樓閣式古建筑觀音閣火災(zāi)數(shù)值模擬布置

本文研究對象為閣樓式古建筑火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律以及火災(zāi)探測器設(shè)置，以天津薊縣獨樂寺觀音閣為實例，分析樓閣式古建筑的火災(zāi)特點，利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS對觀音閣火災(zāi)蔓延情況進行數(shù)值模擬，計算特定火災(zāi)場景下火災(zāi)蔓延過程，得到初期火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律以及溫度分布，并在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上進一步分析研究火災(zāi)探測器的設(shè)置方法，得出有益結(jié)論并進行推廣。
1引言
　　古建筑一般是指古人遺留下來的具有較長歷史年代的寺、廟、殿、樓、塔等建筑，中國古代建筑多以磚木結(jié)構(gòu)或純木結(jié)構(gòu)為主，屬于三、四級建筑，火災(zāi)荷載量大，耐火等級低，一旦發(fā)生火災(zāi)，若不能及時對火勢進行控制，將會造成難以挽回的損失。
　　樓閣式古建筑的火災(zāi)危險性尤其大，主要是由與其結(jié)構(gòu)上在垂直向空間相互疊加而非僅僅是在水平向的擴展；樓閣建筑本質(zhì)上是單層殿的疊加，立面的構(gòu)成要素概括起來是平坐、柱額、檐。整體木架構(gòu)以承巨大屋頂，屋頂鋪蓋陶瓦，建筑中空，形成爐膛，內(nèi)部椽、梁、柱成為燃料。結(jié)合此種結(jié)構(gòu)古建筑的特點，在經(jīng)濟適用與保護原貌的前提下構(gòu)建古建筑火災(zāi)預(yù)防體系，確保消防安全。在古建筑中應(yīng)用現(xiàn)代消防技術(shù)值得考究，其中，古建筑火災(zāi)的早期探測報警就成為我國古建筑保護的一項當務(wù)之急。筆者選取天津薊縣獨樂寺觀音閣為一個此類古建筑的研究實例，利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS建立獨樂寺的物理模型并進行數(shù)值模擬，計算出特定火災(zāi)場景下煙氣蔓延規(guī)律和溫度分布，并提出合理的火災(zāi)探測器布置方案。
　　2.獨樂寺概況
　　2.1 獨樂寺的結(jié)構(gòu)
　　獨樂寺坐落在天津薊縣城內(nèi)，占地總面積1.6萬平方米，山門面闊三間，進深四間，上下為兩層，中間設(shè)平座暗層，通高21.5米。觀音閣看似只有兩層，實際是一座三層式古老的木結(jié)構(gòu)建筑物——在上下層之間還夾著一個用腰檐和平坐欄桿圍繞著建成的暗層。閣內(nèi)有一座高達16.27米的觀音菩薩像。形體高大的觀音像，矗立在閣內(nèi)中央的須彌座上，向上穿過二、三層平臺，直入頂層覆斗形的六角藻井之中。獨樂寺外觀圖和其觀音閣內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分別如圖2-1和圖2-2所示：
　　2.2 建筑材料
　　整個獨樂寺觀音閣除一樓的圍護結(jié)構(gòu)和地面由磚石構(gòu)成外，其余為全木質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部承重構(gòu)件有28根柱以及梁、樓板和屋架，用料均為松木，材料由于年代久遠而失水，比現(xiàn)代木質(zhì)材料含水量更低，且質(zhì)地疏松，起火可能性更大，而且著火后火勢傳播也非常迅速。
　　2.3 消防設(shè)施現(xiàn)狀
　　通過實地調(diào)研考察，獨樂寺已經(jīng)安裝了避雷針，可以避免雷擊引起的火災(zāi)。2011年獨樂寺曾進行了防火改造，在觀音閣內(nèi)安裝了無線感煙探測器，但據(jù)寺內(nèi)工作人員反映由于布置不合理探測器并不起作用，不能有效起到早期探測報警的作用，且至今也沒有檢修，閣內(nèi)探測器形同虛設(shè)。寺廟內(nèi)部沒有自動滅火設(shè)備，觀音閣內(nèi)滅火設(shè)備僅限于手提滅火器。觀音閣西側(cè)有一口御井，但院內(nèi)沒有消防水池，無法保證消防用水。
　　3 獨樂寺火災(zāi)數(shù)值模擬
　　3.1 火災(zāi)危險性分析
