木结构文物建筑火灾蔓延特点研究

田承玉　周文栋

摘 要：我国有着悠久的历史文化，在千百年的历史文明推进中出现了许多吸引人且具有创造力的建筑物。其中最具代表性的就是各种木结构文物建筑。木结构文物建筑蕴含的经济、文化、历史价值突出，因此有必要展开木结构文物建筑火灾特点分析，确定防火办法，保护我国木结构文物建筑，传承历史文明。文章将以木结构文物建筑的火灾原因和特征作为切入点，围绕火灾理论展开影响要素研究，分析火灾蔓延的特征，最终确定减少火灾损失与影响的安全间距。

关键词：木结构;文物建筑;火灾蔓延特征;防火间距

0 前言

我国的古建筑大多为木质结构，受木材自身特点限制，消防基础较差，大多没有进行任何阻燃处理。有些建筑物虽然过去进行了火灾方面的阻燃处理，但随着时间的推移，其火灾抵抗能力早已消逝。近些年随着国内旅游产业的快速发展，建筑能耗、人员密度、经营业态发生翻天覆地的变化，这是目前木结构文物建筑消防安全管理面临的最大挑战。为解决消防安全问题，要展开木结构文物建筑火灾蔓延特点分析，确定合适的防火间距。

1 国内外研究

1.1 木材热解动力学研究

木结构文物建筑就是以木材为主体的建筑物。就木材的燃烧与火灾蔓延而言，热解过程作用显著。木材燃烧与蔓延中，热解提供了可燃气体，关系到火焰燃烧能力。首先是预热。在外部热量作用下，木材的内部温度开始上升，此时内部聚合物出现微小的变化。其次是降解。该过程木材有比较稳定的表面，且表面颜色逐渐加深。加热木材后，内部的分子链分解，一些聚合物分子开始玻璃化。再次是热分解。该环节木材逐渐分解，内部的大多数分子会在热作用下渐渐失效。在热解作用下，木材变成分子片段与炭渣。最后是氧化。热解出现易氧化分子片段后氧化燃烧，释放热量。以宏观角度来看，木材的热分解包括预热、热分解、着火、燃烧与蔓延。热解是后续三个过程的前提和先导，关系到最后木材是否可以完全燃烧以及燃烧热量。

1.2 木结构文物建筑室内火灾蔓延研究

国内外众多学者与专家对建筑物火灾的发展、蔓延进行研究，不过却很少研究火灾后木结构文物建筑的内部情况。许发俊研究的是木结构文物建筑在火灾后，室内的木材部分碳化明显，研究重点是微观结构、碳化速度以及碳化机理①。杨光研究的是在模拟实验中，在建筑物的两层设置火源，分析不同房间温度的变化以燃烧后木材碳化层的厚度，最终得出楼板与木隔板在一定程度上具有阻止火灾发展与蔓延的价值②。彭磊研究的是木结构文物建筑发生火灾之后炭化速率，其利用木结构受热后的炭化速率与温度分布创建模型，充分考虑木材的含水率、密度、炭化收缩动力、木质素③。高晓明通过建立走廊、房屋模型，模拟研究烟气传播规律，得出走廊回燃原因④。国内外学者目前的主要研究方向集中于中庭、大空间、高层建筑，缺少足够多的木结构文物建筑模拟研究。

1.3 木结构文物建筑间火灾蔓延

在木结构文物建筑火灾发生时，热量会以辐射形式朝向整个空间流窜。距离建筑物越近，辐射作用越明显，同时也会增加火灾出现概率。木结构文物建筑发生火灾以后难以救援，很大程度上是因为热辐射对于木材的影响十分明显。研究人员用理论方法研究和处理木结构文物建筑间火灾蔓延，使用计算机计算和模拟木结构文物建筑火灾蔓延过程。

