帥建強

摘要：古建筑多為木結(jié)構(gòu)，存在耐火等級低、火災(zāi)荷載大、撲救困難等特點。本文通過場模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究古建筑內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律，合理地布置火災(zāi)探測裝置，及時探測火災(zāi)，抑制火災(zāi)于萌芽狀態(tài)，對保護(hù)古建筑具有十分重大的意義。

關(guān)鍵詞：古建筑;火災(zāi);數(shù)值模擬

古建筑是指古人遺留下來的距今有較長歷史年代且具有歷史價值的寺院、廟宇、宮殿、樓閣、古塔、宅院等建筑物。多為木結(jié)構(gòu)，存在耐火等級低、火災(zāi)荷載大、撲救困難等特點。本文利用計算機場模擬軟件FDS對古建筑進(jìn)行模擬分析，對古建筑內(nèi)火災(zāi)溫度、熱流量變化及煙氣流動規(guī)律進(jìn)行研究。

一、火災(zāi)場模擬計算方法

火災(zāi)場模擬的基本原理是將模擬空間劃分成許多微元控制體，以微元控制體為基本單元，假設(shè)在同一時刻內(nèi)每個微元控制體內(nèi)各種物理量（溫度、壓力、速度、密度等）的值是相同的。每個控制單元內(nèi)，根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和化學(xué)反應(yīng)定律建立描述火災(zāi)過程的控制方程組。為了能夠從整體上求解火災(zāi)過程，必須建立火災(zāi)各主要分過程的理論模型，如受浮力影響的湍流模型、湍流燃燒模型、輻射換熱模型和炭黑模型等，從而使場模擬的方程組封閉。最后計算出不同時刻每個微元控制體內(nèi)各種物理的值。FDS由NIST定期發(fā)布，由于其功能強大，模擬結(jié)果可靠性以及獲取方便，目前已被越來越多的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可并采用。

二、模擬場景設(shè)計

本文選取某縣一古建筑塔為研究對象。該塔為木結(jié)構(gòu)建筑，其中二層層高8.84m，內(nèi)外兩槽立柱為承重結(jié)構(gòu)，內(nèi)槽立柱5根，外槽立柱24根，以木板及木質(zhì)門窗為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，底部為木質(zhì)甲板，頂部有大量的木質(zhì)梁枋結(jié)構(gòu)，發(fā)生火災(zāi)的可能性最大，并且除了首層以外，二層承擔(dān)著以上各層的重量。因此，本文以木塔二層為研究對象，對其進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，二層平面圖如圖1所示：

整個火災(zāi)模型為一個區(qū)域，區(qū)域尺寸為23m×23m×10m，網(wǎng)格大小為0.25m×0.25m×0.25m。整個模型由幾個實體部分組合而成，底板為正八面體，邊長9m，厚0.25m;模擬時間為1600s?；鹪次挥诹?（L2）的正下方，兩個感溫探測器位于頂棚上，坐標(biāo)為：Y1（0.00，2.50，9.00），Y2（0.00，7.50，9.00）?？拷鹪吹膬筛涎馗叨确较蛏喜贾昧藷崃髁刻綔y裝置，模型如圖2所示：

三、建筑火災(zāi)煙氣及溫度的變化規(guī)律

設(shè)定火源以中速火發(fā)展，在沿火源和中心線上布置了兩個感煙探測器，火災(zāi)初期煙氣的流動狀況如圖3所示為180s后室內(nèi)煙氣的狀態(tài)。

由圖3可知，火災(zāi)初期，煙氣由地面木板燃燒產(chǎn)生，并垂直上升到頂板，然后沿頂板水平流動，在此區(qū)域形成頂棚射流，當(dāng)水平煙氣遇到墻壁后會沿來流的方向逆流，以此規(guī)律流動，煙氣逐漸充滿整個房間。180s后煙氣的厚度約為3.5m。

（二）火災(zāi)溫度場分析

圖4所示為L1、L2處的溫度隨時間的變化率。由圖可知室內(nèi)最高溫度可達(dá)1000℃，火災(zāi)由室溫以近似于正切函數(shù)增長，大約在700s時達(dá)到最高溫度。梁1的最高溫度可達(dá)1000℃，梁2的最高溫度可以達(dá)到950℃，隨著燃燒的進(jìn)行，室內(nèi)氧氣不斷消耗，受通風(fēng)口的限制，火災(zāi)在800s后開始衰減，1050s后溫度維持在一個較穩(wěn)定的值約為170℃。感溫探測器的響應(yīng)溫度為68℃，由圖4可知：梁1下的感溫探測器的響應(yīng)時間為135s;梁2下的感溫探測器的響應(yīng)時間為170s。故感溫探測器的響應(yīng)時間明顯滯后于感煙探測器的響應(yīng)時間，并且感溫探測器的響應(yīng)時間較長，不能夠起到快速報警的目的。梁1中心處木材在392s后達(dá)到260℃（木材開始熱解溫度），梁2中心處在410s后達(dá)到260℃。如果以表4.1所列的溫度作為木材的著火溫度，取430℃，則梁1與梁2被引燃的時間分別為430s和500s。所以梁1先被引燃。

圖5為700s時x=0處的溫度切片，由圖可知，室內(nèi)溫度在700s時，高溫沿火源垂直方向分布，在火源的正上方頂棚處能量不斷地集聚，溫度最高，距地面約1.5m以下，溫度在100℃以下，火源以外的其他區(qū)域，沿高度方向由下自上，溫度逐漸升高，頂棚處溫度最高。由圖6可知：700s時，260℃的等溫面沿高度約6m的位置分布。對應(yīng)的以上高度方向的維護(hù)木結(jié)構(gòu)發(fā)生熱分解。

四、結(jié)語

本文通過建立古建筑的火災(zāi)模型，根據(jù)火災(zāi)荷載確定了火源的熱釋放速率按中速火進(jìn)行火災(zāi)的初期模擬。通過模擬發(fā)現(xiàn)：古建筑內(nèi)煙氣到達(dá)頂棚后，沿水平方向貼著頂棚流動，遇到障礙物后，又沿原路徑貼著上層煙氣回流。在火源上方及出口處都有射流現(xiàn)象。在垂直面內(nèi)，溫度沿高度方向上由上向下呈遞減趨勢;在水平面內(nèi)，離火源由近及遠(yuǎn)，溫度也呈遞減趨勢。并由模擬的數(shù)值參數(shù)可知，室內(nèi)的最高溫度達(dá)1000℃以上。沿柱高度方向上，表面接收到的最大熱流量隨高度的增加而增加。同時，中速火源的發(fā)展由初期的燃燒控制轉(zhuǎn)變?yōu)橥L(fēng)控制。最后室內(nèi)維持在一個緩慢的陰燃階段，和實際情況有所區(qū)別，如果在此情況下，通過額外通風(fēng)口（由于將木質(zhì)維護(hù)結(jié)構(gòu)燒穿）的補風(fēng)，室內(nèi)積聚的大量可燃?xì)怏w遇到新鮮空氣后形成的預(yù)混氣體被部分高溫木炭引燃，就會發(fā)生回火的現(xiàn)象。因此在滅火時如果遇到此種問題，一定要妥善處理，以免造成人員傷亡。