樓閣式古建筑觀音閣火災(zāi)數(shù)值模擬布置
本文研究對(duì)象為閣樓式古建筑火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律以及火災(zāi)探測器設(shè)置，以天津薊縣獨(dú)樂寺觀音閣為實(shí)例，分析樓閣式古建筑的火災(zāi)特點(diǎn)，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS對(duì)觀音閣火災(zāi)蔓延情況進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算特定火災(zāi)場景下火災(zāi)蔓延過程，得到初期火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律以及溫度分布，并在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析研究火災(zāi)探測器的設(shè)置方法，得出有益結(jié)論并進(jìn)行推廣。
1引言
古建筑一般是指古人遺留下來的具有較長歷史年代的寺、廟、殿、樓、塔等建筑，中國古代建筑多以磚木結(jié)構(gòu)或純木結(jié)構(gòu)為主，屬于三、四級(jí)建筑，火災(zāi)荷載量大，耐火等級(jí)低，一旦發(fā)生火災(zāi)，若不能及時(shí)對(duì)火勢進(jìn)行控制，將會(huì)造成難以挽回的損失。
樓閣式古建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性尤其大，主要是由與其結(jié)構(gòu)上在垂直向空間相互疊加而非僅僅是在水平向的擴(kuò)展；樓閣建筑本質(zhì)上是單層殿的疊加，立面的構(gòu)成要素概括起來是平坐、柱額、檐。整體木架構(gòu)以承巨大屋頂，屋頂鋪蓋陶瓦，建筑中空，形成爐膛，內(nèi)部椽、梁、柱成為燃料。結(jié)合此種結(jié)構(gòu)古建筑的特點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)適用與保護(hù)原貌的前提下構(gòu)建古建筑火災(zāi)預(yù)防體系，確保消防安全。在古建筑中應(yīng)用現(xiàn)代消防技術(shù)值得考究，其中，古建筑火災(zāi)的早期探測報(bào)警就成為我國古建筑保護(hù)的一項(xiàng)當(dāng)務(wù)之急。筆者選取天津薊縣獨(dú)樂寺觀音閣為一個(gè)此類古建筑的研究實(shí)例，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS建立獨(dú)樂寺的物理模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算出特定火災(zāi)場景下煙氣蔓延規(guī)律和溫度分布，并提出合理的火災(zāi)探測器布置方案。
2.獨(dú)樂寺概況
2.1 獨(dú)樂寺的結(jié)構(gòu)
獨(dú)樂寺坐落在天津薊縣城內(nèi)，占地總面積1.6萬平方米，山門面闊三間，進(jìn)深四間，上下為兩層，中間設(shè)平座暗層，通高21.5米。觀音閣看似只有兩層，實(shí)際是一座三層式古老的木結(jié)構(gòu)建筑物——在上下層之間還夾著一個(gè)用腰檐和平坐欄桿圍繞著建成的暗層。閣內(nèi)有一座高達(dá)16.27米的觀音菩薩像。形體高大的觀音像，矗立在閣內(nèi)中央的須彌座上，向上穿過二、三層平臺(tái)，直入頂層覆斗形的六角藻井之中。獨(dú)樂寺外觀圖和其觀音閣內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分別如圖2-1和圖2-2所示：
2.2 建筑材料
