楼阁式古建筑观音阁火灾数值模拟布置

本文研究对象为阁楼式古建筑火灾烟气蔓延规律以及火灾探测器设置，以天津蓟县独乐寺观音阁为实例，分析楼阁式古建筑的火灾特点，利用火灾动力学模拟软件FDS对观音阁火灾蔓延情况进行数值模拟，计算特定火灾场景下火灾蔓延过程，得到初期火灾烟气蔓延规律以及温度分布，并在模拟结果的基础上进一步分析研究火灾探测器的设置方法，得出有益结论并进行推广。
1引言
　　古建筑一般是指古人遗留下来的具有较长历史年代的寺、庙、殿、楼、塔等建筑，中国古代建筑多以砖木结构或纯木结构为主，属于三、四级建筑，火灾荷载量大，耐火等级低，一旦发生火灾，若不能及时对火势进行控制，将会造成难以挽回的损失。
　　楼阁式古建筑的火灾危险性尤其大，主要是由与其结构上在垂直向空间相互叠加而非仅仅是在水平向的扩展；楼阁建筑本质上是单层殿的叠加，立面的构成要素概括起来是平坐、柱额、檐。整体木架构以承巨大屋顶，屋顶铺盖陶瓦，建筑中空，形成炉膛，内部椽、梁、柱成为燃料。结合此种结构古建筑的特点，在经济适用与保护原貌的前提下构建古建筑火灾预防体系，确保消防安全。在古建筑中应用现代消防技术值得考究，其中，古建筑火灾的早期探测报警就成为我国古建筑保护的一项当务之急。笔者选取天津蓟县独乐寺观音阁为一个此类古建筑的研究实例，利用火灾动力学模拟软件FDS建立独乐寺的物理模型并进行数值模拟，计算出特定火灾场景下烟气蔓延规律和温度分布，并提出合理的火灾探测器布置方案。
　　2.独乐寺概况
　　2.1 独乐寺的结构
　　独乐寺坐落在天津蓟县城内，占地总面积1.6万平方米，山门面阔三间，进深四间，上下为两层，中间设平座暗层，通高21.5米。观音阁看似只有两层，实际是一座三层式古老的木结构建筑物——在上下层之间还夹着一个用腰檐和平坐栏杆围绕着建成的暗层。阁内有一座高达16.27米的观音菩萨像。形体高大的观音像，矗立在阁内中央的须弥座上，向上穿过二、三层平台，直入顶层覆斗形的六角藻井之中。独乐寺外观图和其观音阁内部结构图分别如图2-1和图2-2所示：
　　2.2 建筑材料
　　整个独乐寺观音阁除一楼的围护结构和地面由砖石构成外，其余为全木质结构，内部承重构件有28根柱以及梁、楼板和屋架，用料均为松木，材料由于年代久远而失水，比现代木质材料含水量更低，且质地疏松，起火可能性更大，而且着火后火势传播也非常迅速。
　　2.3 消防设施现状
　　通过实地调研考察，独乐寺已经安装了避雷针，可以避免雷击引起的火灾。2011年独乐寺曾进行了防火改造，在观音阁内安装了无线感烟探测器，但据寺内工作人员反映由于布置不合理探测器并不起作用，不能有效起到早期探测报警的作用，且至今也没有检修，阁内探测器形同虚设。寺庙内部没有自动灭火设备，观音阁内灭火设备仅限于手提灭火器。观音阁西侧有一口御井，但院内没有消防水池，无法保证消防用水。
　　3 独乐寺火灾数值模拟
　　3.1 火灾危险性分析
　　独乐寺观音阁一楼的可燃物主要有28根松木柱、木质门窗、通往二楼的楼梯及其围栏，观音像虚坐外设有一圈木质围护栅栏，围栏上系有幔帐，丝带等易燃织物，另外，围栏四周还有一些地毯、坐垫等，火灾荷载量比较大，二楼暗层和三楼楼板、梁、楼梯及围护墙均为全木结构，也是阁楼内的主要可燃物 。
