摘要
为探究凹型砖木结构古建筑火灾蔓延特性,以某典型凹型古建筑为研究对象,利用Pyrosim软件进行物理模型搭建,研究不同火源位置对火灾蔓延规律的影响,以及在该过程中温度、能见度变化规律和CO、CO2浓度动态分布情况等。结果表明:不同火源位置对火蔓延特性影响较大,若引火源位于凹型古建筑西南角,相较西北、正北方向两个工况,热释放速率可高达240 MW/s,应选择在该处设置多个感温探测器及自动喷淋系统用于火灾防范;若引火源位于建筑西南角,相较其他工况室内温度可达最高值1 000 ℃,CO、CO2浓度亦均达最值,且在垂直高度1.67 m处能见度下降速率达到峰值,人员需在2 min内全部疏散。该研究对于凹型砖木结构古建筑火灾防控、防灭火装置的合理排布及灾后人员高效、安全疏散具有重大意义和参考价值。
古建筑是中国历史文化的重要组成部分,它既承载了我国悠久的历史文明,也体现了对优秀传统文化的继承与延续,具有很高的精神价值、文化价值、历史价值和艺术价
在砖木结构古建筑火蔓延研究方面,张盛东
综上所述,学者们通过开展实验和仿真模拟,对各类(砖)木结构古建筑在不同外在因素条件下的温度场、浓度场等方面进行深入研究,获取较多关于木材、构件和燃烧特征与建筑燃烧规律的数据和成果。凹型结构建筑在我国建筑结构中占比较
本文以西安市某博物馆内一凹型古建筑为研究对象,先后开展实地调研、数据采集、模型搭建及修正与火灾模拟等工作。整体来看,该砖木结构建筑俯视呈“凹”字型,建筑面积约460
根据实地调研及图纸查阅,采用Pyrosim软件对该建筑进行一比一全尺寸物理模型搭建,如

图1 模型正视及内部结构俯瞰图
Fig.1 Front view and aerial view of the model’s internal structure
在利用Pyrosim软件时,划分网格是进行仿真模拟的先行条件,建筑模型所采用的是全局网格分化,网格的大小设置在利用计算机进行模拟的过程中会很大程度影响模拟的结果以及精确程度。本文首先使用傅里叶的快速转换公式来验证其是否合理后再进行设
近十年来,全国共接报文物古建筑火灾392起,直接财产损失2 808.9 万元。从火灾的成因来看,其中60.2%为电气直接或间接引起,电气故障成为引发文物古建筑火灾的主要原
依据该建筑凹型轴对称的结构特点,本文只考虑在建筑一侧进行模拟研究。因此,选取了建筑内三处典型火源位置(西南方向为工况一,西北方向为工况二,正北方向为工况三),因火源点设置在建筑内的木质横梁上,尺寸大小为0.25 m×4 m,具体如

图2 不同火源位置示意
Fig.2 Schematic diagram of the locations of different fire sources
模型中通过设置热电偶、气体测点及温度切片来研究该建筑发生火灾后的温度场和浓度场变化规律,其中热电偶及水平切片以人的平均身高1.67 m为参考点进行排

图3 热电偶及切片布置示意
Fig.3 Schematic diagram of thermocouple and slice arrangement
目前,常见的火源模型有三种,分别为非稳态的
本文采用非稳态
模型内容 | 参数设置 | ||||
---|---|---|---|---|---|
木构件 | 黄松 | 类型 | WOOD | 材料形式 | Layered |
密度 |
505.3 kg/ | 燃烧热 | 1.6E+4 kJ/kg | ||
比热容 | 1.36 kJ/(kg · K) | 导热系数 | 0.13 W/(m · K) | ||
辐射率 | 0.9 | 吸收系数 | 5.0E+4 1/m | ||
热解参考温度 | 150 ℃ | 热解升温速率 | 5K/min | ||
热解温度范围 | 80 ℃ | CO YIELD | 0.008 7 | ||
CO2 YIELD | 1.02 | SOOT YIELD | 0.012 8 | ||
PKHRR | 111.77 kW/m² | Thickness | 0.02 m | ||
青砖、石碑 | 耐火砖 | 类型 | FIRE BRICK | ||
材料 形式 | Layered(1.0 FIRE BRICK) | ||||
火源设置 | 尺寸 | 0.25 m×4 m | |||
火源 功率 |
4 000 kW/ | ||||
火灾增长模型 |
| ||||
模拟时间 | 1 000 s |
火灾的燃烧强度通常用热释放速率表示,其大小与单位时间内材料燃烧所释放的热量呈正相关。

图4 不同火源位置热释放速率变化曲线
Fig.4 Heat release rate change curve at different ignition locations
三个工况的热释放速率均先急速增长,后逐渐趋于平稳。从工况一的曲线中可看出,热释放速率在50 s之前呈指数增长,最高时可达到225 MW,50 s后出现突然下降,之后缓慢上升趋于平稳。不同之处在于,与工况一相比,工况二、三的热释放速率上升到最高点所需的时间较长,大约在130 s达到最高点,且增长幅度较低。
从火灾发生发展规律来看,建筑内一旦起火,火灾呈现初起阶段,在氧气充足的情况下出现急剧增加的过程,火势蔓延迅速,致使室内温度极速升高,对人员撤离造成极大影响。由于增长期内消耗了大量氧气,导致室内氧气供应不足,一些可燃物燃烧受到阻碍,因此,热释放速率在燃烧过程中出现突然下降,之后缓慢上升趋于平稳。工况一处于凹型建筑的西南角,热量易存储,顺流火蔓延速度加快,使其成为三个工况中热释放速率增长最快,增幅最大的一个火源点位置,这为人员撤离时间提供了上限。工况二、三由于距离出口位置较近,在凹型建筑中通风条件良好,与外界持续进行对流散热,因此,热释放速率上升较为缓慢,延长了人员疏散时间。
由于1.67 m为我国国民的平均身

