陶庆

0 前言

近年来，全国各地围绕古村古镇开发的旅游业得到蓬勃发展，极大地促进了当地经济的发展。但古村古镇由于历史原因，建筑结构大都以易燃的木结构为主，建筑物耐火等级较低；古村古镇建筑之间距离较近，建筑间防火间距普遍不足[1][2]。由此导致古村古镇可燃物较多，火灾危险性较高，且一旦发生火灾，极易发生火灾蔓延、造成火烧连营的严重后果。此外，由于古村古镇普遍缺乏整体消防规划，消防设施缺乏、消防道路狭窄等制约火灾扑救的现象也较为普遍，初期火灾发生后，往往难以第一时间及时扑救，极易造成火势迅速蔓延扩大[3][4]。如2014年以来，云南香格里拉独克宗古城、湖南洪江古商城、云南丽江束河古镇、贵州省黔东南州西江千户苗寨、广东中山古镇等相继发生火灾，给人民生命财产、历史文化造成了巨大损失。由此，基于古村古镇建筑结构和布局现状、火灾危险性特点，掌握古村古镇建筑火灾蔓延特性，并采取针对性的火灾预防措施，对降低古村古镇火灾风险有重要意义。

本文拟对某古镇商铺建筑开展火灾蔓延数值模拟分析，研究商铺建筑火灾水平和竖向蔓延情况，为该古镇火灾防治提供技术参考依据。

1 古镇概况及火灾危险性分析

该古镇是以休闲、购物、观光为特色的旅游古镇，总面积约5平方公里。古镇主体部分是沿南北方向分布的一条300余米长的大街，街宽2.5m，沿大街依次分布10～30m2大小不等的商铺，其中南大街以特色小吃为主，北大街以旅游工艺品、古玩、字画为主。商铺建筑结构以砖木结构、木结构为主，建筑层数以一层为主。古镇平时日均客流量在3000人左右。

通过前期对古镇实地消防安全调查，发现古镇火灾危险性主要体现在：

一是建筑材料以木结构为主，易于起火燃烧。该古镇多是采用木结构或砖木结构建造的耐火等级仅为三级或四级的建筑群。建筑大量采用木材，非常容易燃烧，耐火性能差。同时，古镇建筑中的门、窗、梁、斗拱等形状复杂，构件交错叠落，使木材的受热面积大大增加，极易导致火灾快速蔓延。

二是防火间距不足，易形成大面积建筑火灾。该古镇沿南北大街两边修建建筑，建筑彼此相连，缺少防火隔间，各个店铺飞檐搭接，廊道相连。一旦其中某个建筑着火，极易迅速蔓延至与之毗邻的其它建筑，形成火烧连营的现象。

三是建筑规划不合理，火灾扑救困难。该古镇由于历史原因，商铺建筑与居民建筑混建，街道狭窄。消防车道内堆放货物、摆摊设点，易造成紧急情况下消防车的通行困难，影响古镇火灾的初期快速扑救。同时，古镇内建筑普遍存在消防设施配置不足，较少配置火灾报警和自动喷水灭火系统。

2 古镇商铺建筑火灾蔓延分析

2.1 火灾场景设计

通过前文对古镇的火灾危险性分析，发现老街所有商铺中，饭店类商铺火灾荷载较多，火灾危险性较高，根据“可信且最不利”原则设定老街中某饭店商铺发生火灾，火灾时简易喷淋失效，采用自然排烟。为考察商铺火灾竖向蔓延至商铺2楼，同时水平蔓延至大街对面商铺的最不利情况，火源设置在饭店大厅靠近南大街一侧存在明火的食品加工处。火源具体位置如图1所示。

图1 火源位置设置

模拟分析中，考虑一组桌椅（每组为1张餐桌、4把座椅组成）着火。美国国家标准技术研究院（NIST）曾对某些家具进行过火源测热释放速率试验[5]，一张木制餐桌的火灾规模为2MW，单张座椅的最大热释放率为0.3MW。通过计算得一组桌椅着火的火灾规模为3.2MW（4×0.3＋2＝3.2MW），同时本文考虑引入安全系数，目前可参考的家具的热释放速率试验数据来源于美国国家标准技术研究院（NIST），与美国相比，国内家具木材含量更多，火源功率会偏大，为增强场景的可信性和合理性，将安全系数定为1.5，将无自动灭火系统控制下餐饮区火灾规模定为5MW。

基于以上研究可设计t2火，用下式描述：

式中Qf为火源的热释放速率，KW；α为火灾增长速率，KW/s2；t为时间，s。

火灾增长速率α是以热释放速率表征火灾增长快慢的程度的重要参数，一般采用表1的四种划分方法[6][7]。由于本场景桌椅为木板结构，故采用表中的快速火，α取值0.0469。

根据以上内容，最终确定古镇商铺建筑火灾场景如表2所示。

2.2 火灾模型

模型分析采用采用美国国家标准技术研究院（NIST）研究开发的火灾动力学场模型软件FDS作为分析手段，版本号为6.7.5。FDS模拟软件是使用大涡模拟技术的计算流体力学（CFD）软件，可以用于计算燃烧所引起的流场、温度场、能见度和气体组分浓度等。该软件可通过数值方法求解Navier-Stokes方程来分析气体扩散和燃烧过程中传质过程和传热过程。

