砖木结构古建筑大殿火灾蔓延规律研究.pdf

27TECHNOLOGY OF DISASTER REDUCTION 减灾技术李明海，西安建筑科技大学博士生导师，陕西省消防局消防安全专家库专家、中国指挥与控制学会安全防护与应急管理专委会委员。长期从事建筑智能化、建筑安全的研究。主持参加 50 项国家、省、市重点工程的建筑电气及建筑智能化设计任务，发表论文 30 余篇，荣获国家级、省部级优秀设计奖 12 次。2019 年入选中国勘察设计协会建筑电气工程设计分会新中国成立 70 周年“建筑电气行业百位突出贡献人物”。引言古建筑是非常珍贵的历史文化产物，我国的古建筑多为砖木结构，木材含水率低、火灾荷载大，火灾风险性极高，且现在的古建筑多发展为开放的景区，一旦发生火灾会造成不可挽回的后果。2018 年巴西国家博物馆火灾、2019 年巴黎圣母院火灾和日本“首里城”火灾、2020 年我国云南翁丁村火灾事故均造成了恶劣的影响，因此需要对古建筑的火灾引起重视（图 1 图 4）。FDS（FireDynamicsSimulator，火 灾 动力学技术）是一种基于场模型的火灾动态模拟仿真软件，是模拟火灾常用的方法。目前众多学者应用 FDS 对火灾进行模拟研究，以期为城市减灾提供理论指导。陈拓其、李方舰、赵忠杰等研究不同通风排烟方式对火灾发展的影响，为通风设计、人员疏散和火灾救援等提供支撑。万子奇等利用 FDS 软件模拟火灾发展过程，估算人员死亡时间，为火灾调查提供参考。易晓列、田垚、韩雷等对古建筑发生火灾后的危险性和火灾蔓延规律进行研究，并提出防控措施。应用 FDS 进行火灾模拟时，模型的完善程度会直接影响运行结果。但 FDS 建模时只能用长方体表示，如果需建立曲面则要通过多个长方体组合来完成曲面创建，尤其对于复杂建筑，在建模时间和精度上都有所欠缺，从而影响模拟结果。BIM（BuildingInformationModel，建筑信息模型技术）能够对建筑物理特征和功能性特征信息进行数字化承载和可视化表达，呈现出建筑真实砖木结构古建筑大殿火灾蔓延规律研究李明海杨一帆*鲁娟常通*通讯作者：杨一帆，西安建筑科技大学，陕西省西安市，710055，。28城市与减灾CITY AND DISASTER REDUCTION的三维模型。张莹等、吴梦轩、王印等结合 FDS 与 BIM 技术分别以地铁车站、高层建筑和地下综合管廊为研究对象进行了相应的火灾研究，证明了该方法的可行性。目前，对古建筑火灾应用 BIM 模型的研究尚少，对火灾蔓延规律的系统性研究也尚有欠缺，因此本文以“BIM+FDS”的方式对古建筑火灾进行模拟研究，分析古建筑火灾的发展与蔓延规律，同时提高古建筑建模的速度和结果精确性，具有一定的普遍意义。基于 BIM 的古建筑火灾模型构建（一）BIM 技术与 FDS 的结合本文采用 BIM 技术进行模型的构建，应用 Revit 软件（Revit 是实现 BIM 信息化平台功能的核心软件之一，是目前市场上全专业建模及全专业协同较为全面成熟的软件）搭建建筑三维模型，再将 Revit 模型与 Pyrosim（以 FDS 为基础，为 FDS 的前端软件，为 FDS 提供了用户界面）进行转换，由于两个软件传递上会存在一些语言丢失现象，因此需要在 Pyrosim 中对建筑物的门窗状态信息和材料信息进行丰富，最后实现火灾模型的构建。模型搭建的流程如图5所示。图1巴西国家博物馆火灾图3日本“首里城”火灾图2巴黎圣母院火灾图4云南翁丁村火灾图5火灾模型搭建流程图大殿建筑信息收集BIM三维模型Revit2018导出DXF丰富门窗状态信息丰富材料信息FDS火灾模拟（DXF是Revit导出的一种格式，可与Pyrosim兼容）导入Pyrosim实地调研文献、资料查阅29TECHNOLOGY OF DISASTER REDUCTION 减灾技术间有一垂壁，见图 7；前后门位置各开一个 1.8m4.2m 的开口；窗户均紧闭。