古商業(yè)街木結(jié)構(gòu)建筑防火間距的數(shù)值模擬研究

龍玟蒽，姚 斌

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

0 引言

古建筑群大多歷史悠久，多采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2014(2018年版)[1]中相關(guān)規(guī)范可知木結(jié)構(gòu)建筑的耐火極限介于三級到四級之間，規(guī)定民用木結(jié)構(gòu)建筑之間及其與其他民用建筑的防火間距為10 m。但是木結(jié)構(gòu)古建筑群歷史悠久，建筑年代久遠(yuǎn)，一般間距較小，多為4 m以內(nèi)，一旦發(fā)生火災(zāi)燃燒速度快，易出現(xiàn)“火燒連營”的現(xiàn)象。2018年8月，重慶沙坪壩磁器口古鎮(zhèn)突發(fā)火災(zāi)，燃燒房屋為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，造成6間門面和庫房被燒毀；2019年4月，位于貴州銅仁的3層磚木混合結(jié)構(gòu)文物建筑發(fā)生火情，過火面積約630 m2。

王雁楠等[2]運(yùn)用FDS模擬木結(jié)構(gòu)房屋之間的火災(zāi)蔓延規(guī)律，提出環(huán)境風(fēng)速和防火間距是影響火災(zāi)蔓延的重要因素，研究得出了在不同的環(huán)境風(fēng)速和房屋間距下的平均升溫速率計(jì)算公式。高先占等[3]針對麗江典型木結(jié)構(gòu)民居進(jìn)行了足尺實(shí)驗(yàn)，得出了適用于麗江木結(jié)構(gòu)建筑的木材熱解參數(shù)，采用FDS進(jìn)行數(shù)值模擬得到了適用于麗江地區(qū)的木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距。白子龍等[4]分析了木結(jié)構(gòu)古建筑材料和結(jié)構(gòu)的火災(zāi)特點(diǎn)和危險性，模擬分析了其溫度場和煙氣場的變化情況，并針對模擬結(jié)果提出了一系列防火改造建議。翟瀅瑩等[5]指出輻射引燃是建筑群間火災(zāi)蔓延的主要能量傳遞方式，得到了典型侗族吊腳樓的最小防火間距，木吊腳樓建筑面寬側(cè)的防火間距范圍保持在5 m～6.5 m之內(nèi)，山墻側(cè)起火端的防火間距范圍保持在3 m～4 m之內(nèi)。郭福良等[6]討論了木結(jié)構(gòu)吊腳樓建筑火災(zāi)動力學(xué)模擬的控制方程，得到了木結(jié)構(gòu)吊腳樓火災(zāi)蔓延過程中建筑內(nèi)部及周圍的溫度和煙氣分布情況，以及吊腳樓建筑群所處坡度和防火間距對木結(jié)構(gòu)建筑群火災(zāi)蔓延的影響。鄢銀連等[7]分析了木結(jié)構(gòu)建筑在不同防火間距、不同防火保護(hù)措施下的火災(zāi)蔓延情況，得到了當(dāng)加設(shè)噴淋滅火系統(tǒng)、防火涂料等防火保護(hù)措施后能夠適當(dāng)減小木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距。孫貴磊等[8]模擬了古建筑在不同的環(huán)境風(fēng)速下發(fā)生火災(zāi)時的CO、CO2、溫度、能見度的變化情況，得到了環(huán)境風(fēng)速與CO、CO2濃度之間的關(guān)系式。

前人研究多集中于木結(jié)構(gòu)建筑之間火災(zāi)蔓延規(guī)律的分析，對古商業(yè)街木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距和多個外界影響因素之間的定量關(guān)系式研究不足。外界環(huán)境風(fēng)速的變化可能影響街對面建筑附近的火災(zāi)煙氣溫度和熱輻射強(qiáng)度值，進(jìn)而影響火災(zāi)蔓延特性。一定的外界風(fēng)速條件可能最有利于火災(zāi)蔓延，因此每種火災(zāi)功率可能對應(yīng)存在最小的防火間距，需要進(jìn)一步開展相應(yīng)的研究。在前人研究工作的基礎(chǔ)上，本文以某古商業(yè)街為例，以臨界溫度和熱輻射強(qiáng)度值作為火災(zāi)時街對面木結(jié)構(gòu)建筑被引燃的判定指標(biāo)，綜合考慮環(huán)境風(fēng)速、火源功率、建筑間距、噴淋系統(tǒng)是否有效等因素，運(yùn)用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS開展系列火災(zāi)場景下的火災(zāi)煙氣運(yùn)動數(shù)值模擬，分析煙氣溫度和熱輻射強(qiáng)度分布特性，以期獲得適用于古商業(yè)街木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距與環(huán)境風(fēng)速、火源功率之間的變化規(guī)律，進(jìn)而為存在防火間距先天不足問題的古商業(yè)街木結(jié)構(gòu)建筑防火改造方案提供建議和參考。