如陆斌辉对吊脚楼这种类型的建筑物特点、火灾因素进行了研究，之后应用数值模拟的方法，确定与了解吊脚楼火灾成因④。虽然模拟结合与真实结果出现了一定偏差，包括建筑材料没有充分燃烧，但却从中得到火灾现象重要参数，包括温度分布与烟气浓度。

1.4 木结构文物建筑防火研究

目前，国内在木结构文物建筑的防火研究中，主要研究方向为结构防火与材料阻燃，没有深入研究木结构文物建筑的火灾动力学机理。国内的一些研究所和高校结合国外的经验与技术，对建筑物木材燃烧参数和阻燃技术进行了许多研究，并在2005年修订《木结构设计规范》，限定各种木结构文物建筑构件耐火极限与燃烧性能。

2 木结构文物建筑火灾原因与特点

2.1 原因

2.1.1 引起火灾因素多

不慎用火是火灾出现的主要原因。相较于过去，如今木结构文物建筑不合理用火的情况变得更严重、种类更多、范围更广。如目前很多木结构文物建筑为满足旅客的需求，使用各种新能源，包括液化石油气、煤气，为游客提供热水、供暖。不正确地使用这些能源很有可能引起火灾①。

木结构文物建筑的电气火灾发生原因一般是原本线路老化严重，存在潜在隐患。如很多历史街区的木结构文物建筑在解放时期开始迁入电缆线路，历经数十年的时间却没有更新换代，不少电缆线路严重老化。

在旅游业快速发展的今天，木结构文物建筑周围出现各种服务设施，大功率用电增加了火灾隐患。

2.1.2 材料本身存在危险

木结构文物建筑的主材是各种木材，木材燃烧性关系到最后的火灾危险性。木材是有机物质，主要成分是纤维素、木质素、有机物，有着很高的可燃成分，其大多数是易燃挥发物，在受热后容易分解②。在温度小于100摄氏度时，木材水分开始蒸发;超过100摄氏度以后，一些可燃气体从木材内部溢出;在温度处于260摄氏度时，木材内部溢出非常多的可燃气，在可燃物燃烧之后会释放大量热量，进一步增加木材热解性，产生恶性循环。木材的引燃点只有158摄氏度，自燃点在400至600摄氏度间，属于非常容易燃烧的材料③。木结构文物建筑的木材多年风化，含水量非常低，大多为全干木材，非常容易燃烧。

2.1.3 构件本身存在危险

建筑物的燃燒速度除了和材料性能有关，还和构件形式有关。表面积越大的构件越容易剧烈燃烧、受热分解。木结构文物建筑物大多采取镂空构件模式，有着极大的表面积。发生火灾后，火势往往非常大，火焰会四处乱窜。

物体燃烧需要氧气、火源两个条件④。木结构文物建筑的火灾与环境氧气量供应的稳定性有很大联系。木结构文物建筑一般会制作有着较大火灾荷载的屋顶，因此通风条件非常好，有着很充足的氧气供应。屋顶燃烧时如同架空后的干柴，不仅燃烧速度惊人，同时反应也十分剧烈。

2.1.4 建筑布局存在危险

大多数木结构文物建筑都是单栋建筑物，用门廊连接成庭院。庭院的组合又构成了建筑物群。木结构文物建筑大多成组、成群的对称布置，有着宏伟的气势与壮观的规模。庭院往往不会考虑防火间距问题⑤。其中一栋着火后，立刻会引燃周围建筑物。如果此时风向提供助攻，会导致火灾大面积、快速蔓延。

2.2 特征

2.2.1 燃烧速度快，容易复燃

我国历史悠久，许多木结构文物建筑已经保存千年。随着千百年的时间推移，这些建筑物的主材风干老化，出现了许多裂缝。建筑物圆柱并非完整木材，大多用了许多木材拼接。圆柱的表面涂刷油漆并包裹了麻布。在发生火灾之后，火焰顺着拼接缝隙与裂缝快速蔓延⑥。

