基于PyroSim模拟的木质结构古建筑火灾报警系统研究——以曹溪寺大殿为例

陈晓楠 李祖鑫 谢建斌

目前，古建筑防火方面的研究已有一定基础。王雁楠等人通过火灾动力学模拟工具（Fire Dynamics Simulator，FDS）模拟得出房屋间距和风速是影响古建群落火灾蔓延速度的两个主要因素[1]。郭子东等人以布达拉宫东大殿为研究对象，探讨了性能化防火分析方法在古建筑防火保护中的应用[2]。孙贵磊等人以云南巍山古城拱辰楼为研究对象，应用火灾动力学模拟软件PyroSim 进行建模，分别设置7 组不同的风速进行模拟，得到了风速对古建防火的影响规律[3]。鄢银连等人以丽江市某拟建古城项目为研究对象，分析了不同防火保护距离、不同防火保护措施条件下的火灾蔓延情况[4]。任海龙等人利用FDS 对河北省正定县的大悲阁进行了模拟研究，论证了设置感烟探测器探测火灾的合理性[5]。李凌枫利用FDS 模拟分析了古建筑传统防火措施的适用性[6]。易晓列等人运用PyroSim软件评估了广州陈氏书院山墙和青云巷等传统防火构造的性能[7]。

但是，当前关于古建筑火灾致灾机理以及报警系统设置的研究仍然不多。为进一步揭示木质古建筑的火灾致灾机理，本文以云南省昆明市曹溪寺的木质结构大殿宝华阁为例，运用PyroSim 软件进行模拟，并提出火灾报警系统布设方案，旨在为木质古建筑的火灾初期预警提供一定的理论支撑。

1 曹溪寺大殿火灾模型的建立

曹溪寺位于安宁温泉对岸的龙山东麓，相传始建于宋代大理国时期，是云南省现存的最早且最完善的一座木结构建筑[8]。

曹溪寺大殿宝华阁坐西面东，平面为方形，面阔三间。殿内有“西方三圣像”和“三大士像”。大殿长12 m，宽10.6 m，内部空间高8 m，面积为127.2 m2，大殿中有24 根大柱。曹溪寺大殿的主要材料为木材，其承重结构均为木柱、木梁，殿中有供奉用的易燃织物品，耐火等级低于四级。

1.1 大殿模型

本文采用PyroSim 软件按照1 ∶1创建的大殿模型，如图1 所示。整个模型实际尺寸为12 m×10.5 m×8.3 m。模型网格数量共计8 064 个，模型中的单元格尺寸为0.50 m×0.50 m×0.52 m。考虑到大殿火灾蔓延等因素，将大殿内的起火点位置设置在香台1 处，起火点距地面1 m，距东面墙5.25 m，距北面墙6 m。

图1 曹溪寺大殿计算模型与火源示意图

1.2 边界及初始条件

大殿内的压力值为标准大气压，初始温度为20 ℃。整个计算区域采用默认的绝缘、无滑移壁面边界条件。大殿开口处为东侧门的自然通风口，并与外界相通。

1.3 火源设置

由于曹溪寺大殿宝华阁的燃烧材料大多为木材，结合工程常用防火模拟实际，采用t2火的火灾增长模型模拟实际火灾过程[9]。t2火模型公式为：

Q 为热释放速率，kW；α 为火灾增长系数，kW/s2；t 为火灾增长时间，s。

t火模型的热释放速率可根据建筑物的实际情况选取。曹溪寺大殿宝华阁的最大热释放速率确定为8 MW。t2火模型的火灾增长系数可以分为4 个类型，根据曹溪寺大殿宝华阁中的可燃物情况，选用快速增长的火源类型，即火灾增长系数α=0.046 9 kW/s2[10]。根据式（1）计算，曹溪寺大殿宝华阁在起火后413 s 时将达到设定的热释放速率最大值。因此，本文将火灾模拟时间设定为600 s。

2 曹溪寺大殿火灾模拟

2.1 大殿室内烟气流动模拟

图2 为曹溪寺大殿宝华阁起火点起火后22 s、50 s、60 s 和250 s 时大殿烟气分布模拟结果示意图。曹溪寺大殿宝华阁内在起火点着火后将产生大量烟气，在起火后22 s 时大量烟气上升至大殿屋脊，在起火后30 s 时烟气沿大殿屋脊迅速蔓延，在起火后60 s 时扩充满整个大殿屋顶区域并开始沿边墙向下扩散，在起火后250 s 时烟气扩散至整个大殿的绝大部分空间。

