西北传统木结构民居建筑火灾数值模拟研究

李鸿飞，蔺慧媛，叶明晖，程 骏

(1. 兰州理工大学设计艺术学院，甘肃 兰州 730050；2. 城市与建筑遗产保护教育部重点实验室(东南大学-西北中心)，甘肃 兰州 730050)

1 引言

我国古建筑拥有悠久的历史底蕴和丰富的文化内涵，承载着传统文化、民俗习惯、建筑构造等多方面的理论和智慧。近年来国内外多次发生古建筑火灾，造成了难以补偿的损失和影响。2021年2月14日，被誉为“中国最后一个原始部落”的云南省翁丁村毁于一场大火，又一次敲响了传统村落保护的警钟。而据国家文物局统计，仅2019年就接报文物火灾事故21起，其中涉及世界文化遗产1起、全国重点文物保护单位4起、省级文物保护单位9起，这些古建筑火灾容易蔓延且难以控制，极易造成巨大文化财产损失。因此，充分认识古建筑火灾的危害性，尤其以居住为主的传统民居建筑与人民生活息息相关，把握其火灾发生发展、蔓延规律，采取有效的消防防火措施，才能根本性降低火灾造成的各种损失[1]。

青城古镇位于甘肃省榆中县最北端的黄河南岸，是兰州市唯一的国家级历史文化名镇和全国民间艺术之乡，也是甘肃省古民居保存较为完整的古镇，对研究西北民居及其古建筑营建技艺有一定历史价值，2013年，青城古民居被列为全国重点文物保护单位。其中最典型的罗家大院是民国时期青城四大水烟作坊之一的“永顺成”老板罗希周先生的宅院，始建于民国十六年(公元1927年)。该院落由东院、中院和西院三部分组成，占地面积7100平方米，整体院落由十六道门互相连通，是青城地区保留最完整的古民居四合院之一，其传统民居建筑古朴典雅，做工精美，在西北传统木结构民居建筑中具有较强代表性。

在前期对西北传统四合院木构民居建筑火灾发生特点研究基础上[2-3]，以避免传统文物破坏为前提，结合消防实际情况和设计方法，进行四合院建筑火灾危险性评价，并提出性能化防火的研究策略。本文重点以罗家大院为例，借助火灾动力学仿真软件FDS(Fire Dynamic Simulator)模拟分析环境参数并设定依据，对单体木结构建筑进行火灾模拟分析，厘清热释放规律、烟气扩散、温度场、能见性、有毒气体浓度等分布规律，并以人员安全疏散标准为依据，确定安全疏散的最短时间[4-5]。与以往研究相比较，模拟结果完全依据典型民居建筑测绘数据，具有较强真实性和可操作性，最终防火建议可直接应用于青城古镇乃至西北地区传统木结构民居的防火改造中，针对性地从消防设施的布置、管理、疏散等方面构建古建筑消防安全体系，为以后西北地区传统木结构民居建筑的防火设计提供参考依据。

2 建筑测绘与FDS建模

首先选取罗家大院厢房作为研究对象(建筑坐西朝东，入口在东侧)，该建筑的体量尺寸、营建技艺及建筑材料较为符合西北地区木结构民居建筑的常见做法，因此对其进行精确测量并绘制成图纸，建筑立面及具体平立剖面尺寸如图1-4所示。单体建筑总长为8.5m，宽为5.1m，单层高为5m，木制隔墙厚0.12m，建筑后墙及侧墙均为砖墙，墙厚0.33m。

图1 罗家大院厢房

图2 厢房平面图

图3 厢房立面图

图4 厢房剖面图

同时使用前处理程序PyroSim(Thunderhead Engineering PyroSim)建立研究民居建筑模型及运算分析(如图5-6所示)，建模过程中采用2D、3D相结合为主，编辑建模为辅的形式，这样既能保证模型属性的准确性，又能够提高建模效率[6-8]。规则墙体主要采用2D形式建模，根据现有CAD测绘图纸进行模型建立，由于PyroSim在曲面模块方面的弱势，因此将厢房屋顶以近似坡度形成屋顶斜面，材料数据依据调研数据选用PyroSim内置的参数值，对主要建筑材料松木及防火砖基于调查数据进行了物理参数的统一设置(见表1)，同时模型内部的装饰与实际情况保持一致，具有一定研究代表性。

图5 PyroSim模型外部视图

图6 PyroSim模型内部视图

3 模型输入条件

3.1 计算区域及网格划分

网格尺寸是FDS需要设置的重要参数，该古建筑模型尺寸较大，为同时兼顾计算效率及质量，采用网格尺寸的经验值计算公式并进行多次试验，最终确定网格尺寸为0.25m×0.25m×0.25m进行模拟，所有区域都采用直角坐标均匀网格，网格总数为9.6万个。