　　观音阁为三檐两梯，内部中空类似于现代建筑结构中的中庭，“中庭”连通一到三层，形成了烟雾蔓延的通道，28跟木柱支撑巨大的坡屋顶，整个观音阁建筑结构犹如“炉膛”，形成了良好地燃烧条件，屋顶无开窗，闷顶内又极易发生轰然，这对木质建筑的损坏是致命的。整个观音阁火灾荷载量大，耐火等级低，火灾危险性极大。 　　3.2 火灾场景设计与分析
　　火灾场景：一楼人流量大，可燃物多，观音像周围环境复杂，假设火源位置A1位于一楼“中庭”观音像北侧，由于北侧为后门，管理人员看管不到，可能有参观人员违规敬香，可燃物为观音虚坐旁的纺织物，或者木制围护栅栏。主要考虑起火后对建筑物内人员安全的影响以及烟气沿“中庭”向上蔓延的规律。火源位置如图3-1所示。
　　3.3观音阁火灾模型建立
　　观音阁着火初期在火灾增长速率的计算上，采用“时间—平方火”来设计，设定火灾初期火源的热释放速率按t2高速增长，即：
　　Q = αt2
　　式中： α 为平方火的火增长系数， kW / s2，按照国际标准ISO/TS16733（消防安全工程第4部分：设定火灾场景和设定火灾的选择）中定义的快速火，将火焰增长参数取值为α=0.04689/（ kW / s2）。T 为燃烧时间，s；Q为火灾峰值功率，即火灾最大热释放速率，本文按照上海市地方标准《民用建筑防排烟技术规程》（DGJ08-88-2000）确定发生火灾情况下的最大热释放速率。观音阁内无喷淋等自动灭火系统，上海市地方标准中规定“无喷淋的公共场所最大热释放速率为8MW”。考虑到多种不利情况的影响，本文选取了1.5倍的安全系数，因此，Q取值为8×1.5=12MW。
　　3.4 边界条件及初始条件的设定
　　在进行计算机模拟计算时，采用了以下模拟初始条件：
　　1）气象条件：环境空气温度为20℃；
　　2）排烟条件： 自然通风口，与外界相通。一楼南侧有三个门（3m×4m；4m×4m；3m×4m），北侧一个门（4m×4m）；二楼西侧三个开口（1m×0.5m； 1m×0.5m； 1m×0.5m）距地面1.5m，东侧的墙上开口与之对应；三楼南侧有三个门（3.3m×2.75m；3.8m×3.25m； 3.3m×2.75m），北侧有一个门（3.8m×3.25m）；
　　3）火源功率：火灾发生时，三种火灾场景的火灾初期发展规律用t2快速火表示，增长到最大规模后，保持不变直至模拟结束；
　　4）壁面边界条件：所有边界采用绝热、无滑的固体壁面；
　　5）计算模型：建模的尺寸为20.2m×14.2m×21.5m，其中一楼高6m，二楼高4m，三楼楼体高5m，坡屋顶高6m，连同高大坡屋顶在内整座建筑统一采用0.25m×0.25m×0.25m的网格。如图3-2所示。
　　6）网格划分：连同高大坡屋顶在内整座建筑统一采用0.25m×0.25m×0.25m的网格。
　　7）模拟时间：600s。
　　4.模拟结果分析与讨论
　　4.1 烟气流动分析
　　烟气蔓延规律如图4-1所示：
　　由模拟结果可以看出，火灾发生以后，烟气并不是首先在一楼聚集，而是沿着观音阁“中庭”向上蔓延，在屋顶聚集，随后沿坡屋顶向下蔓延直至填满整个三楼，400s的时候，烟气已经由三楼的门窗向外溢出，而一二楼的烟气并不多。
　　4.2火灾蔓延分析
