楊 強，嚴曉潔，張 旭，張忠仁

(南京林業(yè)大學(xué)土 木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

建筑火災(zāi)是城市災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)的重要災(zāi)種之一，嚴重威脅著國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全。隨著城市化進程推進，城市地上和地下空間利用率日益提高，超高、超大、超深、超齡、綜合體建筑物數(shù)量顯著增加，給城市火災(zāi)應(yīng)急防控與響應(yīng)帶來嚴重的壓力和困難[1]。結(jié)合建筑物的結(jié)構(gòu)、材料和環(huán)境等因素，開展建筑物火災(zāi)的數(shù)值模擬，可以真實地評價或再現(xiàn)建筑物火災(zāi)的起火原因、發(fā)生位置和發(fā)展趨勢，揭示建筑物火災(zāi)的發(fā)生機制和內(nèi)在規(guī)律，科學(xué)地支撐建筑物火災(zāi)預(yù)防和消防的響應(yīng)策略。因此，火災(zāi)的精準模擬與風(fēng)險評估是建筑物火災(zāi)的重要研究內(nèi)容。

針對建筑物火災(zāi)模擬和評估研究，國內(nèi)外學(xué)者從火災(zāi)理論、影響因素、過程模型、應(yīng)急響應(yīng)和標(biāo)準等方面做了大量的工作。COLLIER等[2]研究建筑外墻聚苯乙烯夾層板的防火性能時，指出保溫外殼的完整性能提高建筑外墻防火性能。NISHINO等[3]采用蒙特卡羅模擬和基于物理的火災(zāi)蔓延/疏散模擬相結(jié)合的方法來評估各種不確定影響因素的風(fēng)險性，構(gòu)建城市震后火災(zāi)危險性評價模型。GIACHETTI等[4]在考慮車站幾何結(jié)構(gòu)及其通風(fēng)排煙能力的基礎(chǔ)上，構(gòu)建地鐵車站模型，揭示火災(zāi)發(fā)生時煙氣的擴散規(guī)律。VANDECASTEELE[5]提出基于語義信息與計算機視覺技術(shù)的火災(zāi)應(yīng)急定位與態(tài)勢感知方法，確定了BIM與視覺成像建筑構(gòu)建之間的語義關(guān)系。同時，基于燃燒模型、流體力學(xué)控制方程、能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程等原理，SES、FLUENT、CFX、PHOENICS、FDS等火災(zāi)數(shù)值模型的研發(fā)有力地推動了火災(zāi)風(fēng)險評估和響應(yīng)研究[6]。

我國建筑物火災(zāi)模擬與評估研究雖然處于發(fā)展階段，但取得了一定的成果。劉欣等[7]通過建立解釋結(jié)構(gòu)模型定量地分析建筑火災(zāi)事故致因要素各層級間的邏輯關(guān)系。唐莉青[8]參照最不利原則，基于Pyrosim模型模擬分析了北京某高層住宅的火災(zāi)場景，揭示了火災(zāi)發(fā)展過程中的煙氣蔓延發(fā)展情況和發(fā)展規(guī)律。徐堅強等[9]通過構(gòu)建建筑火災(zāi)風(fēng)險的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，從“靜態(tài)”和“動態(tài)”角度確定了建筑火災(zāi)風(fēng)險評估指標(biāo)體系，同時將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法引入到火災(zāi)風(fēng)險定量評估過程中，分析不確定因素對風(fēng)險評估結(jié)果的影響[10]。任中杰等[11]結(jié)合機器學(xué)習(xí)建立定量化建筑火災(zāi)風(fēng)險評估模型，運用多分類器對模型訓(xùn)練和預(yù)測，分析和評價模型精度。賈進章等[12]采用定性描述與定量計算相結(jié)合，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)層次分析-灰色聚類法的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險評價方法，分析了沈陽某高層建筑火災(zāi)的風(fēng)險等級。同時，針對不同的建筑結(jié)構(gòu)和建筑材料開展了相關(guān)研究。YU等[13]采用理論分析、火災(zāi)模擬與疏散模擬相結(jié)合的方法，構(gòu)建了典型車站結(jié)構(gòu)的站廳與站臺火災(zāi)模型，分析多種火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境因素的分布特征與變化規(guī)律。辛晶等[14]通過構(gòu)建基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的情景網(wǎng)絡(luò)圖和符合現(xiàn)場實際的火災(zāi)情景推演模型,實現(xiàn)城市商業(yè)綜合體建筑火災(zāi)事故的情景推演。

