李凌楓 劉舒媛

(福州軌道交通設(shè)計院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

福州三坊七巷歷史文化街區(qū)(簡稱“三坊七巷”)由東西走向的3個坊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]。“三坊七巷”基本保留著明清時期的格局，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)的保護需要遵循科學(xué)規(guī)劃嚴格保護的原則，要保持和延續(xù)其傳統(tǒng)格局和歷史風(fēng)貌，維護歷史文化遺產(chǎn)的真實性和完整性，繼承和弘揚中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，正確處理經(jīng)濟社會發(fā)展和歷史文化遺產(chǎn)保護的關(guān)系[2]。

歷史文化街區(qū)在進行消防規(guī)劃保護維修和改造建筑過程中，難以簡單地執(zhí)行現(xiàn)行國家消防技術(shù)規(guī)范。通過對“三坊七巷”的火災(zāi)風(fēng)險評估，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。當可燃物為離散布置時，飛火和熱輻射是火災(zāi)在建筑物間蔓延的重要途徑。

美國防火研究基金會(NFPRF)提出的火災(zāi)風(fēng)險評估方法，按照表1中列出的輻射熱通量范圍對材料的可燃性進行分類。

表1 點燃能力及對應(yīng)的熱通量

注：括號內(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)對周圍建筑的影響，本次模擬采用了火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件Fire Dynamics Simulator，簡稱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-糾錯的方法，時間和空間的精度為二階，計算中渦流處理方式為大渦模擬，處理火災(zāi)煙氣流場，具有較好的精度。FDS在建模時，只能建立矩形模型。因此，對于本建筑中的圓弧，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)計火災(zāi)場景時，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?；鹪次恢迷O(shè)計在三坊七巷街區(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)增長速率是衡量火災(zāi)危險性的重要指標。通?；馂?zāi)的熱釋放速率與火災(zāi)發(fā)展時間關(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)增長速率，kW/s2；

t-火災(zāi)的燃燒時間，s；

t0-火災(zāi)的陰燃時間，s。

在工程應(yīng)用中，由于火災(zāi)陰燃階段對火災(zāi)蔓延影響較小，通常不考慮火災(zāi)達到有效燃燒需要的時間，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)熱釋放速率隨時間的變化關(guān)系，可以簡化為式(2)：

Qf=αt2

(2)

2 火災(zāi)場景設(shè)置

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

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

圖2 火災(zāi)場景及火源位置

3 火災(zāi)場景模擬

將初始條件輸入到FDS中進行模擬，火災(zāi)場景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處熱輻射強度縱向切面

(b)距著火建筑側(cè)墻2.5m處熱輻射強度縱向切面

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

將火災(zāi)場景B初始條件輸入到FDS中進行模擬，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處熱輻射強度縱向切面

(b)距著火建筑側(cè)墻2.5m處熱輻射強度縱向切面

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

4 模擬結(jié)果分析及結(jié)論

通過設(shè)定火災(zāi)場景下火災(zāi)蔓延和煙氣運動的模擬計算，可以得到如下結(jié)論。

(1)不同火災(zāi)場景及防火間距下，相鄰建筑外墻所受到的最大熱輻射強度，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度

(2)距離建筑外墻4.0m以外的熱輻射強度小于10 kW/m2，火災(zāi)不會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)對墻上的開口采用進行保護措施，防止火災(zāi)蔓延。

(4)距離建筑外墻2.5m范圍以內(nèi)的輻射強度遠大于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

對照主要風(fēng)險因素，對三坊七巷歷史文化街區(qū)整體的火災(zāi)風(fēng)險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)消防專項設(shè)計導(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，采用常高壓或臨時高壓給水系統(tǒng)。在保持建筑原貌的前提下，進行安裝設(shè)置。在連廊處加裝高壓細水霧滅火設(shè)備。細水霧滅火設(shè)備將水流分解成細小霧滴進行滅火或防護，具有無環(huán)境污染滅火迅速耗水量低對防護對象破壞性小保護方式靈活?？焖夙憫?yīng)救火需求，及早撲滅火災(zāi)，減低火勢的蔓延。

在不影響歷史文化建筑風(fēng)格的基礎(chǔ)上，對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，當使用木質(zhì)構(gòu)件時，木材應(yīng)經(jīng)過阻燃處理，且應(yīng)達到B級。這樣，即提高了構(gòu)件的耐火極限，同時保持了古建筑中構(gòu)件的原貌。

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

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