員配備和管理上存在不規(guī)范等隱患和問題［9］，如武廟大殿門口施工現(xiàn)場使用電焊作業(yè)（如圖2［10］所示）等。

圖1 九龍寺火災(zāi)現(xiàn)場火光沖天

圖2 武廟大殿門口電焊作業(yè)修工程車

中國應(yīng)急管理部消防救援局近十年來共接報文物古建筑火災(zāi)392起［11］。同時，據(jù)國家文物局接報文物火災(zāi)事故數(shù)量統(tǒng)計顯示，文物局近十年來共接報文物火災(zāi)事故150余起［12］，其中，2015年為21起，2016年為14起，2017年為17起，2018年為12起。隨著文物平安工程的大力推進與文物建筑消防安全設(shè)施設(shè)備的不斷完善，古建筑火災(zāi)事故數(shù)量雖大體有所下降，但慘痛的損失表明古建筑消防安全形勢依然嚴峻，加強古建筑消防安全保護仍舊刻不容緩。

2 我國古建筑火災(zāi)成因與特征

2.1 火災(zāi)荷載大，耐火等級低，預(yù)防困難

我國古建筑大多以木質(zhì)材料為原料進行建造并以木構(gòu)架的形式出現(xiàn)，耐火等級低［13］。其建造所用的材料以松、杉、柏為主，經(jīng)時間推移，木質(zhì)材料變得疏松干燥并自然風(fēng)化形成干裂，后期因裝飾需要又在其表面涂以大量油漆彩繪，加大火災(zāi)荷載。由立柱和橫梁構(gòu)成的“間”字架構(gòu)使得木材通風(fēng)條件良好（如圖3［14］所示），而屋頂結(jié)構(gòu)嚴密，失火時火勢在屋內(nèi)沿著梁柱構(gòu)件迅速蔓延，熱量和煙氣無法在短時間內(nèi)消散而造成古建筑轟然倒塌［15］。

2.2 位置偏僻，群組相連，火勢難控

古代建筑因政治、宗教、文化需要通常建于崇山峻嶺之上或通曲深谷之中，如五臺山佛教寺廟、武當山道教道觀等（如圖4［16］所示）。由于這些地帶山路崎嶇，道路狹隘，火災(zāi)發(fā)生時消防車與消防員難以及時到達現(xiàn)場，加之僧侶缺乏基本滅火技能，且建筑周邊消防設(shè)施匱乏，甚至沒有過多的消防水源，以致火災(zāi)發(fā)生時無法進行有效的滅火撲救，任由其發(fā)展，最終使文物古建筑化為灰燼。另外，古建筑通常以群落組合的形式出現(xiàn)，院落與廊道的建造方式使得建筑與建筑之間前后相接，上下套疊，防火間距狹小，安全空間缺乏，防火分隔與消防通道缺失，一旦發(fā)生火災(zāi)，會引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，擴大火勢［17］。

圖3 “間”字架構(gòu)古建筑

圖4 崇山峻嶺中的古建筑

2.3 分工不明，管理不當，誘因復(fù)雜

人為用火用電不慎近年來已高居于引發(fā)古建筑火災(zāi)原因的榜首。人為因素致火主要分為以下部分：用火不慎、用電不慎、人為放火玩火、生產(chǎn)違章作業(yè)［18］，其中用火不慎又主要包括生活用火不慎與宗教用火不慎。國內(nèi)近十年392起古建筑火災(zāi)成因分析如圖5［11］所示。

圖5 國內(nèi)近十年392起古建筑火災(zāi)成因分析

2.3.1 生活用火不慎

因生活用火不慎而引發(fā)火災(zāi)的具體原因有：明火炊煮、火爐采暖、蚊香驅(qū)蚊、亂扔煙頭等。

2016年3月，湖南省南岳廟一個月內(nèi)連續(xù)發(fā)生兩起火災(zāi)，工作人員消防安全意識淡薄，管理松懈，起火原因為：燒香和違規(guī)使用電烤爐［19］。