綜上所述，火災(zāi)數(shù)值模擬與風(fēng)險評估研究是建筑物火災(zāi)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)的熱點問題，目前研究多集中在火災(zāi)致因分析、指標(biāo)體系構(gòu)建和風(fēng)險評估等方面，較少研究關(guān)注火災(zāi)空間場景和火災(zāi)模擬效率。隨著建筑物精細化建模技術(shù)的發(fā)展，建筑信息模型涉及的數(shù)據(jù)量陡然增加，降低了火災(zāi)數(shù)值模擬的速度和效率[15-16]。為及時掌握火災(zāi)發(fā)展過程與趨勢，實現(xiàn)火災(zāi)的快速模擬與預(yù)警，筆者從建筑物火災(zāi)發(fā)生的影響因素和發(fā)展特點出發(fā)，根據(jù)“現(xiàn)實中最不利影響”的原則，在分析火災(zāi)發(fā)生影響因素的基礎(chǔ)上，提取火災(zāi)發(fā)生的主要影響因子，并對其進行時空模擬和動態(tài)分析，繼而結(jié)合時空分析方法獲取建筑物內(nèi)相對容易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，構(gòu)建火災(zāi)發(fā)生場景，為建筑物火災(zāi)風(fēng)險區(qū)域的重點監(jiān)控與火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 研究思路與方法

1.1 建筑火災(zāi)場景的構(gòu)建思路

場景的概念最早應(yīng)用于農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險評估中。筆者將場景的概念引入到火災(zāi)風(fēng)險評估中，通過對多種火災(zāi)致因因素分析和空間疊加分析，建立具有代表性的火災(zāi)場景，以提升火災(zāi)模擬模型的運行效率和應(yīng)急響應(yīng)效率。場景是對單一時間或系列時間及行動的綜合描述，用于理解未來時間的不同發(fā)展方向，或檢測針對未來不確定發(fā)展的策略，與傳統(tǒng)意義的情景有涵義上的差別?；馂?zāi)場景是輸入到火災(zāi)模擬模型中的一組參數(shù)，如建筑結(jié)構(gòu)、建筑表皮的材質(zhì)、室外太陽輻射、室內(nèi)外溫度、室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境等多種影響因素，來模擬火源及其所產(chǎn)生的煙氣、溫度等災(zāi)害因子時空行為，評估火災(zāi)可能造成的危害，其更接近實際情況。

在構(gòu)建建筑火災(zāi)場景時，應(yīng)根據(jù)“現(xiàn)實中最不利影響”的原則，盡可能選擇現(xiàn)實中存在的最不利因素特征，即選擇現(xiàn)實情況下最容易造成火災(zāi)發(fā)生的影響因素。但是“最不利”并不是指絕對極端糟糕的影響因素，而是指現(xiàn)實中存在的相對糟糕的影響因素，這樣才能保證構(gòu)建出的火災(zāi)場景不至于過度保守，也不至于過度失真，才能體現(xiàn)出火災(zāi)發(fā)生場景的價值。因此，在構(gòu)建火災(zāi)場景時，整體遵循“最不利影響”的原則來考慮火災(zāi)因素的影響程度，如建筑結(jié)構(gòu)、建筑表皮、氣流活動、太陽輻射與溫度等。

