古城镇建筑火灾门窗洞口热辐射特征研究

张雨

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

古城镇建筑多是在各个历史时期自发建成的，建筑形式多样，且多为砖木或木结构，布局杂乱，其耐火等级、防火分区划分和消防基础设施建设与我国现行建筑防火设计标准存在很大差距[1]。另外，随着人口的快速增长和经济社会的快速发展，古城镇街区内的建筑使用和人员构成十分复杂，存在诸多消防安全隐患，火灾风险极大，这也是近年来古城镇火灾事故频发的主要原因。依据丽江、大理、香格里拉等地消防部门统计，2006—2016年云南大理古城、丽江古城和独克宗古镇等3个著名古城先后发生火灾34起。因此，对古城镇建筑的火灾蔓延特性进行针对性分析，并进一步为古城镇建筑消防改造提供参考，具有重要的现实意义。

辐射、热对流、飞火和火焰直接接触燃烧都可能导致火灾在建筑物之间蔓延，其中，热辐射是引起火灾向相邻建筑蔓延的主要因素[2]，而木结构建筑门窗是火灾热辐射的主要位置。在木结构建筑火灾及蔓延研究方面，多集中在对火灾蔓延过程的描述和模拟[3-6]。在火灾热辐射研究方面，对油池、油管、罐体等火灾研究较多[7-8]，而对古城镇建筑火灾蔓延门窗热辐射特性方面的研究相对较少。为了探究古城镇建筑火灾蔓延过程中的建筑外立面的热辐射规律，在热辐射原理[9]的基础上，以具体古城镇建筑为例，分别计算在建筑不同外立面门窗开口大小的情况下，建筑外部正对位和非正对位的热辐射大小，并在此基础上分析城镇建筑外立面典型门窗洞口的热辐射一般规律，从而为古城镇建筑的火灾防护及消防改造提供参考依据。

1 热辐射计算方法

1.1 点源热辐射

距离火源中心R处的辐射通量计算式[10]为

(1)

式中，Qe为火灾热辐射功率，kW；qR为距离R处的热辐射通量，kW/m2。对于建筑火灾，考虑火源热功率中有1/3的能量为热辐射[2，10]，则有

(2)

式中，Q为火源功率。

1.2 面源热辐射

面状辐射源在某点处引起的辐射通量计算式为

qr=φqe

(3)

式中，qr为接收面接受的热辐射通量，kW/m2；qe为辐射面的辐射强度，kW/m2。同样考虑火灾有1/3的能量通过热辐射释放，则有

qr=φq/3

(4)

式中，q为单位面积火灾热释放速率；φ为形态系数，与发射面的几何尺寸、发射面与接收面之间的位置关系有关。对于矩形辐射源，当发射面与接收面平行时，如图1所示，φ的计算式[11〗为

图1 发射面与接收面平行示意

(5)

当发射面与接收面垂直时，如图2所示，φ的计算式为

图2 发射面与接收面垂直示意

(6)

2 热辐射及建筑着火

2.1 辐射源的辐射强度计算

(1)门窗洞口的热辐射强度

门窗洞口的热辐射强度可采取一种较为保守的方法确定，按如下3个步骤完成[12]：①确定火灾持续时间，偏安全地取为3 h；②根据ISO标准升温曲线按式(7)估算建筑室内温度;③根据式(8)计算热辐射[2]。

T=T0+345×lg(8t+1)

(7)

式中，t=3 h=180 min，T0=20 ℃，计算得到T=1 109 ℃。结合火场实地调查数据，也可采用金属铜的熔点1 053 ℃作为常见民用建筑火灾室内温度上限。

qe=σεTe4

(8)

式中，σ为Boltzmann常数，取5.67×10-11kW/(m2·K4)；ε为发射率，偏安全地取为0.8。

(2)外立面燃烧的热辐射通量

SFPE防火工程手册提供了大量关于平直的垂直表面、带拐角(例如吊顶、檐口)的垂直表面燃烧热释放速率的数据，这些数据用于描述墙体或墙体表面装修材料燃烧的过程[13]。

2.2 引燃条件

对于给定的可燃物，在一定的辐射强度和足够的作用时间下一般都能够被引燃。同时，当辐射强度小于某一数值时，不管辐射作用时间有多长，都不能引燃某一可燃物，该辐射强度称为临界辐射强度qcr[2]。根据文献[14]，在不考虑风速、风向条件下，结合片区内建筑的使用特点，取qcr=10 kW/m2，当临近建筑的可燃构件(或用品)接受的热辐射通量qr≥qcr时，即可判定临近建筑被引燃。

3 案例分析

3.1 古城镇建筑概述

以昆明市某一城中村片区古建筑群为研究对象，该建筑群现存从元朝到民国时期的大量古建筑，建筑形式多样，主要采用二层土木或者砖木结构，耐火等级低，火灾危险性很大。建筑两侧山墙用砖或土坯砌成，封山砌筑，墙上开有窗洞。建筑临街面以商铺为主，商铺门窗普遍采用连片的雕花木板壁，即六合门(多用于首层)和六合窗(多用于二层)，片区内几种常见的门窗洞口尺寸如表1所示，其开口相较于其他建筑门窗而言要大得多，通风条件良好，加之建筑布局杂乱，防火分区划分不明确，存在很大的火灾蔓延风险。

