村镇木结构建筑火灾多尺度防控模型及应用实践

2022-05-10杨龙龙高级工程师刘松涛研究员刘文利研究员卫文彬工程师莉工程师

安全 2022年4期

杨龙龙高级工程师刘松涛研究员刘文利研究员卫文彬工程师樊莉工程师

(1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.建研防火科技有限公司，北京 100013)

0 引言

我国村镇地域广阔，村镇建筑以自建房居多。大部分村镇缺乏消防规划，建筑耐火等级低，消防基础设施相对薄弱。2020年，我国农村地区发生火灾12.4万起，占全国总起数的49.3%，其中较大火灾发生39起，占全国总数的60%；2021年，农村火灾起数占全国火灾总起数的54.6%，死亡人数占总死亡人数的51%[1]。数据表明村镇地区的火灾防控形势依然严峻。此外，农村青壮年人口外流，留守人员主要为老人和小孩，消防意识薄弱，应对突发火灾处置能力不足，因此农村火灾现场死亡率要高于城市。在一段时间内，村镇火灾防控仍然面临较大挑战。

木结构建筑是村镇建筑中比较典型的一类，一旦发生火灾，极易出现连片燃烧，给当地居民带来巨大损失。针对村镇木结构建筑布局和特点，学者们就火灾防控措施开展广泛研究。村镇木结构建筑的布局与形式是当地居民长期以来适应自然并改造自然的结果。因此，地域环境差异往往会促进形成风格迥异的村落布局和形态。按传统村落的轮廓形态、内部结构、道路体系等因素划分，村落形态可分为集中型、组团型、带型、放射型、象征型、灵活型等。按火灾应急救援的难易程度，可将建筑分为集中型和分散型[2]。侯兆铭等[3]针对黔东北土家族村寨特点，指出村镇建筑可分为均匀片状、向心带状和散珠带状3种布局形式。不同的村落布局形态对消防安全有较大影响，因此，火灾防控措施应根据村落类型差异进行针对性的调整。贵州地区多山地且少数民族众多，田聪等[4]针对贵州村寨连片木结构建筑，应用火灾探测、预警技术，结合联防联控机制，建立连片木结构村寨火灾早期报警及防控体系；蒲玄波[5]指出利用农村路网、电网、水网改造等契机，逐步完善消防车道、电气线路、消防水源、消防装备等基础设施的建设；熊峰等[6]研究构建协同物联网和人工智能的火灾预警平台，快速识别火情并瞬时响应，指出西南民族村寨火灾防控应从监测预警、疏散和材料阻燃等途径入手。

从上述研究可以看出，村镇木结构建筑火灾防控与其他类型建筑有很大不同。一方面，火灾防控具体策略与木结构建筑的地形地势、规划布局、建筑形式等因素密切相关；另一方面，该类建筑所在的农村地区经济欠发达，且消防监管人员相对有限。文献[4，6]提到的火灾预警平台，适合经济条件较好的区域，而对于经济欠发达区域，大规模应用火灾预警平台仍有一定困难。因此，应针对村镇木结构建筑布局和建筑形式特点，研究火灾多尺度防控模型及实施策略，从而提高木结构建筑的火灾防控效率和精准度。

1 木结构建筑火灾多尺度防控的提出

我国现有古村寨3 000多个，建筑形式多为砖木结构或木质结构，耐火等级低，所在位置多处于非中心城区，建筑周围环境多变，边界条件复杂，一旦发生火灾，火焰、烟气迅速蔓延，将会造成严重的人员和财产损失，归结起来就是易引燃、快蔓延、难扑灭[7-8]。从我国近年来农村火灾情况[9](见表1)，可以看出最近几年事故发生起数、死亡人数、受伤人数均有降低，但是由于基数大，农村火灾依然不容忽视。该情况主要有2方面原因：一是农村社会经济欠发达，火灾防控所需的人力、物力和财力不足；二是村镇建筑量大，但是基层消防监管力量有限。如何提高监管效率成为当前面临的突出问题。因此，需要在网格划分的基础上，以村落为对象，通过更加细化的分割方法，开展多尺度防控，才能进一步提高村镇火灾防控工作的效率和精准性。

