某古镇商铺建筑火灾蔓延数值模拟分析研究

摘要：针对某古镇商铺建筑耐火等级低、防火间距不足而等问题，运用FDS5.6软件进行了商铺建筑火灾蔓延数值模拟分析，分析结果表明：在5MW火灾规模下，火灾发生后，114s～125s内，顶棚将被引燃，火灾开始竖向蔓延。178s后，轰燃已发生，火灾进入全面燃烧阶段。302s～324s（5.02min～5.4min）内，距商铺2.5m处另一商铺将被引燃，火灾开始水平蔓延。分析结果可为古镇制定有针对性的火灾报警、防火分隔、人员疏散等预案提供技术依据。

关键词：火灾蔓延；数值模拟；古镇消防安全

0 前言

近年来，全国各地围绕古村古镇开发的旅游业得到蓬勃发展，极大地促进了当地经济的发展。但古村古镇也存在建筑物耐火等级低、防火间距普遍不足等先天火灾隐患，极易发生连片燃烧的火灾。如2014年以来，云南香格里拉独克宗古城、贵州镇远侗寨、湖南洪江古商城、云南丽江束河古镇、云南巍山拱辰楼等相继发生火灾，给人民生命财产、历史文化造成了巨大损失。由此，掌握古村古镇建筑火灾蔓延特性，并采取针对性的火灾预防措施，对降低古村古镇火灾风险有重要意义。

本文拟对某古镇商铺建筑开展火灾蔓延数值模拟分析，研究商铺建筑火灾水平和竖向蔓延情况，为该古镇火灾防治提供技术参考依据。

1 古镇概况

该古镇是以休闲、购物、观光为特色的旅游古镇，古镇主体部分是沿南北方向分布的一条300余米长的大街，街宽2.5m，沿大街依次分布10～30m2大小不等的商铺，其中南大街以特色小吃为主，北大街以旅游工艺品、古玩、字画为主。商铺建筑结构以砖木结构、木结构为主，建筑层数以一层为主。古镇平时日均客流量在3000人左右。

古镇由于建筑物耐火等级低、防火间距严重不足、基本无防火分隔，火灾蔓延风险较高。一旦发生火灾，极有可能造成火烧连营的现象。因此，有必要研究古镇商铺建筑火灾蔓延特性，为火灾防治措施提供参考依据。

2 古镇商铺建筑火灾蔓延分析

2.1 火灾场景设计

老街所有商铺中，饭店类商铺火灾荷载较多，火灾危险性较高，根据“可信且最不利”原则设定老街中某饭店商铺发生火灾，火灾时简易喷淋失效，采用自然排烟。火源设置在饭店大厅靠近南大街位置处，既考虑火灾竖向蔓延，也考虑水平蔓延情况。火源具体位置如图所示。

模拟分析中，考虑一组桌椅（每组为1张餐桌、4把座椅组成）着火，火灾增长类型为t2快速增长火。一张木制餐桌的火灾规模为2MW。依据“THE SFPE HANDBOOK OF Fire Protection Engineering（Third Edition）”，NIST曾对某些家具进行过火源热释放速率试验测试，单张座椅的最大热释放率为0.3MW。

通过计算得一组桌椅着火的火灾规模为3.2MW（4×0.3+2=3.2MW），本文在此考虑一定的安全系数（1.5），将无自动灭火系统控制下餐饮区火灾规模定为5MW。

根据以上内容，最终确定古镇商铺建筑火灾场景如表1所示。

2.2 总体模型

模型分析采用NIST发布的CFD软件FDS5.6进行建模和相应的数值模拟分析。模型为2层楼，有人字形屋顶。长14.7m，宽8.2m，层高2.2m，有两部楼梯，楼梯宽度为1.1m，CFD模型如图2所示。

