樓閣式古建筑觀音閣火災數值模擬布置

本文研究對象為閣樓式古建筑火災煙氣蔓延規律以及火災探測器設置，以天津薊縣獨樂寺觀音閣為實例，分析樓閣式古建筑的火災特點，利用火災動力學模擬軟件FDS對觀音閣火災蔓延情況進行數值模擬，計算特定火災場景下火災蔓延過程，得到初期火災煙氣蔓延規律以及溫度分布，并在模擬結果的基礎上進一步分析研究火災探測器的設置方法，得出有益結論并進行推廣。
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構或純木結構為主，屬于三、四級建筑，火災荷載量大，耐火等級低，一旦發生火災，若不能及時對火勢進行控制，將會造成難以挽回的損失。
　　樓閣式古建筑的火災危險性尤其大，主要是由與其結構上在垂直向空間相互疊加而非僅僅是在水平向的擴展；樓閣建筑本質上是單層殿的疊加，立面的構成要素概括起來是平坐、柱額、檐。整體木架構以承巨大屋頂，屋頂鋪蓋陶瓦，建筑中空，形成爐膛，內部椽、梁、柱成為燃料。結合此種結構古建筑的特點，在經濟適用與保護原貌的前提下構建古建筑火災預防體系，確保消防安全。在古建筑中應用現代消防技術值得考究，其中，古建筑火災的早期探測報警就成為我國古建筑保護的一項當務之急。筆者選取天津薊縣獨樂寺觀音閣為一個此類古建筑的研究實例，利用火災動力學模擬軟件FDS建立獨樂寺的物理模型并進行數值模擬，計算出特定火災場景下煙氣蔓延規律和溫度分布，并提出合理的火災探測器布置方案。
　　2.獨樂寺概況
　　2.1 獨樂寺的結構
　　獨樂寺坐落在天津薊縣城內，占地總面積1.6萬平方米，山門面闊三間，進深四間，上下為兩層，中間設平座暗層，通高21.5米。觀音閣看似只有兩層，實際是一座三層式古老的木結構建筑物——在上下層之間還夾著一個用腰檐和平坐欄桿圍繞著建成的暗層。閣內有一座高達16.27米的觀音菩薩像。形體高大的觀音像，矗立在閣內中央的須彌座上，向上穿過二、三層平臺，直入頂層覆斗形的六角藻井之中。獨樂寺外觀圖和其觀音閣內部結構圖分別如圖2-1和圖2-2所示：
　　2.2 建筑材料
　　整個獨樂寺觀音閣除一樓的圍護結構和地面由磚石構成外，其余為全木質結構，內部承重構件有28根柱以及梁、樓板和屋架，用料均為松木，材料由于年代久遠而失水，比現代木質材料含水量更低，且質地疏松，起火可能性更大，而且著火后火勢傳播也非常迅速。
　　2.3 消防設施現狀
　　通過實地調研考察，獨樂寺已經安裝了避雷針，可以避免雷擊引起的火災。2011年獨樂寺曾進行了防火改造，在觀音閣內安裝了無線感煙探測器，但據寺內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警的作用，且至今也沒有檢修，閣內探測器形同虛設。寺廟內部沒有自動滅火設備，觀音閣內滅火設備僅限于手提滅火器。觀音閣西側有一口御井，但院內沒有消防水池，無法保證消防用水。
　　3 獨樂寺火災數值模擬
　　3.1 火災危險性分析
　　獨樂寺觀音閣一樓的可燃物主要有28根松木柱、木質門窗、通往二樓的樓梯及其圍欄，觀音像虛坐外設有一圈木質圍護柵欄，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，火災荷載量比較大，二樓暗層和三樓樓板、梁、樓梯及圍護墻均為全木結構，也是閣樓內的主要可燃物 。
　　觀音閣為三檐兩梯，內部中空類似于現代建筑結構中的中庭，“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，整個觀音閣建筑結構猶如“爐膛”，形成了良好地燃燒條件，屋頂無開窗，悶頂內又極易發生轟然，這對木質建筑的損壞是致命的。整個觀音閣火災荷載量大，耐火等級低，火災危險性極大。 　　3.2 火災場景設計與分析
　　火災場景：一樓人流量大，可燃物多，觀音像周圍環境復雜，假設火源位置A1位于一樓“中庭”觀音像北側，由于北側為后門，管理人員看管不到，可能有參觀人員違規敬香，可燃物為觀音虛坐旁的紡織物，或者木制圍護柵欄。主要考慮起火后對建筑物內人員安全的影響以及煙氣沿“中庭”向上蔓延的規律。火源位置如圖3-1所示。
　　3.3觀音閣火災模型建立