表1 近年来农村火灾统计

村镇建筑特点与城市建筑有很大不同。由于大部分为自建房，整体缺乏消防规划。各院落在建造之初，多未考虑防火间距，导致无防火阻隔或防火间距严重不足。在院落或房屋内部，经常存在不同种类的引火源，居住人的不当行为也是导致火灾事故发生的原因。村落层面，影响火灾发展和灭火救援的主要原因是道路交通、消防水源等存在不足。不同层级的火灾防控重点有一定差异，因此，提高村镇木结构建筑的火灾防控效率，需要有适合的划分方法。有学者指出，火灾防控应根据木结构建筑火灾发展特点，从点火源、火灾报警系统、消防设备设施和防火分隔等多道防线建立火灾防控体系，每道防线开展相应的消防安全改造和灭火救援[10]。此外还可以从宏观、中观和微观尺度开展传统村落防灾防控工作。宏观尺度为村落选址、地势等村落空间布局，中观尺度为空间秩序和街巷组织，微观尺度为建筑形态和内部空间布局[11]。村镇建筑的网格化划分可以借鉴防火分区的概念，根据村落内实际空间布局和大小进行划分，利用已有街道、巷道、河道等形成防火隔离带，从而实现物理分隔。院落之间，可利用山墙、耐火构件进行划分，从而建立单元之间、分区之间的纵深式分隔体系[12]。在层级划分后，不同层级范围内需要采用不同的管理和技术措施。孟繁茂[13]提出利用阻燃材料分隔方式，把村落划分成不同的防控片区，通过对木结构建筑进行阻燃处理，实施阻燃网格化。该研究根据实际情况分为3种：一是全部用阻燃材料保护；二是重要古建筑采用阻燃材料加区间隔离和局部阻燃相结合的方法；三是网格片区周边用阻燃材料。

通过上述分析可知，传统网格化火灾防控划分形式比较单一，主要以道路为划分依据，划分不够细致，不利于识别火灾风险和开展精准化的火灾防控。多尺度防控思路正是基于这种考虑，针对村镇木结构建筑特征和具体实际提出层级划分方法和防控策略。

2 火灾多尺度防控模型

2.1 多尺度分割方法

村镇木结构建筑火灾防控的首要目标是消除或降低区域系统性火灾风险，其防控工作应遵循点面结合的原则。点，指的是村镇内重要建筑物或设施；面，指的是根据一定规则划分成的不同群落。根据村落的地形和布局，划分成群落、院落和房间等不同层级。为了在村落、群落、院落和房间等不同层级开展相适应的火灾防控，把村落层面定义为宏观尺度，群落为中观尺度，院落和房间为微观尺度，提出点面结合的多尺度分割方法。

村落的划分是根据自然屏障和人工构筑物分割成不同区域，其中自然屏障主要有河流、湖泊、山丘、山脊等。建筑一般依水系而建，自然水系就成为天然的分隔。另外一种自然分隔是山丘、山脊产生的物理分割。村镇建筑的布局不仅受到地形地貌的影响，同时也受到人工构筑物的影响。如建筑在主干道路上沿线布置，建筑围绕广场布置等。此外，部分建筑采用不燃性材料，整体耐火等级高，对相邻低耐火等级的建筑来说，也起到一定的分割作用。因此可利用主干道路、活动广场、高耐火等级建筑等人工构筑物，把整个村落分割成不同的群落。

群落内的建筑以院落为基本单位，包括重点院落和一般性院落。一些传统村落内含有历史文物建筑等具有较高艺术价值的建筑，这类建筑也是群落内的优先保护对象。此外，祭祀场所、学校等存在明火或人员比较集中的区域也作为重点院落。确定重点院落后，群落内的建筑划分成一般性建筑和重点建筑。院落主要由单体建筑组成，建筑内通常包含多个房间。由于不同房间使用功能不同，其火灾危险性也有差异。如厨房使用明火，特别是一些村寨还保留使用火塘的习惯，致使该类房间火灾危险性更大。卧室作为日常起居场所，人员活动频繁且存放有大量电器，潜在火灾风险大。通过上述分割方式，把村落分为不同群落，各个群落内有一般性院落和重点院落，重点院落内分为一般房间和特定房间。这样便形成了村落—群落—院落—房间的4个层级，层级划分后有利于将火灾风险进行细化和定位。

2.2 多尺度防控模型

由于房间、院落等微观层面主要考虑火灾的起因，群落、村落等中观、宏观层面更多地考虑火灾蔓延和消防救援，因此不同尺度范围的火灾防控侧重点有所差异，需要在不同层级采用不同的策略。村镇木结构建筑火灾的多尺度防控模型，如图1。