2.3.2 宗教用火不慎

因宗教用火不慎而引發(fā)火災(zāi)的具體原因有：大規(guī)模信眾明火燃香燒紙、香客攜帶易燃易爆物品、燈燭火種引燃桌圍等。

2017年10月30日，全國重點文物保護單位法輪寺東配殿發(fā)生火災(zāi)，致使50平方米東配殿基本被毀，起火原因為：工作人員熄滅的油燈芯復(fù)燃進而引燃周邊可燃物［20］。

2.3.3 電氣使用不當

因電氣使用不當而引發(fā)火災(zāi)的具體原因有：私搭亂接電線、線路老化嚴重、電氣設(shè)備安裝不規(guī)范、管理人員使用大功率電器燒水炊火，導(dǎo)致電路過載短路、照明采用發(fā)熱量大的燈具并將其置于可燃物附近，物體間發(fā)生熱傳導(dǎo)引發(fā)火災(zāi)等。

2015年1月3日，云南省巍山縣省級文物保護單位拱辰樓發(fā)生火災(zāi)，拱辰樓建筑城臺上的木構(gòu)建筑基本燒毀，受損面積為765.62平方米，起火直接原因為：電氣線路一次短路［21］。

2.3.4 人為放火玩火

人為放火玩火包括犯罪分子、精神障礙患者放火，未成年人玩火等。

1980年9月29日，浙江普陀山法雨寺清華洞燒毀樓房6幢，建筑面積達400平方米，起火原因為：小孩玩火［22］16。

2.3.5 生產(chǎn)違章作業(yè)

因生產(chǎn)違章作業(yè)而引發(fā)火災(zāi)的具體原因有：施工現(xiàn)場管理混亂、使用明火工具進行作業(yè)、可燃物品隨處堆積、施工人員隨意吸煙等。

1971年4月8日，四川省峨眉山金頂寺、永明華藏寺發(fā)生火災(zāi)，燒毀建筑8200平方米，死亡1人，起火原因為：工作人員違章作業(yè)［22］15。

2.4 自然災(zāi)害，不可避免，難以預(yù)知

因古建筑自身較為高大或建造地勢高，導(dǎo)致其容易遭受雷擊引發(fā)火災(zāi)。在我國古建筑中因雷電引起火災(zāi)事故的事例也數(shù)不勝數(shù)，例如北京故宮曾遭受數(shù)十次雷擊而造成或大或小的燒毀。因雷擊導(dǎo)致火災(zāi)事故頻發(fā)，所以古人早在屋頂鑲嵌鴟吻（如圖6［23］所示）并將鐵鏈接到地上用以導(dǎo)電?，F(xiàn)代針對雷擊這種自然現(xiàn)象也采取了較多的有效措施，例如分流、均壓等，最大程度地減輕了自然災(zāi)害帶給古建筑的傷害。

圖6 古建筑鴟吻導(dǎo)電避雷

3 古建筑智能防火技術(shù)對策

古建筑因其客觀的建筑特征而導(dǎo)致耐火等級低、火燒連營、易遭雷擊的情況在后期防范中難以為人所控，而人為用火用電不慎又使得古建筑火災(zāi)高發(fā)。因此如何在古建筑特征對防火救火不利的現(xiàn)實情況下降低人為因素導(dǎo)致火災(zāi)的頻率，繼而減少火災(zāi)發(fā)生事故的發(fā)生就顯得尤為重要。

當前，在消防安全中融入人工智能和交互技術(shù)來創(chuàng)建防火體系已成為主流。將前沿科學(xué)融入古建筑智能防火中，使得消防設(shè)備在復(fù)雜的古建筑環(huán)境內(nèi)也能自感知、自適應(yīng)、自控制、自決策的手段可大大降低古建筑的火災(zāi)風(fēng)險。

3.1 應(yīng)用火災(zāi)風(fēng)險評估技術(shù)

