巴黎圣母院火灾蔓延过程初步模拟与防火改造建议

许镇 魏炜 杨哲飚 陆新征

法国当地时间2019年4月15日下午6点50分，巴黎圣母院发生火灾，这座人类著名历史建筑破坏严重。在收集火灾相关公开资料的基础上，本文建立了巴黎圣母院计算流体力学CFD模型，在火灾第2日就及时给出了巴黎圣母院火灾蔓延的初步数值模拟结果，并与实际蔓延过程进行了对照，结果表明模拟结果与实际火灾事故过程是一致的，为火灾事故原因调查提供了初步的参考。同时，我们借鉴中国古建马头墙做法，提出了巴黎圣母院屋顶的防火隔离改造建议，并且进一步借助CFD模拟手段，论证了不同防火隔离方案的隔离效果，为巴黎圣母院重建后的防火措施提供了参考。本文完成的巴黎圣母院火灾初步模拟与防火改造建议，对类似古建的消防安全工作都具有重要借鉴意义。

火灾蔓延过程初步模拟

（一）模拟对象

巴黎圣母院主体为砌体拱结构，上部覆盖木结构屋顶，如图1所示。砌体是不可燃物，因此，本次大火的蔓延区域主要在木屋顶部分，如图2深红色区域范围。该区域是本次火灾模拟的重点研究对象。

（二）CFD建模

为了模拟此次火灾事故，本文建立了巴黎圣母院的计算流体力学（CFD）数值模型，如图3所示。模拟平台为美国国家标准与技术研究院（NIST）研发的火灾动力学模拟软件（FDS）。图3中绿色部分为巴黎圣母院的木质屋顶，设置成可燃物，其他区域为惰性不可燃物体。

图1 巴黎圣母院内部结构（源自pinterest网站）

图2 巴黎圣母院火灾蔓延区域（图片源自BBC）

图3 巴黎圣母院火灾数值模型

精细化的火灾CFD模拟需要有详尽的火灾调查、设计图纸等数据的支持，而且一般需要大型计算机，长达数日才能给出结果。在本研究中，一方面无法获得火灾现场的详尽资料，另一方面也未及时给出火灾蔓延结果，因此本次巴黎圣母院CFD火灾模拟采用了大量简化处理手段，例如模型使用边长2m的立方体大网格，以节省计算时间。

（三）模拟结果讨论

经过数小时的计算，本文得到了巴黎圣母院火灾蔓延过程的CFD模拟结果。为验证模拟结果的合理性，本文将CFD模拟结果与《纽约时报》整理的巴黎圣母院火灾蔓延过程进行了对照。

根据《纽约时报》的整理结果，巴黎圣母院的火灾过程分为3个阶段：

1. 尖塔底部开始起火

法国当地时间2019年4月15日下午6点50分，巴黎圣母院大教堂屋顶上冒出火焰和烟雾。《纽约时报》结果与本文CFD模拟结果对照如图4所示。可以看出，本文模拟结果起火区域位于《纽约时报》给出的区域内，而且清晰地展示了起火区域的火灾烟气。

2. 火势蔓延到塔尖

2019年4月15日晚上7时40分，火势蔓延到巴黎圣母院大教堂的尖顶上。从图5可以看出，本文CFD结果蔓延范围与《纽约时报》整理结果吻合，均为尖塔及尖塔周边区域。

3. 火势蔓延到整个木屋顶

后来，火势逐渐蔓延到整个木屋顶，直至屋顶被燃尽。从图6可以看出，本次模拟的蔓延结果覆盖了整个屋顶，蔓延范围与实际蔓延范围相符，而且还模拟了木屋顶被燃尽的情况。

图4 起火阶段对照

图5 尖塔及底部火灾蔓延情况对照

图6 整个屋顶火灾蔓延情况对照

通过上述巴黎圣母院的火灾蔓延过程，可以清楚地看到：火是从屋顶中间部分开始，先向上蔓延烧毁了尖塔，然后向四周蔓延，烧光了整个十字型木屋顶。需要说明的是：（1）实际过程中，尖塔由于底部结构被烧毁，无法承受上部重力，发生了倒塌。但CFD模拟中，无法加载重力模拟其倒塌过程，这与实际过程有所不同。（2）由于数据有限，本文CFD模拟不能做到很精细，只给出一种基本判断。如需深入调研事故原因，必须结合现场调查，开展详细的模拟。