图1 村镇木结构建筑火灾多尺度防控模型

房间内发生火灾，若发现较早且处置得当，火灾更容易被控制和扑灭。因此，在房间尺度的微观层面，控制起火源的产生和防止火灾向相邻房间蔓延是首要目标。关于起火源的辨识，利用火灾事故致因理论，从事故发生的直接原因入手，在人、建筑和环境3个方面，分析可能导致事故发生的直接原因，确定房间内人的不安全动作和物的不全状态。人的不安全动作包括厨房用火不慎、乱扔烟头等产生火源的潜在危险行为。物的不安全状态包括电气线路、电器设备故障以及房间内外的可燃材料等。电线短路、过载或漏电等是引发电气火灾的重要原因，消除上述隐患，就能够消除一部分因电气线路、设备故障引发的火灾[14]。此外，控制房间内外可燃物的数量，也能够在一定程度上降低火灾向临近房间蔓延的风险。针对村镇木结构建筑的特点，房间层面，在厨房、起居室等重要房间采用阻燃材料，提高房间墙板、楼板、梁等构件的耐火等级是行之有效的方法。

院落层面的主要目标是阻止火灾在房间之间的蔓延。对于直接相连的房间，可以通过阻燃构件实现防火分隔。对于原本不相连的房间，但是由于柴火、杂物等可燃物的随意堆放，在火灾发生时成为重要的蔓延通道，因此院落层面还要注重环境的管理，消除潜在火灾蔓延途径。

群落层面主要防止不同区域之间的火灾蔓延。群落边界建筑物的耐火等级、防火间距以及有无防火隔离带对阻止火焰蔓延有重要作用。因此，群落边界建筑作为重点防控对象，需要按照重点房间层面的原则和要求开展各项措施。除了重点建筑，还应该考虑群落边界建筑的耐火等级。通过提高群落边界建筑的耐火等级和构建防火隔离带，减少或消除火灾向相邻群落蔓延的风险。因此群落层面内的火灾防控重点在特定功能、属性的院落、群落边界院落的防火隔离措施上。

由于大部分村镇距离城市较远，特别是在山区，道路崎岖狭窄，附近无消防站点，实现火灾快速救援难度较大。因此，村落层面，首要任务是改善道路交通条件和加强被动防护。通过逐步改善村镇道路通行条件，利用水网改造契机，加强消防水源的建设。把消防规划纳入到村镇发展规划，不断完善路网、水网、电网等基础设施。对于改建、扩建的建筑，通过科学规划，使新建、改建建筑与原有建筑保持安全间距。

3 不同层级火灾防控策略

根据多尺度防控模型，村镇木结构建筑可分为房间、院落、群落和村落4个层级，每个层级内根据其房间或建筑的特点，其火灾防控策略和重点如下：

房间层面，主要从火灾致因要素的人和物2方面开展防控工作。房间内，人是活动主体，既是被保护对象也是产生火灾危险的因素之一。因此在房间层面，应控制人的危险动作，如厨房用火、烟头处置、祭祀用火、节庆用火等。通过控制产生潜在点火源的行为，进而防止火灾发生。人的防火安全意识、习惯的改善主要通过宣传、教育和培训等手段。物的方面，主要是通过被动防火手段减少或消除火灾在房间之间的蔓延途径。技术上可以应用材料阻燃、构件耐火技术，提高房间和建筑的耐火性能，降低火灾蔓延风险。此外，还要加强房间内电气线路、家用电器开关老化和故障的排查，消除电气线路方面的火灾隐患。

院落层面，为阻止火灾在院落之间的蔓延，利用防火墙、防火山墙等防火分隔措施，通过控制开窗的位置等方式，尽量降低火焰和热辐射对周边院落的影响，从而控制火势向相邻院落蔓延。另一方面，通过院落环境管理，减少房间之间堆放的可燃物数量，避免其成为火焰蔓延的通道。同时材料阻燃、构件耐火等技术也可以在院落外围进行应用，降低对周边院落的影响。

群落层面，为防止发生火灾从一个群落蔓延至相邻群落，根据群落的分割方法，道路、河流等阻隔物阻挡效果较好，因此需要重点发挥能够起分隔作用的自然屏障或人工构筑物的作用。其次是处在群落边界上的建筑，在满足一定防火间距的同时，还要加强外立面耐火性能、立面上孔洞数量与位置管理，结合防火构件、防火隔离带和防止飞火等措施，减小火焰和热辐射对周围建筑的影响，从而把火灾控制在特定区域内，避免相邻群落受灾。群落层面，还应加强具有特殊使用功能的重点院落、房间的消防安全管理，保障群落内重要院落免受火灾威胁。