　　研究观音阁起火后火灾蔓延的趋势，主要考察观音阁内部墙壁和楼板附近的温度，墙壁和楼板都属于隔断或承重构件，一旦墙壁烧损，将导致烟气蔓延加快，甚至导致建筑物垮塌。当温度达到250℃时，视为对墙壁或楼板造成威胁。当一楼发生火灾，如本文所设计的火灾场景起火后，二楼楼板（z=6m）温度分别如图4-2所示：
　　由模拟的温度分布图可以看出，高度z=6m处火源位A1置正上方及其周围的温度上升较快，在火灾发生后300s时，整体二楼的楼板已经呈现较高温度，特别是北侧回廊，局部温度已经达到300℃，有被烧穿的危险。
　　5 火灾探测器的设计
　　独乐寺观音阁火灾荷载较大，由于其建筑结构和建筑材料的特殊性，并考虑到文物不能受灭火药剂和水渍的过多影响，采取现代化的火灾自动报警及早发现火灾，是必要的选择。
　　5.1火灾探测器的类型选择
　　观音阁内的可燃物起火后会产生大量的烟，烟雾也是火灾早期的现象，利用感烟式火灾探测器可以最早探测到火灾信号。因此，可以在观音阁内使用点型离子感烟探测器，它是采用空气离化火灾探测方法构成和工作的，灵敏度较高，且适用于火灾初期有阴燃阶段，产生少量的烟的情形。观音阁内结构复杂，遮挡物也较多，使用光电感烟探测器容易出现误报，且光电感烟探测器对1μm以上的烟雾粒子响应较明显，对黑烟的探测灵敏度相对较低，因此，不建议在观音阁内安装光电型感烟探测器。
　　观音阁火灾初期在产生大量烟雾的同时，燃烧物在燃烧过程中释放出大量的热，周围环境温度急剧上升，因此也可使用感温火灾探测器。其工作不受非火灾性烟雾的干扰，且灵敏度较高。
　　为了提高火灾监控系统的功能和可靠性，保证对初期火灾的及时干预，本文将讨论感烟与感温两种探测器的联合布置方式。
　　感烟探测器的保护面积和保护半径见表5-1：
　　感温探测器的保护面积和保护半径如表5-2：
　　由表1查出，A=20 m2，R=3.6m。
　　观音阁以楼层为单位来划分火灾探测的区域。一楼探测区域面积S=286.84 m2，由表5-1查出，A=60 m2，R=5.8m，由于一个探测区域内所需设置的探测器数量，不应小于下式的计算值：
　　（1）
　　式中N是探测器数量，只（N应取整数）；S是该探测区域面积，m2；A是探测器的保护面积，m2；K是修正系数，（特级保护对象宜取0.7～0.8，一级保护对象宜取0.8～0.9，二级保护对象宜取0.9～1.0，观音阁取值0.8）。
　　由（1）式计算得出，一楼应布置感烟探测器的数量不少于6个。然而探测器具体的布置方案还需根据模拟结果来设定，如果火源位置位于“中庭”底部，由模拟结果图4-1～4-2可看出烟气将会沿“中庭”直接向上蔓延，而导致一层的感烟探测器不能及时探测到火情。所以感烟探测器都应尽量靠近“中庭”布置一圈，使其探测到由中庭向上蔓延的烟气。同时考虑到一楼北门有参拜处，可能有游客违规敬香，正门两边管理台的值班人员违规使用照明或者取暖设备，都可能导致离子感烟探测器的误报，因此在一层安装感温探测器配合感烟探测器使用，由模拟结果温度分布图4-19可以看出首先出现高温的地方，从而确定感温探测器应布置的地方，即在可能出现明火但感烟探测器容易发生误报地点的正上方。本方案感温探测器案靠近“中庭”北侧参拜处布置，和布置在进门两侧在管理台的正上方。 　　一层感温和感烟探测器的布置如图5-1所示，其高度为z=6m。