大殿内部的金柱为杨木，方柱为冷杉木，其余木制部分为杨木，殿内的神像与桌子均为木制。古建筑三维模型如图 8 所示，图 8（a）为大殿 Revit 中的模型，图8（b）为 Revit 导入 Pyrosim 中并定义材料和开口的模型。2.火灾场景设置火灾燃烧模型主要分为稳态模型和非稳态模型，FDS 进行火灾模拟时所选的模型要符合实际火灾规律，以保证火灾模拟的准确性。由于古建筑的主要材料为木材，燃烧迅速，因此在进行火灾数值模拟时选择非稳态的t2火模型，具体公式如下：Q=t2其中Q代表热释放速率，指在规定的试验条件下，单位时间内可燃物燃烧所释放的热量，常用单位为 MW。根据现行国家标准建筑防烟排烟系统技术标准（GB51251-2017）中典型场所的最大热释放速率确定无喷淋的公共场所为 8MW。图6西岳庙灏灵殿（二）古建筑概况陕西省华阴市西岳庙是全国重点文物保护单位，本文的研究对象为西岳庙的灏灵殿（图 6）。灏灵殿建筑面积1084.86m2，体 积 16272.90m3，殿 高 16.8m（天 花 高8.5m，屋顶结构高 8.3m），为砖木结构，位于整个古建筑群的中心院落，为整个建筑群的主殿，坐北朝南，面宽七间、进深五间、周围有回廊环绕，单檐歇山顶，是西北地区现存最大的殿宇。该建筑建成年代久远，导致木材的含水率极低，并且古建筑内部构建均为木质，火灾荷载大，由于前后门日常为敞开状态，为火灾提供了充足燃料，存在很大火灾风险，具有一定的代表性。（三）古建筑火灾模型设置1.模型建立与材料设置根据查阅文献与实地调研所得数据进行模型搭建，在Revit 中建立长 32m、宽 17.6m、高 16.81m 的建筑模型。将 Revit 中建立的模型导入 Pyrosim 中，并对材料信息和门窗状态信息进行补充。根据实地调研，建筑入口面两根金柱图7垂壁图8（b）Revit导入Pyrosim后的模型图8（a）大殿Reivit模型图垂壁30城市与减灾CITY AND DISASTER REDUCTION由于古建筑的燃烧特点，属于快速增长火类型，取火灾增长系数=0.0469，根据公式得出火源达到最大热释放速率的时间为 413s，设置模拟时间为 1000s。为模拟真实情况，大殿除底部外其余各面均为开放网格，与外界相通，环境温度设置为 20，风速为 0m/s。经过综合分析，火源位置选取为神像前的供台，为香炉引燃木制供台导致火灾的发生，火源面积为 0.5m0.5m。3.网格设置FDS 网格是火灾模拟基本的计算单位，网格的大小将直接影响模拟结果的精度，理论上讲，网格越小模拟结果越精确，但耗时也会更长。通常网格的确定需要通过火源特征直径方程对网格进行合理性验证，火源特征直径方程如下：式中D*为火源特征直径（m）；Q为火源热释放速率（取8000kW）；为环境空气初始密度（取 1.29kg/m3）；T为内部环境温度（取 293K）；CP为定压比热容（单位质量的某种物质温度升高 1K 所需吸收的热量，取 1.014kJ/（kg k）；g 为重力加速度（取 9.81m/s2）；经过研究得网格尺寸d*为火源特征值的 1/161/4 倍可得出合理的求解结果。通过计算得到火源特征直径为 2.14m，对应的网格直径d*为 0.130.53m，从中选择 0.2m、0.3m、0.4m、0.5m 四个网格进行对比验证。分别对网格 0.2m、0.3m、0.4m、0.5m 在火源正上方5m 处的温度观测 600s，进行网格验证，见图 9。0.5m 网格整体测得温度较低，0.4m、0.3m 和 0.2m 测量结果呈相近规律，燃烧后期 0.3m 测得温度较高，0.5m 测得温度较低，因此综合考虑温度整体趋势、模拟精度和模拟时间选择网格为 0.4m 进行火灾模拟，总共划分 498432 个网格。