肇兴侗寨“5·4”火灾调研及数值模拟分析*

卫文彬 王帅 孟天畅

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

0 引言

我国农村地区现有3 000多个古村镇，经济发展相对落后，消防基础设施建设与城市相比存在巨大落差。村镇建筑多为砖木结构或木质结构，耐火等级低；所在位置通常远离中心城区，基础设施条件差；火灾荷载分布广泛，明火使用频率高；周围环境多变，边界条件复杂；具有易引发、快蔓延、难扑灭的特点［1-3］。

村镇建筑一旦发生火灾，将会迅速蔓延，造成严重的人员伤亡和财产损失［4-6］。因此，针对村镇建筑布局、结构构造、基础设施、气候条件和人文环境等方面的特点，开展火灾致灾因素及蔓延特征研究，制定适宜性的火灾防控策略，是当前农村地区火灾防治工作的重点。论文基于典型火灾案例——肇兴侗寨“5·4”火灾的调研情况，对火灾过程进行了数值模拟重现分析，得出了火灾蔓延发展过程中不同阶段的关键参数，以期为农村地区的建筑防火设计及消防规划提供参考。

1 火灾基本情况调研

1）起火时间。2019年5月4曰22时40分许，位于贵州省黔东南苗族侗族自治州黎平县肇兴镇肇兴村三组的一处临街房屋发生火灾，见图1。

2）起火原因。根据现场调查，本次火灾系房屋承租人在一楼西侧贴临内墙区域用碳火烘烤茶叶而不慎引发。

3）灾后总结。由于寨内消防道路畅通，消防救援及时，火灾很快被控制住，同时该房屋与相邻房屋的墙体采用实体砖墙，抑制了火灾的水平蔓延，因此，没有造成“火烧连营”的严重后果。本次火灾共烧毁房屋1栋，导致4户村民受灾，直接财产损失116 120元，无人员伤亡。

火灾后，村民对烧毁的房屋进行了原址复原重建，经过对重建房屋的现场勘测可知，该栋房屋共4层，檐口高度约10.2 m，房屋最高点约12.7 m，长约8.45 m，宽约9.0 m，在平面布置上分为2户。房屋主体结构采用木结构形式，西侧全部和北侧局部外墙由于贴临其他房屋采用实体砖墙形式。

2 火灾重现数模分析

2.1 模型构建及参数设定

根据现场调研测绘的房屋平、剖面图，利用火灾动力学软件Pyrosim进行数值模型构建，如图2所示。

由于火灾的发生及发展过程具有诸多不确定性因素，本次数值模拟中做以下两点假设限定：

1）模拟不考虑相邻建筑和环境风速的影响，仅考虑单栋房屋的火灾蔓延燃烧情况；

2）模拟中考虑木结构房屋的自由蔓延燃烧，不考虑消防队员的外部灭火干预。

模型中的相关参数设置如表1所示。

表1 模型参数设置一览

2.2 火灾蔓延发展过程

图3为火灾发展过程中典型状态及关键节点的展示。

从图中可看出：在引入热源130 s后，房间内热源附近的墙壁周围出现了明显的火焰，并逐渐蔓延扩大。320 s后，热源附近的明火向上蔓延至了一层顶板。390 s后，火灾产生的热烟气从屋顶冒出，此时处于房屋附近的室外人员即可发现火情并报警。430 s后，着火房间内产生了轰燃现象，燃烧反应剧烈，导致火灾急剧蔓延扩大。500 s后，明火从着火房间蔓延至相邻房间，火灾范围扩大。600 s后，火焰外溢，完全包围整栋房屋的外墙，火灾开始完全失控燃烧。

2.3 火灾热释放速率分析

图4为房屋火灾过程中的热释放速率发展变化曲线。

从图中可以看出，房屋火灾的发生发展可以分为以下4个阶段。

0~380 s，火灾缓慢蔓延燃烧阶段：木材通常需要一段时间的持续加热才能触发链式燃烧反应，因此，本阶段也可称为点火阶段。这一阶段内的燃烧反应较为缓慢，房间内的最大热释放速率约500 kW。本阶段整体火灾规模较小，属于火灾发展的初期，可以轻易将火灾扑灭。

380~480 s，火灾局部轰燃阶段：随着燃烧反应的不断发展，房间内的明火范围不断扩大，产生的火灾热烟气逐渐增多。在火焰及烟气的热辐射作用下，起火的房间内出现了轰燃现象，火灾热释放速率也迅速攀升至32 MW。这一阶段是导致火灾蔓延扩大的最大诱因，此时进行人工干预，则灭火成功的概率较大。

480~600 s，火灾快速蔓延燃烧阶段：前阶段的轰燃为火灾的进一步发展提供了足够的热量，导致木材的燃烧反应剧烈发展，火灾热释放速率急剧上升至150 MW。本阶段是火灾由可控状态向不可控状态转变的关键时期，及时的人工干预在此阶段仍有一定概率可以实现灭火。

600~900 s，火灾失控燃烧阶段：在达到150 MW的热释放速率后，房屋整体的火灾发展维持了一段时间的相对稳定燃烧状态；随着蔓延范围的进一步扩大，火灾热释放速率仍然表现为上升趋势，但增长速度较缓，在900 s时能达到的最大释热速率约175 MW。此阶段的火灾已经完全失控，人工干预很难实现灭火。

2.4 着火房间温度场分布

图5为着火房间内不同高度的温度变化曲线。

从图中可以看出，在火灾的缓慢蔓延燃烧阶段，房间内的温升变化情况较为平缓，距地面2.5 m高位置的最高温度约70℃。

火灾进入局部轰燃阶段后，剧烈的燃烧放热使房间内的温度迅速升高，在480 s时，距地面2.5 m高位置的最高温度约1 000℃，距地面0.5 m高位置的最高温度约600℃。

在火灾快速蔓延燃烧阶段，房间内的轴向温度表现为较平稳的上下波动特征，且出现了明显的温度分层现象，上层温度高、下层温度低。

在失控燃烧阶段，随着燃烧反应的持续蔓延扩大，房间内下层的温度开始上升，温度分层现象消失，着火房间内的木质地板、楼板及墙体完全燃烧，轴向各点的温度逐渐趋于一致，最高达到约1 150℃。

3 结论及建议

FDS数值模拟结果表明，在自由蔓延燃烧的条件下，火灾的发展可以分为4个阶段：缓慢蔓延燃烧阶段、局部轰燃阶段、快速蔓延燃烧阶段、失控燃烧阶段。

根据模拟结果，火灾发生600 s后，火灾规模即高达150 MW，进入失控状态。因此，合理有效的外部灭火救援行动应在10 min内开展，否则将导致严重的火灾后果，这一时间可以为村镇消防救援力量及设施的规划布置提供依据。

火灾发展过程中的轰燃现象能够使房间内的温度快速上升至约1 000℃，从而促使火灾进入快速蔓延发展阶段，进而导致火灾蔓延扩大。实体砖墙能够隔绝火焰，降低火灾热辐射对相连区域的影响，对于火灾蔓延发展有良好的阻隔作用，建议木结构建筑的户与户之间设置实体砖墙，从而防止火灾的连片蔓延，可以达到降低火灾损失目的。

论文研究成果能够为村镇建筑火灾防控提供技术支撑和理论指导，有利于促进村镇建筑相关防火标准的制订与修订，提升我国村镇地区建筑的防火减灾水平。