1.2 建筑火災(zāi)場景的構(gòu)建方法

與其他建筑物相比，圖書館內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，人員數(shù)據(jù)與密度較大，可燃物種類多且密集，是典型的公共集聚區(qū)域和火災(zāi)易發(fā)區(qū)域。筆者以南京林業(yè)大學(xué)圖書館為研究對象，其由主樓與副樓兩部分組成，工程總建筑面積為47 230.8 m2，建筑物基地面積為7 651.4 m2，建筑總高度為34.9 m，工程地上建筑7層，地下1層，工程抗震設(shè)防烈度為7度，建筑工程耐火等級為一級，結(jié)構(gòu)使用年限為50年，屋面防水等級為一級。一樓至二樓的中間部分為中庭結(jié)構(gòu)，三樓至七樓沒有中庭，為口字型結(jié)構(gòu)。館內(nèi)設(shè)置數(shù)目眾多的閱覽室，內(nèi)部大走廊通道擺放大量書柜、書籍和桌椅。樓層之間含有多條樓梯通道，分布在樓層中部四個角位置。

根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合“現(xiàn)實中最不利影響”原則確定相應(yīng)的火災(zāi)參數(shù)，運用時空疊加的方法將太陽輻射、室內(nèi)風(fēng)環(huán)境、建筑表皮空間分布、室內(nèi)可燃物分布(如桌椅、書櫥、書籍等)、燃燒類型、火源功率和機械排煙工作狀態(tài)等信息進行疊加整合。根據(jù)建筑火災(zāi)場景構(gòu)建原則確定建筑內(nèi)局部太陽輻射值高、氣流活動明顯和可燃物密集的區(qū)域作為場景。

1.3 建筑火災(zāi)場景構(gòu)建的數(shù)據(jù)源

建筑特征數(shù)據(jù)主要來源于南京林業(yè)大學(xué)圖書館BIM模型，其是在建筑設(shè)計圖、施工圖和室內(nèi)外安裝圖的基礎(chǔ)上進行整合建模獲取。同時，氣象要素數(shù)據(jù)從中國氣象局官網(wǎng)(NMSDC，http://data.cma.cn)下載獲取，如太陽日照時間、溫度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)。其中，結(jié)合圖書館的建筑形態(tài)(如高度、角度等)，利用太陽輻射傳輸方程生成建筑頂部的太陽輻射值，利用空間插值方法生成外圍太陽輻射的空間分布圖。

1.4 火災(zāi)增長類型

火災(zāi)增長類型是描述火災(zāi)發(fā)展過程的一種方式。除爆炸性火源外，大部分火災(zāi)都符合從開始階段的緩慢發(fā)展到后來的劇烈燃燒階段，可用t2火災(zāi)模型來描述，如式(1)所示。

Qf=at2

(1)

式中：Qf為火源熱釋放速率；a為火災(zāi)增長系數(shù)；t為著火時間。t2火災(zāi)增長模型分別包含慢速火t2火災(zāi)增長類型、中速火t2火災(zāi)增長類型、快速火t2火災(zāi)增長類型和超快速火t2火災(zāi)增長類型，如圖1和表1所示。根據(jù)圖書館建筑特點和館內(nèi)可燃物的種類，將火災(zāi)增長類型設(shè)為快速火較符合實際情況，即其火災(zāi)增長系數(shù)設(shè)為0.046 9 kW/s2。

圖1 火災(zāi)熱釋放圖

表1 t2火災(zāi)模型4種火災(zāi)增長類型

1.5 火源最大熱釋放速率

火災(zāi)規(guī)模的大小取決于火源的熱釋放速率，火災(zāi)的熱釋放速率越大，火災(zāi)的危險性越大。不同特點的建筑有著不同的火源熱釋放率，選擇切實可行的火災(zāi)熱釋放速率，才能模擬出真實的火災(zāi)發(fā)生狀況。根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，各類建筑的火災(zāi)最大熱釋放速率如表2所示。南京林業(yè)大學(xué)圖書館建筑結(jié)構(gòu)為無噴淋的中庭結(jié)構(gòu)，結(jié)合“現(xiàn)實中最不利影響”原則，將其最大熱釋放速率設(shè)置為4 MW。

