古商业街木结构建筑防火间距的数值模拟研究

龙玟蒽，姚 斌

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

古建筑群大多历史悠久，多采用木质结构建筑。《建筑设计防火规范》GB 50016-2014(2018年版)[1]中相关规范可知木结构建筑的耐火极限介于三级到四级之间，规定民用木结构建筑之间及其与其他民用建筑的防火间距为10 m。但是木结构古建筑群历史悠久，建筑年代久远，一般间距较小，多为4 m以内，一旦发生火灾燃烧速度快，易出现“火烧连营”的现象。2018年8月，重庆沙坪坝磁器口古镇突发火灾，燃烧房屋为木质结构，造成6间门面和库房被烧毁；2019年4月，位于贵州铜仁的3层砖木混合结构文物建筑发生火情，过火面积约630 m2。

王雁楠等[2]运用FDS模拟木结构房屋之间的火灾蔓延规律，提出环境风速和防火间距是影响火灾蔓延的重要因素，研究得出了在不同的环境风速和房屋间距下的平均升温速率计算公式。高先占等[3]针对丽江典型木结构民居进行了足尺实验，得出了适用于丽江木结构建筑的木材热解参数，采用FDS进行数值模拟得到了适用于丽江地区的木结构建筑的防火间距。白子龙等[4]分析了木结构古建筑材料和结构的火灾特点和危险性，模拟分析了其温度场和烟气场的变化情况，并针对模拟结果提出了一系列防火改造建议。翟滢莹等[5]指出辐射引燃是建筑群间火灾蔓延的主要能量传递方式，得到了典型侗族吊脚楼的最小防火间距，木吊脚楼建筑面宽侧的防火间距范围保持在5 m～6.5 m之内，山墙侧起火端的防火间距范围保持在3 m～4 m之内。郭福良等[6]讨论了木结构吊脚楼建筑火灾动力学模拟的控制方程，得到了木结构吊脚楼火灾蔓延过程中建筑内部及周围的温度和烟气分布情况，以及吊脚楼建筑群所处坡度和防火间距对木结构建筑群火灾蔓延的影响。鄢银连等[7]分析了木结构建筑在不同防火间距、不同防火保护措施下的火灾蔓延情况，得到了当加设喷淋灭火系统、防火涂料等防火保护措施后能够适当减小木结构建筑的防火间距。孙贵磊等[8]模拟了古建筑在不同的环境风速下发生火灾时的CO、CO2、温度、能见度的变化情况，得到了环境风速与CO、CO2浓度之间的关系式。

前人研究多集中于木结构建筑之间火灾蔓延规律的分析，对古商业街木结构建筑的防火间距和多个外界影响因素之间的定量关系式研究不足。外界环境风速的变化可能影响街对面建筑附近的火灾烟气温度和热辐射强度值，进而影响火灾蔓延特性。一定的外界风速条件可能最有利于火灾蔓延，因此每种火灾功率可能对应存在最小的防火间距，需要进一步开展相应的研究。在前人研究工作的基础上，本文以某古商业街为例，以临界温度和热辐射强度值作为火灾时街对面木结构建筑被引燃的判定指标，综合考虑环境风速、火源功率、建筑间距、喷淋系统是否有效等因素，运用火灾动力学模拟软件FDS开展系列火灾场景下的火灾烟气运动数值模拟，分析烟气温度和热辐射强度分布特性，以期获得适用于古商业街木结构建筑的防火间距与环境风速、火源功率之间的变化规律，进而为存在防火间距先天不足问题的古商业街木结构建筑防火改造方案提供建议和参考。

1 研究对象

本文以某古商业街为研究对象，如图1所示。该商业街总建筑面积约13 000 m2，长约300 m，平面布局紧凑，街道最窄处仅为2.5 m，两侧均为木结构建筑，多为单层。选取正对面两座单层木结构建筑进行火灾模拟，单座建筑宽38.6 m，进深31.1 m，屋檐处距离地面4.9 m，屋脊最高处距离地面9.2 m，以屋架、梁、枋、檩、柱等木质构件组成结构构架，周围墙体起围护作用，所搭建模型如图2所示。

