不同风速条件下村镇木结构建筑防火间距的数值模拟研究

谷 凡，张玉玉，姜喻涵，谷 池，南 宇

(沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168)

我国西南地区村镇木结构建筑之间多为檐廊相接，一旦发生火灾，容易出现“火烧连营”的现象，存在极大的火灾隐患。因此，对我国村镇木结构建筑防火间距的研究尤为重要[1-4]。目前，国内外学者在木结构建筑火灾方面进行了相关研究[5-12]。周强[13]对不同热流条件下三种木材的外形变化趋势进行了试验研究。A.Menis[14]对无保护交互叠放型木楼板进行了耐火性试验研究。 S.F.Tung[15]对全尺寸木结构建筑模型进行了火灾试验研究，探究了木结构建筑的室内火灾发展规律和蔓延规律。李思禹[16]对文物古建筑物的火灾危险性及抗火性能进行了研究。怀超平[17]采用FDS软件对木结构文物古建筑物的火灾蔓延规律及其影响因素进行了数值模拟研究。韩雷[18]采用FDS软件对古寺庙大殿的火灾蔓延过程进行了数值模拟研究，针对温度、烟气变化等情况，提出文物古建筑的火灾防控措施。王雁楠[19]采用FDS软件对木结构建筑间火灾蔓延进行了数值模拟研究，指出建筑间距和风速是影响火灾蔓延的主要因素。关于木结构建筑火灾方面的研究，多局限于木材耐火性能和木结构建筑室内火灾蔓延等方面，而关于村镇木结构建筑间的火灾蔓延规律以及防火间距的研究相对薄弱。影响木结构建筑防火间距的因素包括起火建筑的火灾荷载、建筑群的整体布局和大气环境等因素，其中风速的影响应予以重点关注。基于此，笔者对不同风速条件下的木结构建筑间的火灾蔓延规律进行数值模拟研究，探索风速对木结构建筑防火间距的影响规律。研究表明：木结构建筑的防火间距随着风速的增加而增加，在风速为4 m/s时出现极大值；当风速大于4 m/s时，随着风速的继续增加，热量加速扩散，导致防火间距出现降低的趋势。综合考虑地形、地势以及大气环境等各种不确定因素的影响，建议西南地区村镇木结构建筑的防火间距值在12 m以上。

1 数值模型

1.1 模型尺寸

计算模型为西南地区典型的穿斗式木结构建筑，其长×宽×高为10.3 m×7.6 m× 6.5 m。墙外围门、窗洞口宽×高分别为1.1 m×2.1 m、1.1 m×0.9 m，室内门洞口宽×高为0.9 m×2.1 m，室内布置床、沙发等家具(火灾荷载)，数值模型如图1所示。火源位于一层客厅，面积为0.4 m×0.4 m，模拟着火时间为1 000 s，燃烧类型为非稳态t2火模式。

图1 穿斗式木结构建筑数值模型Fig.1 Numerical model of chuan-dou type timber structure building

1.2 网格划分

网格划分对数值模拟的计算结果具有较大影响，为兼顾计算精度和计算机处理器运行时间，笔者设定模拟计算区域为23 m×20 m×8 m，并将其划分为两个计算子区域，每个计算子区域按照不同的网格尺寸分别进行独自的网格划分，如图2和表1所示，网格总数为352 640个。

图2 计算子区域的划分Fig.2 Division of simulation sub-regions

表1 计算子区域的网格划分Table 1 Mesh generation of simulation sub-regions

1.3 测点布置

在起火建筑物后立面墙体的后方布置热辐射通量计，共计4组。A组、B组热辐射通量计布置在左侧房间窗口处，距地面高度分别为3.0 m、5.0 m；C组、D组热辐射通量计布置在中间房间窗口处，距地面高度分别为3.0 m、5.0 m。 每组热辐射通量计包括10个测点，在水平方向上相互间隔0.5m，如图3所示。此外，在起火建筑物后立面墙体的后方，在距离墙体0.5 m、1.0 m、1.5 m…处，等间距布置竖向温度切片，共计10组，如图4所示。

图3 热辐射通量测点布置图Fig.3 Layout of thermal radiation flux measuring points

图4 温度切片布置图Fig.4 Layout of temperature slices

1.4 工况设置

笔者以西南地区典型城市昆明市的风场特征为代表，研究风速对木结构建筑防火间距的影响规律。根据昆明基准气候站近10年观察数据[20]得知：昆明市平均风速小于5.0 m/s。为此，建立6种火灾场景分别对应于不同的风速，风速取值分别为0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s，由计算域的+Y面(即建筑物前立面)吹入，起火建筑物的门窗均设为开启状态。

2 数值模拟结果分析

2.1 场景1

对于场景1，在风速为0 m/s的情况下，当燃烧时间为600 s时，木结构建筑进入燃烧充分发展阶段。若起火建筑物与相邻建筑物距离过近，则极易通过热辐射作用导致相邻建筑物发生火灾，即建筑物之间的火灾蔓延。选取距离起火建筑物后立面墙体1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m的温度切面，得到相应位置处的温度云图，如图5所示。由于起火房间设置在一楼中间房间室内，因此在火灾充分发展阶段，热对流与热辐射作用导致二楼中间房间窗口上方的温度最高。选取该位置处的10个热辐射通量测点值(即图3中的D组热辐射通量测点)，可以得到距离起火建筑物后立面墙体不同位置处的热辐射通量密度随时间的变化曲线，如图6所示。

图5 场景1在燃烧时间为600 s时的温度云图Fig.5 Temperature contour chart of scene 1 at combustion time of 600 s

图6 不同位置处的热辐射通量密度随时间的变化曲线Fig.6 The variation of thermal radiation flux density with time at different positions

热辐射通量密度随着火灾的发展而逐渐增大，随着与起火建筑物距离的增大而减小；当燃烧时间到达600 s后，各位置处的热辐射通量密度逐渐进入稳定状态。由图6可以获得木结构建筑进入燃烧充分发展阶段时的热辐射通量密度与起火建筑物距离的关系曲线，如图7所示，其拟合公式为

E=36.625x-0.618.

