張雨

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

古城鎮(zhèn)建筑多是在各個歷史時期自發(fā)建成的，建筑形式多樣，且多為磚木或木結(jié)構(gòu)，布局雜亂，其耐火等級、防火分區(qū)劃分和消防基礎設施建設與我國現(xiàn)行建筑防火設計標準存在很大差距[1]。另外，隨著人口的快速增長和經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，古城鎮(zhèn)街區(qū)內(nèi)的建筑使用和人員構(gòu)成十分復雜，存在諸多消防安全隱患，火災風險極大，這也是近年來古城鎮(zhèn)火災事故頻發(fā)的主要原因。依據(jù)麗江、大理、香格里拉等地消防部門統(tǒng)計，2006—2016年云南大理古城、麗江古城和獨克宗古鎮(zhèn)等3個著名古城先后發(fā)生火災34起。因此，對古城鎮(zhèn)建筑的火災蔓延特性進行針對性分析，并進一步為古城鎮(zhèn)建筑消防改造提供參考，具有重要的現(xiàn)實意義。

輻射、熱對流、飛火和火焰直接接觸燃燒都可能導致火災在建筑物之間蔓延，其中，熱輻射是引起火災向相鄰建筑蔓延的主要因素[2]，而木結(jié)構(gòu)建筑門窗是火災熱輻射的主要位置。在木結(jié)構(gòu)建筑火災及蔓延研究方面，多集中在對火災蔓延過程的描述和模擬[3-6]。在火災熱輻射研究方面，對油池、油管、罐體等火災研究較多[7-8]，而對古城鎮(zhèn)建筑火災蔓延門窗熱輻射特性方面的研究相對較少。為了探究古城鎮(zhèn)建筑火災蔓延過程中的建筑外立面的熱輻射規(guī)律，在熱輻射原理[9]的基礎上，以具體古城鎮(zhèn)建筑為例，分別計算在建筑不同外立面門窗開口大小的情況下，建筑外部正對位和非正對位的熱輻射大小，并在此基礎上分析城鎮(zhèn)建筑外立面典型門窗洞口的熱輻射一般規(guī)律，從而為古城鎮(zhèn)建筑的火災防護及消防改造提供參考依據(jù)。

1 熱輻射計算方法

1.1 點源熱輻射

距離火源中心R處的輻射通量計算式[10]為

(1)

式中，Qe為火災熱輻射功率，kW；qR為距離R處的熱輻射通量，kW/m2。對于建筑火災，考慮火源熱功率中有1/3的能量為熱輻射[2，10]，則有

(2)

式中，Q為火源功率。

1.2 面源熱輻射

面狀輻射源在某點處引起的輻射通量計算式為

qr=φqe

(3)

式中，qr為接收面接受的熱輻射通量，kW/m2；qe為輻射面的輻射強度，kW/m2。同樣考慮火災有1/3的能量通過熱輻射釋放，則有

qr=φq/3

(4)

式中，q為單位面積火災熱釋放速率；φ為形態(tài)系數(shù)，與發(fā)射面的幾何尺寸、發(fā)射面與接收面之間的位置關系有關。對于矩形輻射源，當發(fā)射面與接收面平行時，如圖1所示，φ的計算式[11〗為

圖1 發(fā)射面與接收面平行示意

(5)

當發(fā)射面與接收面垂直時，如圖2所示，φ的計算式為

圖2 發(fā)射面與接收面垂直示意

(6)

2 熱輻射及建筑著火

2.1 輻射源的輻射強度計算

(1)門窗洞口的熱輻射強度

門窗洞口的熱輻射強度可采取一種較為保守的方法確定，按如下3個步驟完成[12]：①確定火災持續(xù)時間，偏安全地取為3 h；②根據(jù)ISO標準升溫曲線按式(7)估算建筑室內(nèi)溫度;③根據(jù)式(8)計算熱輻射[2]。

T=T0+345×lg(8t+1)

(7)

式中，t=3 h=180 min，T0=20 ℃，計算得到T=1 109 ℃。結(jié)合火場實地調(diào)查數(shù)據(jù)，也可采用金屬銅的熔點1 053 ℃作為常見民用建筑火災室內(nèi)溫度上限。

qe=σεTe4

(8)

