沈阳清福陵火灾预防与及时扑救试验研究

王肖宇 （沈阳工业大学建筑与土木工程学院 辽宁沈阳 110870）

徐公文 （沈阳工业大学建筑与土木工程学院 辽宁沈阳 110870）

朱天伟 （沈阳工业大学建筑与土木工程学院 辽宁沈阳 110870）

国内外有众多的古建筑被毁于火灾。据2019年媒体披露，近十年来，我国共接报文物古建筑火灾392起，直接财产损失2808.9万元人民币。其中30.2%为电气原因引起，19.8%为用火不慎，在这些火灾中，能够及时发现扑救的占7.1%[1]。由于多数古建筑都远离市区，有的甚至建在山腰和山顶上或被深山包围，人员步行到达困难，消防车更难以接近。另外，由于离城镇较远，消防用水得不到保障，对古建筑火灾的扑救工作很不利。因此，如何应用现代消防技术，结合我国古建筑保护现状和所处地形特点，构建古建筑火灾预防和及时扑救的双层保护体系，就成为古建筑保护的当务之急。

古建筑发生火灾后，最好的办法是自救。本文通过木材阻燃烟气实验和扫描电镜（SEM）分析与水喷雾灭火数值模拟相结合的研究方法，运用火灾动力学仿真模拟软件Fire Dynamic Simulator（FDS），对沈阳清福陵方城内隆恩殿的建筑材料黄松木，进行木材阻燃、水喷雾模拟前后数据对比分析，针对热释放速率的变化规律、火灾火势及烟气蔓延过程以及温度、CO浓度和热辐射强度分布随时间变化情况，分析其存在的消防安全隐患，达到控制火灾蔓延，尽量减少文物损失，及时扑救火灾的目的。

一、清福陵概况

清福陵位于沈阳市东郊十公里的天柱山上，是清太祖努尔哈赤及其皇后叶赫那拉的陵墓，是盛京三大陵墓之一。清福陵的建筑格局随山势为前低后高，南北狭长，自南向北可分为大红门区、神道区、方城区（含宝城）三个部分。陵寝建筑规制完备，礼制设施齐全，主体建筑规模宏大，陵寝建筑群保存较为完整[2]。清福陵的方城位于陵区中央，为纵长方形，周长370米，城墙高约5米，出入方城的洞口只有2.5米[3]。陵寝的主要建筑都在方城内，这些古建筑主要结构多为木材，又以组群规模布置。由于有城墙阻隔，消防车无法直接进入清福陵方城内，不利于古建筑的消防安全。

清福陵在1962年遭遇过一场火灾，火灾之后方城内的明楼只剩下残垣断壁。1982年底重建修复完成（图1）。据资料显示，火灾当天调动了三个城区消防队的14辆消防车，200余人灭火，但因天正下雨、风力很大，该楼全部是木结构且已干燥多年，致使火势发展迅速，而古建筑内没有考虑消防给水，消防水源又接续不上，扑救难度很大[4]。

图1 清福陵（a）隆恩门洞口（b）明楼修复后现状（c）明楼大火后（图片来源：华商晨报）

二、木材阻燃实验

我国古建筑的建筑材料以木材为主，北方多为黄松木。为了提高木材的着火温度或减慢木材的燃烧速度，现在经常对建筑材料进行耐火阻燃处理。阻燃剂可以通过改变木纤维热解方式，有效延缓木纤维的燃烧过程，从而改善木材的燃烧性能，提高其耐火性。