運用現(xiàn)存火災(zāi)風(fēng)險評估技術(shù)中的精確定量分析法，技術(shù)人員可通過計算機模擬軟件，建立古建筑火災(zāi)模型，采用非穩(wěn)態(tài)模擬方式模擬火災(zāi)發(fā)生時的煙氣運動、溫度變化、火勢發(fā)展、人員疏散等情況［24］。對于不同的古建筑模型，按照其獨特的空間特征應(yīng)選用不同的離散格式和數(shù)值方法，以準確全面地對古建筑火災(zāi)情況進行分析。常用的離散方法有有限差分法、有限元法、有限體積法［25］；常用的定量分析法有建筑火災(zāi)安全工程法［26］、火災(zāi)風(fēng)險與成本評估模型［27］、模糊數(shù)學(xué)評估法［28］等。其中，古建筑火災(zāi)的分析以模糊數(shù)學(xué)評估法為主。同時，建立含有古建筑消防設(shè)施、消防管線的建筑信息模型，根據(jù)火災(zāi)模型和信息模型共同分析被測古建筑的火災(zāi)危險程度，輔之模糊綜合評估方法，通過層次劃分與指標選取制定消防安全檢查表，進行古建筑火災(zāi)起火可能性與危害性評估，在多方位考量基礎(chǔ)上得出適合被測古建筑的消防方案。將此系列評估手段和消防方案歸入檔案，上傳消防部門，消防部門按分析結(jié)果對負責(zé)區(qū)域內(nèi)古建筑進行分級，經(jīng)安全評定后采取對應(yīng)整改措施，做到從根本上防控火災(zāi)的發(fā)生，具體流程如圖7所示。

圖7 古建筑火災(zāi)風(fēng)險評估技術(shù)流程簡圖

3.2 健全火災(zāi)自動探測技術(shù)

因古建筑采用木制裝配形式，運用榫卯結(jié)構(gòu)進行搭建，空間高大復(fù)雜，后期消防電纜布線受限且易破壞古建筑外觀，故可采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行火災(zāi)自動探測與報警，在其周圍設(shè)置數(shù)量不等的無線通信節(jié)點［29］。針對不同的部位特征，節(jié)點中應(yīng)安置不同類型的傳感器監(jiān)測該區(qū)域內(nèi)比較敏感的參數(shù)信號，例如在殿堂內(nèi)采用測量紅外參數(shù)信號的傳感器，在藏書閣內(nèi)放置測量光強度信號的傳感器等。節(jié)點群通過自組織形式組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，將區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)絪ink節(jié)點，通過sink鏈路借助互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星將監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)進一步上傳到控制處理中心，具體流程如圖8所示。在已安裝有線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的古建筑內(nèi)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在兼容后可作為其中的子系統(tǒng)發(fā)揮普通的探測作用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能全方位收集古建筑內(nèi)的溫度、煙霧、光強等物理量，探測火災(zāi)信息，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接全面覆蓋和報警信息快速傳輸?shù)哪繕恕?/p>

圖8 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測圖

3.3 建立消防安全監(jiān)控系統(tǒng)

工作人員消防意識淡薄是導(dǎo)致古建筑火災(zāi)高發(fā)的原因之一。為此，可在古建筑內(nèi)接入監(jiān)控視頻，使得消防部門與政府部門可通過遠程監(jiān)控對古建筑內(nèi)存在的火災(zāi)隱患進行排查，同時監(jiān)控古建筑內(nèi)管理人員的消防安全工作開展情況，對違規(guī)行為做到早發(fā)現(xiàn)與早處理。

消防設(shè)備在建筑滅火工作中的重要性不言而喻，運用物聯(lián)網(wǎng)傳感器構(gòu)建設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)能加強保障消防設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。在古建筑內(nèi)可利用物聯(lián)網(wǎng)將消防設(shè)備運行狀況接入網(wǎng)絡(luò)平臺與手機APP，時刻監(jiān)測火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的火警信息與故障信息、室內(nèi)外消火栓水壓信息、消防水系統(tǒng)主機狀態(tài)，設(shè)置消防水池的古建筑應(yīng)監(jiān)測水池液位高度，保證火災(zāi)發(fā)生時擁有足夠的供水水量。此外，將電氣系統(tǒng)用電信息和荷載信息納入監(jiān)測范圍，在電氣發(fā)生故障或存有電氣火災(zāi)隱患時，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出報警信息，工作人員與維保人員可在手機短信、應(yīng)用推送等共同提醒下及時檢查電路及維修電器設(shè)備并上報備案，避免發(fā)生電氣火災(zāi)，監(jiān)控系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 古建筑消防安全在線監(jiān)控系統(tǒng)簡圖