整個(gè)獨(dú)樂寺觀音閣除一樓的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面由磚石構(gòu)成外，其余為全木質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部承重構(gòu)件有28根柱以及梁、樓板和屋架，用料均為松木，材料由于年代久遠(yuǎn)而失水，比現(xiàn)代木質(zhì)材料含水量更低，且質(zhì)地疏松，起火可能性更大，而且著火后火勢傳播也非常迅速。
2.3 消防設(shè)施現(xiàn)狀
通過實(shí)地調(diào)研考察，獨(dú)樂寺已經(jīng)安裝了避雷針，可以避免雷擊引起的火災(zāi)。2011年獨(dú)樂寺曾進(jìn)行了防火改造，在觀音閣內(nèi)安裝了無線感煙探測器，但據(jù)寺內(nèi)工作人員反映由于布置不合理探測器并不起作用，不能有效起到早期探測報(bào)警的作用，且至今也沒有檢修，閣內(nèi)探測器形同虛設(shè)。寺廟內(nèi)部沒有自動(dòng)滅火設(shè)備，觀音閣內(nèi)滅火設(shè)備僅限于手提滅火器。觀音閣西側(cè)有一口御井，但院內(nèi)沒有消防水池，無法保證消防用水。
3 獨(dú)樂寺火災(zāi)數(shù)值模擬
3.1 火災(zāi)危險(xiǎn)性分析
獨(dú)樂寺觀音閣一樓的可燃物主要有28根松木柱、木質(zhì)門窗、通往二樓的樓梯及其圍欄，觀音像虛坐外設(shè)有一圈木質(zhì)圍護(hù)柵欄，圍欄上系有幔帳，絲帶等易燃織物，另外，圍欄四周還有一些地毯、坐墊等，火災(zāi)荷載量比較大，二樓暗層和三樓樓板、梁、樓梯及圍護(hù)墻均為全木結(jié)構(gòu)，也是閣樓內(nèi)的主要可燃物 。
觀音閣為三檐兩梯，內(nèi)部中空類似于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的中庭，“中庭”連通一到三層，形成了煙霧蔓延的通道，28跟木柱支撐巨大的坡屋頂，整個(gè)觀音閣建筑結(jié)構(gòu)猶如“爐膛”，形成了良好地燃燒條件，屋頂無開窗，悶頂內(nèi)又極易發(fā)生轟然，這對(duì)木質(zhì)建筑的損壞是致命的。整個(gè)觀音閣火災(zāi)荷載量大，耐火等級(jí)低，火災(zāi)危險(xiǎn)性極大。 3.2 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)與分析
火災(zāi)場景：一樓人流量大，可燃物多，觀音像周圍環(huán)境復(fù)雜，假設(shè)火源位置A1位于一樓“中庭”觀音像北側(cè)，由于北側(cè)為后門，管理人員看管不到，可能有參觀人員違規(guī)敬香，可燃物為觀音虛坐旁的紡織物，或者木制圍護(hù)柵欄。主要考慮起火后對(duì)建筑物內(nèi)人員安全的影響以及煙氣沿“中庭”向上蔓延的規(guī)律。火源位置如圖3-1所示。
3.3觀音閣火災(zāi)模型建立
觀音閣著火初期在火災(zāi)增長速率的計(jì)算上，采用“時(shí)間—平方火”來設(shè)計(jì)，設(shè)定火災(zāi)初期火源的熱釋放速率按t2高速增長，即：
Q = αt2
式中： α 為平方火的火增長系數(shù)， kW / s2，按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS16733（消防安全工程第4部分：設(shè)定火災(zāi)場景和設(shè)定火災(zāi)的選擇）中定義的快速火，將火焰增長參數(shù)取值為α=0.04689/（ kW / s2）。T 為燃燒時(shí)間，s；Q為火災(zāi)峰值功率，即火災(zāi)最大熱釋放速率，本文按照上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》（DGJ08-88-2000）確定發(fā)生火災(zāi)情況下的最大熱釋放速率。觀音閣內(nèi)無噴淋等自動(dòng)滅火系統(tǒng)，上海市地方標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“無噴淋的公共場所最大熱釋放速率為8MW”。考慮到多種不利情況的影響，本文選取了1.5倍的安全系數(shù)，因此，Q取值為8×1.5=12MW。