　　獨樂寺觀音閣一樓的可燃物主要有28根松木柱、木質(zhì)門窗、通往二樓的樓梯及其圍欄，觀音像虛坐外設(shè)有一圈木質(zhì)圍護柵欄，圍欄上系有幔帳，絲帶等易燃織物，另外，圍欄四周還有一些地毯、坐墊等，火災(zāi)荷載量比較大，二樓暗層和三樓樓板、梁、樓梯及圍護墻均為全木結(jié)構(gòu)，也是閣樓內(nèi)的主要可燃物 。
　　觀音閣為三檐兩梯，內(nèi)部中空類似于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的中庭，“中庭”連通一到三層，形成了煙霧蔓延的通道，28跟木柱支撐巨大的坡屋頂，整個觀音閣建筑結(jié)構(gòu)猶如“爐膛”，形成了良好地燃燒條件，屋頂無開窗，悶頂內(nèi)又極易發(fā)生轟然，這對木質(zhì)建筑的損壞是致命的。整個觀音閣火災(zāi)荷載量大，耐火等級低，火災(zāi)危險性極大。 　　3.2 火災(zāi)場景設(shè)計與分析
　　火災(zāi)場景：一樓人流量大，可燃物多，觀音像周圍環(huán)境復(fù)雜，假設(shè)火源位置A1位于一樓“中庭”觀音像北側(cè)，由于北側(cè)為后門，管理人員看管不到，可能有參觀人員違規(guī)敬香，可燃物為觀音虛坐旁的紡織物，或者木制圍護柵欄。主要考慮起火后對建筑物內(nèi)人員安全的影響以及煙氣沿“中庭”向上蔓延的規(guī)律。火源位置如圖3-1所示。
　　3.3觀音閣火災(zāi)模型建立
　　觀音閣著火初期在火災(zāi)增長速率的計算上，采用“時間—平方火”來設(shè)計，設(shè)定火災(zāi)初期火源的熱釋放速率按t2高速增長，即：
　　Q = αt2
　　式中： α 為平方火的火增長系數(shù)， kW / s2，按照國際標準ISO/TS16733（消防安全工程第4部分：設(shè)定火災(zāi)場景和設(shè)定火災(zāi)的選擇）中定義的快速火，將火焰增長參數(shù)取值為α=0.04689/（ kW / s2）。T 為燃燒時間，s；Q為火災(zāi)峰值功率，即火災(zāi)最大熱釋放速率，本文按照上海市地方標準《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》（DGJ08-88-2000）確定發(fā)生火災(zāi)情況下的最大熱釋放速率。觀音閣內(nèi)無噴淋等自動滅火系統(tǒng)，上海市地方標準中規(guī)定“無噴淋的公共場所最大熱釋放速率為8MW”。考慮到多種不利情況的影響，本文選取了1.5倍的安全系數(shù)，因此，Q取值為8×1.5=12MW。
　　3.4 邊界條件及初始條件的設(shè)定
　　在進行計算機模擬計算時，采用了以下模擬初始條件：
　　1）氣象條件：環(huán)境空氣溫度為20℃；
　　2）排煙條件： 自然通風(fēng)口，與外界相通。一樓南側(cè)有三個門（3m×4m；4m×4m；3m×4m），北側(cè)一個門（4m×4m）；二樓西側(cè)三個開口（1m×0.5m； 1m×0.5m； 1m×0.5m）距地面1.5m，東側(cè)的墻上開口與之對應(yīng)；三樓南側(cè)有三個門（3.3m×2.75m；3.8m×3.25m； 3.3m×2.75m），北側(cè)有一個門（3.8m×3.25m）；
　　3）火源功率：火災(zāi)發(fā)生時，三種火災(zāi)場景的火災(zāi)初期發(fā)展規(guī)律用t2快速火表示，增長到最大規(guī)模后，保持不變直至模擬結(jié)束；
　　4）壁面邊界條件：所有邊界采用絕熱、無滑的固體壁面；
　　5）計算模型：建模的尺寸為20.2m×14.2m×21.5m，其中一樓高6m，二樓高4m，三樓樓體高5m，坡屋頂高6m，連同高大坡屋頂在內(nèi)整座建筑統(tǒng)一采用0.25m×0.25m×0.25m的網(wǎng)格。如圖3-2所示。
　　6）網(wǎng)格劃分：連同高大坡屋頂在內(nèi)整座建筑統(tǒng)一采用0.25m×0.25m×0.25m的網(wǎng)格。
　　7）模擬時間：600s。
　　4.模擬結(jié)果分析與討論
　　4.1 煙氣流動分析
　　煙氣蔓延規(guī)律如圖4-1所示：
　　由模擬結(jié)果可以看出，火災(zāi)發(fā)生以后，煙氣并不是首先在一樓聚集，而是沿著觀音閣“中庭”向上蔓延，在屋頂聚集，隨后沿坡屋頂向下蔓延直至填滿整個三樓，400s的時候，煙氣已經(jīng)由三樓的門窗向外溢出，而一二樓的煙氣并不多。