（一）烟气燃烧实验结果

实验选用古建筑常用的黄松木，实验木块2个，大小100mm×100mm×10mm，把其中一个木块使用氮磷阻燃剂浸泡，另外一个木块不采取阻燃处理。实验设备选用NES 713烟毒性测试箱（菲尼克斯，中国苏州）和烟气分析仪（德国德图testo350）。按照《NES 713英国海军工程标准》[5]和《GB/T 8627建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》[6]，对黄松木进行阻燃前后的燃烧实验，实验过程5分钟。该实验探讨在特定条件下，材料的一个小试样完全燃烧时产生的毒性气体和密度分析。NES 713烟毒性测试箱在实验过程中，燃烧炉预热到800℃，2个木块被分别燃烧，再利用气流排放速率收集各种燃烧释放气体，然后通过化学分析计算每种燃烧释放物质的含量，并以数字表示其毒性。德图testo350烟气分析仪是根据6个烟气传感器，测试CO、CO2、NO、NO2、NOX、SO2的烟气密度分析。

没有经过阻燃处理的黄松木块在5分钟燃烧过程中，明火燃烧，基本燃烧完全；阻燃后黄松木在燃烧过程中，一直没有形成明火燃烧，说明经过氮磷阻燃剂浸泡过的黄松木的阻燃效果非常明显（图2）。烟气密度分析实验数据见表1。

表1 黄松木及阻燃后烟气试验燃烧数据

图2 木材阻燃前后烟气实验：（a）黄松木试件（没有经过阻燃处理）燃烧前状态（b）黄松木试件正面（没有经过阻燃处理）燃烧后状态（c）黄松木试件背面（没有经过阻燃处理）燃烧后状态（d）黄松木试件（经过阻燃处理）燃烧前状态（e）黄松木试件正面（经过阻燃处理）燃烧后状态（f）黄松木试件背面（经过阻燃处理）燃烧后状态

（二）扫描电镜观察结果

黄松木进行阻燃前后的燃烧实验后，将2个木块切割成20mm×20mm×10mm大小，选用日立S-3400N扫描电镜实验设备，设定放大倍数为100倍、400倍、1000倍，得到黄松木阻燃前后的200μm、50μm、20μm的SEM显微图像（图3）。

图3 木材阻燃前后电镜实验：（a）黄松木（没有经过阻燃处理）200μm的SEM显微图像（b）黄松木（没有经过阻燃处理）50μm的SEM显微图像（c）黄松木（没有经过阻燃处理）20μm的SEM显微图像（d）黄松木（经过阻燃处理）200μm的SEM显微图像（e）黄松木（经过阻燃处理）50μm的SEM显微图像（f）黄松木（经过阻燃处理）20μm的SEM显微图像

由图3可见，没有经过阻燃处理的黄松木块基本燃烧完全，其残余炭结构相对疏松，表面仅有少量白色木灰和大量不完全燃烧的残炭。经过阻燃处理的黄松白木剩余结构较多，不同程度燃烧的残炭形态各异。氮磷阻燃剂中含磷化合物的氧化态较多，它们的热分解产物具有很强的脱水作用，使被覆聚合物表面炭化，形成炭膜，起到阻燃作用。炭膜不仅可以有效隔离传热，还可以保护内部木结构不被分解。而且，它可以防止可燃气体的产生，最终减少内部可燃材料与氧气和热量的接触，从而结束燃烧。这说明，在发生火灾时，使用氮磷阻燃剂作为古建筑木材阻燃剂是非常可行的，它可以有效地保证木材的结构和强度，减少木材的火灾风险。

三、水喷雾灭火系统设计

清福陵的水喷雾灭火系统设计，学习日本合掌村的先进经验，在方城内合适的位置设置室外消火栓、室内消火栓、消防水枪水带，消防器材箱（图4）。室外消火栓是设置在建筑物外消防给水管网上的供水设施，主要供消防车从市政给水管网或室外消防给水管网取水灭火，工作人员也可直接连接软管和水枪灭火，是扑救火灾的重要消防设施之一。在清福陵方城内东配殿的南面和隆恩殿的西面，设置2个室外消火栓，间距在120米以内，在宝顶和明楼之间设置1个室外消火栓，满足扑救灭火的要求。室外消火栓设置安装应明显容易发现，方便出水操作。为了不影响其历史风貌，可设置地下消火栓。