3.4 邊界條件及初始條件的設(shè)定
在進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算時(shí)，采用了以下模擬初始條件：
1）氣象條件：環(huán)境空氣溫度為20℃；
2）排煙條件： 自然通風(fēng)口，與外界相通。一樓南側(cè)有三個(gè)門（3m×4m；4m×4m；3m×4m），北側(cè)一個(gè)門（4m×4m）；二樓西側(cè)三個(gè)開口（1m×0.5m； 1m×0.5m； 1m×0.5m）距地面1.5m，東側(cè)的墻上開口與之對(duì)應(yīng)；三樓南側(cè)有三個(gè)門（3.3m×2.75m；3.8m×3.25m； 3.3m×2.75m），北側(cè)有一個(gè)門（3.8m×3.25m）；
3）火源功率：火災(zāi)發(fā)生時(shí)，三種火災(zāi)場景的火災(zāi)初期發(fā)展規(guī)律用t2快速火表示，增長到最大規(guī)模后，保持不變直至模擬結(jié)束；
4）壁面邊界條件：所有邊界采用絕熱、無滑的固體壁面；
5）計(jì)算模型：建模的尺寸為20.2m×14.2m×21.5m，其中一樓高6m，二樓高4m，三樓樓體高5m，坡屋頂高6m，連同高大坡屋頂在內(nèi)整座建筑統(tǒng)一采用0.25m×0.25m×0.25m的網(wǎng)格。如圖3-2所示。
6）網(wǎng)格劃分：連同高大坡屋頂在內(nèi)整座建筑統(tǒng)一采用0.25m×0.25m×0.25m的網(wǎng)格。
7）模擬時(shí)間：600s。
4.模擬結(jié)果分析與討論
4.1 煙氣流動(dòng)分析
煙氣蔓延規(guī)律如圖4-1所示：
由模擬結(jié)果可以看出，火災(zāi)發(fā)生以后，煙氣并不是首先在一樓聚集，而是沿著觀音閣“中庭”向上蔓延，在屋頂聚集，隨后沿坡屋頂向下蔓延直至填滿整個(gè)三樓，400s的時(shí)候，煙氣已經(jīng)由三樓的門窗向外溢出，而一二樓的煙氣并不多。
4.2火災(zāi)蔓延分析
研究觀音閣起火后火災(zāi)蔓延的趨勢，主要考察觀音閣內(nèi)部墻壁和樓板附近的溫度，墻壁和樓板都屬于隔斷或承重構(gòu)件，一旦墻壁燒損，將導(dǎo)致煙氣蔓延加快，甚至導(dǎo)致建筑物垮塌。當(dāng)溫度達(dá)到250℃時(shí)，視為對(duì)墻壁或樓板造成威脅。當(dāng)一樓發(fā)生火災(zāi)，如本文所設(shè)計(jì)的火災(zāi)場景起火后，二樓樓板（z=6m）溫度分別如圖4-2所示：
由模擬的溫度分布圖可以看出，高度z=6m處火源位A1置正上方及其周圍的溫度上升較快，在火災(zāi)發(fā)生后300s時(shí)，整體二樓的樓板已經(jīng)呈現(xiàn)較高溫度，特別是北側(cè)回廊，局部溫度已經(jīng)達(dá)到300℃，有被燒穿的危險(xiǎn)。
5 火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)
獨(dú)樂寺觀音閣火災(zāi)荷載較大，由于其建筑結(jié)構(gòu)和建筑材料的特殊性，并考慮到文物不能受滅火藥劑和水漬的過多影響，采取現(xiàn)代化的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，是必要的選擇。
5.1火災(zāi)探測器的類型選擇
觀音閣內(nèi)的可燃物起火后會(huì)產(chǎn)生大量的煙，煙霧也是火災(zāi)早期的現(xiàn)象，利用感煙式火災(zāi)探測器可以最早探測到火災(zāi)信號(hào)。因此，可以在觀音閣內(nèi)使用點(diǎn)型離子感煙探測器，它是采用空氣離化火災(zāi)探測方法構(gòu)成和工作的，靈敏度較高，且適用于火災(zāi)初期有陰燃階段，產(chǎn)生少量的煙的情形。觀音閣內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，遮擋物也較多，使用光電感煙探測器容易出現(xiàn)誤報(bào)，且光電感煙探測器對(duì)1μm以上的煙霧粒子響應(yīng)較明顯，對(duì)黑煙的探測靈敏度相對(duì)較低，因此，不建議在觀音閣內(nèi)安裝光電型感煙探測器。