表2 各類公共場所的火源最大熱釋放速率

2 結(jié)果分析

2.1 太陽輻射時空特征分析

基于氣象要素中光照時間對圖書館進行日照分析，筆者模擬出建筑物周圍在不同季節(jié)所受的太陽輻射強度日平均值，每日的模擬時段為8∶00—18∶00。受建筑物遮擋效應(yīng)的影響，圖書館及其周圍的太陽輻射值以建筑物為中心向四周逐漸增大，如圖2所示。同時，日均太陽輻射值上半年呈增長趨勢，下半年呈下降趨勢，其中夏季的日均太陽輻射量最大，最大值達到4 500 W/m2，冬季的日均太陽輻射值最小，最大值基本維持在2 080 W/m2。從空間上看，建筑物外部太陽輻射值在4個季節(jié)均高于建筑內(nèi)部的輻射值。根據(jù)“現(xiàn)實中最不利影響”原則，筆者選取4個季度日均太陽輻射最大值作為圖書館火災(zāi)場景的構(gòu)建參數(shù)，如表3所示。

圖2 圖書館周邊四季太陽輻射空間分布特征

表3 四季太陽輻射極值

2.2 室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境時空特征分析

2.2.1 室外風(fēng)環(huán)境的時空特征

根據(jù)圖書館所在地區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向的時空模擬結(jié)果，如圖3所示，該地區(qū)全年風(fēng)向以東南風(fēng)和西北風(fēng)為主，偶有東風(fēng)，氣溫在夏季最高，冬季最低，如表4所示，其中，春季多為西北風(fēng)，占比達到62.5%，平均最大風(fēng)速為4.4 m/s，平均最高氣溫為19.7℃；夏季多為東南風(fēng)，占比達到70.1%，平均最大風(fēng)速為6 m/s，平均最高氣溫為30.7℃；秋季前期東南風(fēng)居多，占到秋季的50.2%，平均最大風(fēng)速為4.7 m/s，后期偶有西北風(fēng)，占比為21.4%，平均最高氣溫為30.7 ℃；冬季多為西北風(fēng)，占比達到73.4%，平均最大風(fēng)速為5 m/s，全季平均最高氣溫為8.6 ℃。因此，圖書館若發(fā)生火災(zāi)，易受到西北風(fēng)和東南風(fēng)影響，夏季火勢會朝西北方向蔓延，冬季會朝東南方向蔓延。

圖3 圖書館外四季風(fēng)頻溫度特征

表4 圖書館四季氣象條件

2.2.2 室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的時空特征

結(jié)合圖書館室外風(fēng)要素的時空模擬結(jié)果，如圖4所示，筆者對4個季節(jié)圖書館內(nèi)部的風(fēng)要素進行時空模擬與分析。1年內(nèi)圖書館主要受到西北風(fēng)與東南風(fēng)影響，且西北區(qū)域與東南區(qū)域受氣流影響較為顯著，可作為火災(zāi)場景備選區(qū)域。

圖4 圖書館內(nèi)四季風(fēng)速空間分布特征

①春季在西北風(fēng)(風(fēng)速為4.4 m/s)作用下，圖書館西面氣流涌動明顯，氣流自西向東沿著圖書館室內(nèi)走廊流動。在圖書館副樓部分，由于圖書館走廊的障礙物較少，并沒有對氣流起到明顯阻礙作用，故氣流沿著圖書館副樓大廳走廊貫通穿過，風(fēng)速并無過多削弱。在圖書館主樓部分，主要受到西門大門以及主樓西北的側(cè)門兩股氣流的影響。兩股氣流在圖書館大廳交匯后方向朝南發(fā)生了45°偏轉(zhuǎn)，呈西北流向。因此，從室內(nèi)氣流走向來看，主樓室內(nèi)西北部區(qū)域一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢將借著氣流影響向室內(nèi)蔓延。