表1 典型门窗洞口尺寸 m

3.2 门窗洞口及外立面热辐射强度

就片区建筑的建筑形式而言，热辐射主要有两种类型：室内火灾通过门窗向外的热辐射和木质外立面燃烧引起的热辐射。

(1)门窗洞口的热辐射强度

由式(7)～(8)可知，若温度采用1 053 ℃，计算得到qe=140 kW/m2；若温度采用1 109 ℃，计算得到qe=165.5 kW/m2。结合前述分析，门窗洞口热辐射通量可偏安全地按qe=140 kW/m2考虑。

(2)外立面燃烧的热辐射通量

片区内除具有民国时期风格的砖混建筑外，还有大量具有少数民族民居风格的木结构建筑。此类建筑两侧山墙、背立面墙体均采用240～500 cm厚实体砖(土)墙，实体墙上没有或仅有少量门窗洞口，前立面则大面积采用木质外墙，垂直外立面可燃烧形成垂直的面辐射源。考虑到片区内建筑的特点(有檐口或厦)，对于木质外立面燃烧的热释放速率偏安全地取为120 kW/m2。考虑有1/3的能量通过热辐射释放，则对于外立面燃烧引起的热辐射通量取为40 kW/m2。

3.3 正对位时辐射规律

(1)门窗洞口热辐射

针对片区内几种常见的门窗洞口，在发生火灾时，计算可得需要的安全距离dcr见表2，其中M3、M9、C1、C5不同距离处热辐射通量如图3所示。

(a)M3

表2 常见洞口辐射计算结果

可以看出，火灾时门窗热辐射是否会引燃周边建筑的安全距离与门窗洞口的尺寸有关，对于较大的门洞(六合门)，此安全距离在6.25～7.6 m；对于尺寸较小的窗洞口，此安全距离在3.5～4.5 m。起火建筑周边热辐射通量随距离的增大而减小。

(2)外墙面燃烧热辐射

片区内具有大面积木质外立面墙的建筑主要是沿街商铺，由多个开间组成，开间跨度为3.3 m，进深为7.2～10.0 m，两层，外立面高度为7 m，外立面燃烧单位面积火灾功率考虑为120 kW/m2，热辐射按40 kW/m2考虑。计算表明，外墙面燃烧的热辐射所需要的安全距离dcr与同时燃烧的开间数有关，dcr随开间数的增加而明显增大，如图4所示。

(a)1开间

在外立面总高度为7 m时，同时燃烧的外立面总长度及所需的安全距离dcr如图5所示。

图5 不同外立面长度所需要安全距离

可以看出，安全距离随开间数(或外立面长度)的增加而增加，当外立面长度达到29.7 m(建筑面积约427～594 m2)时，所需的安全距离为11.81 m；当外立面长度达到33 m(建筑面积约475～660 m2)时，安全距离达到12.1 m，超过规范规定的四级建筑之间的防火间距，这个防火间距要求明显比门窗洞口热辐射所需间距(见表2)大得多。因此，在存在大幅木质外立面时，木质立面燃烧引起的热辐射起控制作用。

3.4 非正对位时辐射规律

(1)计算方法

非正对洞口位置热辐射通量的计算模式见图6。其形态系数的基本计算公式[10,12-13]为

图6 非正对洞口情况下热辐射通量计算模式

φ=2(φ2-φ1)

(9)

(10)

(11)

式中，X1=αb/d，X2=(1+α)b/d，Y=0.5h/d；b为洞口宽度；α为位置系数；h为洞口高度；d为接收面与辐射面的垂直距离。

(2)典型门窗洞口非正对位热辐射计算

对于表2给出的几种门窗洞口情况，以其中M3和C1为例，热辐射强度的分布规律在不同错开距离下(用αb表示，α从上到下分别取0.1～2.0)、不同距离d的热辐射特征及最大热辐射强度qrmax的分析结果如图7所示，各门窗洞口临界错开距离Scr计算结果如表3所示。

(a)M3在不同错开距离、不同位置处的热辐射强度

表3 临界错开距离

可以看出，距离d一定时，错开距离越小(α越小)，受到的辐射通量越大。对于高度较高的门洞(高度>宽度)，临界错开距离大致为2.0 m；对于窗洞口，临界错开距离在1.0～1.1 m。

4 结论

通过对该古城镇建筑群一典型片区内建筑门窗洞口的火灾热辐射计算分析，可得到如下结论：

(1)正对位辐射时，起火建筑周边热辐射通量随距离的增大而减小。辐射的安全距离与门窗洞口辐射面尺寸有关，门窗洞口尺寸越大，所需安全距离越大。

(2)非正对洞口情况下，热辐射通量随(垂直)距离d的变化较为复杂，具有如下特征：①qr随错开距离αb的增大而减小。相同距离d时，α越大，qr越小，即相同距离条件下，错开的距离越大，接收的热辐射越小。②存在峰值qrmax和最危险距离。存在错开距离时，热辐射强度并非随距离d单调递减，而是表现出先增后减的规律，存在一个峰值(最危险距离)，峰值出现的位置随错开距离的增大而增大。③存在临界错开距离。当错开距离达到一定值时，即使距离d很小，接收的热辐射通量均不可能超过10 kW/m2，即错开达到一定距离时，距离d的值可以不限。

(3)根据门窗洞口的火灾热辐射特征，可以对建筑开口周围进行火灾风险评估及安全改造，对于古建筑文化及生命财产的保护具有重要的意义。