木结构文物建筑热解参数低，易燃烧。发生火灾后，室内温度快速上涨，很容易短时间内便出现轰燃情况。木结构文物建筑火灾发生后，火焰顺着缝隙蔓延，火灾规模变大。缝隙如果积累了足够高的热量，且没有良好的散热条件，即便工作人员已经扑灭火灾，也有很高的概率出现复燃。

2.2.2 早期难扑灭

绝大多数木结构文物建筑物的问题都是内部缺少良好的消防条件。虽然配备了一定量的灭火器，但给排水管道的配备和烟雾报警、自动喷淋灭火功能的缺失导致发生火灾以后，往往做不到第一时间灭火。没有配备以上设施考虑的是，给排水管道以及自动喷淋灭火很有可能会导致木结构文物建筑受水腐蚀。中华人民共和国成立后我国经济快速发展，清洁且方便的自来水已经成为人们生活最重要的水源。不过考虑到原生态保护，木结构文物建筑并没有配备自来水管网①。

2.3 损失影响大

木结构文物建筑历史悠久，不仅有历史研究价值，同时也有文化研究、旅游经济价值。发生火灾不仅会导致历史文化断层问题，同时也会导致人员伤亡。经济损失尚能在外界、政府帮助下弥补，但在火海中一同消失的各种文物将永远无法挽救。我国木结构文物建筑历史悠久，极具时代美感，是我国历史、艺术、人文、文化载体。

3 木结构文物建筑火灾理论

3.1 热解、著火与蔓延理论

除了屋顶盖瓦以及部分墙体外，木结构文物建筑中的大多数构件都是木材。相较于现代建筑，木结构文物建筑燃烧速度更快，燃烧程度更激烈，火灾危险性极高。木材燃烧由下述流程组成：在外界环境的热量影响下，木材分解出非挥发性炭化物质与易燃烧挥发性物质。在引火源作用下木材表面温度快速提高，在温度达到能够挥发可燃气体燃点以后，木材燃烧。稳定燃烧一段时间以后，释放出的热量又会引导周围还没有燃烧的木材，这些木材同样会分解大量可燃挥发物质，随后快速燃烧。

木材热解温度说的是木材被外界温度热量影响，分解易燃烧物质。木材包括自燃、点燃两种着火模式②。自燃说的是没有引火源而是被外界环境作用，在可燃物温度达到一定水平就会出现燃烧。点燃说的是有引火源导致局部区域先着火，随后火焰就会朝着其他部位开始蔓延燃烧。

3.2 火羽流和热烟气流动

在火源点燃了室内可燃物之后，可燃物的表面会出现气相火焰，包括三个部分，底部是连续火区域，中间是间断火区域，二者共同组成了火羽流，最上面是浮力羽流区。在浮力作用下热烟气上升，到达屋顶之后顺着屋顶水平蔓延，该现象被称为顶棚射流。

3.3 火灾发展过程

火灾的燃烧包括三个阶段。

第一个阶段：初期火灾。在房间出现火灾以后，最开始可燃范围比较小，此时的燃烧耗氧量并不是很高。在火灾发展以后，火焰蔓延到其他可燃物，扩大燃烧范围。该阶段可燃物的燃烧速度并不是很快，且范围并不大，屋内的温度不高，不会产生严重影响。虽然该阶段的室内温度不是很高，但靠近火源的地方仍旧会释放很多易燃气体。

第二个阶段：轰燃和回燃。该过程是火灾重要现象。轰燃后室内温度快速提升，并且燃烧速率开始加大，释放大量热量，出现有毒气体和浓烟。烟气回燃出现在烟气层下边界，一般聚集在房间上部。

第三个阶段：旺燃期。轰燃后房间的门窗破损，此时外界的空气涌入建筑物，导致房间的可燃气体剧烈燃烧，进一步提高室内温度。建筑物内部可燃物全面燃烧，并且烟气迅速充斥所有房间，破坏力极强，严重损害建筑物构件。