图2 起火后大殿烟气分布示意图

2.2 大殿室内温度变化模拟

模拟曹溪寺大殿宝华阁内火源中心正上方不同高度处的温度变化和高8 m距火源中心水平距离2 m 点处和4 m 点处感应热电偶的温度变化情况。

曹溪寺大殿宝华阁起火后20 ～22 s时，曹溪寺大殿宝华阁室内各高度的温度开始迅速增加，起火前期建筑物底部温度较高，升温速度随着建筑物高度的增加逐渐变慢。在曹溪寺大殿宝华阁起火后约80 s 时，宝华阁内高8 m 距火源中心水平距离2 m点处的温度约为60 ℃，达到目前常用A 型感温探测器的动作温度。在曹溪寺大殿宝华阁起火后约85 s时，宝华阁内高8 m、距火源中心水平距离约4 m 点处的温度约为60 ℃，达到目前常用A 型感温探测器的动作温度。在曹溪寺大殿宝华阁着火早期，曹溪寺大殿的室内温度变化速度比烟气扩散速度慢，因此感烟探测器能更早感应早期火灾。

3 曹溪寺大殿火灾的报警系统设置

3.1 曹溪寺大殿火灾探测器的选用

由曹溪寺大殿的特点及火灾模拟结果可知，火灾初期升温慢，烟雾扩散速度极快，采用感烟探测器有利于初期报警。但由于曹溪寺大殿宝华阁常有香客烧香祭拜，使用传统的感烟探测器易发生误报，因此应尽量避免使用传统感烟探测器，宜采用线型光束感烟探测器。此外，由于曹溪寺大殿结构高度和空间的限制，曹溪寺大殿不宜布置线型火灾探测器，宜采用点型感温探测器[2]。因此，曹溪寺大殿火灾探测系统可采用线型光束感烟探测器和感温火灾探测器组合设置方式。

目前，点型感温探测器一般分为A1、A2、B、C、D、E、F 及G 共8 种 类别。其中，A 类适用于8 ～10 m 的建筑，B 类适用于6 ～8 m 的建筑，C ～G 类适用于6 m 以下的建筑。曹溪寺大殿内部空间最高为8 m。因此，曹溪寺大殿宜采用A 类感温火灾探测器。

3.2 线型光束感烟探测器的布设

线型光束感烟探测器设置光束轴线至建筑物顶棚的垂直距离宜为0.3～1 m，距地高度不宜超过20 m；相邻两组探测器的水平距离不应大于14 m，探测器至侧墙的水平距离不应大于7 m，且不应小于0.5 m。故曹溪寺大殿可在屋脊7.5 m以上设置一组线型光束感烟探测器。

3.3 感温探测系统的布设

当建筑物空间高度为8 m及以下时，屋顶坡度大于30°，一个感温探测器的探测保护面积为40 m2。曹溪寺大殿内A 型感温探测器的排布数量可以根据式（2）计算：

式中，N为探测器数量，只；S为探测区域面积，m2；K为修正系数；A为探测器保护面积，m2。

由式（2）可计算出大殿内应选用4个动作温度为60 ℃的A 型感温火灾探测器。曹溪寺大殿火灾探测器的排布情况如图3 所示。

图3 曹溪寺大殿火灾探测器的排布情况

4 结语

本文对木质结构古建筑曹溪寺大殿宝华阁进行了火灾模拟，得出以下结论。

第一，烟气扩散模拟结果显示，曹溪寺大殿失火后产生的烟气将先上升到屋顶，沿屋顶扩散到墙面，此后沿着大殿侧墙墙面由大殿四周向大殿中央扩散，最后充满整个大殿内空间。

第二，起火后20 ～22 s 时，室内各高度处的温度开始迅速增加。

第三，起火后约80 s 和85 s 时，宝华阁内高8 m 距火源中心水平距离2 m点处和4 m 点处温度达60 ℃；起火后约85 s 时，宝华阁内高8 m 距火源中心水平距离2 m 点处的温度达60 ℃。

第四，由曹溪寺大殿火灾报警系统响应模拟可知，在大殿室内起火后18 s，大殿内线型光束感烟探测器开始响应；在大殿室内起火后210 s 时，大殿室内1号A 型感温探测器开始响应。