3.2 火源功率

由于单体建筑绝大部分建筑构件为可燃物，燃烧采用自定义热解模型，火源设为普通火即可。火源的面积为1m×1m，单位面积热释放速率为1000kW/m2则燃烧后火源的功率为1000kW(依据热释放速率按t2规律变化公式：Q=0.04689 t2，0.04689为火灾增长系数，求得火源达到1000kW的时间为146s)。其值能够起到引火作用，且由于该火源是采用通风口vent设置，一旦火源处可燃物燃烧殆尽后，将不会再释放热量，避免因后期古建筑大规模燃烧而造成数据误差。同时考虑到建筑面积较小且室内家具分布较为集中，因此采用不同通风条件下的单火源进行模拟，经分析后最终确定火源位于体积较大的木柜子上，从而确保能长时间燃烧，保证模拟的进行。

3.3 环境及输出设置

根据青城历年的气象资料，统计的平均年气温为10℃，平均湿度为20%，盛行风向为西北风，平均风速为2m/s。通过对多起火灾案例的分析，火灾很难持续1200秒，本次模拟采用最不利条件，故设置模拟时间为1200秒。

3.4 测点及切片设置

根据建筑特点，以建筑几何中心向东南西北四个不同方向各设置6个间隔为1m的测点，测点主要测试火灾燃烧时的温度，用于评估火灾的危险性及火灾蔓延趋势。同时在高度1.6m处设置温度、能见度等参数的切片，以便观察火灾对成人的影响程度和蔓延规律(如图7所示)。

图7 测点及切片位置示意图

3.5 通风条件设置

通风条件是影响火灾产生和蔓延的重要因素，在砖木结构建筑中，木材燃烧释放出大量烟气，考虑到建筑室内空气滞留问题[9]，若建筑内通风条件差，必然会导致室内氧气浓度持续下降，从而导致火焰熄灭，但是此时室内温度远高于木材着火点，若有新的通风口出现，必将在一瞬间引起回燃，甚至于轰燃。因此本次模拟重点分析了通风条件在常规自然改变中的火灾蔓延趋势，这对了解木结构民居建筑火灾蔓延特征具有较强的必要性。另外民居古建筑构件本身具有一定的通风间隙，同时考虑到古建筑窗纸易燃特性，因此在模型设置中除了必要的间隙外，单独设置有门和窗的通风口，并通过在窗户及门表面设置多个控制点，当温度达到窗纸着火点时，开放部分窗户通风口，进而当温度达到木材着火点时，开放全部门窗通风口。

4 模拟结果与分析

模拟场景中内门窗通风口均为门窗燃烧后开启，模拟过程中经过多次调试后模型计算完成，同时后处理器 Smokeview 程序运行正常，3D 图像运行符合设计要求。

4.1 热释放速率

随着火源逐渐燃烧，室内氧气浓度不断降低，当200s时，室内火焰逐渐开始减弱，随着热释放率下降室内温度开始降低，直到300s时，东墙北窗被引燃，形成新的通风口，含氧量的增加使得室内北侧家具开始燃烧，热释放速率迅速增加到2000kW。当500s时，北窗燃烧殆尽，通风口面积扩大，提供了大量的氧气，热释放速率迅速增加，厢房木墙及部分家具发生燃烧，逐渐热释放速率达到最大值。但由于整个模拟过程中，门以及东墙南侧窗户表面温度未达到木材及窗纸的着火点，室内氧气浓度逐渐无法满足燃烧的需求，火灾由燃料控制型转变为通风控制型，故而热释放速率随氧气浓度的变化波动较大，热释放速率最大值为3000kW(如图8所示)。

图8 场景热释放速率-时间曲线

4.2 温度模拟分布

由于建筑北面、西面、南面均为砖墙，隔热效果明显，室外测点温度基本无明显变化。而建筑东面为木墙，热传递性能好，且木墙燃烧后，会形成大面积通风口，加速热烟气往室外环境中扩散，故建筑东面成为火灾蔓延的主要方向[10]。将初始温度设置为10℃，从建筑内部来看(即距离为0m的测点)，北面、西面、南面温度曲线斜率较大，在200s时温度上升至250℃，在250s-300s时氧气浓度降低，温度出现下滑，当300s-400s时，东墙北侧窗户燃烧形成通风口，氧气浓度上升，温度随之上升(如图9所示)。

图9 场景各测点温度随时间变化图

通过建筑四周的测点数据可以看出，南侧温度波动较小，在400s时温度上升至250℃，随后400s-1100s时在250℃左右上下波动，1100s-1200s出现上升趋势，温度达到最大值350℃。西侧温度波动较大，在370s时温度突增至400℃，随后温度降至250℃，在400s-1100s期间，温度在250℃左右上下波动，在1100s-1200s期间呈现缓慢上升趋势。北侧温度波动较大，在400s时温度上升至350℃，随后400s-700s时，温度降至200℃并在其左右上下波动，在700s-1200时，温度突增至400℃，随后温度在300℃左右上下波动。相比其它方向，东侧温度变化缓慢，在0-700s期间缓慢上升，700s左右温度突增至250℃，在800s-1100s期间温度降至50℃并在其左右上下波动，在1100s时温度突增至300℃，在1100s-1200s期间，温度在250℃-300℃期间上下波动。