　　觀音閣著火初期在火災增長速率的計算上，采用“時間—平方火”來設計，設定火災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， kW / s2，按照國際標準ISO/TS16733（消防安全工程第4部分：設定火災場景和設定火災的選擇）中定義的快速火，將火焰增長參數取值為α=0.04689/（ kW / s2）。T 為燃燒時間，s；Q為火災峰值功率，即火災最大熱釋放速率，本文按照上海市地方標準《民用建筑防排煙技術規程》（DGJ08-88-2000）確定發生火災情況下的最大熱釋放速率。觀音閣內無噴淋等自動滅火系統，上海市地方標準中規定“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，因此，Q取值為8×1.5=12MW。
　　3.4 邊界條件及初始條件的設定
　　在進行計算機模擬計算時，采用了以下模擬初始條件：
　　1）氣象條件：環境空氣溫度為20℃；
　　2）排煙條件： 自然通風口，與外界相通。一樓南側有三個門（3m×4m；4m×4m；3m×4m），北側一個門（4m×4m）；二樓西側三個開口（1m×0.5m； 1m×0.5m； 1m×0.5m）距地面1.5m，東側的墻上開口與之對應；三樓南側有三個門（3.3m×2.75m；3.8m×3.25m； 3.3m×2.75m），北側有一個門（3.8m×3.25m）；
　　3）火源功率：火災發生時，三種火災場景的火災初期發展規律用t2快速火表示，增長到最大規模后，保持不變直至模擬結束；
　　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整座建筑統一采用0.25m×0.25m×0.25m的網格。如圖3-2所示。
　　6）網格劃分：連同高大坡屋頂在內整座建筑統一采用0.25m×0.25m×0.25m的網格。
　　7）模擬時間：600s。
　　4.模擬結果分析與討論
　　4.1 煙氣流動分析
　　煙氣蔓延規律如圖4-1所示：
　　由模擬結果可以看出，火災發生以后，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三樓，400s的時候，煙氣已經由三樓的門窗向外溢出，而一二樓的煙氣并不多。
　　4.2火災蔓延分析
　　研究觀音閣起火后火災蔓延的趨勢，主要考察觀音閣內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件，一旦墻壁燒損，將導致煙氣蔓延加快，甚至導致建筑物垮塌。當溫度達到250℃時，視為對墻壁或樓板造成威脅。當一樓發生火災，如本文所設計的火災場景起火后，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，在火災發生后300s時，整體二樓的樓板已經呈現較高溫度，特別是北側回廊，局部溫度已經達到300℃，有被燒穿的危險。
　　5 火災探測器的設計
　　獨樂寺觀音閣火災荷載較大，由于其建筑結構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，采取現代化的火災自動報警及早發現火災，是必要的選擇。
　　5.1火災探測器的類型選擇
　　觀音閣內的可燃物起火后會產生大量的煙，煙霧也是火災早期的現象，利用感煙式火災探測器可以最早探測到火災信號。因此，可以在觀音閣內使用點型離子感煙探測器，它是采用空氣離化火災探測方法構成和工作的，靈敏度較高，且適用于火災初期有陰燃階段，產生少量的煙的情形。觀音閣內結構復雜，遮擋物也較多，使用光電感煙探測器容易出現誤報，且光電感煙探測器對1μm以上的煙霧粒子響應較明顯，對黑煙的探測靈敏度相對較低，因此，不建議在觀音閣內安裝光電型感煙探測器。
　　觀音閣火災初期在產生大量煙霧的同時，燃燒物在燃燒過程中釋放出大量的熱，周圍環境溫度急劇上升，因此也可使用感溫火災探測器。其工作不受非火災性煙霧的干擾，且靈敏度較高。
　　為了提高火災監控系統的功能和可靠性，保證對初期火災的及時干預，本文將討論感煙與感溫兩種探測器的聯合布置方式。
　　感煙探測器的保護面積和保護半徑見表5-1：
　　感溫探測器的保護面積和保護半徑如表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探測的區域。一樓探測區域面積S=286.84 m2，由表5-1查出，A=60 m2，R=5.8m，由于一個探測區域內所需設置的探測器數量，不應小于下式的計算值：
　　（1）
　　式中N是探測器數量，只（N應取整數）；S是該探測區域面積，m2；A是探測器的保護面積，m2；K是修正系數，（特級保護對象宜取0.7～0.8，一級保護對象宜取0.8～0.9，二級保護對象宜取0.9～1.0，觀音閣取值0.8）。
