房頂破拆時間對木結(jié)構(gòu)吊腳樓火災(zāi)熱釋放速率的影響分析

柯弘揚(yáng) 葉雁冰 翟瀅瑩 張余萍

摘? 要：侗族村寨在應(yīng)對吊腳樓火災(zāi)時，有拆屋頂減災(zāi)的做法.通過FDS軟件對吊腳樓房頂破拆的防火過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究.研究結(jié)果表明：與有房頂?shù)牡跄_樓相比，沒有房頂?shù)牡跄_樓的最高熱釋放速率降幅可達(dá)到38.2%，且火災(zāi)發(fā)展過程明顯減緩;在4 m處、350 s之前破拆工況的熱通量峰值與500 s之后破拆工況的熱通量峰值的比值為0.434，峰值最大降幅達(dá)56.6%;破拆房頂?shù)淖罴褧r間為火勢蔓延到頂層前，火勢蔓延到頂層后獲得充分發(fā)展，破拆失去防火意義.

關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu)吊腳樓;房頂破拆;熱釋放速率;數(shù)值模擬

中圖分類號：TU998.12;TU241.5? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.03.015

0? ? 引言

西南地區(qū)的民族聚集群落建筑，因?yàn)槠浣ㄖ锒酁槟举|(zhì)結(jié)構(gòu)，且建筑物的密集程度很高，連片聚族的吊腳樓屢屢受到火災(zāi)的威脅，為減少損失，許多專家對其進(jìn)行了火災(zāi)模擬研究.高先占[1]利用FDS軟件對麗江古城典型民居的木材的熱解參數(shù)、火災(zāi)過程和防火間距進(jìn)行了研究.Xiao等[2]為了研究竹結(jié)構(gòu)房屋的耐火性進(jìn)行了全尺寸的竹結(jié)構(gòu)房屋的火災(zāi)試驗(yàn)，并用FDS軟件模擬驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上，翟瀅瑩等[3]通過對吊腳樓火災(zāi)動態(tài)進(jìn)行模擬為侗族吊腳樓建筑重新選擇適宜的防火間距.馬黎進(jìn)等[4]通過對火災(zāi)模擬中的燃燒特征，溫度、煙氣及含氧量等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與分析論證，得出多方位的侗族木結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)危險性特征，對侗族傳統(tǒng)村落提出了量化的結(jié)論，但在現(xiàn)有條件下，侗族村落無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求.本文意在保留吊腳樓傳統(tǒng)建構(gòu)技藝的基礎(chǔ)上，遵循綠色防火技術(shù)的理念，通過對當(dāng)?shù)卦蟹阑鸺夹g(shù)加以優(yōu)化來提高對火災(zāi)的應(yīng)對能力.

本文選取廣西三江縣某侗族村為研究對象，該村房屋具有典型的少數(shù)民族吊腳樓建筑特點(diǎn).該地區(qū)曾在2009年發(fā)生大火，導(dǎo)致?lián)p毀民房196座，有296戶1 121人受災(zāi)，5名村民在大火中喪生.在對該村實(shí)地走訪中發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際發(fā)生火災(zāi)時，當(dāng)?shù)鼐用駮M快掀去燃燒吊腳樓以及鄰近吊腳樓屋頂瓦片，以防止火焰蔓延到周圍建筑.本文運(yùn)用FDS軟件模擬了木結(jié)構(gòu)吊腳樓各類工況的火災(zāi)發(fā)展過程，對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析，剖析出其有效性和時效性的內(nèi)在原因.

1? ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以某村1棟傳統(tǒng)3層吊腳樓為研究對象，開間10.5 m、進(jìn)深9.4 m，吊腳樓坐北朝南，布置有臥室和堂屋;第3層是閣樓，布置有2間小臥室.吊腳樓在建造過程中全部使用木質(zhì)材料，多選用當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的杉木，如圖1所示.