整体而言，与《纽约时报》对照结果表明：本文CFD模拟的火灾蔓延过程与巴黎圣母院实际蔓延过程是相符的。因此，火灾CFD蔓延模拟还原的火灾事故过程可以为火灾事故调研提供参考。

防火改造建议

（一）防火隔离改造建议

类似巴黎圣母院这样的木结构屋顶防火，自古以来就是一个难题。在人类长期与灾害斗争的历程中，也探索出了很多卓有成效的方法。例如，去过安徽的朋友们想必都对徽派建筑上的马头墙（图7）印象深刻。马头墙除了装饰作用外，一个很重要的用途就是作为防火隔断，防止火势在屋顶的架空空间里面快速蔓延。

受马头墙的启发，如果巴黎圣母院木屋顶也有这样的防火隔离，是不是就可以避免整个屋顶都被烧毁的结果呢？在这一点上，国内外学者的意见是一致的。《纽约时报》也提出，巴黎圣母院应该考虑采用防火墙来提高其防火能力，并且还建议了安置防火隔离的合适位置，如图8所示。

图7 徽派建筑的马头墙

图8 《纽约时报》建议的防火墙位置

图9 高防火墙方案

（二）基于模拟的方案论证

然而，《纽约时报》提出的设置防火墙方案只是一个概念建议，需要通过科学手段加以检验是否有效。在暂时不具备更好的研究条件的情况下，本文采用此前建立的火灾计算流体力学CFD模型，研究《纽约时报》提议的巴黎圣母院防火墙设置的可行性。

本文按照《纽约时报》的建议，在巴黎圣母院CFD模型中设置了防火墙，如图9中屋顶处黄色几何体即为防火墙。需要注意的是，该防火墙的高度是高出木屋顶的，因此该方案可以称为“高防火墙方案”。

在FDS计算得到的火灾蔓延结果如图10所示。通过模拟结果可以看出，当采用高防火墙方案后，火灾被有效隔断在起火的塔尖底部，没有进一步蔓延到“十”字形屋顶，巴黎圣母院的悲剧可以得到避免。

那是不是只要设置防火墙就解决问题了呢？我们还做了另一个防火墙设置方案，如图11所示。为了美观，该方案防火墙高度与教堂屋顶相近，可以称之为“低防火墙方案”。需要注意的是：两个方案中防火墙位置是相同的，只有高度是不同的。

图10 高防火墙方案下的火灾蔓延过程

低防火墙方案模拟得到的火灾蔓延结果如图12所示。在该方案中，由于防火墙高度仅与屋顶平齐，不能很好地阻止火苗的蔓延，防火墙并未完全达到抑制火灾蔓延的效果。

从高低两个防火隔离方案可以看出，防火隔离的高度是需要科学依据的，否则不能达到隔离效果，因此其相关设计需要包括CFD模拟在内的科学手段作为支撑。

结论

本文在巴黎圣母院火灾事故第2天就及时给出了其火灾蔓延过程CFD初步模拟结果，该结果基本上与实际火灾过程是一致的，可以为火灾事故原因调查提供初步参考。

本文采用CFD模拟对比了不同防火墙方案下巴黎圣母院火灾的蔓延过程，模拟结果表明：在屋顶增设防火墙对火灾蔓延是有效果的，但防火墙不能随意增设，必须进行合理可靠的设计，才能达到抑制火灾蔓延的效果。

巴黎圣母院火灾CFD模拟这样的工程灾变模拟具有重要的科学意义和工程价值。一方面，工程灾变模拟可以帮助我们理解灾害演化过程中的机理和规律，进而发现更好的防灾减灾方法；另一方面，工程中很多防灾减灾措施，也需要通过必要的灾变模拟分析，才能保障其有效性。因此，准确可靠的工程灾变模拟是防灾减灾领域不断努力研究并追求的目标之一。

图11 低防火墙方案

图12 低防火墙方案下的火灾蔓延过程

由于时间和资料都很有限，以上研究巴黎圣母院火灾的相关工作还是比较粗浅的，主要是为大家提供一些科普素材，促进更多的朋友们来关注、支持土木工程防灾减灾事业。