根据初期火灾较易扑灭的特点，应尽量采取措施，做好火灾报警预防工作。争取早发现，早扑救，“止之于始萌，绝之于未形”，把火灾制止在萌芽状态，不使其形成灾害。1965年，日本世界遗产白川乡合掌村发生了一场大火，烧毁了一半以上的合掌造房屋。之后他们开始重视防火工作。现在，全村共有34个室外消防栓和28个室内消防栓，共有59个消防水枪。每年村里居民都要进行消防演练，学习灭火技术。火灾发生后，在消防队没到现场之前，由村民自行及时扑救。

四、火灾数值模拟实验

FDS（Fire Dynamics Simulator）是由美国国家标准与技术局开发的一种火灾动力学模拟软件工具，用于模拟火灾中能量驱动的流体流动。软件将要模拟的空间划分为几个小的三维矩形控制体网格或计算单元，使用动量守恒、能量守恒、质量守恒和偏转方程计算每个网格单元中的气体密度、速度、温度、压力和组分浓度，它类似于有限差分，使用有限体积技术来计算流体流动中的湍流和热辐射，并跟踪火焰气体的运动[7]。

（一）FDS 理论基础

FDS运用流体力学中的基本方程，可以准确描述火灾的发生与烟气的流动。包括：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程等，具体方程表达式如下：

质量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：h —比晗，J/kg；

k —导热系数，W/(m·k)。

组分守恒方程：

式中：Yi —第i种组分的质量分数；Di —第i种组分的扩散系数，m2/s；单位体积第i种组分的质量生成率，kg/(m3·s)。

（二）火灾场景设置

隆恩殿是清福陵最重要的核心建筑物，内部主要建筑结构材料均为黄松木。火灾模拟实验定在隆恩殿殿门出入口进行。首先运用FDS软件构建清福陵隆恩殿的模型（图5），设置古建筑结构构件材料均为黄松木，黄松木木材的系数设置密度640.0 kg/m³，比热容2.85 kJ/(kg·K)，导热系数0.14 W/(m·K)[8]。起火点设置在殿门出入口。火源设定 Heat Release Rate Per Area(HRRPUA) 为1500KW/m2，计算时间为300s[9]。根据木材阻燃实验设定烟气和各种火灾产生气体参数，消防水喷雾设置水流量为180.0 L/min，直径平均值为300.0 µm。模拟计算区域为整个隆恩殿15m×15m×5m。模型选取0.3m×0.3m×0.3m的网格尺寸，网格数量为25万个单元格。根据实际火场情况，计算区域网格的+X面、-X面、+Y面、-Y面、+Z面均为开放边界，与环境大气相接；-Z面为闭合边界，模拟现实中的大地。

图5 FDS火灾模拟实验：FDS建立模型和起火建筑

为了进行模拟结果分析，在隆恩殿殿门出入口设置多个监测点和监测切片，用于监测不同位置的热释放速率、烟气浓度、温度及CO浓度。同时在隆恩殿殿门南向5米处设置用于监测热辐射强度切片和监测点，用来监测火灾向外蔓延的情况。

五、结果与讨论

为方便正确的表达实验结果，本文的实验结果设定3种工况：工况1是指原始情况，木材没有经过阻燃处理，火场没有水喷雾。工况2是指有木材经过阻燃处理，火场没有水喷雾。工况3是指有木材经过阻燃处理，并且火场设有水喷雾灭火系统。

（一）热释放速率（HRR）

热释放速率是影响单位燃烧放热率的重要参数，也是衡量火灾危险程度的重要参数[10]。热释放速率通常用于表示火灾随时间的发展过程。图6（a）（b）（c）分别是工况1、工况2、工况3，火灾发生后300s时火势燃烧的情况，（d）图是在隆恩殿殿门上方1.7米，三种工况不同时间的热释放速率（HRR）数据对比。