(1)

式中：E为热辐射通量密度，kW/m2；x为与起火建筑物的水平距离，m。

由图7可知：木结构建筑进入燃烧充分发展阶段后，距离起火建筑后立面墙体0.5 m处的平均热辐射通量值约为50 kW/m2，距离起火建筑后立面墙体5.0 m处的平均热辐射通量值约为13 kW/m2。美国消防协会NFPA建筑材料防火浸渍木材与防火涂料标准[21]指出：对于经过防火处理的建筑木材，当表面热辐射通量密度达到12.6 kW/m2时，木材将被引燃。根据式(1)的拟合公式可以得出：当风速为0 m/s时，木结构建筑的防火间距约为5.62 m。

图7 在燃烧充分发展阶段热辐射通量密度与起火建筑物距离的关系(风速为0 m/s)Fig.7 Relationship between thermal radiation flux density and the distance to fire building in the full combustion stage(wind speed of 0 m/s)

2.2 场景2—场景6

对于场景2—场景6，即在风速v分别为1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s的情况下，木结构建筑进入燃烧充分发展阶段的燃烧时间仍为600 s。当燃烧时间为600 s时，对距离起火建筑物后立面墙体不同距离的10组竖向温度切片所记录的温度云图进行对比分析可知：在二层中间房间窗口上方处的温度值最高。选取该位置处的10个热辐射通量测点值(即图3中的D组热辐射通量测点)，可得到距离起火建筑物后立面墙体不同位置处的热辐射通量密度随时间的变化曲线，如图8所示。

图8 不同位置处的热辐射通量密度随时间的变化曲线Fig.8 The variation of thermal radiation flux density with time at different positions

当燃烧时间为600 s时，各位置处的热辐射通量值处于稳定状态，由图8可以获得当木结构建筑进入燃烧充分发展阶段后的热辐射通量密度与起火建筑物距离的关系曲线，并可以得到相应的拟合曲线与拟合公式，如图9所示。

图9 在燃烧充分发展阶段热辐射通量值密度与起火建筑物距离的关系Fig.9 Relationship between thermal radiation flux density and the distance to fire building in the full combustion stage

美国消防协会NFPA标准[21]指出：对于经过防火处理的建筑木材，当表面热辐射通量密度达到12.6 kW/m2时，木材将被引燃。根据图9中的拟合公式可以得出：当风速v为1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s时，木结构建筑的防火间距分别约为5.84 m、6.11 m、6.52 m、6.81 m和6.51 m。

2.3 风速对木结构建筑防火间距影响规律

当燃烧时间为600 s时，木结构建筑进入燃烧充分发展阶段，各位置处的热辐射通量密度值处于稳定状态。若起火建筑物与相邻建筑物距离过近，则极易通过热辐射作用导致相邻建筑物发生火灾，即建筑群体间的火灾蔓延。如前所述，美国消防协会NFPA规范指出木材引燃的表面热辐射通量密度判据值为12.6 kW/m2；此外，吴伟[22]通过试验指出常用木材引燃的表面热辐射通量密度约为11.0～15.0 kW/m2。根据式(1)以及图9中的拟合公式，可以得到不同风速条件下的木结构建筑防火间距，如表2、图10所示。

表2 不同风速条件下的木结构建筑防火间距Table 2 Fire separation distance of timber structure buildings under different wind speeds

木结构建筑间的防火间距随着风速的增加而增加，且在风速为4 m/s时出现极大值；当风速大于4 m/s时，由于过大的风速会加速热量的扩散，反而会导致防火间距出现降低的趋势。对应于不同的木材，数值模拟计算得到的西南地区木结构建筑防火间距推荐值为4.24～8.22 m。按照《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)中的规定，四级民用建筑防火间距为12 m，综合考虑地形、地势以及大气环境等不确定因素的影响，建议西南地区村镇木结构建筑防火间距值为12 m以上。

根据图10，拟合木结构建筑防火间距与风速的关系(对应于不同木材引燃的表面热辐射通量密度判据值)，如式(2)所示。

d=

(2)

式中：d为木结构建筑防火间距，m；x为风速，m/s；Ecr为木材引燃的表面热辐射通量密度判据值，kW/m2。

3 结 论

(1)当燃烧时间为600 s时，木结构建筑进入燃烧充分发展阶段。热辐射通量密度随起火建筑距离的增加而减小，随风速的增加而增大。当临近木结构建筑物表面热辐射通量密度达到11.0～15.0 kW/m2时，极易通过热辐射效应导致相邻建筑物发生火灾，即建筑物之间的火灾蔓延。

(2)木结构建筑防火间距随风速的增加而增加，且在风速为4 m/s时出现极大值。当风速大于4 m/s时，过大的风速加速热量的扩散，导致防火间距出现降低趋势。对于不同品种的木材，数值模拟计算得到的西南地区木结构建筑防火间距推荐值为4.24～8.22 m。综合考虑《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)以及各种不确定因素的影响，取安全系数1.5，建议西南地区村镇木结构建筑防火间距值为12 m以上。