中国古建筑智能防火对策初探

高 仪，颜 丰

（台州学院 建筑工程学院，浙江 台州 318000）

古代建筑是人类文明的瑰宝，历史变迁的重要见证者。建筑本体及其内部文物是研究社会人文进步的一手资料，当古建筑尤其是木构古建筑（以下简称古建筑）因火灾燃烧而遭到损毁时，其价值将遭受极大影响，给社会历史的研究带来无可挽回的损失。

古建筑自身建造特点与外在人为因素的交叉影响是导致其火灾安全隐患众多的主要原因。随着时代文明的进步，古建筑的保护与修缮也越来越受到人们的重视，当下全球现代智能建筑的飞速发展与普及，对于古建筑的防火安全具有一定的借鉴意义。国内对古建筑智能防火改造的研究也层出不穷，例如薛奕［1］在独乐寺防火改造方案中指出，在布置火灾自动探测器时，应依据区域性质加大复合探测器与点型探测器的布置数量，建筑内采用中压单流体细水雾系统的水管线和喷头应架设在钢架网上，预留自动喷水灭火系统；翁文国，范维澄［2］分析了运用数值模拟计算、小尺寸模拟实验和盐水模拟实验进行古建筑中的火蔓延及烟气运动的计算，对古建的防火、灭火及火灾评估具有一定的指导作用；李晓刚［3］通过对消防物联网理念的借鉴与学习，探讨了利用物联网技术进行无线监测与反向控制来增强古建筑智能防火安全的必要性；李昕宇［4］结合人工智能技术，提出了在“互联网+”时代运用先进科学技术进一步提高消防安全信息化平台的能力。虽然我国在古建筑智能防火设计方面已完成部分的研发与应用，但目前的智能防火对策较为有限，研究只局限于火灾防范过程的某一阶段或组成部分，利用先进技术在根本上对古建筑进行火灾防范的研究不够系统全面，讨论大都局限于固定范围内。因此，如何将传统建筑与前沿科学相结合，在古建筑内构建一个稳定的智能防火网络，于火灾发生时能迅速采取对应的防火与灭火措施就成为了一项新的课题［5］。

1 近年我国古建筑火灾案例分析

2017年12月10日，四川省绵竹市九龙镇九龙寺大殿因电焊作业不慎引发火灾，因当时风势过大，建筑物间隔较小，大殿火灾发生后快速引燃了旁边的“亚洲第一高木塔”灵官楼(如图1［6］所示)。火势蔓延，熊熊燃烧，最终造成二殿一塔被毁，过火面积800余平方米。其中，灵官楼始建于明崇祯年间，曾在汶川大地震中损毁，震后原址重建的灵官楼共16层高，是中国传统的全榫卯结构，失火后损失不可估量［7］。

2018年2月17日，拉萨大昭寺供奉有释迦牟尼佛像的后殿二楼右侧通风室着火，着火时火势凶猛并伴有浓烟，过火面积50平方米左右，起火原因系电气线路故障所致［8］。

2019年5月30日，山西省晋中市平遥古城武庙发生火灾，致使正殿主体建筑烧毁坍塌。此次起火原因为文物保护工程施工单位在施工过程中存在明显违规行为，监管不力。此外，平遥古城还存在着部分市区和建筑电线线路敷设杂乱，消防管网、消防人员配备和管理上存在不规范等隐患和问题［9］，如武庙大殿门口施工现场使用电焊作业（如图2［10］所示）等。

图1 九龙寺火灾现场火光冲天

图2 武庙大殿门口电焊作业修工程车

中国应急管理部消防救援局近十年来共接报文物古建筑火灾392起［11］。同时，据国家文物局接报文物火灾事故数量统计显示，文物局近十年来共接报文物火灾事故150余起［12］，其中，2015年为21起，2016年为14起，2017年为17起，2018年为12起。随着文物平安工程的大力推进与文物建筑消防安全设施设备的不断完善，古建筑火灾事故数量虽大体有所下降，但惨痛的损失表明古建筑消防安全形势依然严峻，加强古建筑消防安全保护仍旧刻不容缓。