3.4 組建快速應(yīng)急救援隊伍

搭建統(tǒng)一調(diào)度平臺。當古建筑發(fā)生火災(zāi)時，按照火災(zāi)風(fēng)險評估應(yīng)急預(yù)案一鍵調(diào)取相應(yīng)救援隊伍趕赴現(xiàn)場［30］，途中依托消防部門終端網(wǎng)絡(luò)調(diào)取相應(yīng)古建筑信息模型和火災(zāi)模型，同時平臺實時視頻傳輸火災(zāi)發(fā)展情況。消防人員提前進行古建筑火災(zāi)態(tài)勢與周邊環(huán)境狀況的識別，為滅火爭取時間。在救援時如遇到復(fù)雜特殊情況，則必須要建立線上線下指揮作戰(zhàn)平臺，聯(lián)合多方應(yīng)急部門與單位，在最短時間內(nèi)給出最佳滅火方案。若古建筑所在位置偏僻，則應(yīng)加強管理人員、消防專職人員的火災(zāi)應(yīng)急培訓(xùn)，在附近建立微型消防站，并鼓勵周邊村民自發(fā)建立規(guī)范的民間消防臨時救援隊，做到古建筑發(fā)生火災(zāi)時，能在第一時間采取基本的撲救措施，減少火災(zāi)給古建筑帶來的損失。

3.5 改善自動滅火裝置系統(tǒng)

目前國內(nèi)常見的火災(zāi)自動滅火系統(tǒng)有氣體滅火系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)和細水霧滅火系統(tǒng)三類。前兩類因古建筑自身密封性能差，部分地區(qū)消防水源供給不便和系統(tǒng)噴射所產(chǎn)生的氣體與水滴易毀壞文物而不適用于古建筑滅火救援，因此古建筑內(nèi)的自動滅火系統(tǒng)應(yīng)以細水霧滅火系統(tǒng)為主［31］，如圖10［32］所示。針對自動滅火系統(tǒng)，亦可利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對設(shè)備信息進行采集，監(jiān)控其壓力與水量狀態(tài)，做到隨時監(jiān)督維修，保證火災(zāi)發(fā)生時處于正常工作狀態(tài)。

圖10 移動式高壓細水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)對古建筑無消防通道的難題

3.6 加強網(wǎng)絡(luò)消防安全宣傳

當下由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們接收信息的渠道日益多樣，接受信息的速度也隨之加快。因此，可以互聯(lián)網(wǎng)信息平臺為媒介，通過多種途徑宣傳消防安全的重要性，以此引起人們對古建筑消防安全的重視，加強人們逃生避險的意識，甚至主動發(fā)現(xiàn)古建筑消防安全隱患，降低古建筑火災(zāi)風(fēng)險。可行的措施例如通過微信公眾號推送古建筑消防安全知識，利用微博視頻傳播古建筑滅火竅門，通過網(wǎng)絡(luò)空間散發(fā)古建筑消防宣傳單，普及APP接受古建筑火災(zāi)隱患舉報等。

4 結(jié)束語

本文以古建筑為研究對象，在分析其火災(zāi)成因與特征的基礎(chǔ)上提出了適用于古建筑火災(zāi)預(yù)防與滅火的智能防火技術(shù)對策，將線上物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的評估、探測、監(jiān)控技術(shù)與線下人力監(jiān)測和撲救相結(jié)合，構(gòu)建古建筑智能防火網(wǎng)絡(luò)，降低古建筑火災(zāi)風(fēng)險，減少火災(zāi)損失。

古建筑作為國家文明的見證，有著極其重要的歷史意義，將其完好無損地傳承下去是我們的義務(wù)與責(zé)任。而古建筑火災(zāi)的防護是其被保護的重中之重，我們應(yīng)跟隨時代步伐，利用前沿技術(shù)增強其防火安全的可靠性，使其能夠永世流傳。