②夏季的東南風(fēng)速為6 m/s，作用強度更大，室內(nèi)氣流涌動最為突出，且主樓部分受東南風(fēng)影響較為顯著。氣流從主樓的東部及南部進入閱覽室，并沿著走廊通道流動，最終來到主樓中庭。同時，氣流也從主樓北部區(qū)域走廊通道內(nèi)自東向西穿過。主樓東南部區(qū)域閱覽室內(nèi)氣流運動明顯，覆蓋區(qū)域較大，對大樓影響最大，一旦該片區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，火勢產(chǎn)生的煙氣可迅速擴散至其他區(qū)域，因此，大樓東南部閱覽室可視為火災(zāi)危險區(qū)域。

③秋季風(fēng)速有所下降，氣流分布與夏季類似，大樓的東南部區(qū)域依然是氣流影響最明顯的區(qū)域，但局部氣流強度略低。從火勢影響而言，火災(zāi)的危害并不是與氣流大小成正比。在建筑內(nèi)部，氣流越強，影響范圍越廣，可加快煙氣向其他區(qū)域蔓延，但過快的氣流會降低局部煙氣濃度，防止局部區(qū)域過早地形成煙氣濃度偏高的情景，導(dǎo)致煙氣濃度閾值過快來臨，能見度迅速降低，給局部區(qū)域人員的逃生帶來困難。

④冬季受強烈西北風(fēng)的(風(fēng)速約為5 m/s)影響，主樓西部正門與主樓西北區(qū)域的側(cè)門同時受到氣流影響明顯，局部可達2.3 m/s。兩股氣流在大廳處匯集方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，向主樓東南部自習(xí)室與閱覽室流動。同時，主樓的北部走廊也有氣流自西向東流動。副樓的中央廊道受強氣流影響較為突出，尤其副樓西側(cè)大門處，氣流強度達到2.5 m/s，并自西向東穿過副樓中央走廊，氣流強度逐漸降低，最終從副樓東部流出。因此，從火災(zāi)影響程度出發(fā)，圖書館主樓的西北部地區(qū)可視為火災(zāi)危險區(qū)域。

2.3 火災(zāi)場景位置的空間選擇

依據(jù)“現(xiàn)實中最不利影響”原則，在選擇火災(zāi)場景位置時，主要根據(jù)火災(zāi)最可能發(fā)生的地點、火災(zāi)對館內(nèi)人員威脅和火勢發(fā)展速度等因素來確定。筆者依據(jù)四季典型氣象因子作用程度，結(jié)合各個樓層和區(qū)域的四季太陽輻射極值、室內(nèi)氣流走向和可燃物分布情況，運用空間疊加分析將3個因素相結(jié)合，選取太陽輻射強、氣流活動明顯、可燃物密集的區(qū)域作為圖書館火災(zāi)場景位，如圖5所示。

圖5 圖書館內(nèi)四季火災(zāi)易發(fā)區(qū)域空間分布特征

春季火災(zāi)場景可設(shè)置在3樓副樓西北部，如圖5(a)所示。該區(qū)域受東北風(fēng)影響強烈，風(fēng)速超過2 m/s，太陽輻射值達到2 170 W/m2，該區(qū)域一旦發(fā)生火災(zāi)，則成為火勢的上游區(qū)域，加之該區(qū)域放置了大量的書櫥和紙質(zhì)藏書，火勢會借著西北風(fēng)迅速蔓延，對主樓產(chǎn)生危害，故該區(qū)域可作為圖書館春季火災(zāi)場景位置。

夏季圖書館火災(zāi)場景可設(shè)置在6樓主樓東南角，如圖5(b)所示。在夏季高溫和東南風(fēng)的作用下，該區(qū)域太陽輻射值超過2 040 W/m2，風(fēng)速超過2 m/s，且處于東南風(fēng)上游，有大量的書櫥、桌椅等易燃、可燃物，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢會借著東南風(fēng)迅速蔓延。因此，該區(qū)域太陽輻射值、氣流活動和可燃物密集程度均符合火災(zāi)發(fā)生場景的構(gòu)建要求，具有明顯火災(zāi)隱患。

