侗族吊脚楼建筑防火间距的数值模拟研究

翟滢莹　叶雁冰　马黎进　张余萍

摘    要：木结构干栏式吊脚楼是侗族村寨最普遍的建筑形式，火灾荷载大，且传统侗族村落建筑排布檐廊相接，存在巨大的火灾隐患.运用火灾动力学仿真模拟软件Fire Dynamic Simulator、Thunderhead Engineering PyroSim在条件环境下对典型吊脚楼防火间距进行重新评估，得到不同方向的最小安全防火间距：面宽侧间距6.5 m、山墙侧间距4 m，并将成果应用于广西三江侗族自治县林略村的新村规划.本研究试图在维护建筑传统风貌的情况下，通过安全防火隔离的设置达到控制火灾蔓延的目的，为侗族村落的建筑布局规划提供参考.

关键词：吊脚楼;防火间距;数值模拟

中图分类号：TU241.5;TU998.1           DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.02.010

0    引言

侗族吊脚楼建筑排布檐廊相接，火灾一旦发生极易因火势蔓延导致灾情扩大化.建筑规划领域对古村落的防火保护有着大量的探索，提出了具有文化保护理念的防火改造策略，但研究缺乏定量数据支撑，较少能提出量化的结论.

在建筑布局紧凑的侗族村落，防火分隔是火灾控制的最后一道防线，同时也能最大限度地维护原有村落风貌，故本文将防火分隔作为侗族村落消防的策略突破口.因燃烧物体对周围的热辐射随距离增大呈现递减的趋势，当距离达某临界值则无法引燃相邻可燃物，故采取防火隔离的方式来实现火灾控制对于侗族村落的防火是现实可行的.根据《建筑设计防火规范》，木结构建筑之间最小防火间距为10 m[1]，而侗族村落多居于山地，土地资源紧张难以实现此标准，故本文借助计算机对火灾动态进行仿真模拟，为侗族吊脚楼建筑重新选择适宜的防火间距[2].

选取广西三江侗族自治县林略村作为研究背景.该村为典型的山地团聚型侗族村落，曾于2009年经历过一场特大火灾，造成巨大的损失，而灾后重建过程中由于未注重民族传统特色的保护，破坏了传统村落风貌.本文以林略村为背景，通过实地调研与模拟分析，试图为传统吊脚楼建筑的保护提供新的思路.

1     FDS数值模拟

1.1    FDS建模

模型及材料设置：利用FDS（Fire Dynamic Simulator）预、后处理软件PyroSIM（Thunderhead Engineering PyroSim）建立木吊脚楼模型（如图1所示），建筑开间10.5 m、进深9 m，共3层，属于侗族村寨中较为普遍的吊脚楼体量，房屋结构形式为穿斗式，主要建筑材料为杉木.通常建立一座三层木吊脚楼所耗木材量为40 ～50 m³，统计该模型木材用量约为42.7 m³，故具有代表性[3].通过手动反应设置（covered manually）来控制杉木的燃烧，参数见表1.屋顶的小青瓦不可燃，但在实际火灾过程中由于失去结构支撑存在掉落的可能，在小青瓦下布置热电偶，当电偶温度达到450  °C时，青瓦消失模拟其掉落情况[4].

网格划分与边界条件设定：FDS模拟中网格对于计算结果影响较大，选取0.3 m³、0.25 m³、0.2 m³、0.15 m³精度进行网格独立性分析，逐步加密计算网格对吊脚楼模型进行FDS模拟，若加密前后計算结果不存在明显差异，则认为计算结果独立于网格密度[3]（见图2）.0.25 m³、0.2 m³、0.15 m³模拟的结果吻合度较高，结果可独立于网格，综合计算精度与计算效率，采取0.15 m×0.15 m×0.15 m的网格进行模拟.根据实际火场情况，计算区域网格的-X面、+X面、-Y面、+Y面、+Z面均为开放边界，与环境大气相接;  -Z面为闭合边界，模拟现实中的大地.根据对三江县历年火灾统计情况，发现秋冬季属于火灾多发季节，模拟中参考林略村秋冬季气候情况设置模拟的边界条件如表2.

火源设定：将火源设在最危险的上风向区域，即建筑一层南侧沙发上.火源设定以成功引燃建筑而不影响建筑燃烧为原则，火源面积设为2.6 m×0.8 m.根据沙发燃烧特性，设置第0 s时火源的热释放速率为0，第1～51 s时火源的热释放速率为2 000 kW/m2，第52 s火源热释放速率为0[5].

监测切片布置：根据临界引燃条件获取最小安全防火间距，杉木着火的临界热流在11～15 kW/m2之间.取热通量13 kW/m2作为杉木引燃判据，该值与NFPA的常规木材引燃判据12.6 kW/m2接近[6].围绕建筑四周以0.5 m、1.0 m、1.5 m、…等间距布置±X向、±Y向的热通量记录切片，用以全程记录建筑模型燃烧对环境的热辐射情况，从而推断不能引燃周边木吊脚的最小安全距离（如图3所示）.

