房顶破拆时间对木结构吊脚楼火灾热释放速率的影响分析

柯弘扬 叶雁冰 翟滢莹 张余萍

摘  要：侗族村寨在应对吊脚楼火灾时，有拆屋顶减灾的做法.通过FDS软件对吊脚楼房顶破拆的防火过程进行数值模拟研究.研究结果表明：与有房顶的吊脚楼相比，没有房顶的吊脚楼的最高热释放速率降幅可达到38.2%，且火灾发展过程明显减缓;在4 m处、350 s之前破拆工况的热通量峰值与500 s之后破拆工况的热通量峰值的比值为0.434，峰值最大降幅达56.6%;破拆房顶的最佳时间为火势蔓延到顶层前，火势蔓延到顶层后获得充分发展，破拆失去防火意义.

关键词：木结构吊脚楼;房顶破拆;热释放速率;数值模拟

中图分类号：TU998.12;TU241.5           DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.03.015

0    引言

西南地区的民族聚集群落建筑，因为其建筑物多为木质结构，且建筑物的密集程度很高，连片聚族的吊脚楼屡屡受到火灾的威胁，为减少损失，许多专家对其进行了火灾模拟研究.高先占[1]利用FDS软件对丽江古城典型民居的木材的热解参数、火灾过程和防火间距进行了研究.Xiao等[2]为了研究竹结构房屋的耐火性进行了全尺寸的竹结构房屋的火灾试验，并用FDS软件模拟验证.在此基础上，翟滢莹等[3]通过对吊脚楼火灾动态进行模拟为侗族吊脚楼建筑重新选择适宜的防火间距.马黎进等[4]通过对火灾模拟中的燃烧特征，温度、烟气及含氧量等相关数据的采集与分析论证，得出多方位的侗族木结构建筑火灾危险性特征，对侗族传统村落提出了量化的结论，但在现有条件下，侗族村落无法达到设计要求.本文意在保留吊脚楼传统建构技艺的基础上，遵循绿色防火技术的理念，通过对当地原有防火技术加以优化来提高对火灾的应对能力.

本文选取广西三江县某侗族村为研究对象，该村房屋具有典型的少数民族吊脚楼建筑特点.该地区曾在2009年发生大火，导致损毁民房196座，有296户1 121人受灾，5名村民在大火中丧生.在对该村实地走访中发现，在实际发生火灾时，当地居民会尽快掀去燃烧吊脚楼以及邻近吊脚楼屋顶瓦片，以防止火焰蔓延到周围建筑.本文运用FDS软件模拟了木结构吊脚楼各类工况的火灾发展过程，对数值模拟结果进行比较分析，剖析出其有效性和时效性的内在原因.

1   实验设计

以某村1栋传统3层吊脚楼为研究对象，开间10.5 m、进深9.4 m，吊脚楼坐北朝南，布置有卧室和堂屋;第3層是阁楼，布置有2间小卧室.吊脚楼在建造过程中全部使用木质材料，多选用当地盛产的杉木，如图1所示.

2    数值模拟

2.1   材料设置

实验采用FDS软件软件进行数值模拟.FDS软件是美国国家标准与技术研究所开发的火灾动力学模拟工具.火源设置为真实模拟燃烧试验中的火源，根据火源监测参数进行模型火源的设置.

可燃材料为杉木，火源设置仍以引燃建筑但不影响建筑物燃烧为原则，起火点设在第1层过厅的沙发上，火源面积约为沙发的大小，尺寸为2.6 m×0.8 m，火源高度为0.65 m.为避免火源的功率对火灾蔓延的影响，定义火源的热释放速率随时间变化，第0 s时火源的热释放速率为0，在第1～51 s时火源热释放速率为2 000 kW/h，在第52 s时火源的热释放速率为0[5-6].模拟时间设置为1 200 s，环境温度设置为15 ℃，与外界环境相通的窗户都保持开启状态.