村落层面，为全面系统性地降低火灾风险，主要从消防救援和延缓火灾蔓延2个角度开展防控措施。首先是完善路网、水网、电网等基础设施，减少消防救援力量的到场时间并为灭火救援提供充足水源和便利条件；其次是建筑布局方面，新建、改建房屋的规划要统筹考虑消防安全，在规划之初要考虑建筑之间的防火间距以及消防水源获取的便利性，提高村落整体的消防安全水平。

4 多尺度防控应用实践

4.1 相关标准规范规定

北京市地标《文物建筑防火设计规范》(DB 11/1706-2019)中指出，文物保护单位与周边建设控制地带之间宜利用道路、水系、广场、绿地等进行防火隔离，当条件不具备时，也可用防火墙、消防水幕等措施进行防火隔离[15]。贵州省地标《传统村落火灾防控规范》(DB52/T 1504-2020)中，当地传统村落建筑，提出寨改、房改、厨改、电改、水改、路改等方面(以下简称“六改”)防火改造应遵循的标准[16]。

“六改”中厨改是对厨房四周、顶棚、屋面等，应用不燃或难燃材料进行改造，对厨房的炉灶、烟囱等设施进行防火改造。电改包括对老旧、裸露和安装不规范的电气线路、配电设施和用电设备进行相关改造，并采取相应的电气防火保护措施。厨改和电改都是聚焦于房间内可能出现意外的点火源部位，均属于房间层面的火灾防控措施。房改是采用不燃或难燃仿木材料及木质阻燃技术，对有重要价值的建筑进行保护，提高其耐火等级。通过对房间和外立面进行防火保护，防止火灾在房间、建筑之间的蔓延，因此房改是院落层面的防控措施。寨改则更侧重建筑布局的调整，在不影响整体风貌前提下，通过搬迁部分建筑、增设防火隔离带或降低建筑密度、划分防火保护单元或减少火灾荷载等，改造降低群落间火灾蔓延的风险。因此，寨改措施主要聚焦于群落边界和数量的控制。

水改和路改一般属于基础建设工程，一方面提高人民生活水平和交通便利；另一方面也提高整个村落的火灾应急救援能力。其中水改主要包括结合人饮工程和水利建设引水进村，修建消防水池，铺设管网等内容。路改则是结合村落整体道路规划建设，通过拓宽、延伸和增设进村道路，进而完善村内外消防车道和疏散通道。可见，水改和路改是在村落层面采取的火灾防控措施。

4.2 传统村落防火改造案例

以广西壮族自治区某县村寨的防火改造为例，以下重点介绍寨改、水改、电改、灶改和房改的具体措施[17]。寨改主要是村寨结构方面的改造，把大寨划分成小寨，开辟防火隔离带，进而把原来的村寨分隔成多个防火区域。开辟的防火隔离带要求宽度不应小于12m，两侧的房屋外墙宜采用难燃或不燃性墙体。水改方面则通过建造消防水源、搭建消防管网和安装消火栓，保障灭火需要。消防水源的设置结合实际情况开展工作，条件具备设置高位消防水池的要求时，按照规定修建并完善配套的管道和消火栓设施。条件不具备时，则修建储水池并配置手抬消防机动泵或建设消防泵房。电改方面，针对室内线路年限长、老化严重等问题，进行全面更换，通过规范插座和线路的安装和铺设，降低电气火灾的风险。灶改方面，针对当地一般采用传统形式炉灶和多数布置在二楼的情况，需要引导和鼓励村民把炉灶移至首层并建新柴灶，或者在原炉灶基础上采用不燃材料对周边区域进行硬化保护。房改方面，由于当地建筑材料主要为竹、木，加上房屋使用年限较长，建筑构件干燥疏松。因此鼓励当地有条件的村民进行改造，采用砖瓦或砖混结构，从而提升建筑耐火性能。

根据村落不同层级的特点，在不同层级开展相应的防火改造，村落层面的水改解决无消防水源和消防设施问题，群落方面的寨改解决无防火隔离的问题，房改和电改等措施则在院落和房间层面提高建筑耐火等级，并且消除火灾危险源。