李凌楓 劉舒媛

(福州軌道交通設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

福州三坊七巷歷史文化街區(qū)(簡(jiǎn)稱“三坊七巷”)由東西走向的3個(gè)坊7條巷和1條南北走向的中軸街肆(南后街)組成，與朱紫坊歷史文化街區(qū)烏山和于山歷史風(fēng)貌區(qū)鄰近，是福州歷史文化名城中古城風(fēng)貌的核心組成部分[1]?！叭黄呦铩被颈Ａ糁髑鍟r(shí)期的格局，涵蓋有保存較為完好的明清古建筑近200座。以眾多的文物古跡名人故居和民居街巷為載體，是福州市最具代表性的“明清民居古建筑博物館”。歷史文化街區(qū)的保護(hù)需要遵循科學(xué)規(guī)劃嚴(yán)格保護(hù)的原則，要保持和延續(xù)其傳統(tǒng)格局和歷史風(fēng)貌，維護(hù)歷史文化遺產(chǎn)的真實(shí)性和完整性，繼承和弘揚(yáng)中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，正確處理經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)的關(guān)系[2]。

歷史文化街區(qū)在進(jìn)行消防規(guī)劃保護(hù)維修和改造建筑過程中，難以簡(jiǎn)單地執(zhí)行現(xiàn)行國(guó)家消防技術(shù)規(guī)范。通過對(duì)“三坊七巷”的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以充分了解“三坊七巷”面臨的消防安全狀況，提高消防安全決策的科學(xué)性，減少火災(zāi)事故的發(fā)生，特別是防止重大惡性火災(zāi)事故的發(fā)生。相關(guān)研究成果，也可以為街區(qū)消防規(guī)劃的編制提供數(shù)據(jù)和支持，并根據(jù)街區(qū)內(nèi)消防安全的客觀要求和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的高低輕重緩急，提出相應(yīng)的改造方案和建議，解決或減少街區(qū)內(nèi)消防安全隱患[3]。

1 FDS軟件模型建立

火災(zāi)的蔓延方式，有飛火延燒熱傳導(dǎo)熱輻射等。當(dāng)可燃物為離散布置時(shí)，飛火和熱輻射是火災(zāi)在建筑物間蔓延的重要途徑。

美國(guó)防火研究基金會(huì)(NFPRF)提出的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，按照表1中列出的輻射熱通量范圍對(duì)材料的可燃性進(jìn)行分類。

表1 點(diǎn)燃能力及對(duì)應(yīng)的熱通量

注：括號(hào)內(nèi)為常用值。

本研究保守地將熱輻射通量為10kW/m2，作為判定火災(zāi)是否蔓延出著火區(qū)域的極限熱輻射通量。為確定三坊七巷街區(qū)內(nèi)某典型建筑發(fā)生火災(zāi)對(duì)周圍建筑的影響，本次模擬采用了火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件Fire Dynamics Simulator，簡(jiǎn)稱FDS，通過數(shù)值方法求解湍流方程，分析燃燒過程中的煙氣擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)，包含燃燒模型熱輻射模型和熱解模型等[4-5]。FDS偏微分方程組解的核心算法，是一種顯式的預(yù)測(cè)-糾錯(cuò)的方法，時(shí)間和空間的精度為二階，計(jì)算中渦流處理方式為大渦模擬，處理火災(zāi)煙氣流場(chǎng)，具有較好的精度。FDS在建模時(shí)，只能建立矩形模型。因此，對(duì)于本建筑中的圓弧，采用了以折線代替弧線的處理方式。圖1為模型效果圖。

圖1 模型效果圖

在設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景時(shí)，需要確定火源位置火災(zāi)發(fā)展速率火災(zāi)的可能最大熱釋放速率消防設(shè)施的作用等要素。火源位置設(shè)計(jì)在三坊七巷街區(qū)內(nèi)某典型建筑距離相鄰建筑的一側(cè)，在該側(cè)墻體上留有窗戶及門等開口。一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)和高溫?zé)煔獾臒彷椛淇赡芤枷噜徑ㄖ?nèi)的可燃物，導(dǎo)致火災(zāi)的蔓延。