式中，σ為Boltzmann常數(shù)，取5.67×10-11kW/(m2·K4)；ε為發(fā)射率，偏安全地取為0.8。

(2)外立面燃燒的熱輻射通量

SFPE防火工程手冊提供了大量關于平直的垂直表面、帶拐角(例如吊頂、檐口)的垂直表面燃燒熱釋放速率的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用于描述墻體或墻體表面裝修材料燃燒的過程[13]。

2.2 引燃條件

對于給定的可燃物，在一定的輻射強度和足夠的作用時間下一般都能夠被引燃。同時，當輻射強度小于某一數(shù)值時，不管輻射作用時間有多長，都不能引燃某一可燃物，該輻射強度稱為臨界輻射強度qcr[2]。根據(jù)文獻[14]，在不考慮風速、風向條件下，結(jié)合片區(qū)內(nèi)建筑的使用特點，取qcr=10 kW/m2，當臨近建筑的可燃構(gòu)件(或用品)接受的熱輻射通量qr≥qcr時，即可判定臨近建筑被引燃。

3 案例分析

3.1 古城鎮(zhèn)建筑概述

以昆明市某一城中村片區(qū)古建筑群為研究對象，該建筑群現(xiàn)存從元朝到民國時期的大量古建筑，建筑形式多樣，主要采用二層土木或者磚木結(jié)構(gòu)，耐火等級低，火災危險性很大。建筑兩側(cè)山墻用磚或土坯砌成，封山砌筑，墻上開有窗洞。建筑臨街面以商鋪為主，商鋪門窗普遍采用連片的雕花木板壁，即六合門(多用于首層)和六合窗(多用于二層)，片區(qū)內(nèi)幾種常見的門窗洞口尺寸如表1所示，其開口相較于其他建筑門窗而言要大得多，通風條件良好，加之建筑布局雜亂，防火分區(qū)劃分不明確，存在很大的火災蔓延風險。

表1 典型門窗洞口尺寸 m

3.2 門窗洞口及外立面熱輻射強度

就片區(qū)建筑的建筑形式而言，熱輻射主要有兩種類型：室內(nèi)火災通過門窗向外的熱輻射和木質(zhì)外立面燃燒引起的熱輻射。

(1)門窗洞口的熱輻射強度

由式(7)～(8)可知，若溫度采用1 053 ℃，計算得到qe=140 kW/m2；若溫度采用1 109 ℃，計算得到qe=165.5 kW/m2。結(jié)合前述分析，門窗洞口熱輻射通量可偏安全地按qe=140 kW/m2考慮。

(2)外立面燃燒的熱輻射通量

片區(qū)內(nèi)除具有民國時期風格的磚混建筑外，還有大量具有少數(shù)民族民居風格的木結(jié)構(gòu)建筑。此類建筑兩側(cè)山墻、背立面墻體均采用240～500 cm厚實體磚(土)墻，實體墻上沒有或僅有少量門窗洞口，前立面則大面積采用木質(zhì)外墻，垂直外立面可燃燒形成垂直的面輻射源?？紤]到片區(qū)內(nèi)建筑的特點(有檐口或廈)，對于木質(zhì)外立面燃燒的熱釋放速率偏安全地取為120 kW/m2。考慮有1/3的能量通過熱輻射釋放，則對于外立面燃燒引起的熱輻射通量取為40 kW/m2。

3.3 正對位時輻射規(guī)律

(1)門窗洞口熱輻射

針對片區(qū)內(nèi)幾種常見的門窗洞口，在發(fā)生火災時，計算可得需要的安全距離dcr見表2，其中M3、M9、C1、C5不同距離處熱輻射通量如圖3所示。

(a)M3

表2 常見洞口輻射計算結(jié)果

可以看出，火災時門窗熱輻射是否會引燃周邊建筑的安全距離與門窗洞口的尺寸有關，對于較大的門洞(六合門)，此安全距離在6.25～7.6 m；對于尺寸較小的窗洞口，此安全距離在3.5～4.5 m。起火建筑周邊熱輻射通量隨距離的增大而減小。