2 可燃物引燃判据

当古商业街某一木结构建筑发生火灾时，其正对面建筑将受到高温作用和热辐射作用，当达到临界值时，正对面建筑就会被高温引燃或热辐射引燃。

2.1 可燃物高温引燃的临界温度

木材在高温作用后表面温度逐渐升高，同时发生热解生成易燃气体，当气体聚积到一定浓度且表面温度达到足够高时，木材将被引燃。通过查阅相关文献[3]，木材的闪点通常在225 ℃～260 ℃之间，燃点在260 ℃～290 ℃之间，常把260℃为木材的不稳定温度，表1为部分木材的燃点。同时杨春泽等[9]指出根据木材的“受热——分解——着火”过程显示，木材的闪火温度均在260 ℃左右。因此，当木结构建筑附近存在260 ℃的高温区域时，极有可能被引燃。考虑最不利因素，本文将引燃正对面木结构建筑的临界温度选取为260 ℃。

表1 部分木材的燃点

2.2 可燃物引燃的临界热辐射强度

对于某一特定的可燃物，其被引燃的热辐射强度值既能够通过实验手段测得，也能够通过查找相关的实验数据获取。木结构建筑中大多采用木材构件，参考文献中有关试验表明[10]，木材的最小引燃热辐射通量为10 kW/m2～13 kW/m2。在实际火灾中，材料被引燃的最小热辐射强度值往往略高于临界热辐射强度值，保守起见，考虑最不利因素，本文将引燃正对面木结构建筑的临界热辐射强度选取为10 kW/m2。

3 FDS数值模拟

根据气象资料显示，该古商业街地区最大风速为8.15 m/s，平均风速为1.35 m/s，考虑到特殊气候条件，本文的环境风速取0 m/s、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s共六种情况，环境风向取最不利-Y风向，考虑2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m共六种建筑间距。该古商业街经改造后多用于商铺、饭店等各类公共场所，参考现行国家标准《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB 51251-2017)中设有喷淋的商店火灾规模为3 MW，当自动喷水灭火系统失效时，极端不利情况下火灾规模最大可达到20 MW，因此本文的火源功率取3 MW、8 MW、10 MW、15 MW、20 MW共五种情况。综合考虑环境风速、建筑间距、火源功率、自动喷淋系统是否有效等因素，本文共设置180组火灾工况。

本文的火灾类别选取为t2快速火，火灾增长系数为0.044。为得到火灾对正对面建筑的高温影响和热辐射影响，在正对面建筑表面附近位置布置热电偶和热辐射通量探测器，第一处测点距离地面高0.5 m，其它测点向上间隔0.5 m依次布置，共布置9个热电偶和9个热辐射通量探测器。整体计算模型侧视图和俯视图分别如图3和图4所示。设置火源热释放速率为500 kW/m2，图4中虚线框所示为火灾规模20 MW的火源位置，其火源面积为40 m2。环境温度设置为20 ℃，大气压力设置为标准大气压，模拟时间设置为1 200 s。本文近火源处，网格划分为0.1 m×0.1 m×0.1 m，远火源处网格划分为0.5 m×0.5 m×0.5 m。

图3 整体计算模型侧视图Fig. 3 Side view of the overall computing model

图4 整体计算模型俯视图Fig. 4 Top view of the overall computing model

4 结果讨论与分析

4.1 着火建筑对正对面建筑的高温影响

图5为火源功率8 MW时，在不同的环境风速下Z=2.0 m高度处切片在t=1 200 s时的温度瞬时值。图6为火源功率8 MW时在外界环境风速为4 m/s，建筑间距为3 m的模拟条件下，模拟时间t=214 s、427 s、1 200 s时刻的火灾烟气蔓延图。从图6中可以看到，火灾发生初期，烟气大量聚集在火源附近区域，接着充满整个着火建筑内部，在外界环境风速的作用下，烟气大量蔓延至正对面建筑处，直至充满整个建筑内部。其他火源功率的火灾烟气蔓延结果类似，此处不做赘述。