2.2   工况设置

为研究房顶开闭情况及房顶破拆时间对建筑物燃烧情况以及火灾蔓延情况的影响，共设置12组工况[4].其中工况1的房顶始终不作破拆处理，工况2的房顶在着火前即已破拆，此2个工况用于研究房顶开闭情况对吊脚楼燃烧情况的影响;工况3—工况12是分别在起火后的50 s、100 s、150 s、 200 s、250 s、300 s、350 s、400 s、450 s、500 s完成房顶的破拆，用于研究房顶破拆时间对于吊脚楼燃烧情况的影响.

2.3    切片设置

为对模拟中的热辐射与空气流动进行研究，在吊脚楼仿真模型四周，按0.5～6.0 m距离每隔0.5 m设置一个热通量切片，如图2所示，记录在整个燃烧过程中吊脚楼对外界的热辐射情况，以此来对吊脚楼燃烧时的蔓延情况进行对比.在吊脚楼每层楼板上1.5 m处设置流场切片，杉木在临界热流          11～13 kW/m2时会被引燃.取NFPA的常规木材引燃判据12.6 kW/m2[7-10].

3    模拟结果分析

3.1   有无屋顶对于建筑燃烧情况的影响

3.1.1   工况1、工况2的燃烧过程

在模拟实验中，火焰未蔓延到第3层时，      工况1、工况2的燃烧情况基本一致（图3）;320 s后火焰蔓延到第3层，工况1中一部分火焰沿着楼梯口向楼板蔓延，另一部分火焰从第2层正向窗户蔓延至房顶檩条、穿枋（图4（a）），之后由于瓦片阻挡，热量集中于房顶，火势集中从山墙两侧檐口向外喷射，火势迅猛（图5（a））;工况2中火焰基本由楼梯口向房间内蔓延，火焰集中于两侧楼梯口           （图4（b）），火势较小，分布相对均衡（图5（b））.

第2层楼面燃烧对比图

第3层楼面燃烧对比图

第3层阁楼燃烧对比图

3.1.2   工况1、工况2的热释放速率变化对比

模拟实验对工况1、工况2的热释放速率进行比对，如图6所示.从图6可以看出，工况1在250 s时进入快速发展阶段，燃烧过程进行到400 s后达到充分发展阶段，峰值维持30 s后，整个燃烧进入衰减阶段.工况2在250 s时进入快速发展阶段，375 s后热释放速率增长趋于稳定，持续200 s后进入衰减阶段.320 s火焰燃烧到顶层后，2组工况热释放速率开始呈现出明显差异，在400 s时热释放速率差距最大.与不破拆的工况1相比，破拆工况2的燃烧过程更加稳定，热释放速率峰值也从     93.0 MW降到57.5 MW，下降幅度达到38.2%.

从上述3.1.1和3.1.2的分析可知，在火焰蔓延至第3层之前，工况1、工况2的燃烧情况没有差异，但当火焰蔓延至第3层后，火灾控制类型由初始的燃料控制型向通风控制型转变，火势均获得充分发展[10-11]，但工况2的火势稳定且明显减小，破拆房顶对防火确实有效.

3.2   屋顶破拆时间对减缓火灾蔓延的影响

3.2.1  不同工况的热释放速率分析

为进一步分析破拆屋顶时间对火势发展的影响机理，实验工况3—工况12，按50 s时间差设置不同破拆时间.图7为工况3—工况12的热释放速率图，从图7可以看出，工况3—工况12在250 s均进入快速发展阶段，但在320 s之前基本一致，之后工况3—工况7与工况8—工况12差异比较大，即屋顶的破拆时间在320 s之后的最大热释放速率明显大于320 s之前的工况.

从整个燃烧过程看：火灾在320 s存在明显分界线，破拆时间在250 s之后的工况，热释放速率增长幅度以及最大热释放与破拆时间成正比，最大差值35.5 MW;600 s后各工况保持稳定下降，下降速率与破拆时间成反比.从整体上看，破拆时间在250 s之后的工况，破拆时间越晚，燃烧过程中火灾发展过程越快，热量释放越集中，这一现象在工况10发展到极限.