　　图中， △表示感温探测器，○表示感烟探测器。感温探测器1、2分别监视东南角和西南角的管理台，感温探测器3监视大殿后方参拜处。感烟探测器1～5沿“中庭回廊”外侧靠近“中庭”布置。由表5-1、表5-2得出的探测器保护半径，在图5-1中画出每个探测器的保护范围，可以看出，这种探测器的组合设计方案恰好使整个一楼处于探测器的监视范围内，有效减少了探测器的使用个数，并且考虑到了不同探测器的适用条件，有效减少了误报。
　　同时考察起火100s后z=6m和z=10m处的烟气浓度分布，如图5-2和图5-3所示：
　　由模拟结果可以看出：在同一时刻，一楼回廊顶部z=6m处烟气浓比“中庭”z=10m处的烟气浓度要小，这种模拟结果也验证了一楼火源位置A1起火后，烟气首先通过“中庭”向上蔓延，表明布置在一楼北侧回廊的探测器响应时间将较晚。如果能在中庭上方安装探测器，就可以监视由中庭向上蔓延的烟气，考虑到三楼的中空面积比较小，部分楼板处在观音阁“中庭”上部，若把感烟探测器安装在此处，就能达到早期探测报警的要求。其布置如图5-4所示，其高度为Z=10m。
　　6.分析论证与结果讨论
　　6.1一楼探测器的响应情况
　　当火源位于一楼“中庭”北侧时。邻近几个感烟探测的探测情况如图6-1所示：
　　根据图6-1分析观音阁的烟气蔓延情况，从图中可以看出感烟探测器Y1（2.8，12.0，6）报警时间为122s；感烟探测器Y5（17.4，12.0，6）报警时间为121s；感烟探测器YA（10.1，10.2，10）报警时间为22.2s。析模拟结果可知，感烟探测器Y1和Y5响应时间都比较晚，验证了前面的观点：由于起火位置位于观音阁中空部位，烟气直接向上蔓延了，并没有在一楼横梁木质吊顶下聚集，而是直接向上蔓延直接到达感烟感烟探测器YA，由于烟气蔓延的这种蔓延特性，此种情形的火灾可以用感温探测器来监测报警。
　　感温探测器W3（10.0， 10.3 ，6）探测到的温度变化曲线为：
　　图6-2中可对应感温探测器W3响应时间为28.2s，符合报警要求。为防止误报，考虑感烟探测器YA和感温探测器W3都动作时所对应的时间为感烟探测器准确报警时间，即28.2s。
　　7.结论
　　（1）提出了基于火灾动力学模拟的对古建筑观音阁进行火灾探测器的组合布置方法：对于多层或高层阁楼式古建筑其探测器应该靠近“中筒”布置以监测由“中筒”底部向上蔓延的烟气。通过对模拟结果的分析与讨论，探测器的设置比较合理，能够实现早期报警，而且考虑了古建筑用于参拜的特殊用途，有可能导致感烟探测器误报，实现了消防设施的合理化，降低了成本。
　　（2）总结了阁楼式有中空部分多层古建筑的烟气蔓延和火灾蔓延规律，对同类古建筑的火灾研究具有一定的参考价值，对同类古建筑的消防设施设置有推广性。
　　（3）FDS软件模拟的火灾情形有别于真实火灾，没有考虑到其他因素的干扰，如室外风，人为因素等等。火灾场景设置存在一定片面性，对于不同火灾规模、火源位置火灾蔓延规律可能会有变化。
　　（4）火灾发生初期减光率和温度都呈现稳步增大趋势，后期数据出现一定程度的不稳定，特别是一楼的火灾，说明烟气蔓延情况也更加复杂，分析这样现象出现的原因可能是一楼有较大通风口，且由“中庭”向上连通，烟气流动剧烈，越到后期气流对探测器的影响越大，而探测器则是要实现火灾的早期报警。后期火灾的蔓延规律还有待进一步研究。