1 研究對象

本文以某古商業(yè)街為研究對象，如圖1所示。該商業(yè)街總建筑面積約13 000 m2，長約300 m，平面布局緊湊，街道最窄處僅為2.5 m，兩側(cè)均為木結(jié)構(gòu)建筑，多為單層。選取正對面兩座單層木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行火災(zāi)模擬，單座建筑寬38.6 m，進(jìn)深31.1 m，屋檐處距離地面4.9 m，屋脊最高處距離地面9.2 m，以屋架、梁、枋、檁、柱等木質(zhì)構(gòu)件組成結(jié)構(gòu)構(gòu)架，周圍墻體起圍護(hù)作用，所搭建模型如圖2所示。

2 可燃物引燃判據(jù)

當(dāng)古商業(yè)街某一木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)生火災(zāi)時，其正對面建筑將受到高溫作用和熱輻射作用，當(dāng)達(dá)到臨界值時，正對面建筑就會被高溫引燃或熱輻射引燃。

2.1 可燃物高溫引燃的臨界溫度

木材在高溫作用后表面溫度逐漸升高，同時發(fā)生熱解生成易燃?xì)怏w，當(dāng)氣體聚積到一定濃度且表面溫度達(dá)到足夠高時，木材將被引燃。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[3]，木材的閃點(diǎn)通常在225 ℃～260 ℃之間，燃點(diǎn)在260 ℃～290 ℃之間，常把260℃為木材的不穩(wěn)定溫度，表1為部分木材的燃點(diǎn)。同時楊春澤等[9]指出根據(jù)木材的“受熱——分解——著火”過程顯示，木材的閃火溫度均在260 ℃左右。因此，當(dāng)木結(jié)構(gòu)建筑附近存在260 ℃的高溫區(qū)域時，極有可能被引燃?？紤]最不利因素，本文將引燃正對面木結(jié)構(gòu)建筑的臨界溫度選取為260 ℃。

表1 部分木材的燃點(diǎn)

2.2 可燃物引燃的臨界熱輻射強(qiáng)度

對于某一特定的可燃物，其被引燃的熱輻射強(qiáng)度值既能夠通過實(shí)驗(yàn)手段測得，也能夠通過查找相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取。木結(jié)構(gòu)建筑中大多采用木材構(gòu)件，參考文獻(xiàn)中有關(guān)試驗(yàn)表明[10]，木材的最小引燃熱輻射通量為10 kW/m2～13 kW/m2。在實(shí)際火災(zāi)中，材料被引燃的最小熱輻射強(qiáng)度值往往略高于臨界熱輻射強(qiáng)度值，保守起見，考慮最不利因素，本文將引燃正對面木結(jié)構(gòu)建筑的臨界熱輻射強(qiáng)度選取為10 kW/m2。

3 FDS數(shù)值模擬

根據(jù)氣象資料顯示，該古商業(yè)街地區(qū)最大風(fēng)速為8.15 m/s，平均風(fēng)速為1.35 m/s，考慮到特殊氣候條件，本文的環(huán)境風(fēng)速取0 m/s、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s共六種情況，環(huán)境風(fēng)向取最不利-Y風(fēng)向，考慮2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m共六種建筑間距。該古商業(yè)街經(jīng)改造后多用于商鋪、飯店等各類公共場所，參考現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51251-2017)中設(shè)有噴淋的商店火災(zāi)規(guī)模為3 MW，當(dāng)自動噴水滅火系統(tǒng)失效時，極端不利情況下火災(zāi)規(guī)模最大可達(dá)到20 MW，因此本文的火源功率取3 MW、8 MW、10 MW、15 MW、20 MW共五種情況。綜合考慮環(huán)境風(fēng)速、建筑間距、火源功率、自動噴淋系統(tǒng)是否有效等因素，本文共設(shè)置180組火災(zāi)工況。