4.监测设置将天花分为 21 块区域，分别在其下方设置热电偶，当热电偶温度达到 600认为天花被烧穿并退出计算，见图 10。图9网格对比验证图10天花热电偶布置在前后出入口人高 2m 处、大殿中部火源上方位置2.515m 处设置测点，分别观测温度、CO 浓度、能见度情况。在大殿中部X、Y轴方向设置温度、CO 浓度、能见度切片。火灾模拟分析（一）火灾及烟气蔓延火灾刚开始在火源区域中心燃烧，火灾烟气首先沿天花水平蔓延随后开始下沉。由于建筑入口上方设置了垂壁，对烟气有一定的阻挡作用，因此在Z=8.5m 处X轴下方的烟气浓度较X轴上方略低，如图 11（b）所示。烟气在 270s 左右从出入口流出后沿着檐口水平扩散，热量开始在屋檐积聚，部分烟气顺着飞檐溢出。随着燃烧的进行，殿内的烟气持续沿着殿内柱子向下蔓延，殿内温度持续升高，358s 时大殿中心部位上方天花达到 600被烧毁，火灾继续向屋顶蔓延，450s 时烟气已经蔓延至整个屋顶部位，954s 时殿内高度8.5m 处即天花部位再次达到 600，导致天花有更大的坍塌，见图 12。整个燃烧过程的火灾及烟气蔓延见图 13。（二）大殿主要燃烧产物的分布情况1.温度火灾烟气的温度很高，对人有很大危害。人类对 65的温度可以短时间忍受，对 120的温度可以忍受约 15 分0100200300400500600020040060080010001200温度/时间/s0.5m0.4m0.3m0.2mD*=CPT gQ2531TECHNOLOGY OF DISASTER REDUCTION 减灾技术钟，对 175的温度忍受时间小于1 分钟。火灾开始时，火源局部高温，热烟气抵达天花后随即沿着天花水平扩散，358s 时火源上方天花部分被烧毁，火焰沿着烧毁的天花继续向屋顶燃烧。人高 2m 处的温度在 380580s 较长一段时间较为稳定，为缓速上升阶段。550s时屋顶大面积温度达到 270以上，954s 时，随着殿内温度的上升，天花持续坍塌，更多的火焰进入屋顶部位，此时屋顶温度达到 400以上，最高温度达到570，大殿中心部位多处已被引燃，人高 2m 处温度基本为 110以上。模拟结束时，高温聚集在屋顶以及火源部位，屋顶温度大面积达到 500以上，屋顶中部最高温度达到 630，如图 14（ac）所示。另外，2.5m、5m 和 7.5m 的图12吊顶烧毁过程图13火灾蔓延过程图11（a）垂壁布设图11（b）Z=8.5m处烟气扩散局部图100s450s150s600s250s800s360s1000s358s954s100s500s200s700s300s900s400s1000s图14（a）大殿中部位置X轴方向温度云图400s600s800s1000s图14（b）大殿中部位置Y轴方向温度云图200s700s300s800s400s900s600s1000s图14（c）Z=2m处温度云图温度ZXX32城市与减灾CITY AND DISASTER REDUCTION测点在火灾发生时就已经开始有了温度变化。在天花损毁（358s）之前，距离火源越近温度越先提升，达到第一次峰值的时间越早；天花烧毁（358s）之后，天花以下的测点温度明显下降，10m、12.5m 和15m 处的测点开始参与计算，见图14（d）。2.CO 浓度火灾发生后释放的 CO 是造成人员中毒的主要原因，当 CO 浓度超过 0.25%mol/mol 时将会对人体造成严重威胁。火灾初期的 CO 浓度较低，主要集中在火源位置，当烟气蔓延到天花部位，随后开始水平扩散，天花烧毁（358s）后 CO 气体继续向屋顶部位蔓延，500s 时大部分的 CO 气体集中在屋顶部位，但浓度不高，为 0.018%左右。