某古鎮(zhèn)商鋪建筑火災蔓延數(shù)值模擬分析研究

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，極大地促進了當?shù)亟洕陌l(fā)展。但古村古鎮(zhèn)由于歷史原因，建筑結構大都以易燃的木結構為主，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]。由此導致古村古鎮(zhèn)可燃物較多，火災危險性較高，且一旦發(fā)生火災，極易發(fā)生火災蔓延、造成火燒連營的嚴重后果。此外，由于古村古鎮(zhèn)普遍缺乏整體消防規(guī)劃，消防設施缺乏、消防道路狹窄等制約火災撲救的現(xiàn)象也較為普遍，初期火災發(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，給人民生命財產、歷史文化造成了巨大損失。由此，基于古村古鎮(zhèn)建筑結構和布局現(xiàn)狀、火災危險性特點，掌握古村古鎮(zhèn)建筑火災蔓延特性，并采取針對性的火災預防措施，對降低古村古鎮(zhèn)火災風險有重要意義。

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

1 古鎮(zhèn)概況及火災危險性分析

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。商鋪建筑結構以磚木結構、木結構為主，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)實地消防安全調查，發(fā)現(xiàn)古鎮(zhèn)火災危險性主要體現(xiàn)在：

一是建筑材料以木結構為主，易于起火燃燒。該古鎮(zhèn)多是采用木結構或磚木結構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、斗拱等形狀復雜，構件交錯疊落，使木材的受熱面積大大增加，極易導致火災快速蔓延。

二是防火間距不足，易形成大面積建筑火災。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。消防車道內堆放貨物、擺攤設點，易造成緊急情況下消防車的通行困難，影響古鎮(zhèn)火災的初期快速撲救。同時，古鎮(zhèn)內建筑普遍存在消防設施配置不足，較少配置火災報警和自動噴水滅火系統(tǒng)。

2 古鎮(zhèn)商鋪建筑火災蔓延分析

2.1 火災場景設計

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

圖1 火源位置設置

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。美國國家標準技術研究院（NIST）曾對某些家具進行過火源測熱釋放速率試驗[5]，一張木制餐桌的火災規(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)來源于美國國家標準技術研究院（NIST），與美國相比，國內家具木材含量更多，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)火災規(guī)模定為5MW。

基于以上研究可設計t2火，用下式描述：

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

火災增長速率α是以熱釋放速率表征火災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構，故采用表中的快速火，α取值0.0469。

根據(jù)以上內容，最終確定古鎮(zhèn)商鋪建筑火災場景如表2所示。

2.2 火災模型

模型分析采用采用美國國家標準技術研究院（NIST）研究開發(fā)的火災動力學場模型軟件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的計算流體力學（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過程和傳熱過程。

表1 火災增長速率分類表

表2 設定火災場景

采用PyroSim軟件進行模型的建模。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

此CFD模型中所采用的主要假設條件包括：

（1）初始的建筑內部與外部溫度相同；

（2）無外部風，通風氣流和煙氣均視為理想氣體；

（3）在探測到火災后，所有通向外部的門應保持開啟狀態(tài)，所有側窗或頂窗開啟狀態(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 火災蔓延判據(jù)

商鋪建筑結構為磚木結構，主要承重構件如梁、柱均為木結構，因此模擬分析中火災蔓延主要考慮木材的火災蔓延特性。

火災蔓延方面的判據(jù)主要通過兩方面來刻畫[8]。一方面是木材被引燃，此時認為火災蔓延已經開始。另一方面是轟燃，轟燃的發(fā)生意味著火災已經進入完全燃燒階段。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到一定值為條件。通常認為，處于室內地面上可燃物所接受到的熱流量達到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 結果分析

本文火災蔓延數(shù)值模擬的目的是考察由于防火間距不足帶來的火災蔓延問題，主要考慮火災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，溫度值達到301℃。根據(jù)2.4火災蔓延判據(jù)，可以得出：火災發(fā)生后，175s～221s內，頂棚將被引燃，火災開始豎向蔓延。270s后，轟燃已發(fā)生，火災進入全面燃燒階段。

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，熱流量值達到10.3KW/m2；在125s處，熱流量值達到13.0KW/m2；178s處，熱流量值達到20.8KW/m2。根據(jù)2.4火災蔓延判據(jù)，可以得出：火災發(fā)生后，114s～125s內，頂棚將被引燃，火災開始豎向蔓延。178s后，轟燃已發(fā)生，火災進入全面燃燒階段。

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，熱流量值達到10.1KW/m2；在324s處，熱流量值達到13.2KW/m2。根據(jù)2.4火災蔓延判據(jù)，可以得出：火災發(fā)生后，302s～324s內，飯店南大街對面將被引燃，火災開始水平蔓延。

3 結語

3.1 結論

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

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

3.2 建議

建議古鎮(zhèn)管委會根據(jù)以上火災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)建筑內及街道人員安全。具體來說，一是對古鎮(zhèn)建筑內梁柱木質承重構件、樓梯等刷涂防火阻燃材料，提高建筑結構耐火極限；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置封火墻，防止火災快速蔓延；三是店鋪裝修應使用難燃和不燃材料，嚴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；四是店鋪安裝火災自動報警系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)，提高初期火災發(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，不堆積雜物和設攤營業(yè)，加強管理和安全檢查；六是完善志愿消防隊建設，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，提高初期火災撲救的響應速度和滅火救援能力。