2? ? 數(shù)值模擬

2.1? ?材料設(shè)置

實(shí)驗(yàn)采用FDS軟件軟件進(jìn)行數(shù)值模擬.FDS軟件是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所開發(fā)的火災(zāi)動力學(xué)模擬工具.火源設(shè)置為真實(shí)模擬燃燒試驗(yàn)中的火源，根據(jù)火源監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行模型火源的設(shè)置.

可燃材料為杉木，火源設(shè)置仍以引燃建筑但不影響建筑物燃燒為原則，起火點(diǎn)設(shè)在第1層過廳的沙發(fā)上，火源面積約為沙發(fā)的大小，尺寸為2.6 m×0.8 m，火源高度為0.65 m.為避免火源的功率對火災(zāi)蔓延的影響，定義火源的熱釋放速率隨時間變化，第0 s時火源的熱釋放速率為0，在第1～51 s時火源熱釋放速率為2 000 kW/h，在第52 s時火源的熱釋放速率為0[5-6].模擬時間設(shè)置為1 200 s，環(huán)境溫度設(shè)置為15 ℃，與外界環(huán)境相通的窗戶都保持開啟狀態(tài).

2.2? ?工況設(shè)置

為研究房頂開閉情況及房頂破拆時間對建筑物燃燒情況以及火災(zāi)蔓延情況的影響，共設(shè)置12組工況[4].其中工況1的房頂始終不作破拆處理，工況2的房頂在著火前即已破拆，此2個工況用于研究房頂開閉情況對吊腳樓燃燒情況的影響;工況3—工況12是分別在起火后的50 s、100 s、150 s、 200 s、250 s、300 s、350 s、400 s、450 s、500 s完成房頂?shù)钠撇?，用于研究房頂破拆時間對于吊腳樓燃燒情況的影響.

2.3? ? 切片設(shè)置

為對模擬中的熱輻射與空氣流動進(jìn)行研究，在吊腳樓仿真模型四周，按0.5～6.0 m距離每隔0.5 m設(shè)置一個熱通量切片，如圖2所示，記錄在整個燃燒過程中吊腳樓對外界的熱輻射情況，以此來對吊腳樓燃燒時的蔓延情況進(jìn)行對比.在吊腳樓每層樓板上1.5 m處設(shè)置流場切片，杉木在臨界熱流? ? ? ? ? 11～13 kW/m2時會被引燃.取NFPA的常規(guī)木材引燃判據(jù)12.6 kW/m2[7-10].

3? ? 模擬結(jié)果分析

3.1? ?有無屋頂對于建筑燃燒情況的影響

3.1.1? ?工況1、工況2的燃燒過程

在模擬實(shí)驗(yàn)中，火焰未蔓延到第3層時，? ? ? 工況1、工況2的燃燒情況基本一致（圖3）;320 s后火焰蔓延到第3層，工況1中一部分火焰沿著樓梯口向樓板蔓延，另一部分火焰從第2層正向窗戶蔓延至房頂檁條、穿枋（圖4（a）），之后由于瓦片阻擋，熱量集中于房頂，火勢集中從山墻兩側(cè)檐口向外噴射，火勢迅猛（圖5（a））;工況2中火焰基本由樓梯口向房間內(nèi)蔓延，火焰集中于兩側(cè)樓梯口? ? ? ? ? ?（圖4（b）），火勢較小，分布相對均衡（圖5（b））.

第2層樓面燃燒對比圖

第3層樓面燃燒對比圖

第3層閣樓燃燒對比圖

3.1.2? ?工況1、工況2的熱釋放速率變化對比

模擬實(shí)驗(yàn)對工況1、工況2的熱釋放速率進(jìn)行比對，如圖6所示.從圖6可以看出，工況1在250 s時進(jìn)入快速發(fā)展階段，燃燒過程進(jìn)行到400 s后達(dá)到充分發(fā)展階段，峰值維持30 s后，整個燃燒進(jìn)入衰減階段.工況2在250 s時進(jìn)入快速發(fā)展階段，375 s后熱釋放速率增長趨于穩(wěn)定，持續(xù)200 s后進(jìn)入衰減階段.320 s火焰燃燒到頂層后，2組工況熱釋放速率開始呈現(xiàn)出明顯差異，在400 s時熱釋放速率差距最大.與不破拆的工況1相比，破拆工況2的燃燒過程更加穩(wěn)定，熱釋放速率峰值也從? ? ?93.0 MW降到57.5 MW，下降幅度達(dá)到38.2%.