当屋顶部位的 CO 浓度聚集到一定程度后，开始继续向屋顶以下区域扩散，随着燃烧的持续，整个殿内的 CO 浓度开始升高，模拟结束时的 CO 浓度大部分达到 0.045%mol/mol，浓度最高的屋脊处达到 0.053%mol/mol，见图 15（ac）。另外，2.5m 处的测点火灾开始后 CO 浓度很快上升。358s 后火源上方区域天花损毁，增加了建筑空间，导致殿内的 CO 气体向上蔓延，因此 5m 和 7m 处测点 CO 浓度有了明显降低。2.5m 处的测点由于通风以及烟羽流的作用浓度降低并趋于平稳，见图 15（d）。图14（d）大殿中心位置不同高度温度图图15（a）大殿中部位置X轴方向CO浓度云图200s700s400s300s700s300s800s600s400s200s400s900s800s500s900s500s1000s1000s600s1000sCO浓度图15（c）Z=2m处CO浓度云图图15（b）大殿中部位置Y轴方向CO浓度云图020040060080010000200400600800Z=2.5mZ=5mZ=7.5mZ=10mZ=12.5mZ=15m温度/时间/s图15（d）大殿中心位置不同高度CO浓度图020040060080010000.00000.00010.00020.00030.00040.00050.0006CO浓度mol/mol时间/sZ=2.5mZ=5mZ=7.5mZ=10mZ=12.5mZ=15m33TECHNOLOGY OF DISASTER REDUCTION 减灾技术3.能见度能见度对人员逃生条件有直接影响，根据建筑防火工程，对建筑不熟悉的人群能见度应达到13m，对建筑熟悉的人群能见度也要达到 5m。火灾发生后由于烟气的产生，能见度下降很快，200s 时火源上方建筑空间能见度为 8m 左右，随着热烟气的蔓延，火源上方建筑空间能见度在 300s 时为 3m 左右。358s 天花损毁，由于烟羽流的作用，屋顶空间也被浓烟覆盖，殿内能见度为 2m 左右，700s 时由于烟气从飞檐溢出，飞檐附近能见度也受到影响。模拟结束时，整个殿内的能见度为 1.2m 左右，见图 16（ac）。另外，处于天花以上位置的测点在天花破损后能见度也迅速下降并保持在一个很低的范围，这是由于屋顶部分结构密实、空间小，有大量烟气的聚积，烟气蔓延到屋顶以后能见度基本保持在0.6m 左右。2.5m 处附近由于通风与烟羽流作用能见度相对较高，模拟结束时能见度在 3m 左右，见图 16（d）。（三）出入口处主要燃烧产物的分布情况1.温度出入口 2m 高处的测点温度变化如图 17 所示，火灾发生后测点处温度开始升高，出入口温度在 460s 之前相差甚微，460s 温度升高到 66，随后入口温度高于出口处 5左右，直到 947s，由于出入口被引燃，温度迅速升高，模拟结束时温度为 125。2.CO 浓度出入口处 2m 高处的测点 CO 浓度变化如图 18 所示。火灾发生后的一段时间 CO 浓度为 0，随后开始上升，这是由于火灾发生后烟气首先抵达天花，随后沿着天花进行水平方向的扩散，再从上向下积聚。入口处 CO 浓度在 256s 后开始增加，出口在 172s 开始增加，473s 达到第一次峰值0.0045%mol/mol。随后开始上升，690s 后出口 CO 浓度高于入口处。模拟结束时，入口处 CO 浓度为 0.015%mol/mol，出口处 CO 浓度为 0.016%mol/mol。3.