(2)外墻面燃燒熱輻射

片區(qū)內(nèi)具有大面積木質(zhì)外立面墻的建筑主要是沿街商鋪，由多個開間組成，開間跨度為3.3 m，進深為7.2～10.0 m，兩層，外立面高度為7 m，外立面燃燒單位面積火災功率考慮為120 kW/m2，熱輻射按40 kW/m2考慮。計算表明，外墻面燃燒的熱輻射所需要的安全距離dcr與同時燃燒的開間數(shù)有關，dcr隨開間數(shù)的增加而明顯增大，如圖4所示。

(a)1開間

在外立面總高度為7 m時，同時燃燒的外立面總長度及所需的安全距離dcr如圖5所示。

圖5 不同外立面長度所需要安全距離

可以看出，安全距離隨開間數(shù)(或外立面長度)的增加而增加，當外立面長度達到29.7 m(建筑面積約427～594 m2)時，所需的安全距離為11.81 m；當外立面長度達到33 m(建筑面積約475～660 m2)時，安全距離達到12.1 m，超過規(guī)范規(guī)定的四級建筑之間的防火間距，這個防火間距要求明顯比門窗洞口熱輻射所需間距(見表2)大得多。因此，在存在大幅木質(zhì)外立面時，木質(zhì)立面燃燒引起的熱輻射起控制作用。

3.4 非正對位時輻射規(guī)律

(1)計算方法

非正對洞口位置熱輻射通量的計算模式見圖6。其形態(tài)系數(shù)的基本計算公式[10,12-13]為

圖6 非正對洞口情況下熱輻射通量計算模式

φ=2(φ2-φ1)

(9)

(10)

(11)

式中，X1=αb/d，X2=(1+α)b/d，Y=0.5h/d；b為洞口寬度；α為位置系數(shù)；h為洞口高度；d為接收面與輻射面的垂直距離。

(2)典型門窗洞口非正對位熱輻射計算

對于表2給出的幾種門窗洞口情況，以其中M3和C1為例，熱輻射強度的分布規(guī)律在不同錯開距離下(用αb表示，α從上到下分別取0.1～2.0)、不同距離d的熱輻射特征及最大熱輻射強度qrmax的分析結(jié)果如圖7所示，各門窗洞口臨界錯開距離Scr計算結(jié)果如表3所示。

(a)M3在不同錯開距離、不同位置處的熱輻射強度

表3 臨界錯開距離

可以看出，距離d一定時，錯開距離越小(α越小)，受到的輻射通量越大。對于高度較高的門洞(高度>寬度)，臨界錯開距離大致為2.0 m；對于窗洞口，臨界錯開距離在1.0～1.1 m。

4 結(jié)論

通過對該古城鎮(zhèn)建筑群一典型片區(qū)內(nèi)建筑門窗洞口的火災熱輻射計算分析，可得到如下結(jié)論：

(1)正對位輻射時，起火建筑周邊熱輻射通量隨距離的增大而減小。輻射的安全距離與門窗洞口輻射面尺寸有關，門窗洞口尺寸越大，所需安全距離越大。

(2)非正對洞口情況下，熱輻射通量隨(垂直)距離d的變化較為復雜，具有如下特征：①qr隨錯開距離αb的增大而減小。相同距離d時，α越大，qr越小，即相同距離條件下，錯開的距離越大，接收的熱輻射越小。②存在峰值qrmax和最危險距離。存在錯開距離時，熱輻射強度并非隨距離d單調(diào)遞減，而是表現(xiàn)出先增后減的規(guī)律，存在一個峰值(最危險距離)，峰值出現(xiàn)的位置隨錯開距離的增大而增大。③存在臨界錯開距離。當錯開距離達到一定值時，即使距離d很小，接收的熱輻射通量均不可能超過10 kW/m2，即錯開達到一定距離時，距離d的值可以不限。

(3)根據(jù)門窗洞口的火災熱輻射特征，可以對建筑開口周圍進行火災風險評估及安全改造，對于古建筑文化及生命財產(chǎn)的保護具有重要的意義。