觀音閣火災(zāi)初期在產(chǎn)生大量煙霧的同時(shí)，燃燒物在燃燒過程中釋放出大量的熱，周圍環(huán)境溫度急劇上升，因此也可使用感溫火災(zāi)探測器。其工作不受非火災(zāi)性煙霧的干擾，且靈敏度較高。
為了提高火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的功能和可靠性，保證對(duì)初期火災(zāi)的及時(shí)干預(yù)，本文將討論感煙與感溫兩種探測器的聯(lián)合布置方式。
感煙探測器的保護(hù)面積和保護(hù)半徑見表5-1：
感溫探測器的保護(hù)面積和保護(hù)半徑如表5-2：
由表1查出，A=20 m2，R=3.6m。
觀音閣以樓層為單位來劃分火災(zāi)探測的區(qū)域。一樓探測區(qū)域面積S=286.84 m2，由表5-1查出，A=60 m2，R=5.8m，由于一個(gè)探測區(qū)域內(nèi)所需設(shè)置的探測器數(shù)量，不應(yīng)小于下式的計(jì)算值：
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式中N是探測器數(shù)量，只（N應(yīng)取整數(shù)）；S是該探測區(qū)域面積，m2；A是探測器的保護(hù)面積，m2；K是修正系數(shù)，（特級(jí)保護(hù)對(duì)象宜取0.7～0.8，一級(jí)保護(hù)對(duì)象宜取0.8～0.9，二級(jí)保護(hù)對(duì)象宜取0.9～1.0，觀音閣取值0.8）。
由（1）式計(jì)算得出，一樓應(yīng)布置感煙探測器的數(shù)量不少于6個(gè)。然而探測器具體的布置方案還需根據(jù)模擬結(jié)果來設(shè)定，如果火源位置位于“中庭”底部，由模擬結(jié)果圖4-1～4-2可看出煙氣將會(huì)沿“中庭”直接向上蔓延，而導(dǎo)致一層的感煙探測器不能及時(shí)探測到火情。所以感煙探測器都應(yīng)盡量靠近“中庭”布置一圈，使其探測到由中庭向上蔓延的煙氣。同時(shí)考慮到一樓北門有參拜處，可能有游客違規(guī)敬香，正門兩邊管理臺(tái)的值班人員違規(guī)使用照明或者取暖設(shè)備，都可能導(dǎo)致離子感煙探測器的誤報(bào)，因此在一層安裝感溫探測器配合感煙探測器使用，由模擬結(jié)果溫度分布圖4-19可以看出首先出現(xiàn)高溫的地方，從而確定感溫探測器應(yīng)布置的地方，即在可能出現(xiàn)明火但感煙探測器容易發(fā)生誤報(bào)地點(diǎn)的正上方。本方案感溫探測器案靠近“中庭”北側(cè)參拜處布置，和布置在進(jìn)門兩側(cè)在管理臺(tái)的正上方。 一層感溫和感煙探測器的布置如圖5-1所示，其高度為z=6m。
圖中， △表示感溫探測器，○表示感煙探測器。感溫探測器1、2分別監(jiān)視東南角和西南角的管理臺(tái)，感溫探測器3監(jiān)視大殿后方參拜處。感煙探測器1～5沿“中庭回廊”外側(cè)靠近“中庭”布置。由表5-1、表5-2得出的探測器保護(hù)半徑，在圖5-1中畫出每個(gè)探測器的保護(hù)范圍，可以看出，這種探測器的組合設(shè)計(jì)方案恰好使整個(gè)一樓處于探測器的監(jiān)視范圍內(nèi)，有效減少了探測器的使用個(gè)數(shù)，并且考慮到了不同探測器的適用條件，有效減少了誤報(bào)。
同時(shí)考察起火100s后z=6m和z=10m處的煙氣濃度分布，如圖5-2和圖5-3所示：
由模擬結(jié)果可以看出：在同一時(shí)刻，一樓回廊頂部z=6m處煙氣濃比“中庭”z=10m處的煙氣濃度要小，這種模擬結(jié)果也驗(yàn)證了一樓火源位置A1起火后，煙氣首先通過“中庭”向上蔓延，表明布置在一樓北側(cè)回廊的探測器響應(yīng)時(shí)間將較晚。如果能在中庭上方安裝探測器，就可以監(jiān)視由中庭向上蔓延的煙氣，考慮到三樓的中空面積比較小，部分樓板處在觀音閣“中庭”上部，若把感煙探測器安裝在此處，就能達(dá)到早期探測報(bào)警的要求。其布置如圖5-4所示，其高度為Z=10m。