2 我国古建筑火灾成因与特征

2.1 火灾荷载大，耐火等级低，预防困难

我国古建筑大多以木质材料为原料进行建造并以木构架的形式出现，耐火等级低［13］。其建造所用的材料以松、杉、柏为主，经时间推移，木质材料变得疏松干燥并自然风化形成干裂，后期因装饰需要又在其表面涂以大量油漆彩绘，加大火灾荷载。由立柱和横梁构成的“间”字架构使得木材通风条件良好（如图3［14］所示），而屋顶结构严密，失火时火势在屋内沿着梁柱构件迅速蔓延，热量和烟气无法在短时间内消散而造成古建筑轰然倒塌［15］。

2.2 位置偏僻，群组相连，火势难控

古代建筑因政治、宗教、文化需要通常建于崇山峻岭之上或通曲深谷之中，如五台山佛教寺庙、武当山道教道观等（如图4［16］所示）。由于这些地带山路崎岖，道路狭隘，火灾发生时消防车与消防员难以及时到达现场，加之僧侣缺乏基本灭火技能，且建筑周边消防设施匮乏，甚至没有过多的消防水源，以致火灾发生时无法进行有效的灭火扑救，任由其发展，最终使文物古建筑化为灰烬。另外，古建筑通常以群落组合的形式出现，院落与廊道的建造方式使得建筑与建筑之间前后相接，上下套叠，防火间距狭小，安全空间缺乏，防火分隔与消防通道缺失，一旦发生火灾，会引发一系列连锁反应，扩大火势［17］。

图3 “间”字架构古建筑

图4 崇山峻岭中的古建筑

2.3 分工不明，管理不当，诱因复杂

人为用火用电不慎近年来已高居于引发古建筑火灾原因的榜首。人为因素致火主要分为以下部分：用火不慎、用电不慎、人为放火玩火、生产违章作业［18］，其中用火不慎又主要包括生活用火不慎与宗教用火不慎。国内近十年392起古建筑火灾成因分析如图5［11］所示。

图5 国内近十年392起古建筑火灾成因分析

2.3.1 生活用火不慎

因生活用火不慎而引发火灾的具体原因有：明火炊煮、火炉采暖、蚊香驱蚊、乱扔烟头等。

2016年3月，湖南省南岳庙一个月内连续发生两起火灾，工作人员消防安全意识淡薄，管理松懈，起火原因为：烧香和违规使用电烤炉［19］。

2.3.2 宗教用火不慎

因宗教用火不慎而引发火灾的具体原因有：大规模信众明火燃香烧纸、香客携带易燃易爆物品、灯烛火种引燃桌围等。

2017年10月30日，全国重点文物保护单位法轮寺东配殿发生火灾，致使50平方米东配殿基本被毁，起火原因为：工作人员熄灭的油灯芯复燃进而引燃周边可燃物［20］。

2.3.3 电气使用不当

因电气使用不当而引发火灾的具体原因有：私搭乱接电线、线路老化严重、电气设备安装不规范、管理人员使用大功率电器烧水炊火，导致电路过载短路、照明采用发热量大的灯具并将其置于可燃物附近，物体间发生热传导引发火灾等。

2015年1月3日，云南省巍山县省级文物保护单位拱辰楼发生火灾，拱辰楼建筑城台上的木构建筑基本烧毁，受损面积为765.62平方米，起火直接原因为：电气线路一次短路［21］。