本文的火災(zāi)類別選取為t2快速火，火災(zāi)增長系數(shù)為0.044。為得到火災(zāi)對正對面建筑的高溫影響和熱輻射影響，在正對面建筑表面附近位置布置熱電偶和熱輻射通量探測器，第一處測點(diǎn)距離地面高0.5 m，其它測點(diǎn)向上間隔0.5 m依次布置，共布置9個熱電偶和9個熱輻射通量探測器。整體計(jì)算模型側(cè)視圖和俯視圖分別如圖3和圖4所示。設(shè)置火源熱釋放速率為500 kW/m2，圖4中虛線框所示為火災(zāi)規(guī)模20 MW的火源位置，其火源面積為40 m2。環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，大氣壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，模擬時間設(shè)置為1 200 s。本文近火源處，網(wǎng)格劃分為0.1 m×0.1 m×0.1 m，遠(yuǎn)火源處網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m×0.5 m。

圖3 整體計(jì)算模型側(cè)視圖Fig. 3 Side view of the overall computing model

圖4 整體計(jì)算模型俯視圖Fig. 4 Top view of the overall computing model

4 結(jié)果討論與分析

4.1 著火建筑對正對面建筑的高溫影響

圖5為火源功率8 MW時，在不同的環(huán)境風(fēng)速下Z=2.0 m高度處切片在t=1 200 s時的溫度瞬時值。圖6為火源功率8 MW時在外界環(huán)境風(fēng)速為4 m/s，建筑間距為3 m的模擬條件下，模擬時間t=214 s、427 s、1 200 s時刻的火災(zāi)煙氣蔓延圖。從圖6中可以看到，火災(zāi)發(fā)生初期，煙氣大量聚集在火源附近區(qū)域，接著充滿整個著火建筑內(nèi)部，在外界環(huán)境風(fēng)速的作用下，煙氣大量蔓延至正對面建筑處，直至充滿整個建筑內(nèi)部。其他火源功率的火災(zāi)煙氣蔓延結(jié)果類似，此處不做贅述。

圖5 火源功率8 MW時不同環(huán)境風(fēng)速下的溫度云圖Fig. 5 Nephogram of temperature under different surrounding wind speeds at 8 MW fire power

圖6 火源功率8 MW時煙氣蔓延圖Fig. 6 Smoke spread at 8 MW fire power

為了進(jìn)一步定量分析當(dāng)木結(jié)構(gòu)建筑著火時對街對面木結(jié)構(gòu)建筑的高溫影響，對開展火災(zāi)模擬時所設(shè)置的溫度測點(diǎn)進(jìn)行分析。當(dāng)火源功率為3 MW、8 MW、10 MW、15 MW時，在設(shè)定的環(huán)境風(fēng)速下熱電偶測得的溫度值均低于臨界溫度值260 ℃。當(dāng)火源功率為20 MW時，建筑間距為2 m、3 m時在不同環(huán)境風(fēng)速下的溫度曲線如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)建筑間距為2 m時，正對面建筑將受到高溫作用被引燃。而當(dāng)建筑間距達(dá)到3 m時，各模擬工況下的溫度值均不會達(dá)到臨界溫度值260 ℃。

圖7 火源功率20 MW時不同環(huán)境風(fēng)速下溫度曲線圖Fig. 7 Temperature curve under different ambient wind speeds at 20 MW fire power

4.2 著火建筑對正對面建筑的熱輻射影響

表2為在不同的環(huán)境風(fēng)速作用下，著火建筑發(fā)生不同火源功率火災(zāi)時，在各個建筑間距下最大熱輻射強(qiáng)度匯總表。由表2可知，即使噴淋系統(tǒng)有效，火源功率被控制在3 MW，此時建筑間距為3 m時的熱輻射強(qiáng)度值仍高于臨界值；當(dāng)噴淋系統(tǒng)失效，火災(zāi)規(guī)模達(dá)到20 MW時，建筑間距為7 m時的測點(diǎn)測得的熱輻射強(qiáng)度值仍高于臨界值。由此可知，當(dāng)建筑間距在3 m以內(nèi)時，高溫引燃和熱輻射引燃共同作用導(dǎo)致該古商業(yè)街正對面建筑火災(zāi)蔓延；建筑間距在3 m以上時以熱輻射引燃為主。