　　由（1）式計算得出，一樓應布置感煙探測器的數量不少于6個。然而探測器具體的布置方案還需根據模擬結果來設定，如果火源位置位于“中庭”底部，由模擬結果圖4-1～4-2可看出煙氣將會沿“中庭”直接向上蔓延，而導致一層的感煙探測器不能及時探測到火情。所以感煙探測器都應盡量靠近“中庭”布置一圈，使其探測到由中庭向上蔓延的煙氣。同時考慮到一樓北門有參拜處，可能有游客違規敬香，正門兩邊管理臺的值班人員違規使用照明或者取暖設備，都可能導致離子感煙探測器的誤報，因此在一層安裝感溫探測器配合感煙探測器使用，由模擬結果溫度分布圖4-19可以看出首先出現高溫的地方，從而確定感溫探測器應布置的地方，即在可能出現明火但感煙探測器容易發生誤報地點的正上方。本方案感溫探測器案靠近“中庭”北側參拜處布置，和布置在進門兩側在管理臺的正上方。 　　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分別監視東南角和西南角的管理臺，感溫探測器3監視大殿后方參拜處。感煙探測器1～5沿“中庭回廊”外側靠近“中庭”布置。由表5-1、表5-2得出的探測器保護半徑，在圖5-1中畫出每個探測器的保護范圍，可以看出，這種探測器的組合設計方案恰好使整個一樓處于探測器的監視范圍內，有效減少了探測器的使用個數，并且考慮到了不同探測器的適用條件，有效減少了誤報。
　　同時考察起火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：
　　由模擬結果可以看出：在同一時刻，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，這種模擬結果也驗證了一樓火源位置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回廊的探測器響應時間將較晚。如果能在中庭上方安裝探測器，就可以監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，就能達到早期探測報警的要求。其布置如圖5-4所示，其高度為Z=10m。
　　6.分析論證與結果討論
　　6.1一樓探測器的響應情況
　　當火源位于一樓“中庭”北側時。鄰近幾個感煙探測的探測情況如圖6-1所示：
　　根據圖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）報警時間為122s；感煙探測器Y5（17.4，12.0，6）報警時間為121s；感煙探測器YA（10.1，10.2，10）報警時間為22.2s。析模擬結果可知，感煙探測器Y1和Y5響應時間都比較晚，驗證了前面的觀點：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吊頂下聚集，而是直接向上蔓延直接到達感煙感煙探測器YA，由于煙氣蔓延的這種蔓延特性，此種情形的火災可以用感溫探測器來監測報警。
　　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中可對應感溫探測器W3響應時間為28.2s，符合報警要求。為防止誤報，考慮感煙探測器YA和感溫探測器W3都動作時所對應的時間為感煙探測器準確報警時間，即28.2s。
　　7.結論
　　（1）提出了基于火災動力學模擬的對古建筑觀音閣進行火災探測器的組合布置方法：對于多層或高層閣樓式古建筑其探測器應該靠近“中筒”布置以監測由“中筒”底部向上蔓延的煙氣。通過對模擬結果的分析與討論，探測器的設置比較合理，能夠實現早期報警，而且考慮了古建筑用于參拜的特殊用途，有可能導致感煙探測器誤報，實現了消防設施的合理化，降低了成本。
　　（2）總結了閣樓式有中空部分多層古建筑的煙氣蔓延和火災蔓延規律，對同類古建筑的火災研究具有一定的參考價值，對同類古建筑的消防設施設置有推廣性。
　　（3）FDS軟件模擬的火災情形有別于真實火災，沒有考慮到其他因素的干擾，如室外風，人為因素等等。火災場景設置存在一定片面性，對于不同火災規模、火源位置火災蔓延規律可能會有變化。
　　（4）火災發生初期減光率和溫度都呈現穩步增大趨勢，后期數據出現一定程度的不穩定，特別是一樓的火災，說明煙氣蔓延情況也更加復雜，分析這樣現象出現的原因可能是一樓有較大通風口，且由“中庭”向上連通，煙氣流動劇烈，越到后期氣流對探測器的影響越大，而探測器則是要實現火災的早期報警。后期火災的蔓延規律還有待進一步研究。