表1 火灾增长速率分类表

表2 设定火灾场景

采用PyroSim软件进行模型的建模。模型为2层楼，有人字形屋顶。长14.7m，宽8.2m，层高2.2m，有两部楼梯，楼梯宽度为1.1m，CFD模型如图2所示。

图2 CFD模型

2.3 CFD假设

此CFD模型中所采用的主要假设条件包括：

（1）初始的建筑内部与外部温度相同；

（2）无外部风，通风气流和烟气均视为理想气体；

（3）在探测到火灾后，所有通向外部的门应保持开启状态，所有侧窗或顶窗开启状态；

（4）忽略阻碍物和人员对气流的阻碍，以及人员疏散时对气流的扰动影响；

（5）忽略排烟系统和氧气含量对火源释热速率的影响。

2.4 火灾蔓延判据

商铺建筑结构为砖木结构，主要承重构件如梁、柱均为木结构，因此模拟分析中火灾蔓延主要考虑木材的火灾蔓延特性。

火灾蔓延方面的判据主要通过两方面来刻画[8]。一方面是木材被引燃，此时认为火灾蔓延已经开始。另一方面是轰燃，轰燃的发生意味着火灾已经进入完全燃烧阶段。木材的引燃通过温度和热流量来表征。根据文献8中所述，木材被引燃的温度在250℃～300℃，临界引燃热流量值在10～13KW/m2。

轰燃的定量描述一般有两种[9][10]。一种是以地面的热流量达到一定值为条件。通常认为，处于室内地面上可燃物所接受到的热流量达到20KW/m2就可以发生轰燃。另一种方式是以顶棚下的烟气温度接近600℃为临界条件。

2.5 结果分析

本文火灾蔓延数值模拟的目的是考察由于防火间距不足带来的火灾蔓延问题，主要考虑火灾在竖向蔓延至商铺的2楼，水平蔓延至大街对面商铺两种情况，研究这两种蔓延发生的临界时间，为防火改造和灭火救援提供技术参考。根据模拟分析需要，本次数值模拟分析共分析两个主要热物理量——温度和热流量。布置的测点有三个，分别是火源正上方顶棚处烟气温度测点T1，火源正上方顶棚烟气热流量Q1，饭店南大街对面墙壁热流量Q2。

图3 顶棚烟气温度测点T1模拟值随时间变化的曲线

图4 顶棚热流量测点Q1模拟值随时间变化的曲线

顶棚烟气温度测点T1模拟值随时间变化的曲线如图3所示。顶棚烟气热流量Q1模拟值随时间变化的曲线如图4所示。饭店南大街对面墙壁热流量Q2模拟值随时间变化的曲线如图5所示。

从图3中可以看出，顶棚烟气层温度T1在前270s内一直处于不断上升的过程，270s后，温度维持在大概600℃左右。其中，在175s处，温度处于251℃，221s处，温度值达到301℃。根据2.4火灾蔓延判据，可以得出：火灾发生后，175s～221s内，顶棚将被引燃，火灾开始竖向蔓延。270s后，轰燃已发生，火灾进入全面燃烧阶段。

从图4中可以看出，顶棚烟气层热流量Q1在前307s内一直处于不断上升的过程，307s后，温度维持在大概60KW/m2左右。其中，在114s处，热流量值达到10.3KW/m2；在125s处，热流量值达到13.0KW/m2；178s处，热流量值达到20.8KW/m2。根据2.4火灾蔓延判据，可以得出：火灾发生后，114s～125s内，顶棚将被引燃，火灾开始竖向蔓延。178s后，轰燃已发生，火灾进入全面燃烧阶段。

从图5中可以看出，饭店南大街对面墙壁热流量Q2在前324s内一直处于不断上升的过程，324s后，温度维持在大概13.2KW/m2左右。其中，在302s处，热流量值达到10.1KW/m2；在324s处，热流量值达到13.2KW/m2。根据2.4火灾蔓延判据，可以得出：火灾发生后，302s～324s内，饭店南大街对面将被引燃，火灾开始水平蔓延。

3 结语

3.1 结论

根据某古镇商铺建筑实际情况，采用FDS6.7.5进行了建模和火灾蔓延数值模拟分析，对结果进行分析，分析结果表明：

在饭店5MW火灾规模下，火灾发生后，114s～125s（1.9min～2.08min）内，顶棚将被引燃，火灾开始竖向蔓延。178s（2.97min）后，轰燃已发生，火灾进入全面燃烧阶段。302s～324s（5.02min～5.4min）内，饭店南大街对面将被引燃，火灾开始水平蔓延。数值模拟分析结果表明，火灾竖向蔓延、水平蔓延速度均较快，古镇商铺火灾风险较高。

3.2 建议

建议古镇管委会根据以上火灾蔓延临界点时间制定有针对性的防火改造、灭火救援、消防安全管理等方面措施，以保障古镇建筑内及街道人员安全。具体来说，一是对古镇建筑内梁柱木质承重构件、楼梯等刷涂防火阻燃材料，提高建筑结构耐火极限；二是建议南北大街的毗邻商业店铺，水平方向上每隔一定距离左右设置封火墙，防止火灾快速蔓延；三是店铺装修应使用难燃和不燃材料，严禁使用聚苯乙烯和聚氨酯泡沫塑料作为装修装饰和保温材料，严禁使用易燃可燃材料或彩钢板分隔房间或搭建建筑；四是店铺安装火灾自动报警系统和喷淋系统，提高初期火灾发现和处置能力；五是保障消防救援通道和疏散通道的畅通，不堆积杂物和设摊营业，加强管理和安全检查；六是完善志愿消防队建设，增强适用于古镇狭窄通道的小型消防车、移动式手抬泵和便携式灭火装置等装备器材的配置，提高初期火灾扑救的响应速度和灭火救援能力。