火災(zāi)增長(zhǎng)速率是衡量火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)。通?；馂?zāi)的熱釋放速率與火災(zāi)發(fā)展時(shí)間關(guān)系，可用公式(1)表示：

Qf=α(t-t0)2

(1)

式中：Qf-火源熱釋放速率，kW；

α-火災(zāi)增長(zhǎng)速率，kW/s2；

t-火災(zāi)的燃燒時(shí)間，s；

t0-火災(zāi)的陰燃時(shí)間，s。

在工程應(yīng)用中，由于火災(zāi)陰燃階段對(duì)火災(zāi)蔓延影響較小，通常不考慮火災(zāi)達(dá)到有效燃燒需要的時(shí)間，而僅研究火災(zāi)開始有效燃燒后的情況，故，近似取t0=0。因此，火災(zāi)熱釋放速率隨時(shí)間的變化關(guān)系，可以簡(jiǎn)化為式(2)：

Qf=αt2

(2)

2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

火災(zāi)場(chǎng)景A：建筑一層的次房著火，3個(gè)窗戶全開，次房門打開?；鹪礋後尫潘俾?MW。

火災(zāi)場(chǎng)景B：側(cè)門附近的門道內(nèi)堆放的可燃物發(fā)生火災(zāi)，并引燃次房?jī)?nèi)的可燃物，門道內(nèi)可燃物的最大熱釋放速率為3MW，次房?jī)?nèi)的最大熱釋放速率為5MW?；馂?zāi)增長(zhǎng)速率α=0.04689kW/s2，火災(zāi)場(chǎng)景及火源位置如圖2所示。

圖2 火災(zāi)場(chǎng)景及火源位置

3 火災(zāi)場(chǎng)景模擬

將初始條件輸入到FDS中進(jìn)行模擬，火災(zāi)場(chǎng)景A的模擬結(jié)果見圖3～圖5所示。

圖3 火災(zāi)中產(chǎn)生的煙氣分布情況

圖4 火災(zāi)中熱釋放速率分布圖

(a)距著火建筑側(cè)墻1.0m處熱輻射強(qiáng)度縱向切面

(b)距著火建筑側(cè)墻2.5m處熱輻射強(qiáng)度縱向切面

(c)距著火建筑側(cè)墻4.0m處熱輻射強(qiáng)度縱向切面圖5 熱輻射強(qiáng)度分布圖

將火災(zāi)場(chǎng)景B初始條件輸入到FDS中進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 火災(zāi)中產(chǎn)生的煙氣分布情況

圖7 火災(zāi)中熱釋放速率分布圖

(a)距著火建筑側(cè)墻1.0m處熱輻射強(qiáng)度縱向切面

(b)距著火建筑側(cè)墻2.5m處熱輻射強(qiáng)度縱向切面

(c)距著火建筑側(cè)墻4.0m處熱輻射強(qiáng)度縱向切面圖8 熱輻射強(qiáng)度分布圖

4 模擬結(jié)果分析及結(jié)論

通過設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景下火災(zāi)蔓延和煙氣運(yùn)動(dòng)的模擬計(jì)算，可以得到如下結(jié)論。

(1)不同火災(zāi)場(chǎng)景及防火間距下，相鄰建筑外墻所受到的最大熱輻射強(qiáng)度，如表2所示。

表2 不同防火間距下相鄰建筑物外墻所受最大熱輻射強(qiáng)度

(2)距離建筑外墻4.0m以外的熱輻射強(qiáng)度小于10 kW/m2，火災(zāi)不會(huì)通過熱輻射蔓延至相鄰建筑。

(3)距離建筑外墻2.5m～4.0m范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度可能大于10 kW/m2，火災(zāi)可能通過熱輻射蔓延至相鄰建筑，應(yīng)對(duì)墻上的開口采用進(jìn)行保護(hù)措施，防止火災(zāi)蔓延。

(4)距離建筑外墻2.5m范圍以內(nèi)的輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于10 kW/m2，應(yīng)避免在墻上設(shè)置開口或設(shè)置噴淋系統(tǒng)，防止火災(zāi)蔓延。

5 提出建議及措施

對(duì)照主要風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)三坊七巷歷史文化街區(qū)整體的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)控制提出建議及措施：