　　4.2火災(zāi)蔓延分析
　　研究觀音閣起火后火災(zāi)蔓延的趨勢，主要考察觀音閣內(nèi)部墻壁和樓板附近的溫度，墻壁和樓板都屬于隔斷或承重構(gòu)件，一旦墻壁燒損，將導(dǎo)致煙氣蔓延加快，甚至導(dǎo)致建筑物垮塌。當溫度達到250℃時，視為對墻壁或樓板造成威脅。當一樓發(fā)生火災(zāi)，如本文所設(shè)計的火災(zāi)場景起火后，二樓樓板（z=6m）溫度分別如圖4-2所示：
　　由模擬的溫度分布圖可以看出，高度z=6m處火源位A1置正上方及其周圍的溫度上升較快，在火災(zāi)發(fā)生后300s時，整體二樓的樓板已經(jīng)呈現(xiàn)較高溫度，特別是北側(cè)回廊，局部溫度已經(jīng)達到300℃，有被燒穿的危險。
　　5 火災(zāi)探測器的設(shè)計
　　獨樂寺觀音閣火災(zāi)荷載較大，由于其建筑結(jié)構(gòu)和建筑材料的特殊性，并考慮到文物不能受滅火藥劑和水漬的過多影響，采取現(xiàn)代化的火災(zāi)自動報警及早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，是必要的選擇。
　　5.1火災(zāi)探測器的類型選擇
　　觀音閣內(nèi)的可燃物起火后會產(chǎn)生大量的煙，煙霧也是火災(zāi)早期的現(xiàn)象，利用感煙式火災(zāi)探測器可以最早探測到火災(zāi)信號。因此，可以在觀音閣內(nèi)使用點型離子感煙探測器，它是采用空氣離化火災(zāi)探測方法構(gòu)成和工作的，靈敏度較高，且適用于火災(zāi)初期有陰燃階段，產(chǎn)生少量的煙的情形。觀音閣內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，遮擋物也較多，使用光電感煙探測器容易出現(xiàn)誤報，且光電感煙探測器對1μm以上的煙霧粒子響應(yīng)較明顯，對黑煙的探測靈敏度相對較低，因此，不建議在觀音閣內(nèi)安裝光電型感煙探測器。
　　觀音閣火災(zāi)初期在產(chǎn)生大量煙霧的同時，燃燒物在燃燒過程中釋放出大量的熱，周圍環(huán)境溫度急劇上升，因此也可使用感溫火災(zāi)探測器。其工作不受非火災(zāi)性煙霧的干擾，且靈敏度較高。
　　為了提高火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的功能和可靠性，保證對初期火災(zāi)的及時干預(yù)，本文將討論感煙與感溫兩種探測器的聯(lián)合布置方式。
　　感煙探測器的保護面積和保護半徑見表5-1：
　　感溫探測器的保護面積和保護半徑如表5-2：
　　由表1查出，A=20 m2，R=3.6m。
　　觀音閣以樓層為單位來劃分火災(zāi)探測的區(qū)域。一樓探測區(qū)域面積S=286.84 m2，由表5-1查出，A=60 m2，R=5.8m，由于一個探測區(qū)域內(nèi)所需設(shè)置的探測器數(shù)量，不應(yīng)小于下式的計算值：
　　（1）
　　式中N是探測器數(shù)量，只（N應(yīng)取整數(shù)）；S是該探測區(qū)域面積，m2；A是探測器的保護面積，m2；K是修正系數(shù)，（特級保護對象宜取0.7～0.8，一級保護對象宜取0.8～0.9，二級保護對象宜取0.9～1.0，觀音閣取值0.8）。
　　由（1）式計算得出，一樓應(yīng)布置感煙探測器的數(shù)量不少于6個。然而探測器具體的布置方案還需根據(jù)模擬結(jié)果來設(shè)定，如果火源位置位于“中庭”底部，由模擬結(jié)果圖4-1～4-2可看出煙氣將會沿“中庭”直接向上蔓延，而導(dǎo)致一層的感煙探測器不能及時探測到火情。所以感煙探測器都應(yīng)盡量靠近“中庭”布置一圈，使其探測到由中庭向上蔓延的煙氣。同時考慮到一樓北門有參拜處，可能有游客違規(guī)敬香，正門兩邊管理臺的值班人員違規(guī)使用照明或者取暖設(shè)備，都可能導(dǎo)致離子感煙探測器的誤報，因此在一層安裝感溫探測器配合感煙探測器使用，由模擬結(jié)果溫度分布圖4-19可以看出首先出現(xiàn)高溫的地方，從而確定感溫探測器應(yīng)布置的地方，即在可能出現(xiàn)明火但感煙探測器容易發(fā)生誤報地點的正上方。本方案感溫探測器案靠近“中庭”北側(cè)參拜處布置，和布置在進門兩側(cè)在管理臺的正上方。 　　一層感溫和感煙探測器的布置如圖5-1所示，其高度為z=6m。