从建筑室内情况来看，室内温度的提升与热烟气运动密切相关，火源燃烧释放了大量高温烟气，受到砖墙及木墙的阻隔，大量烟气在屋顶堆积，致使温度升高。由于砖墙良好的隔热和密闭性，北面、西面、南面几乎不受外部冷空气的影响。而作为东侧木质墙隔热和密闭性较差，在冷空气和室内热烟气的交互作用下，温度很难有大的提升。其在700s、1100s时由于木墙部分燃烧造成温度突增。但截止1200s木墙仍未出现大面积燃烧，这与东面温度较低不能达到其着火点有直接关系。

从建筑室外情况来看，北面、西面、南面由于砖墙的分隔，各测点温度基本无明显变化，故仅选取火灾蔓延方向-东面进行分析。东面室外5个测点温度曲线斜率较低，温度提升缓慢，距建筑1m、2m、3m、4m、5m的各测点稳定温度分别为80℃、70℃、60℃、50℃、30℃，仅距离为1m的测点温度峰值达到150℃，其余测点峰值均在100℃以下。在东面测点温度逐渐上升过程中，由于受木墙的阻隔及室外温度较低的影响，各测点温度均远远低于木材着火点，火灾蔓延存在“有心而力不足”的现象。

从消防扑救角度看，场景中建筑室内温度达到木材着火点253℃用时在200s左右，此时室内氧气已不足以维持燃烧，但木窗并未完全燃烧，因此在防火操作过程中可以对木墙表面泼水即可大大减小新通风口形成的机会，避免火势加重。若东墙北侧窗已经燃烧，新通风口已经形成，此时室内有一定的氧气来源，此时应在防止木墙继续燃烧的同时，尽可能降低室内温度，可通过消防栓，向建筑表面及室内喷水降温，同时注意建筑结构的完整性，避免建筑垮塌。

4.3 能见度分析

伴随着烟气的不断释放和扩散，火灾发生50s时室内的能见度降低至10m以下，火灾发生至300s时，室内能见度基本为0m，同时大量的高温烟气从东墙北侧窗扩散并作用于室外的平台，使其能见度下降至10m左右，500s时外部平台北侧能见度降至6m左右，平台南侧能见度降至12m(如图10所示，从上往下为t=100s、t=500s、t=1000s时的瞬时能见度分布)。因此，通过对火灾场景能见度结果分析，当厢房发生火灾后，室内能见度在短短300s内即对人员视线造成严重影响，同时由于北侧窗户燃烧，使得烟雾得以扩散，并大大降低了室外平台的能见度，影响人员安全疏散。建议在主入口附近安装排烟设施，同时设置室内外疏散标识，指导人员迅速有序疏散。

图10 场景能见度变化分布图

5 结论

本文在对罗家大院传统民居建筑现场数据的收集测量基础上，通过FDS软件模拟分析火灾发生的全部过程，将不同阶段火灾场景的演变特征进行量化分析，依据并参照普适场景下的温度变化、氧化物浓度变化、能见度等结果，针对性提出西北地区木结构民居建筑的防火工作提出具体的措施手段。经仿真模拟结果验证，通过精确测绘和火灾数值模拟结合的方法可以真实有效地预判传统村落木结构民居建筑火灾情况，进而提出具有针对提出防火策略，适用于古建筑火灾预警和防火扑救工作的顺利开展。主要具体防火建议如下：

1)古建筑火灾荷载密度大，一旦发生火灾，烟气会快速扩散至整个室内，不同场景下火灾烟气蔓延方向基本相同，大量烟气扩散至屋顶处后开始水平蔓延，当充满整个屋顶后开始垂直沉降[11]。因此，在火灾发生初期，人员安全疏散过程中可采用半蹲式、匍匐式行走，降低烟气对自身的影响。

2)古建筑发生燃烧后，室内温度和氧气浓度作为其火灾蔓延的重要条件，影响着火灾发展速度。单体建筑在不同通风条件下的火灾模拟中，门在500s被打开时为最不利火灾情况，此时北侧窗户已经燃烧殆尽，实际消防扑救中可以窗户、门等通风口位置是否燃烧作为依据，判断火灾发展阶段，采取相应消防措施[1]。

3)场景中火灾自然发展，受氧气浓度限制并未发生轰燃，究其原因与室内可燃物仅保留较少的木质家具有直接关系，木材虽然易燃，但其着火点较纸屑、棉织物而言高了不少，没有了纸屑及棉织物的助燃，木材很难发生大规模燃烧。由此可见，将极易燃烧的纸屑、棉织物与火灾隐患点分离可有效防止火灾扩散。在村落防火宣传方面，可以作为重点宣讲内容进行防火知识普及。

4)火灾蔓延过程中，东面热辐射较其它三面大，温度随着距离的增加而降低，间距为5m时，局部温度可达100℃；由于古建筑砖墙保护，使得其它三面热辐射传递受限，室外温度基本不受室内影响。古建筑中房间狭小、可燃物密度大的房间发生火灾时达到轰燃的时间较短，应加强对院落和建筑室内角落空间的监管，减小火灾发生的几率，降低损失。