2.3 CFD假设

此CFD模型中所采用的主要假设条件包括：

（1）初始的建筑内部与外部温度相同；

（2）无外部风，通风气流和烟气均视为理想气体；

（3）在探测到火灾后，所有通向外部的门应保持开启状态，所有侧窗或顶窗开启状态；

（4）忽略阻碍物和人员对气流的阻碍，以及人员疏散时对气流的扰动影响；

（5）忽略排烟系统和氧气含量对火源释热速率的影响。

2.4 火灾蔓延判据

商铺建筑结构为砖木结构，主要承重构件如梁、柱均为木结构，因此模拟分析中火灾蔓延主要考虑木材的火灾蔓延特性。

火灾蔓延方面的判据主要通过两方面来刻画。一方面是木材被引燃，此时认为火灾蔓延已经开始。另一方面是轰燃，轰燃的发生意味着火灾已经进入完全燃烧阶段。木材的引燃通过温度和热流量来表征。根据文献1中所述，木材被引燃的温度在250℃～300℃，临界引燃热流量值在10～13kw/m2。

轰燃的定量描述一般有两种。一种是以地面的热流量达到一定值为条件。通常认为，处于室内地面上可燃物所接受到的热流量达到20kw/m2就可以发生轰燃。另一种方式是以顶棚下的烟气温度接近600℃为临界条件。

2.5 结果分析

根据模拟分析需要，本次数值模拟分析共分析两个主要热物理量——温度和热流量。布置的测点有三个，分别是火源正上方顶棚处烟气温度测点T1，火源正上方顶棚烟气热流量Q1，饭店南大街对面墙壁热流量Q2。

顶棚烟气温度测点T1模拟值随时间变化的曲线如图3所示。顶棚烟气热流量Q1模拟值随时间变化的曲线如图4所示。饭店南大街对面墙壁热流量Q2模拟值随时间变化的曲线如图5所示。

从图3中可以看出，顶棚烟气层温度T1在前270s内一直处于不断上升的过程，270s后，溫度维持在大概600℃左右。其中，在175s处，温度处于251℃，221s处，温度值达到301℃。根据2.4火灾蔓延判据，可以得出：火灾发生后，175s～221s内，顶棚将被引燃，火灾开始竖向蔓延。270s后，轰燃已发生，火灾进入全面燃烧阶段。

从图4中可以看出，顶棚烟气层热流量Q1在前307s内一直处于不断上升的过程，307s后，温度维持在大概60kw/m2左右。其中，在114s处，热流量值达到10.3kw/m2；在125s处，热流量值达到13.0kw/m2；178s处，热流量值达到20.8kw/m2。根据2.4火灾蔓延判据，可以得出：火灾发生后，114s～125s内，顶棚将被引燃，火灾开始竖向蔓延。178s后，轰燃已发生，火灾进入全面燃烧阶段。

从图5中可以看出，饭店南大街对面墙壁热流量Q2在前324s内一直处于不断上升的过程，324s后，温度维持在大概13.2kw/m2左右。其中，在302s处，热流量值达到10.1kw/m2；在324s处，热流量值达到13.2kw/m2。根据2.4火灾蔓延判据，可以得出：火灾发生后，302s～324s内，饭店南大街对面将被引燃，火灾开始水平蔓延。

3 结论

笔者根据某古镇商铺建筑实际情况，采用FDS5.6进行了建模和火灾蔓延数值模拟分析，对结果进行了分析，分析结果表明：

（1）在饭店5MW火灾规模下，火灾发生后，114s～125s（1.9min～2.08min）内，顶棚将被引燃，火灾开始竖向蔓延。178s（2.97min）后，轰燃已发生，火灾进入全面燃烧阶段。

（2）火灾发生后，302s～324s（5.02min～5.4min）内，饭店南大街对面将被引燃，火灾开始水平蔓延。

（3）建议古镇根据以上火灾蔓延临界点时间制定有针对性的火灾报警、防火分隔、人员疏散等预案，以保障古镇建筑内及街道人员安全。

参考文献

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作者简介：陶庆，男，上海市公安消防总队浦东支队第六大队助理工程师，主要从事消防监督检查，火灾事故调查等工作。