　　圖中， △表示感溫探測器，○表示感煙探測器。感溫探測器1、2分別監(jiān)視東南角和西南角的管理臺，感溫探測器3監(jiān)視大殿后方參拜處。感煙探測器1～5沿“中庭回廊”外側(cè)靠近“中庭”布置。由表5-1、表5-2得出的探測器保護半徑，在圖5-1中畫出每個探測器的保護范圍，可以看出，這種探測器的組合設(shè)計方案恰好使整個一樓處于探測器的監(jiān)視范圍內(nèi)，有效減少了探測器的使用個數(shù)，并且考慮到了不同探測器的適用條件，有效減少了誤報。
　　同時考察起火100s后z=6m和z=10m處的煙氣濃度分布，如圖5-2和圖5-3所示：
　　由模擬結(jié)果可以看出：在同一時刻，一樓回廊頂部z=6m處煙氣濃比“中庭”z=10m處的煙氣濃度要小，這種模擬結(jié)果也驗證了一樓火源位置A1起火后，煙氣首先通過“中庭”向上蔓延，表明布置在一樓北側(cè)回廊的探測器響應(yīng)時間將較晚。如果能在中庭上方安裝探測器，就可以監(jiān)視由中庭向上蔓延的煙氣，考慮到三樓的中空面積比較小，部分樓板處在觀音閣“中庭”上部，若把感煙探測器安裝在此處，就能達到早期探測報警的要求。其布置如圖5-4所示，其高度為Z=10m。
　　6.分析論證與結(jié)果討論
　　6.1一樓探測器的響應(yīng)情況
　　當火源位于一樓“中庭”北側(cè)時。鄰近幾個感煙探測的探測情況如圖6-1所示：
　　根據(jù)圖6-1分析觀音閣的煙氣蔓延情況，從圖中可以看出感煙探測器Y1（2.8，12.0，6）報警時間為122s；感煙探測器Y5（17.4，12.0，6）報警時間為121s；感煙探測器YA（10.1，10.2，10）報警時間為22.2s。析模擬結(jié)果可知，感煙探測器Y1和Y5響應(yīng)時間都比較晚，驗證了前面的觀點：由于起火位置位于觀音閣中空部位，煙氣直接向上蔓延了，并沒有在一樓橫梁木質(zhì)吊頂下聚集，而是直接向上蔓延直接到達感煙感煙探測器YA，由于煙氣蔓延的這種蔓延特性，此種情形的火災(zāi)可以用感溫探測器來監(jiān)測報警。
　　感溫探測器W3（10.0， 10.3 ，6）探測到的溫度變化曲線為：
　　圖6-2中可對應(yīng)感溫探測器W3響應(yīng)時間為28.2s，符合報警要求。為防止誤報，考慮感煙探測器YA和感溫探測器W3都動作時所對應(yīng)的時間為感煙探測器準確報警時間，即28.2s。
　　7.結(jié)論
　　（1）提出了基于火災(zāi)動力學(xué)模擬的對古建筑觀音閣進行火災(zāi)探測器的組合布置方法：對于多層或高層閣樓式古建筑其探測器應(yīng)該靠近“中筒”布置以監(jiān)測由“中筒”底部向上蔓延的煙氣。通過對模擬結(jié)果的分析與討論，探測器的設(shè)置比較合理，能夠?qū)崿F(xiàn)早期報警，而且考慮了古建筑用于參拜的特殊用途，有可能導(dǎo)致感煙探測器誤報，實現(xiàn)了消防設(shè)施的合理化，降低了成本。
　　（2）總結(jié)了閣樓式有中空部分多層古建筑的煙氣蔓延和火災(zāi)蔓延規(guī)律，對同類古建筑的火災(zāi)研究具有一定的參考價值，對同類古建筑的消防設(shè)施設(shè)置有推廣性。
　　（3）FDS軟件模擬的火災(zāi)情形有別于真實火災(zāi)，沒有考慮到其他因素的干擾，如室外風(fēng)，人為因素等等。火災(zāi)場景設(shè)置存在一定片面性，對于不同火災(zāi)規(guī)模、火源位置火災(zāi)蔓延規(guī)律可能會有變化。
　　（4）火災(zāi)發(fā)生初期減光率和溫度都呈現(xiàn)穩(wěn)步增大趨勢，后期數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定程度的不穩(wěn)定，特別是一樓的火災(zāi)，說明煙氣蔓延情況也更加復(fù)雜，分析這樣現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是一樓有較大通風(fēng)口，且由“中庭”向上連通，煙氣流動劇烈，越到后期氣流對探測器的影響越大，而探測器則是要實現(xiàn)火災(zāi)的早期報警。后期火災(zāi)的蔓延規(guī)律還有待進一步研究。