從上述3.1.1和3.1.2的分析可知，在火焰蔓延至第3層之前，工況1、工況2的燃燒情況沒有差異，但當(dāng)火焰蔓延至第3層后，火災(zāi)控制類型由初始的燃料控制型向通風(fēng)控制型轉(zhuǎn)變，火勢均獲得充分發(fā)展[10-11]，但工況2的火勢穩(wěn)定且明顯減小，破拆房頂對防火確實(shí)有效.

3.2? ?屋頂破拆時間對減緩火災(zāi)蔓延的影響

3.2.1? 不同工況的熱釋放速率分析

為進(jìn)一步分析破拆屋頂時間對火勢發(fā)展的影響機(jī)理，實(shí)驗(yàn)工況3—工況12，按50 s時間差設(shè)置不同破拆時間.圖7為工況3—工況12的熱釋放速率圖，從圖7可以看出，工況3—工況12在250 s均進(jìn)入快速發(fā)展階段，但在320 s之前基本一致，之后工況3—工況7與工況8—工況12差異比較大，即屋頂?shù)钠撇饡r間在320 s之后的最大熱釋放速率明顯大于320 s之前的工況.

從整個燃燒過程看：火災(zāi)在320 s存在明顯分界線，破拆時間在250 s之后的工況，熱釋放速率增長幅度以及最大熱釋放與破拆時間成正比，最大差值35.5 MW;600 s后各工況保持穩(wěn)定下降，下降速率與破拆時間成反比.從整體上看，破拆時間在250 s之后的工況，破拆時間越晚，燃燒過程中火災(zāi)發(fā)展過程越快，熱量釋放越集中，這一現(xiàn)象在工況10發(fā)展到極限.

造成上述差異的原因主要是由于吊腳樓的房頂與狹窄的樓梯及房檐兩側(cè)開口，形成一個與外界聯(lián)通上下開口的豎井，當(dāng)火勢在蔓延到第3層后，第3層空氣溫度急劇升高，體積迅速增大，羽流上升速度加快，火勢迅速增長，因而其最大熱釋放速率加大;而在火災(zāi)蔓延至第3層之前，破拆房頂，降低室內(nèi)通風(fēng)豎井長度以及擴(kuò)大通風(fēng)口面積，有效排氣增加，使室內(nèi)外的風(fēng)壓差降低，大大減弱了燃燒過程中的拔火拔煙現(xiàn)象[12-13];火焰蔓延到第3層后，隨著破拆時間越晚，其有效性越低.

3.2.2? ?不同工況火災(zāi)在水平方向的蔓延危險性分析

從不同距離熱通量切片數(shù)據(jù)的對比分析可知，各工況在4 m處切片的熱通量數(shù)據(jù)差異性最大，且村子中大部分房屋間距為3～4 m，故選取4 m處切片的最大熱通量值，對不同破拆時間的吊腳樓火災(zāi)蔓延情況進(jìn)行分析.根據(jù)對4 m處各切片熱通量的數(shù)據(jù)分析，西側(cè)熱通量較其他方向最早到達(dá)危險判據(jù)12.6 kW/m?，按最不利情況考慮，選取建筑物西側(cè)4 m處切片作為觀測切面.

