FDS软件在三坊七巷火灾风险评估中的应用研究

李凌枫 刘舒媛

(福州轨道交通设计院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

福州三坊七巷历史文化街区(简称“三坊七巷”)由东西走向的3个坊7条巷和1条南北走向的中轴街肆(南后街)组成，与朱紫坊历史文化街区乌山和于山历史风貌区邻近，是福州历史文化名城中古城风貌的核心组成部分[1]。“三坊七巷”基本保留着明清时期的格局，涵盖有保存较为完好的明清古建筑近200座。以众多的文物古迹名人故居和民居街巷为载体，是福州市最具代表性的“明清民居古建筑博物馆”。历史文化街区的保护需要遵循科学规划严格保护的原则，要保持和延续其传统格局和历史风貌，维护历史文化遗产的真实性和完整性，继承和弘扬中华民族优秀传统文化，正确处理经济社会发展和历史文化遗产保护的关系[2]。

历史文化街区在进行消防规划保护维修和改造建筑过程中，难以简单地执行现行国家消防技术规范。通过对“三坊七巷”的火灾风险评估，可以充分了解“三坊七巷”面临的消防安全状况，提高消防安全决策的科学性，减少火灾事故的发生，特别是防止重大恶性火灾事故的发生。相关研究成果，也可以为街区消防规划的编制提供数据和支持，并根据街区内消防安全的客观要求和火灾风险的高低轻重缓急，提出相应的改造方案和建议，解决或减少街区内消防安全隐患[3]。

1 FDS软件模型建立

火灾的蔓延方式，有飞火延烧热传导热辐射等。当可燃物为离散布置时，飞火和热辐射是火灾在建筑物间蔓延的重要途径。

美国防火研究基金会(NFPRF)提出的火灾风险评估方法，按照表1中列出的辐射热通量范围对材料的可燃性进行分类。

表1 点燃能力及对应的热通量

注：括号内为常用值。

本研究保守地将热辐射通量为10kW/m2，作为判定火灾是否蔓延出着火区域的极限热辐射通量。为确定三坊七巷街区内某典型建筑发生火灾对周围建筑的影响，本次模拟采用了火灾动力学模拟软件Fire Dynamics Simulator，简称FDS，通过数值方法求解湍流方程，分析燃烧过程中的烟气扩散和热传导，包含燃烧模型热辐射模型和热解模型等[4-5]。FDS偏微分方程组解的核心算法，是一种显式的预测-纠错的方法，时间和空间的精度为二阶，计算中涡流处理方式为大涡模拟，处理火灾烟气流场，具有较好的精度。FDS在建模时，只能建立矩形模型。因此，对于本建筑中的圆弧，采用了以折线代替弧线的处理方式。图1为模型效果图。

图1 模型效果图

在设计火灾场景时，需要确定火源位置火灾发展速率火灾的可能最大热释放速率消防设施的作用等要素。火源位置设计在三坊七巷街区内某典型建筑距离相邻建筑的一侧，在该侧墙体上留有窗户及门等开口。一旦发生火灾，火灾和高温烟气的热辐射可能引燃相邻建筑内的可燃物，导致火灾的蔓延。

火灾增长速率是衡量火灾危险性的重要指标。通常火灾的热释放速率与火灾发展时间关系，可用公式(1)表示：

Qf=α(t-t0)2

(1)

式中：Qf-火源热释放速率，kW；

α-火灾增长速率，kW/s2；

t-火灾的燃烧时间，s；

t0-火灾的阴燃时间，s。

在工程应用中，由于火灾阴燃阶段对火灾蔓延影响较小，通常不考虑火灾达到有效燃烧需要的时间，而仅研究火灾开始有效燃烧后的情况，故，近似取t0=0。因此，火灾热释放速率随时间的变化关系，可以简化为式(2)：

Qf=αt2

(2)

2 火灾场景设置

火灾场景A：建筑一层的次房着火，3个窗户全开，次房门打开。火源热释放速率5MW。

火灾场景B：侧门附近的门道内堆放的可燃物发生火灾，并引燃次房内的可燃物，门道内可燃物的最大热释放速率为3MW，次房内的最大热释放速率为5MW。火灾增长速率α=0.04689kW/s2，火灾场景及火源位置如图2所示。