3.4 影响火灾蔓延因素

①火灾荷载。在火灾研究中，火灾荷载属于重要研究内容，大小关系到火灾室内温度变化与持续时间。确定火灾荷载的方法有两种，包括热释放速率和燃烧热值。火灾荷载说的是建筑物的可燃物总量，该数字越大表示火灾风险越大，意味着需要非常严格的防火手段。火灾荷载并不能用于火灾发展、蔓延描述。

②材料特性。建筑物可燃物大多数是固体燃料。固体燃料危险性包括燃烧后的热释放速率、火焰蔓延速度、易燃性、引燃性。固体可燃物有着十分复杂的火灾危险性，在材料物理、化学等条件影响下，可引发严重问题。一些建筑物中的塑料受热后会有融化与软化现象出现，不像木材一样炭化。可燃熔融物聚集在材料底部能够持续性燃烧。

4 结语

长时间风化以后，木结构文物建筑的水分会蒸发干净，同时木结构文物建筑的表面通常会涂抹一些容易燃烧的油漆。起火以后火灾会迅速扩散与蔓延，以极短的时间出现轰燃情况。推算可以得知，木结构文物建筑内部火灾大多为中速火、快速火之间的类型。在轰燃后，火焰顺着门窗涌出，沿着门廊发展。此时门廊回燃烧，释放大量热量，引燃前木质立面。火灾顺着门窗四处流窜与蔓延。楼梯间起火后，热量迅速扩散并聚集在屋顶，在良好的通风环境下，火灾迅速蔓延。通过涂抹防火涂料可以很好地应对火灾蔓延速度和发展速度，尽可能为灭火创造有利条件。因此，必须注意易发生火灾且蔓延迅速部位的防火工作。涂刷防火涂料，推迟轰燃发生时间，甚至是切断蔓延途径。在建筑物全面燃烧以后，热辐射问题必须充分考虑，很有可能会引燃对立面、侧面的建筑物。从本文的叙述可以了解到，正对面建筑的木结构文物建筑，最佳安全防火距离为5.6米，侧面距离为2.8米。

①许发俊，张太亮，戴丹丹.某建筑物火灾后结构检测及鉴定[J].工程质量，2020（12）：40-44.

②杨光.新农村建设中消防工作存在的问题及对策研究[J].决策探索：中，2020（11）：78-79.

③彭磊，邱培芳，蒋邓睿.轻型木结构建筑外墙火灾蔓延试验研究[J].消防科学与技术，2020（3）：340-344.

④高晓明.木结构建筑电气设计关键技术[J].农村电气化，2020（1）：45-47.

①陆斌辉，陆伟东，刘杏杏，等.国外多高层木结构建筑发展概况及趋势[J].建设科技，2019（17）：41-45，51，3.

②鄢银连，相华江，解志勇，等.基于PyroSim的木结构建筑防火间距探讨[J].消防科学与技术，2019（8）：1091-1093.

③王琦.装配式木结构在建筑设计中的应用[J].建筑技术开发，2019（12）：5-6.

④马黎进，叶雁冰.侗族木结构建筑室内火灾危险性分析[J].消防科学与技术，2019（5）：640-644.

⑤屈伟，吴沐廷，宋伟，等.阻燃生态板在装配式木结构中的应用研究[J].建筑技术，2019（4）：399-401.

⑥蒋瞻，付海燕，王正，等.国内外木结构建筑耐火性能的研究进展[J].浙江林业科技，2019（2）：110-114.

①刘烁彤，包喜杰，刘玲.木结构建筑火灾现场勘验与认定方法研究[J].消防技术与产品信息，2018（12）：40-43，72.

②吴冬平.透明木材防火漆让木结构建筑在涂饰中得到防火[J].建设科技，2018（5）：36-37.

【作者简介】田承玉，男，汉族，山东泰安人，本科，中级职称，研究方向：文物修复及保护。