通過上述模擬發(fā)現(xiàn)，該典型院落的消防薄弱點(diǎn)位于門窗等開院落開口處。由于三坊七巷歷史文化街區(qū)內(nèi)很多建筑為磚木或木結(jié)構(gòu)建筑，其可燃物多，耐火等級(jí)低，在火災(zāi)中往往出現(xiàn)屋頂坍塌的情況。根據(jù)《福州市歷史文化街區(qū)消防專項(xiàng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中關(guān)于消防給水系統(tǒng)的描述：消防給水系統(tǒng)宜結(jié)合地形特征，采用常高壓或臨時(shí)高壓給水系統(tǒng)。在保持建筑原貌的前提下，進(jìn)行安裝設(shè)置。在連廊處加裝高壓細(xì)水霧滅火設(shè)備。細(xì)水霧滅火設(shè)備將水流分解成細(xì)小霧滴進(jìn)行滅火或防護(hù)，具有無環(huán)境污染滅火迅速耗水量低對(duì)防護(hù)對(duì)象破壞性小保護(hù)方式靈活?？焖夙憫?yīng)救火需求，及早撲滅火災(zāi)，減低火勢(shì)的蔓延。

在不影響歷史文化建筑風(fēng)格的基礎(chǔ)上，對(duì)在門窗柱梁仿椽斗拱等主要木質(zhì)構(gòu)件(特別是悶頂內(nèi)的梁架等)的表面涂刷或噴涂防火涂料，以降低木材燃燒性能。普通歷史建筑主要的承重構(gòu)件樓梯，采用不燃或難燃材料；新建建筑，可采用傳統(tǒng)材料和型制，當(dāng)使用木質(zhì)構(gòu)件時(shí)，木材應(yīng)經(jīng)過阻燃處理，且應(yīng)達(dá)到B級(jí)。這樣，即提高了構(gòu)件的耐火極限，同時(shí)保持了古建筑中構(gòu)件的原貌。

對(duì)于位于消防分區(qū)邊界長(zhǎng)時(shí)間不使用的門窗，可以進(jìn)行封堵，使其處于常閉狀態(tài)。用防火封堵材料對(duì)木梁木柱等構(gòu)件中的開裂縫隙木構(gòu)架中的連接處進(jìn)行封堵，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，防止火勢(shì)的蔓延通道。具體措施：①當(dāng)消防分區(qū)之間的距離小于《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》 GB50016-2014要求的最小距離但不小于4.0m時(shí)，分區(qū)之間的墻采用防火墻設(shè)計(jì)，防火墻上的開口采用防火門窗進(jìn)行保護(hù)。②當(dāng)消防分區(qū)之間的距離小于4.0m但不小于2.5m時(shí)，分區(qū)之間的墻采用防火墻設(shè)計(jì)，墻上的開口采用防火門窗進(jìn)行保護(hù)，并在附近設(shè)置消火栓接口連接屏障式水幕水槍或移動(dòng)式消防水炮進(jìn)行防火保護(hù)。其中，屏障式水幕水槍噴頭為扇形，噴出的扇形水幕可形成12m～15m的保護(hù)半徑；移動(dòng)式消防水炮體積小重量輕操作簡(jiǎn)便靈活可靠，特別適用于消防車難以進(jìn)入的區(qū)域。③當(dāng)消防分區(qū)之間的距離小于2.5m時(shí)，分區(qū)之間的墻采用無孔洞的防火墻；當(dāng)確有必要開口時(shí)，開口采用防火門窗進(jìn)行保護(hù)，并在該防火墻一側(cè)的建筑內(nèi)設(shè)置自動(dòng)噴水滅火局部，應(yīng)用系統(tǒng)(或簡(jiǎn)易自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng))。

加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)建立管理制度明確管理職責(zé)；嚴(yán)格控制火源規(guī)范電氣管理，清除火災(zāi)隱患；加強(qiáng)消火栓火災(zāi)探測(cè)器火災(zāi)報(bào)警裝置滅火劑等消防設(shè)施的管理；加強(qiáng)安全疏散設(shè)施的管理，保證消防應(yīng)急照明安全疏散指示標(biāo)志應(yīng)完好有效，確保疏散通道安全出口的暢通。強(qiáng)化宣傳教育，提高人員消防安全意識(shí)。