图2 火灾场景及火源位置

3 火灾场景模拟

将初始条件输入到FDS中进行模拟，火灾场景A的模拟结果见图3～图5所示。

图3 火灾中产生的烟气分布情况

图4 火灾中热释放速率分布图

(a)距着火建筑侧墙1.0m处热辐射强度纵向切面

(b)距着火建筑侧墙2.5m处热辐射强度纵向切面

(c)距着火建筑侧墙4.0m处热辐射强度纵向切面图5 热辐射强度分布图

将火灾场景B初始条件输入到FDS中进行模拟，模拟结果如图6～图8所示。

图6 火灾中产生的烟气分布情况

图7 火灾中热释放速率分布图

(a)距着火建筑侧墙1.0m处热辐射强度纵向切面

(b)距着火建筑侧墙2.5m处热辐射强度纵向切面

(c)距着火建筑侧墙4.0m处热辐射强度纵向切面图8 热辐射强度分布图

4 模拟结果分析及结论

通过设定火灾场景下火灾蔓延和烟气运动的模拟计算，可以得到如下结论。

(1)不同火灾场景及防火间距下，相邻建筑外墙所受到的最大热辐射强度，如表2所示。

表2 不同防火间距下相邻建筑物外墙所受最大热辐射强度

(2)距离建筑外墙4.0m以外的热辐射强度小于10 kW/m2，火灾不会通过热辐射蔓延至相邻建筑。

(3)距离建筑外墙2.5m～4.0m范围内的辐射强度可能大于10 kW/m2，火灾可能通过热辐射蔓延至相邻建筑，应对墙上的开口采用进行保护措施，防止火灾蔓延。

(4)距离建筑外墙2.5m范围以内的辐射强度远大于10 kW/m2，应避免在墙上设置开口或设置喷淋系统，防止火灾蔓延。

5 提出建议及措施

对照主要风险因素，对三坊七巷历史文化街区整体的火灾风险控制提出建议及措施：

通过上述模拟发现，该典型院落的消防薄弱点位于门窗等开院落开口处。由于三坊七巷历史文化街区内很多建筑为砖木或木结构建筑，其可燃物多，耐火等级低，在火灾中往往出现屋顶坍塌的情况。根据《福州市历史文化街区消防专项设计导则》中关于消防给水系统的描述：消防给水系统宜结合地形特征，采用常高压或临时高压给水系统。在保持建筑原貌的前提下，进行安装设置。在连廊处加装高压细水雾灭火设备。细水雾灭火设备将水流分解成细小雾滴进行灭火或防护，具有无环境污染灭火迅速耗水量低对防护对象破坏性小保护方式灵活。快速响应救火需求，及早扑灭火灾，减低火势的蔓延。

在不影响历史文化建筑风格的基础上，对在门窗柱梁仿椽斗拱等主要木质构件(特别是闷顶内的梁架等)的表面涂刷或喷涂防火涂料，以降低木材燃烧性能。普通历史建筑主要的承重构件楼梯，采用不燃或难燃材料；新建建筑，可采用传统材料和型制，当使用木质构件时，木材应经过阻燃处理，且应达到B级。这样，即提高了构件的耐火极限，同时保持了古建筑中构件的原貌。

对于位于消防分区边界长时间不使用的门窗，可以进行封堵，使其处于常闭状态。用防火封堵材料对木梁木柱等构件中的开裂缝隙木构架中的连接处进行封堵，在火灾发生时，防止火势的蔓延通道。具体措施：①当消防分区之间的距离小于《建筑设计防火规范》 GB50016-2014要求的最小距离但不小于4.0m时，分区之间的墙采用防火墙设计，防火墙上的开口采用防火门窗进行保护。②当消防分区之间的距离小于4.0m但不小于2.5m时，分区之间的墙采用防火墙设计，墙上的开口采用防火门窗进行保护，并在附近设置消火栓接口连接屏障式水幕水枪或移动式消防水炮进行防火保护。其中，屏障式水幕水枪喷头为扇形，喷出的扇形水幕可形成12m～15m的保护半径；移动式消防水炮体积小重量轻操作简便灵活可靠，特别适用于消防车难以进入的区域。③当消防分区之间的距离小于2.5m时，分区之间的墙采用无孔洞的防火墙；当确有必要开口时，开口采用防火门窗进行保护，并在该防火墙一侧的建筑内设置自动喷水灭火局部，应用系统(或简易自动喷水灭火系统)。

加强组织领导建立管理制度明确管理职责；严格控制火源规范电气管理，清除火灾隐患；加强消火栓火灾探测器火灾报警装置灭火剂等消防设施的管理；加强安全疏散设施的管理，保证消防应急照明安全疏散指示标志应完好有效，确保疏散通道安全出口的畅通。强化宣传教育，提高人员消防安全意识。