图5 火源功率8 MW时不同环境风速下的温度云图Fig. 5 Nephogram of temperature under different surrounding wind speeds at 8 MW fire power

图6 火源功率8 MW时烟气蔓延图Fig. 6 Smoke spread at 8 MW fire power

为了进一步定量分析当木结构建筑着火时对街对面木结构建筑的高温影响，对开展火灾模拟时所设置的温度测点进行分析。当火源功率为3 MW、8 MW、10 MW、15 MW时，在设定的环境风速下热电偶测得的温度值均低于临界温度值260 ℃。当火源功率为20 MW时，建筑间距为2 m、3 m时在不同环境风速下的温度曲线如图7所示。由图7可知，当建筑间距为2 m时，正对面建筑将受到高温作用被引燃。而当建筑间距达到3 m时，各模拟工况下的温度值均不会达到临界温度值260 ℃。

图7 火源功率20 MW时不同环境风速下温度曲线图Fig. 7 Temperature curve under different ambient wind speeds at 20 MW fire power

4.2 着火建筑对正对面建筑的热辐射影响

表2为在不同的环境风速作用下，着火建筑发生不同火源功率火灾时，在各个建筑间距下最大热辐射强度汇总表。由表2可知，即使喷淋系统有效，火源功率被控制在3 MW，此时建筑间距为3 m时的热辐射强度值仍高于临界值；当喷淋系统失效，火灾规模达到20 MW时，建筑间距为7 m时的测点测得的热辐射强度值仍高于临界值。由此可知，当建筑间距在3 m以内时，高温引燃和热辐射引燃共同作用导致该古商业街正对面建筑火灾蔓延；建筑间距在3 m以上时以热辐射引燃为主。

表2 各模拟工况下测点的最大热辐射强度值

图8为一定火源功率下，在不同的环境风速作用下，最上方处测点热辐射强度值与建筑间距的关系图。由结果可知，测点的热辐射强度值受环境风速影响较大，热辐射强度先随环境风速的增大而增大，达到最大值后随环境风速的增大而减小。在本文的研究条件下，当环境风速小于4 m/s时，风速的增加能够促进火灾蔓延，当环境风速大于4 m/s时，风速的增加不利火灾蔓延。

图8 不同环境风速下热辐射强度-建筑间距关系图Fig. 8 Relationship between thermal radiation intensity and building spacing at different ambient wind speeds

4.3 木结构建筑防火间距及其影响因素

4.3.1 木结构建筑防火间距拟合公式

表3为火源功率分别在3 MW、8 MW、10 MW、15 MW、20 MW情况下，各测点测得的最大热辐射强度值Ir,max与建筑间距X、环境风速V之间的拟合方程式。结果表明，在不同的火源功率下，三者之间均满足函数关系式：Ir,max=A1-A2X+A3V-A4XV-A5V2。该函数关系式表明在一定的火源功率下，热辐射强度值随着建筑间距的增大而减小，随着环境风速的增大先增大后减小。

表3 不同火源功率下最大热辐射强度随建筑间距和环境风速变化曲线拟合方程

为了得到不同火灾场景下的最小防火间距，根据表3中得到的所有数值模拟数据，采用多元函数拟合的方法，可以获得防火间距L与环境风速V、火源功率Q、热辐射强度值I之间的函数关系式：

(1)

R2=0.98

由前文可知，木结构建筑的临界热辐射强度值为10 kW/m2，以引燃木结构建筑的临界热辐射强度作为判定条件，即可得到在发生不同火源功率的火灾时木结构建筑之间的最小防火间距。因此，当火源功率分别为3 MW、8 MW、10 MW、15 MW、20 MW时，通过上述函数关系式可以求得不同火源功率下最小防火间距L分别为3.3 m、4.7 m、5.2 m、6.3 m、7.3 m。通过对火源功率Q与最小防火间距L进行拟合，发现二者之间存在线性关系，满足一次函数关系式：L=0.25Q+2.50。图9为不同火源功率下的最小防火间距拟合曲线以及拟合公式。

图9 不同火源功率下最小防火间距拟合图Fig. 9 Fitting diagram of fire prevention distance under different fire power