造成上述差异的原因主要是由于吊脚楼的房顶与狭窄的楼梯及房檐两侧开口，形成一个与外界联通上下开口的竖井，当火势在蔓延到第3层后，第3层空气温度急剧升高，体积迅速增大，羽流上升速度加快，火势迅速增长，因而其最大热释放速率加大;而在火灾蔓延至第3层之前，破拆房顶，降低室内通风竖井长度以及扩大通风口面积，有效排气增加，使室内外的风压差降低，大大减弱了燃烧过程中的拔火拔烟现象[12-13];火焰蔓延到第3层后，随着破拆時间越晚，其有效性越低.

3.2.2   不同工况火灾在水平方向的蔓延危险性分析

从不同距离热通量切片数据的对比分析可知，各工况在4 m处切片的热通量数据差异性最大，且村子中大部分房屋间距为3～4 m，故选取4 m处切片的最大热通量值，对不同破拆时间的吊脚楼火灾蔓延情况进行分析.根据对4 m处各切片热通量的数据分析，西侧热通量较其他方向最早到达危险判据12.6 kW/m?，按最不利情况考虑，选取建筑物西侧4 m处切片作为观测切面.

图8为不同破拆时间工况下，观测切面的最大热通量情况.可以看出当破拆时间在350 s之前，观测切面最大热通量达不到危险判据，但在350～ 500 s之间随着破拆时间的延后不断增大，在360 s之前工况9虽未达到危险判据，但即达到引燃木建筑的危险，500 s后最大热通量达到4 m切面处的峰值.可见，在现阶段房屋间距无法满足防火要求的情况下，要在临界拆除时间之前拆除房顶，才能达到防火要求.

破拆屋顶的最佳时间是在360 s之前，这与上述3.1和3.2.1的最佳破拆时间320 s接近，两者选取最小值，即最佳破拆时间为火势突破第3层楼面之前.

4    结论

火灾时吊脚楼内会形成“烟囱效应”，空气因室内外气压差及室外风压，通过面向楼梯的大门及窗户涌入吊脚楼加剧火势.在火势进入充分发展阶段前，破拆房顶可以削弱“烟囱效应”.通过对吊脚楼进行FDS软件模拟实验，研究了吊脚楼房顶破拆时间对于吊脚楼燃烧情况以及火灾蔓延情况的影响，根据对数据结果以及燃烧过程的分析，结论如下：

1）在燃烧过程中，热量大量集中于顶层房檐两侧，通过拆除屋顶，降低建筑由楼梯和第3层阁楼组成“烟囱”的高度，减少建筑上下风口的风压值，从而减弱“烟囱效应”.

2）在火灾控制类型由初始的燃料控制型向通风控制型转变的时间前，拆除房顶措施对于防火效果具有决定性的作用，超出临界时间后，对建筑自身火灾发展抑制作用大大降低.

3）对火灾蔓延来说，屋顶应在火焰突破第3层楼面之前进行破拆，建筑热释放速率峰值降幅达到38.2% ，火势发展比较稳定，在4 m处最大热通量降幅达56.6%，对延缓火灾蔓延有明显作用.破拆时间越晚，燃烧过程中火灾发展过程越快，热量释放越集中.

综上所述，传统的屋顶破拆对减缓密集吊脚楼的火势蔓延是否有作用，与破拆的时间有密切的关系.对已起火的吊脚楼，若其火势未发展至顶层楼面，可借用室外地势破拆屋顶，若火势已突破顶层楼面，则无意义;同时，应重点对着火吊脚楼的周边吊脚楼屋顶提前进行破拆，可有效降低火势向外围继续蔓延的危险性.

参考文献

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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

（责任编辑：罗小芬、黎   娅）