表2 各模擬工況下測點(diǎn)的最大熱輻射強(qiáng)度值

圖8為一定火源功率下，在不同的環(huán)境風(fēng)速作用下，最上方處測點(diǎn)熱輻射強(qiáng)度值與建筑間距的關(guān)系圖。由結(jié)果可知，測點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度值受環(huán)境風(fēng)速影響較大，熱輻射強(qiáng)度先隨環(huán)境風(fēng)速的增大而增大，達(dá)到最大值后隨環(huán)境風(fēng)速的增大而減小。在本文的研究條件下，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速小于4 m/s時，風(fēng)速的增加能夠促進(jìn)火災(zāi)蔓延，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于4 m/s時，風(fēng)速的增加不利火災(zāi)蔓延。

圖8 不同環(huán)境風(fēng)速下熱輻射強(qiáng)度-建筑間距關(guān)系圖Fig. 8 Relationship between thermal radiation intensity and building spacing at different ambient wind speeds

4.3 木結(jié)構(gòu)建筑防火間距及其影響因素

4.3.1 木結(jié)構(gòu)建筑防火間距擬合公式

表3為火源功率分別在3 MW、8 MW、10 MW、15 MW、20 MW情況下，各測點(diǎn)測得的最大熱輻射強(qiáng)度值Ir,max與建筑間距X、環(huán)境風(fēng)速V之間的擬合方程式。結(jié)果表明，在不同的火源功率下，三者之間均滿足函數(shù)關(guān)系式：Ir,max=A1-A2X+A3V-A4XV-A5V2。該函數(shù)關(guān)系式表明在一定的火源功率下，熱輻射強(qiáng)度值隨著建筑間距的增大而減小，隨著環(huán)境風(fēng)速的增大先增大后減小。

表3 不同火源功率下最大熱輻射強(qiáng)度隨建筑間距和環(huán)境風(fēng)速變化曲線擬合方程

為了得到不同火災(zāi)場景下的最小防火間距，根據(jù)表3中得到的所有數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，采用多元函數(shù)擬合的方法，可以獲得防火間距L與環(huán)境風(fēng)速V、火源功率Q、熱輻射強(qiáng)度值I之間的函數(shù)關(guān)系式：

(1)

R2=0.98

由前文可知，木結(jié)構(gòu)建筑的臨界熱輻射強(qiáng)度值為10 kW/m2，以引燃木結(jié)構(gòu)建筑的臨界熱輻射強(qiáng)度作為判定條件，即可得到在發(fā)生不同火源功率的火災(zāi)時木結(jié)構(gòu)建筑之間的最小防火間距。因此，當(dāng)火源功率分別為3 MW、8 MW、10 MW、15 MW、20 MW時，通過上述函數(shù)關(guān)系式可以求得不同火源功率下最小防火間距L分別為3.3 m、4.7 m、5.2 m、6.3 m、7.3 m。通過對火源功率Q與最小防火間距L進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者之間存在線性關(guān)系，滿足一次函數(shù)關(guān)系式：L=0.25Q+2.50。圖9為不同火源功率下的最小防火間距擬合曲線以及擬合公式。

圖9 不同火源功率下最小防火間距擬合圖Fig. 9 Fitting diagram of fire prevention distance under different fire power

根據(jù)火災(zāi)動力學(xué)原理可知，距離火源中心R處的被引燃物所接受到的單位輻射熱流量與火源的總熱釋放速率之間的關(guān)系式為：

(2)

式中：q′為被引燃物所受到的單位輻射熱流量，kW/m2；Xr為熱輻射系數(shù)，即熱輻射的效率，通常取決于燃料類型，取值范圍為0.2～0.6；Q為火源熱釋放速率，kW；R為火源與被引燃物之間的距離，m。

通常情況下，針對于普通的可燃物類型而言，其熱輻射系數(shù)Xr取1/3。因此，式(2)可簡化為：

Q=12πR2q′

(3)

表4為火源功率3 MW、8 MW、10 MW、15 MW、20 MW時根據(jù)式(3)和擬合公式所得到的防火間距的對比分析結(jié)果。從表4中可見，平均相對誤差為5.3%，結(jié)果在合理的范圍內(nèi)，模擬結(jié)果可信。