图6 三种工况热释放速率情况：（a）300s时工况1切片（b）300s时工况2切片（c）300s时工况3切片（d）三种工况热释放速率数据对比

阻燃剂的加入和水喷雾灭火系统可以减少火场的热释放速率，使火灾得到控制。由图6（d）可以看出，工况1的火灾发生后，火势迅速扩展，随着材料的燃烧释放出大量的热量，热释放速率也迅速增加，在53s左右，热释放速率达到最高值13747.3kW。热释放速率随时间的变化趋势与火灾蔓延趋势基本一致。工况2的木材加入阻燃剂后，材料燃烧减慢，放出的热量减少。虽然火灾现场热释放速率仍然较大，但热释放速率峰值明显降低，火灾发生后16s的热释放速率峰值达到12594.2kW，比工况1降低8.4%。工况3的火场在用水喷雾灭火系统作用下，火灾发生后128s的热释放速率达到峰值11907.6kW，比工况1低13.4%，比工况2低5.5%。

（二）烟气浓度

烟气浓度和烟气释放量是评价物料燃烧时烟气状况的重要参数。如果物体没有完全燃烧会产生大量烟气，烟气会阻碍人们的视线，延长火灾现场的疏散和逃生时间，给灭火增加了难度。烟气在建筑中的扩散具有独特的流动性，它受室内空间的布局和连通性的影响。因此烟气的安全性不应大于5%，不会对人员安全疏散产生较大影响。图7（a）（b）（c）分别是工况1、工况2、工况3，火灾发生后300s时的烟气浓度情况，（d）图是在隆恩殿殿门上方1.7米，三种工况不同时间的烟气浓度数据对比。

图7 三种工况烟气浓度情况：（a）300s时工况1切片（b）300s时工况2切片（c）300s时工况3切片（d）三种工况烟气浓度数据对比

阻燃剂的加入可以减少黄松木烟气的生成和释放，但水喷雾灭火系统使得部分黄松木不完全燃烧，从而比工况2产生了更多的烟气。由图7（d）可知，工况1起火后，烟气逐渐产生，主要聚集在火源空间的顶部界面，在气压差的作用下扩散到相邻的开口空间，在277s左右产生大量浓烟，烟气浓度达到最高峰值5.19*10-3kg/m3；工况2的木材添加阻燃剂后，释放的烟雾量显着减少，起火后3s时烟气浓度达到峰值3.96 *10-3kg/m3，相比工况1降低了23.7%；工况3火场在水喷雾灭火系统作用下，起火后194s时烟气浓度达到峰值4.51*10-3kg/m3，相比工况1降低了13.1%，相比工况2升高了13.9%。

（三）火场温度

火灾发生后，火场温度迅速上升，燃烧的速度将非常快。如果在短时间内无法扑灭明火，将会出现大面积的火灾。火场温度过高，也会灼伤人员。图8（a）（b）（c）分别是工况1、工况2、工况3，火灾发生后300s时的火场温度情况，（d）图是在隆恩殿殿门上方1.7米，三种工况不同时间的火场温度数据对比。

图8 三种工况火场温度情况：（a）300s时工况1切片（b）300s时工况2切片（c）300s时工况3切片（d）三种工况火场温度数据对比

由图8（d）可知，工况1起火后，火场温度在90s左右达到最高峰值1076.5℃；工况2木材加入阻燃剂后，火场温度在起火后256s时达到峰值1027.6℃，相比工况1降低了4.5%。工况3火场在水喷雾灭火系统作用下，起火后5s时火场温度达到峰值823.2℃，但在9s后进入稳定状态，272s左右，是稳定状态的最高温度438.7℃，相比工况1降低了57.3%，相比工况2降低了59.2%。这表明阻燃剂的加入降低了火场温度，但水喷雾灭火系统降低火场温度的效果非常明显。

（四）一氧化碳浓度

火灾中大量的人身伤亡都是由于烟气释放造成的。据统计，因一氧化碳（CO）中毒而窒息死亡或被其他有毒烟雾熏死的，占火灾死亡总人数的50% ～ 60%，而被烧死的人中大多数是先中毒、窒息、昏厥，然后被烧死的[11]。图9（a）（b）（c）分别是工况1、工况2、工况3，火灾发生后300s时的CO气体浓度情况，（d）图是在隆恩殿殿门上方1.7米，三种工况不同时间的CO气体浓度数据对比。