1.2   单栋建筑燃烧模拟结果及分析

起火的沙发首先引燃相邻的墙体，向上蔓延的火焰在二层楼板的限制下沿楼面板向远处蔓延，楼梯通高处将火势迅速引向二层，火焰将外挑的楼板底部引燃，建筑外部已有火焰蹿出，建筑二层开窗部位以及阁楼层山墙开洞部位是火焰外窜薄弱环节，此时燃烧的热释放速率开始急剧增大;过了鼎盛燃烧期后，火势开始逐渐下降，到1 000 s，火焰基本全部熄灭，还剩余少量未能完全燃烧的木材残余，火势蔓延情况见图4.

通过Smokeview可以得到不同距离切片热辐射通量的瞬时值（如图5所示），统计±X、±Y方向所有热通量切片的最高热通量值.由于火源燃烧对周围的热辐射强度与辐射点至火源距离的平方成反比，因此辐射强度与距离呈现幂函数关系.根据统计的最高热通量及相应的切片位置，可拟合绘制建筑各方向最高热通量随距离衰减曲线图.13 kW/m2为杉木引燃临界热通量，通过临界热通量界线与最高热通量衰减曲线的交点对应找到建筑各个方向的防火间距（如图6所示），分别为：西侧4 m、东侧3 m、南侧5.5 m、北侧5.5 m.

1.3   多栋建筑燃烧模拟

群发性火灾通常会由于燃烧的叠加而加剧火势蔓延，引发大区域火灾.结合林略村新村规划的需要，本文对2～3栋建筑并列布局燃烧的情况进行火灾仿真模拟.结合侗族村寨实地调研中建筑的布局情况，将2～3栋建筑按照间距0.5 m并列，吊脚楼屋檐相互搭接.由西侧建筑一层沙发处引燃，燃烧逐渐发展，西侧建筑剧烈燃烧后通过相互搭接的屋顶引燃东侧建筑，火势蔓延至东侧建筑二三层.由于大火向上蔓延的趋势使东侧建筑一层的大量木材未能参与燃烧，在一定程度上起到了隔火的作用，降低了对东侧环境的热辐射.

根据监测切片获取不同距离处的最高热通量值拟合曲线，得到2～3栋并排建筑燃烧最高热通量随距离衰减曲线如图7、图8所示.同理，根据13 kW/m2的热通量临界值与热通量衰减曲线的交点对应获取各个方向的防火间距：2栋并排建筑各方向防火间距分别为：西侧4 m、东侧1.5 m、南侧5 m、北侧6.5 m;3栋并排建筑各方向防火间距分别为：西侧4.3 m、东侧1.3 m、南侧5.5 m、北侧5.2 m.综合前文中单栋建筑模拟结果，1～3栋建筑燃烧防火间距呈现较为稳定状态，面宽侧的安全防火间距基本维持在5～6.5 m，山墙侧起火端防火间距在3～4 m.

2    规划应用

结合模拟获取的防火间距结果，对林略村新村规划提出设想.新宅将建到公路旁的等妈新村，从而减轻旧村高密度木构建筑所带来的高火灾负荷.等妈新村与林略村相邻，地势较为平缓且用地相对宽裕，但是建筑用地较为零散.

新村规划充分尊重自然地形及原有耕种用地，共由两道水田、坡地形成的天然防火隔离将整体划分为3个防火分区.应用所获最小安全防火距离，3栋建筑并列形成一个小组团，每个小组团面宽侧预留至少6.5 m防火间距，山墙侧预留至少4 m防火间距（如图9所示），若干小组团构成一个防火分区.这种布局方式在某栋建筑发生火情时尽可能地避免或延缓火势蔓延到其他建筑组团，根本上避免了大规模火灾的发生.

3    结论与展望

本文借助FDS软件模拟获取建筑最小防火间距，并对林略新村的防火规划进行了模拟应用，可为同类型侗族村落新村规划提供参考.辐射引燃是大面积建筑火灾蔓延的主要能量传递方式，本文研究中主要考虑临界辐射热通量引发的燃烧蔓延，由于飞火引燃具有随机性，本文未对该情况进行分析.

参考文献

[1]     住房城乡建设部.建筑设计防火规范：GB50016-2014[S].北京：中国计划出版社，2015.

[2]     翟滢莹.广西传统侗族村落形态的性能化防火设计研究[D].南宁：广西大学，2017.

[3]     翟滢莹，叶雁冰.侗族吊脚楼火灾模拟建模研究[J].消防科学与技术，2018，37（1）：32-34.

[4]     杨春泽.基于FDS风速条件下木结构建筑火灾数值模拟[J].建筑安全，2013，28（7）：17-21.

[5]     王雁楠，邱洪兴.基于FDS的古建群落火灾蔓延规律数值分析[J].中国安全科学学报，2014，24（6）：26-32.

[6]     康涛.五店市历史传统街区建筑群防火间距研究[J].火灾科学，2013，22（3）：175-180.

[7]     管仕平.人机工程学在计算机软件界面中的应用[J].广西工学院学报，2001，12（2）：39-41.

[8]     張婷婷，尹辉俊，刘赟，等.某燃油箱边界约束对应力分析精度的影响研究[J].广西科技大学学报，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 façade 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