表4 不同火源功率下的防火間距經(jīng)驗(yàn)公式值和擬合公式值的對比

4.3.2 木結(jié)構(gòu)建筑防火建議

該古商業(yè)街現(xiàn)狀建筑耐火等級極低，未設(shè)置噴淋系統(tǒng)與火災(zāi)探測報警裝置，且沒有防火分區(qū)和防火墻，不滿足防火規(guī)范的相關(guān)要求，火災(zāi)危險性較大。通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，在極端不利情況下火災(zāi)規(guī)模最大可達(dá)到20 MW，此時最小防火間距為7.3 m。因此，當(dāng)建筑間距大于7.3 m時，該古商業(yè)街某一木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)生火災(zāi)時將不會對其正對面建筑造成影響。當(dāng)建筑間距處于3 m～7.3 m范圍內(nèi)時，若設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)且有效作用，則火源功率被控制在3 MW以下，此時測點(diǎn)的溫度值和熱輻射強(qiáng)度值均低于臨界值，因此應(yīng)設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)并保證其有效性。

當(dāng)建筑間距小于3 m時，火源功率為3 MW時測點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度值仍高于臨界熱輻射強(qiáng)度值10 kW/m2，因此，需要對間距小于3 m的木結(jié)構(gòu)建筑加強(qiáng)防護(hù)?！蹲詣訃娝疁缁鹣到y(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11](GB 50084-2017)中指出，采用快速響應(yīng)噴頭的噴淋系統(tǒng)較標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)噴頭的噴淋系統(tǒng)在滅火時更具有優(yōu)勢，能夠在火場中提前動作，在初起小火階段就能夠啟動噴水，可以做到迅速滅火。因此，在間距小于3 m的古商業(yè)街木結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)采用快速響應(yīng)噴頭的噴淋系統(tǒng)。

當(dāng)建筑間距小于3 m時，除了設(shè)置快速響應(yīng)噴頭的自動噴淋系統(tǒng)外，還可對建筑外立面的木結(jié)構(gòu)構(gòu)件涂刷防火涂料。相關(guān)研究表明[12]，涂刷防火涂料能夠提高引燃木材的臨界溫度和熱輻射強(qiáng)度值，提升木材的阻燃性能。

此外，應(yīng)嚴(yán)格控制商鋪內(nèi)可燃物種類和數(shù)量，對于街對面建筑間距小于3 m的商鋪應(yīng)采用不燃或難燃材料制作門頭招牌和裝飾物，并嚴(yán)格限制允許售賣的商品種類，嚴(yán)禁售賣燃燒熱值高、發(fā)煙量大的商品。

5 結(jié)論和建議

本文對某古商業(yè)街火災(zāi)開展數(shù)值模擬研究，綜合考慮環(huán)境風(fēng)速、火源功率、建筑間距、自動噴淋系統(tǒng)等因素，以臨界溫度和熱輻射強(qiáng)度值作為正對面木結(jié)構(gòu)建筑能否被引燃的判定指標(biāo)，得到結(jié)論和建議如下：

(1)當(dāng)建筑間距在3 m以內(nèi)時高溫引燃和熱輻射引燃共同作用使火災(zāi)蔓延至正對面建筑，當(dāng)建筑間距在3 m以上時以熱輻射引燃為主。

(2)熱輻射強(qiáng)度受環(huán)境風(fēng)速影響較大，熱輻射強(qiáng)度先隨環(huán)境風(fēng)速增大而增大，達(dá)到最大值后隨環(huán)境風(fēng)速增大而減小。在本文研究條件下，環(huán)境風(fēng)速為4 m/s左右時，熱輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值。該古街木結(jié)構(gòu)建筑之間存在最小防火間距，最小防火間距不受環(huán)境風(fēng)速的影響，僅與火源功率有關(guān)。當(dāng)火源功率在3 MW～20 MW條件下，最小防火間距L與火源功率Q之間滿足線性關(guān)系式：L=0.25Q+2.50。

(3)當(dāng)建筑間距大于7.3 m時，火災(zāi)不會引燃古街正對面木結(jié)構(gòu)建筑；當(dāng)建筑間距在3 m～7.3 m范圍時木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)，小于3 m時應(yīng)采用快速響應(yīng)噴頭。防火涂料可以提升木結(jié)構(gòu)建筑著火的臨界溫度和熱輻射強(qiáng)度，當(dāng)建筑間距小于3 m時，建議涂刷防火涂料。