能见度出入口处 2m 高处的测点能见度变化如图 19 所示，能见度在火灾刚开始时较高，随着火灾的蔓延，能见度开始快图16（a）大殿中部位置X轴方向能见度云图100s500s200s400s200s500s200s800s600s300s900s800s300s800s400s1000s1000s400s1000s能见度图16（c）Z=2m处能见度云图图16（b）大殿中部位置Y轴方向能见度云图图16（d）大殿中心位置不同高度能见度图02004006008001000051015202530Z=2.5mZ=5mZ=7.5mZ=10mZ=12.5mZ=15m温度/时间/s34城市与减灾CITY AND DISASTER REDUCTION速降低，这是由于建筑的木质材料多，燃烧迅速，燃烧初期氧气充足，释放大量烟气，导致能见度降低。入口处在323s 能见度开始降低，出口处为 280s，出入口处在 471s能见度降低为 2.6m。模拟结束时，出入口能见度基本相同，为 0.8m。模拟结果综合分析火灾初起，由于古建筑空间较大，殿内的平均温度较低，仅在火源附近温度较高，随着局部高温的作用，燃烧范围扩大，殿内温度增高，358s 时天花损毁，火焰继续向屋顶燃烧，954s 时，随着殿内温度的上升，天花持续坍塌，更多的火焰进入屋顶部位，此时屋顶最高温度达到 570。根据模拟结果，建议：入口处 473s 之后较出口处温度较高，471s 之前较出口处能见度情况较好，且 423s 之前能见度大于5m，因此 423s 之前逃生时可优先选择从入口逃生；室内垂壁对烟气具有一定的遮挡作用，因此可以考虑从垂壁入手设置防烟分区，阻碍水平方向的烟气蔓延，为逃生争取时间；CO浓度在相对安全范围内，因此温度和能见度相较 CO 浓度对建筑安全的威胁更大，通过对温度和能见度采取控制措施能为人员逃生提供有效帮助；358s 天花烧毁后火灾会持续向屋顶蔓延，古建筑屋顶空间小、结构密实，烟气进入屋顶后易产生堆积，造成屋顶高温，存在轰燃风险，天花在损毁一段时间内殿内温度有明显的降低现象，此阶段采取控制措施能较好地控制火情的发展。结论本文应用 BIM 技术结合火灾模拟的方式以灏灵殿为例进行火灾模拟，得出了火灾发生时温度、CO 浓度及能见度的变化情况，具有一定的参考意义。（1）通过 BIM 对古建筑模型进行搭建，提高了建模速度与精度，为后续的模拟做好技术支撑。（2）火灾发生时，烟气首先沿着水平方向进行蔓延再向下蔓延，垂壁对烟气的蔓延有一定的阻挡作用,可以据此建立防烟分区。（3）综合温度、CO 浓度和能见度的安全标准，423s之前可优先选择从入口逃生。（4）天花损毁前，即 358s 前屋顶部位不参与燃烧，损毁后屋顶部位由于结构密实，空间小，造成热量在屋顶积聚，天花损毁后殿内温度有明显降低，因此在天花损毁后立即采取火势控制措施能有效阻碍火灾的发展。图17（a）入口2m高处温度变化图17（b）出口2m高处温度变化图18（a）入口2m高处CO浓度变化图18（b）出口2m高处CO浓度变化图19（a）入口2m高处能见度变化图19（b）出口2m高处能见度变化0200400时间/s600800100020406080100120140温度/0200400时间/s600800100020406080100120140温度/0200400时间/s6008001000CO浓度mol/mol-0.000020.000000.000020.000040.000060.000080.000100.000120.000140.000160200400时间/s6008001000CO浓度mol/mol-0.000020.000000.000020.000040.000060.000080.000100.000120.000140.000160.000180200400时间/s6008001000051015202530能见度/m0200400时间/s6008001000051015202530能见度/m