图5 工况一1.67 m水平温度切片与火源点竖直温度切片示意
Fig.5 Schematic diagram of 1.67 m horizontal temperature slice and vertical temperature slice at the ignition source (case 1)

图6 工况二1.67 m水平温度切片与火源点竖直温度切片示意
Fig.6 Schematic diagram of 1.67 m horizontal temperature slice and vertical temperature slice at the ignition source (case 2)

图7 工况三1.67 m水平温度切片与火源点竖直温度切片示意
Fig.7 Schematic diagram of 1.67 m horizontal temperature slice and vertical temperature slice at the ignition source point (case 3)
由上可知,火灾发生约2 min后,火势不仅蔓延至了西北方向拐角,东北方向拐角温度已高达400 ℃,也远高于人体所能接受的极限116 ℃,这为人员撤离时间限定了上限;尽管纵向走廊的长度短于横向走廊长度,但被火势完全蔓延所用时间最短的为横向走廊,这主要是由于横向走廊有开启状态的门,在火风压的影响下屋外新鲜空气涌入,加速了火势蔓延;约1 min后火源点温度已经足够对建筑的结构稳定性产生威
由此可得,火灾发生4 min后,火焰已经蔓延至建筑东南角(
具体分析可知,火灾发生3 min后,火焰已从工况三处蔓延至建筑东南角(
综上所述,本节主要模拟研究了室内温度场的变化规律,通过分析1.67 m高处建筑内的水平温度及火源点温度,得出三个工况在火灾发生后均有大面积燃烧的情况,且最高温度均在1 000 ℃左右。由于消防员可在1 000 ℃的火场内停留30
木材在燃烧过程中会产生CO、CO2等气体,当烟气中的含氧量低于正常所需的数值时,人的活动能力减弱、智力混乱,甚至晕倒窒息;当烟气中含有各种有毒气体的含量超过人正常生理所允许的最低浓度时,就会造成中毒死亡。图

图8 测点1 CO2浓度随时间的变化曲线
Fig.8 Curve of CO2 concentration over time at measurement point 1

图9 测点2 CO2浓度随时间的变化曲线
Fig.9 Curve of CO2 concentration over time at measurement point 2
这主要是由于,火灾初期CO2的生成量较少,烟气从火源点位置还未扩散至测点1。工况一突然降低是因为木材在大量燃烧之后,建筑内氧气不足,无法进行完全燃烧。较于工况一,工况二、三由于距通风口较近,烟气极易向外流出,因此,浓度曲线会持续下降。
在整个过程中,可以明显看出工况一中的CO2浓度最高,且持续上升,这是由于工况一所处的位置距通风口较远,烟气容易聚集,造成CO2浓度持续升高。
由上可知,测点2处于较为封闭的位置,当工况一产生的烟气流动到测点2后发生烟气集聚,致使测点2处的CO2浓度不断升高,工况二、三发生火灾100 s后,测点2才检测出CO2浓度。
也可发现,
通过对比两个测点处的CO2浓度,可得测点二在三个工况中集聚的CO2含量最高,因此,应在该测点位置设计多个感烟探测器,用于建筑的火灾防范。
图

图10 测点1 CO浓度随时间的变化曲线
Fig.10 CO concentration change curve over time at measurement point 1

图11 测点2 CO浓度随时间的变化曲线
Fig.11 CO concentration change curve over time at measurement point 2
综上,本节研究了火灾发生时,室内CO2和CO的浓度变化,通过分析每个工况中两个测点处的CO2浓度,可发现,工况二、三中烟气流动至两个测点处的时间较工况一延迟了50 s左右,工况一CO2浓度最大可达到0.12 mol/mol,通过分析每个工况中两个测点处的CO浓度,可发现,工况二、三中CO浓度在测点1持续降低,最低可达到0.5×1
根据对西安市某博物馆内一凹型古建筑开展实地调研、数据采集、模型搭建及修正、火灾模拟等工作,分析了不同火源位置对火灾蔓延规律的影响,所得结论如下:
(1)凹型古建筑作为结构特殊的一类,火灾发生时燃烧速度快,烟雾生成量大,消防救援难度加大,亟需制定专门的消防行为规范及火灾防控对策。
(2)模拟分析了凹型古建筑火灾发展过程中的热释放速率、温度等参数,可得前期蔓延速度较慢;发现因其建筑结构特点,当火焰蔓延至横向走廊时,蔓延速度迅速增长。
(3)对于建筑内无容载可燃物的凹型建筑而言,火源点处于建筑西南角时,热释放速率最大,火灾发生50 s后,建筑内热量为225 MW;在1.67 m高处的水平温度达到1 000 ℃;CO气体积聚,严重威胁人员的生命安全。当火源点处于正北方向相对的两个通风口处时,对于整个建筑内部来说,此处由于热量得到及时释放,温度较低,但随时有发生轰然的可能。
(4)火灾发生前,应在建筑正北方向设置多个感烟探测器,在建筑西南角及东南角设置多个感温探测器及自动喷淋系统;火灾发生后,当火源位置处于建筑西南角时,室内人员应在2 min内疏散完毕,2 min后,消防员进行灭火救援时也不宜进行内攻。
(5)通过研究火源位置对凹型砖木结构古建筑火蔓延特性的影响,可为将来研究古建筑群的火灾发生发展过程奠定理论基础。
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