根据火灾动力学原理可知，距离火源中心R处的被引燃物所接受到的单位辐射热流量与火源的总热释放速率之间的关系式为：

(2)

式中：q′为被引燃物所受到的单位辐射热流量，kW/m2；Xr为热辐射系数，即热辐射的效率，通常取决于燃料类型，取值范围为0.2～0.6；Q为火源热释放速率，kW；R为火源与被引燃物之间的距离，m。

通常情况下，针对于普通的可燃物类型而言，其热辐射系数Xr取1/3。因此，式(2)可简化为：

Q=12πR2q′

(3)

表4为火源功率3 MW、8 MW、10 MW、15 MW、20 MW时根据式(3)和拟合公式所得到的防火间距的对比分析结果。从表4中可见，平均相对误差为5.3%，结果在合理的范围内，模拟结果可信。

表4 不同火源功率下的防火间距经验公式值和拟合公式值的对比

4.3.2 木结构建筑防火建议

该古商业街现状建筑耐火等级极低，未设置喷淋系统与火灾探测报警装置，且没有防火分区和防火墙，不满足防火规范的相关要求，火灾危险性较大。通过数值模拟结果可知，在极端不利情况下火灾规模最大可达到20 MW，此时最小防火间距为7.3 m。因此，当建筑间距大于7.3 m时，该古商业街某一木结构建筑发生火灾时将不会对其正对面建筑造成影响。当建筑间距处于3 m～7.3 m范围内时，若设置自动喷淋系统且有效作用，则火源功率被控制在3 MW以下，此时测点的温度值和热辐射强度值均低于临界值，因此应设置自动喷淋系统并保证其有效性。

当建筑间距小于3 m时，火源功率为3 MW时测点的热辐射强度值仍高于临界热辐射强度值10 kW/m2，因此，需要对间距小于3 m的木结构建筑加强防护。《自动喷水灭火系统设计规范》[11](GB 50084-2017)中指出，采用快速响应喷头的喷淋系统较标准响应喷头的喷淋系统在灭火时更具有优势，能够在火场中提前动作，在初起小火阶段就能够启动喷水，可以做到迅速灭火。因此，在间距小于3 m的古商业街木结构建筑中应采用快速响应喷头的喷淋系统。

当建筑间距小于3 m时，除了设置快速响应喷头的自动喷淋系统外，还可对建筑外立面的木结构构件涂刷防火涂料。相关研究表明[12]，涂刷防火涂料能够提高引燃木材的临界温度和热辐射强度值，提升木材的阻燃性能。

此外，应严格控制商铺内可燃物种类和数量，对于街对面建筑间距小于3 m的商铺应采用不燃或难燃材料制作门头招牌和装饰物，并严格限制允许售卖的商品种类，严禁售卖燃烧热值高、发烟量大的商品。

5 结论和建议

本文对某古商业街火灾开展数值模拟研究，综合考虑环境风速、火源功率、建筑间距、自动喷淋系统等因素，以临界温度和热辐射强度值作为正对面木结构建筑能否被引燃的判定指标，得到结论和建议如下：

(1)当建筑间距在3 m以内时高温引燃和热辐射引燃共同作用使火灾蔓延至正对面建筑，当建筑间距在3 m以上时以热辐射引燃为主。

(2)热辐射强度受环境风速影响较大，热辐射强度先随环境风速增大而增大，达到最大值后随环境风速增大而减小。在本文研究条件下，环境风速为4 m/s左右时，热辐射强度达到最大值。该古街木结构建筑之间存在最小防火间距，最小防火间距不受环境风速的影响，仅与火源功率有关。当火源功率在3 MW～20 MW条件下，最小防火间距L与火源功率Q之间满足线性关系式：L=0.25Q+2.50。

(3)当建筑间距大于7.3 m时，火灾不会引燃古街正对面木结构建筑；当建筑间距在3 m～7.3 m范围时木结构建筑应设置自动喷淋系统，小于3 m时应采用快速响应喷头。防火涂料可以提升木结构建筑着火的临界温度和热辐射强度，当建筑间距小于3 m时，建议涂刷防火涂料。