圖8為不同破拆時間工況下，觀測切面的最大熱通量情況.可以看出當(dāng)破拆時間在350 s之前，觀測切面最大熱通量達(dá)不到危險判據(jù)，但在350～ 500 s之間隨著破拆時間的延后不斷增大，在360 s之前工況9雖未達(dá)到危險判據(jù)，但即達(dá)到引燃木建筑的危險，500 s后最大熱通量達(dá)到4 m切面處的峰值.可見，在現(xiàn)階段房屋間距無法滿足防火要求的情況下，要在臨界拆除時間之前拆除房頂，才能達(dá)到防火要求.

破拆屋頂?shù)淖罴褧r間是在360 s之前，這與上述3.1和3.2.1的最佳破拆時間320 s接近，兩者選取最小值，即最佳破拆時間為火勢突破第3層樓面之前.

4? ? 結(jié)論

火災(zāi)時吊腳樓內(nèi)會形成“煙囪效應(yīng)”，空氣因室內(nèi)外氣壓差及室外風(fēng)壓，通過面向樓梯的大門及窗戶涌入吊腳樓加劇火勢.在火勢進(jìn)入充分發(fā)展階段前，破拆房頂可以削弱“煙囪效應(yīng)”.通過對吊腳樓進(jìn)行FDS軟件模擬實(shí)驗(yàn)，研究了吊腳樓房頂破拆時間對于吊腳樓燃燒情況以及火災(zāi)蔓延情況的影響，根據(jù)對數(shù)據(jù)結(jié)果以及燃燒過程的分析，結(jié)論如下：

1）在燃燒過程中，熱量大量集中于頂層房檐兩側(cè)，通過拆除屋頂，降低建筑由樓梯和第3層閣樓組成“煙囪”的高度，減少建筑上下風(fēng)口的風(fēng)壓值，從而減弱“煙囪效應(yīng)”.

2）在火災(zāi)控制類型由初始的燃料控制型向通風(fēng)控制型轉(zhuǎn)變的時間前，拆除房頂措施對于防火效果具有決定性的作用，超出臨界時間后，對建筑自身火災(zāi)發(fā)展抑制作用大大降低.

3）對火災(zāi)蔓延來說，屋頂應(yīng)在火焰突破第3層樓面之前進(jìn)行破拆，建筑熱釋放速率峰值降幅達(dá)到38.2% ，火勢發(fā)展比較穩(wěn)定，在4 m處最大熱通量降幅達(dá)56.6%，對延緩火災(zāi)蔓延有明顯作用.破拆時間越晚，燃燒過程中火災(zāi)發(fā)展過程越快，熱量釋放越集中.

綜上所述，傳統(tǒng)的屋頂破拆對減緩密集吊腳樓的火勢蔓延是否有作用，與破拆的時間有密切的關(guān)系.對已起火的吊腳樓，若其火勢未發(fā)展至頂層樓面，可借用室外地勢破拆屋頂，若火勢已突破頂層樓面，則無意義;同時，應(yīng)重點(diǎn)對著火吊腳樓的周邊吊腳樓屋頂提前進(jìn)行破拆，可有效降低火勢向外圍繼續(xù)蔓延的危險性.

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Effect of roof demolition time on heat release rate of the vernacular pillar-supported dwelling

KE Hongyang， YE Yanbing*， ZHAI Yingying， ZHANG Yuping

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

Liuzhou 545006， China）

Abstract： Villages of Dong ethnic group have the practice of removing the roof of the wood structure building for fire relief. In this paper， the numerical simulation of the roof demolition process was? ? ? conducted. The results show that with the fire prevention measure， the maximum heat release rate can decrease by 38.2%， and the fire development process can be slowed down obviously; at 4 m， the ratio of the peak heat flux of the demolition condition before 350 s to the peak heat flux of the demolition condition after 500 s is 0.434， and the maximum reduction of the peak value is 56.6%; the best time for the roof demolition is before the spreading of fire to the roof.

Key words： vernacular pillar-supported dwelling; roof demolition; heat release rate; numerical? ? ? ? ? simulation

（責(zé)任編輯：羅小芬、黎? ?婭）