2.3.4 人为放火玩火

人为放火玩火包括犯罪分子、精神障碍患者放火，未成年人玩火等。

1980年9月29日，浙江普陀山法雨寺清华洞烧毁楼房6幢，建筑面积达400平方米，起火原因为：小孩玩火［22］16。

2.3.5 生产违章作业

因生产违章作业而引发火灾的具体原因有：施工现场管理混乱、使用明火工具进行作业、可燃物品随处堆积、施工人员随意吸烟等。

1971年4月8日，四川省峨眉山金顶寺、永明华藏寺发生火灾，烧毁建筑8200平方米，死亡1人，起火原因为：工作人员违章作业［22］15。

2.4 自然灾害，不可避免，难以预知

因古建筑自身较为高大或建造地势高，导致其容易遭受雷击引发火灾。在我国古建筑中因雷电引起火灾事故的事例也数不胜数，例如北京故宫曾遭受数十次雷击而造成或大或小的烧毁。因雷击导致火灾事故频发，所以古人早在屋顶镶嵌鸱吻（如图6［23］所示）并将铁链接到地上用以导电。现代针对雷击这种自然现象也采取了较多的有效措施，例如分流、均压等，最大程度地减轻了自然灾害带给古建筑的伤害。

图6 古建筑鸱吻导电避雷

3 古建筑智能防火技术对策

古建筑因其客观的建筑特征而导致耐火等级低、火烧连营、易遭雷击的情况在后期防范中难以为人所控，而人为用火用电不慎又使得古建筑火灾高发。因此如何在古建筑特征对防火救火不利的现实情况下降低人为因素导致火灾的频率，继而减少火灾发生事故的发生就显得尤为重要。

当前，在消防安全中融入人工智能和交互技术来创建防火体系已成为主流。将前沿科学融入古建筑智能防火中，使得消防设备在复杂的古建筑环境内也能自感知、自适应、自控制、自决策的手段可大大降低古建筑的火灾风险。

3.1 应用火灾风险评估技术

运用现存火灾风险评估技术中的精确定量分析法，技术人员可通过计算机模拟软件，建立古建筑火灾模型，采用非稳态模拟方式模拟火灾发生时的烟气运动、温度变化、火势发展、人员疏散等情况［24］。对于不同的古建筑模型，按照其独特的空间特征应选用不同的离散格式和数值方法，以准确全面地对古建筑火灾情况进行分析。常用的离散方法有有限差分法、有限元法、有限体积法［25］；常用的定量分析法有建筑火灾安全工程法［26］、火灾风险与成本评估模型［27］、模糊数学评估法［28］等。其中，古建筑火灾的分析以模糊数学评估法为主。同时，建立含有古建筑消防设施、消防管线的建筑信息模型，根据火灾模型和信息模型共同分析被测古建筑的火灾危险程度，辅之模糊综合评估方法，通过层次划分与指标选取制定消防安全检查表，进行古建筑火灾起火可能性与危害性评估，在多方位考量基础上得出适合被测古建筑的消防方案。将此系列评估手段和消防方案归入档案，上传消防部门，消防部门按分析结果对负责区域内古建筑进行分级，经安全评定后采取对应整改措施，做到从根本上防控火灾的发生，具体流程如图7所示。

图7 古建筑火灾风险评估技术流程简图

3.2 健全火灾自动探测技术

因古建筑采用木制装配形式，运用榫卯结构进行搭建，空间高大复杂，后期消防电缆布线受限且易破坏古建筑外观，故可采用无线传感器网络进行火灾自动探测与报警，在其周围设置数量不等的无线通信节点［29］。针对不同的部位特征，节点中应安置不同类型的传感器监测该区域内比较敏感的参数信号，例如在殿堂内采用测量红外参数信号的传感器，在藏书阁内放置测量光强度信号的传感器等。节点群通过自组织形式组成无线通信网络，将区域内的监测数据传输到sink节点，通过sink链路借助互联网和卫星将监测区域数据进一步上传到控制处理中心，具体流程如图8所示。在已安装有线火灾自动报警系统的古建筑内，无线传感器网络在兼容后可作为其中的子系统发挥普通的探测作用。