秋季圖書館副樓2樓東南角區(qū)域受到太陽輻射和東南風(fēng)的影響相比其他區(qū)域較為顯著，如圖5(c)所示。該區(qū)域受太陽輻射影響，局部太陽輻射值超過1 130 W/m2，東南風(fēng)超過2.5 m/s，且該區(qū)域藏有書櫥等可燃物，加之位于東南風(fēng)上游位置，具有重大火災(zāi)危險隱患。綜合太陽輻射、室內(nèi)氣流和可燃物分布狀況等多種因素考慮，圖書館該區(qū)域同時具備這些場景構(gòu)建要求。

冬季圖書館主樓6樓西北部區(qū)域太陽輻射值超過940 W/m2，局部風(fēng)速更是達到2.75 m/s，布置有大量書櫥等可燃物，且處于西北風(fēng)上游，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢將借著風(fēng)勢迅速蔓延，如圖5(d)所示。綜合考慮太陽輻射強度、室內(nèi)氣流和可燃物密集程度等，該區(qū)域均符合建筑火災(zāi)暴露場景構(gòu)建要求，而館內(nèi)其他區(qū)域均不滿足“現(xiàn)實中最不利影響”原則。

2.4 圖書館火災(zāi)場景構(gòu)建

根據(jù)“最不利影響”原則，筆者對圖書館4個季節(jié)的太陽輻射、室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境、溫度和高危著火區(qū)域進行分析，結(jié)合圖書館火災(zāi)的增長類型、火災(zāi)熱釋放率和消防系統(tǒng)的工作狀態(tài)，確定了火災(zāi)發(fā)生場景中所需影響因素的條件參數(shù)，如表5所示。

表5 火災(zāi)場景中要素的參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)論與展望

筆者提出了建筑物火災(zāi)場景的構(gòu)建方法與思路，以南京林業(yè)大學(xué)圖書館為例，利用建筑信息模型和時空信息模型來模擬預(yù)測建筑物火災(zāi)發(fā)生的影響因子的時空演變特征，提取火災(zāi)易發(fā)區(qū)域，構(gòu)建建筑物火災(zāi)場景。得到以下結(jié)論：

(1)基于“現(xiàn)實中最不利影響”的原則，提出建筑物火災(zāi)場景構(gòu)建的初步思路和構(gòu)建方法，即通過對火災(zāi)發(fā)生的影響因素進行時空模擬和空間疊加，確定火災(zāi)場景的空間位置，分析火災(zāi)場景內(nèi)各個要素的特征值。

(2)建筑物周圍區(qū)域日均太陽輻射呈現(xiàn)“增長-下降”趨勢，且以建筑為中心向四周逐漸增大。周圍區(qū)域常年受東南、西北風(fēng)影響，室內(nèi)夏、秋季受季風(fēng)影響強度、運行規(guī)律分別相似，而冬、春季剛好相反。同時，若室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，火勢蔓延和煙氣擴散受風(fēng)向及其強度影響有著明顯差異。

(3)通過對建筑物各個樓層在不同季節(jié)的時空模擬，確定了春、夏、秋、冬季火災(zāi)場景的位置分別在3樓副樓西北部、6樓主樓東南角、副樓2樓東南角和主樓6樓西北角。

(4)結(jié)合圖書館火災(zāi)的增長類型、火災(zāi)熱釋放率和消防系統(tǒng)的工作狀態(tài)，依據(jù)環(huán)境因子的時空模擬，初步確定了火災(zāi)場景中各個因素的參數(shù)值。

隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，建筑信息呈現(xiàn)出高度細化、巨化的特征，為了提升火災(zāi)風(fēng)險模擬與評估的效率、提高對火災(zāi)監(jiān)管與應(yīng)急的能力，火災(zāi)場景的構(gòu)建研究是非常有必要的。同時，火災(zāi)場景的構(gòu)建研究也為建筑物火災(zāi)重點日常防控和智慧城市應(yīng)急決策提供了理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。