图9 三种工况CO浓度情况：（a）300s时工况1切片（b）300s时工况2切片（c）300s时工况3切片（d）三种工况CO浓度数据对比

由图9（d）可知，工况1起火后，CO气体浓度在277s左右达到最高峰值2.60*10-3kg/m3左右；工况2木材加入阻燃剂后，CO气体浓度明显地减少了，起火后3s时CO气体浓度达到峰值1.98*103kg/m3，相比工况1降低了23.8%；工况3火场在水喷雾灭火系统作用下，起火后194s时CO气体浓度达到峰值2.26*10-3kg/m3，相比工况1降低了13.1%，相比工况2升高了14.1%。这表明阻燃剂的加入减少了黄松木CO气体的生成和释放，但水喷雾灭火系统使得部分黄松木不完全燃烧，从而比工况2产生了更多的CO气体。

（五）热辐射强度

建筑物遭遇火灾燃烧后，热量在四周传递，如果相邻建筑物获得的热量达到一定阈值，就会引燃可燃物，使火灾在建筑物之间蔓延。研究表明，该建筑与外墙的距离为4.0米以外的热辐射强度小于10kW/m2，火灾不会通过热辐射蔓延到邻近建筑[12]。图10（a）（b）（c）分别是工况1、工况2、工况3，火灾发生后300s时的热辐射强度情况，（d）图是在隆恩殿殿门南向5米处上方1.7米，三种工况不同时间的热辐射强度数据对比。

图10 三种工况热辐射强度情况：（a）300s时工况1切片（b）300s时工况2切片（c）300s时工况3切片（d）三种工况热辐射强度数据对比

由图10（d）可知，工况1起火后，热辐射强度在282s左右达到最高峰值19.2kW/m2；工况2木材加入阻燃剂后，热辐射强度在起火后252s时达到峰值16.5 kW/m2，相比工况1降低了14.1%。工况3火场在水喷雾灭火系统作用下，起火后3s时热辐射强度达到峰值12.5 kW/ m2，但在5s后进入稳定状态，最高热辐射强度9.1 kW/ m2，相比工况1降低了52.6%，相比工况2降低了27.2%。这表明阻燃剂的加入降低了热辐射强度，但水喷雾灭火系统降低热辐射强度的效果非常明显。

六、结论

本文通过对清福陵隆恩殿的黄松木进行木材阻燃实验与水喷雾FDS灭火数值模拟，分析对比黄松木阻燃前后，水喷雾前后数据结果，得到以下结论：

（1）沈阳清福陵古建筑的消防安全隐患是木质结构内有着生活祭祀用品等大量可燃物，一旦发生火灾，如扑救不及时, 很快就会蔓延至周围的木梁、木柱等结构，甚至造成古建筑的垮塌。通过木材阻燃实验和FDS数值模拟分析，表明阻燃剂的加入可以降低火灾危险程度，达到控制火灾蔓延，及时灭火扑救，尽量减少火灾给古建筑造成的损失的目的。

（2）火灾发生后，火场热释放速率随时间的变化趋势与火势蔓延趋势基本吻合。木材加入阻燃剂后，相比阻燃前的工况，热释放速率降低了8.4%，这说明加入阻燃剂后木材的热释放量减少了，阻燃剂的加入也减少了黄松木烟气和CO气体的生成和释放，降低了火场温度，降低了热辐射强度，火灾得到控制。

（3）通过清福陵方城内的水喷雾灭火系统的FDS模拟，对木材进行阻燃并开启水喷雾，相比阻燃前的工况，热释放速率降低了13.4%，这说明水喷雾灭火系统后的木材热释放量进一步减少了，水喷雾灭火系统也减少了黄松木烟气和CO气体的生成和释放，最明显的是降低了火场温度和热辐射强度，使火灾不会继续蔓延到其他古建筑。