无线传感器网络运用物联网技术能全方位收集古建筑内的温度、烟雾、光强等物理量，探测火灾信息，实现网络连接全面覆盖和报警信息快速传输的目标。

图8 无线传感器网络监测图

3.3 建立消防安全监控系统

工作人员消防意识淡薄是导致古建筑火灾高发的原因之一。为此，可在古建筑内接入监控视频，使得消防部门与政府部门可通过远程监控对古建筑内存在的火灾隐患进行排查，同时监控古建筑内管理人员的消防安全工作开展情况，对违规行为做到早发现与早处理。

消防设备在建筑灭火工作中的重要性不言而喻，运用物联网传感器构建设备监测系统能加强保障消防设备的正常运转。在古建筑内可利用物联网将消防设备运行状况接入网络平台与手机APP，时刻监测火灾自动报警系统的火警信息与故障信息、室内外消火栓水压信息、消防水系统主机状态，设置消防水池的古建筑应监测水池液位高度，保证火灾发生时拥有足够的供水水量。此外，将电气系统用电信息和荷载信息纳入监测范围，在电气发生故障或存有电气火灾隐患时，监测系统发出报警信息，工作人员与维保人员可在手机短信、应用推送等共同提醒下及时检查电路及维修电器设备并上报备案，避免发生电气火灾，监控系统如图9所示。

图9 古建筑消防安全在线监控系统简图

3.4 组建快速应急救援队伍

搭建统一调度平台。当古建筑发生火灾时，按照火灾风险评估应急预案一键调取相应救援队伍赶赴现场［30］，途中依托消防部门终端网络调取相应古建筑信息模型和火灾模型，同时平台实时视频传输火灾发展情况。消防人员提前进行古建筑火灾态势与周边环境状况的识别，为灭火争取时间。在救援时如遇到复杂特殊情况，则必须要建立线上线下指挥作战平台，联合多方应急部门与单位，在最短时间内给出最佳灭火方案。若古建筑所在位置偏僻，则应加强管理人员、消防专职人员的火灾应急培训，在附近建立微型消防站，并鼓励周边村民自发建立规范的民间消防临时救援队，做到古建筑发生火灾时，能在第一时间采取基本的扑救措施，减少火灾给古建筑带来的损失。

3.5 改善自动灭火装置系统

目前国内常见的火灾自动灭火系统有气体灭火系统、自动喷水灭火系统和细水雾灭火系统三类。前两类因古建筑自身密封性能差，部分地区消防水源供给不便和系统喷射所产生的气体与水滴易毁坏文物而不适用于古建筑灭火救援，因此古建筑内的自动灭火系统应以细水雾灭火系统为主［31］，如图10［32］所示。针对自动灭火系统，亦可利用物联网技术对设备信息进行采集，监控其压力与水量状态，做到随时监督维修，保证火灾发生时处于正常工作状态。

图10 移动式高压细水雾灭火系统应对古建筑无消防通道的难题

3.6 加强网络消防安全宣传

当下由于互联网技术的快速发展，人们接收信息的渠道日益多样，接受信息的速度也随之加快。因此，可以互联网信息平台为媒介，通过多种途径宣传消防安全的重要性，以此引起人们对古建筑消防安全的重视，加强人们逃生避险的意识，甚至主动发现古建筑消防安全隐患，降低古建筑火灾风险。可行的措施例如通过微信公众号推送古建筑消防安全知识，利用微博视频传播古建筑灭火窍门，通过网络空间散发古建筑消防宣传单，普及APP接受古建筑火灾隐患举报等。

4 结束语

本文以古建筑为研究对象，在分析其火灾成因与特征的基础上提出了适用于古建筑火灾预防与灭火的智能防火技术对策，将线上物联网、互联网的评估、探测、监控技术与线下人力监测和扑救相结合，构建古建筑智能防火网络，降低古建筑火灾风险，减少火灾损失。

古建筑作为国家文明的见证，有着极其重要的历史意义，将其完好无损地传承下去是我们的义务与责任。而古建筑火灾的防护是其被保护的重中之重，我们应跟随时代步伐，利用前沿技术增强其防火安全的可靠性，使其能够永世流传。