6.分析論證與結(jié)果討論
6.1一樓探測器的響應(yīng)情況
當(dāng)火源位于一樓“中庭”北側(cè)時(shí)。鄰近幾個(gè)感煙探測的探測情況如圖6-1所示：
根據(jù)圖6-1分析觀音閣的煙氣蔓延情況，從圖中可以看出感煙探測器Y1（2.8，12.0，6）報(bào)警時(shí)間為122s；感煙探測器Y5（17.4，12.0，6）報(bào)警時(shí)間為121s；感煙探測器YA（10.1，10.2，10）報(bào)警時(shí)間為22.2s。析模擬結(jié)果可知，感煙探測器Y1和Y5響應(yīng)時(shí)間都比較晚，驗(yàn)證了前面的觀點(diǎn)：由于起火位置位于觀音閣中空部位，煙氣直接向上蔓延了，并沒有在一樓橫梁木質(zhì)吊頂下聚集，而是直接向上蔓延直接到達(dá)感煙感煙探測器YA，由于煙氣蔓延的這種蔓延特性，此種情形的火災(zāi)可以用感溫探測器來監(jiān)測報(bào)警。
感溫探測器W3（10.0， 10.3 ，6）探測到的溫度變化曲線為：
圖6-2中可對(duì)應(yīng)感溫探測器W3響應(yīng)時(shí)間為28.2s，符合報(bào)警要求。為防止誤報(bào)，考慮感煙探測器YA和感溫探測器W3都動(dòng)作時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為感煙探測器準(zhǔn)確報(bào)警時(shí)間，即28.2s。
7.結(jié)論
（1）提出了基于火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬的對(duì)古建筑觀音閣進(jìn)行火災(zāi)探測器的組合布置方法：對(duì)于多層或高層閣樓式古建筑其探測器應(yīng)該靠近“中筒”布置以監(jiān)測由“中筒”底部向上蔓延的煙氣。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析與討論，探測器的設(shè)置比較合理，能夠?qū)崿F(xiàn)早期報(bào)警，而且考慮了古建筑用于參拜的特殊用途，有可能導(dǎo)致感煙探測器誤報(bào)，實(shí)現(xiàn)了消防設(shè)施的合理化，降低了成本。
（2）總結(jié)了閣樓式有中空部分多層古建筑的煙氣蔓延和火災(zāi)蔓延規(guī)律，對(duì)同類古建筑的火災(zāi)研究具有一定的參考價(jià)值，對(duì)同類古建筑的消防設(shè)施設(shè)置有推廣性。
?。?）FDS軟件模擬的火災(zāi)情形有別于真實(shí)火災(zāi)，沒有考慮到其他因素的干擾，如室外風(fēng)，人為因素等等。火災(zāi)場景設(shè)置存在一定片面性，對(duì)于不同火災(zāi)規(guī)模、火源位置火災(zāi)蔓延規(guī)律可能會(huì)有變化。
?。?）火災(zāi)發(fā)生初期減光率和溫度都呈現(xiàn)穩(wěn)步增大趨勢，后期數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定程度的不穩(wěn)定，特別是一樓的火災(zāi)，說明煙氣蔓延情況也更加復(fù)雜，分析這樣現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是一樓有較大通風(fēng)口，且由“中庭”向上連通，煙氣流動(dòng)劇烈，越到后期氣流對(duì)探測器的影響越大，而探測器則是要實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的早期報(bào)警。后期火災(zāi)的蔓延規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。
