高學(xué)文

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500）

0 引言

我國現(xiàn)存大量古村鎮(zhèn)，截至2019年，已有五批次共計(jì)6 819個(gè)村落入選“中國傳統(tǒng)村落名錄”。這些古村鎮(zhèn)多為連片建設(shè)的全木、磚木結(jié)構(gòu)建筑群，一旦發(fā)生火災(zāi)極易造成建筑間的火災(zāi)蔓延。如2014年云南香格里拉獨(dú)克宗大火，343棟木結(jié)構(gòu)建筑焚毀；2016年貴州鍵合縣苗寨火災(zāi)，燒毀房屋60座致使木結(jié)構(gòu)建筑為主的苗寨燃燒殆盡；2021年中國最后的原始村落“翁丁村”發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，燒毀桿欄式房屋104余間。

針對(duì)連片建設(shè)的木結(jié)構(gòu)建筑群，許多學(xué)者在火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)分析和火災(zāi)模擬方面進(jìn)行了深入的研究，許鎮(zhèn)等［1］、曾翔等［2］提出了基于OSG圖形引擎的可視化火災(zāi)蔓延模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)貴州苗寨和云南獨(dú)克宗兩地火災(zāi)蔓延過程的還原。王鵬飛［3］對(duì)陜西韓城市黨家村建筑群的火災(zāi)模擬與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究。張健等［4］將有向圖的節(jié)點(diǎn)運(yùn)用到翁丁村木結(jié)構(gòu)建筑群的火災(zāi)蔓延危險(xiǎn)識(shí)別及防火改造。郭福良等［5］對(duì)木結(jié)構(gòu)吊腳樓建筑的火災(zāi)進(jìn)行了模擬，分析得到不同起火位置對(duì)建筑火災(zāi)蔓延的影響。張雨［6］對(duì)古城鎮(zhèn)建筑門窗洞口熱輻射特征進(jìn)行研究，得到不同位置和門窗洞口大小的熱輻射規(guī)律。上述研究在建筑群火災(zāi)蔓延建模上存在建模數(shù)據(jù)獲取困難等問題，針對(duì)此類問題，采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查獲取建筑群各單體建筑位置、尺寸及單體建筑的建筑內(nèi)部特征等建模數(shù)據(jù)，并采用場(chǎng)-網(wǎng)區(qū)域模擬村落單體建筑的火災(zāi)蔓延特性，對(duì)建筑群進(jìn)行火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)分析后得出建筑群火災(zāi)蔓延損失值。

1 傳統(tǒng)村落建筑信息采集

1.1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

1.1.1 無人機(jī)航飛區(qū)域的選擇

以云南省麗江市大東鄉(xiāng)為火災(zāi)蔓延改造對(duì)象，選取該鄉(xiāng)福祿村為傾斜攝影航飛區(qū)域，攝影區(qū)域總面積為4 km2，福祿村地勢(shì)東北高西南低，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取村落建筑群的房屋布置、道路信息和地面高程等數(shù)據(jù)。無人機(jī)航拍高度為100m，運(yùn)行速度為7 m/s，旁向重疊率為70%，航向重疊率為80%。

1.1.2 傾斜影像三維模型

將無人機(jī)外業(yè)航飛工作采集的影像數(shù)據(jù)［7］、POS文件、像控點(diǎn)布設(shè)等導(dǎo)入預(yù)處理軟件中，檢查該測(cè)區(qū)范圍內(nèi)影像重疊度、照片質(zhì)量、飛行質(zhì)量等工作，對(duì)于重疊度不合格和照片質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的影像及時(shí)重飛，確保數(shù)據(jù)無誤。

預(yù)處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到地圖軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過空三加密解算、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、DSM生成、真正射糾正、實(shí)景三維模型等，形成OSGB格式的三維模型，如圖1所示。

圖1 福祿村傾斜影像三維模型

1.1.3 建筑群火災(zāi)蔓延網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

將無人機(jī)航空攝影技術(shù)得到的福祿村傾斜影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)中，建立單體建筑等比例網(wǎng)格化模型。此時(shí)的單體建筑網(wǎng)格化模型具有地理位置參數(shù)和相應(yīng)的面積信息，福祿村單體建筑通過有序號(hào)的網(wǎng)格化模型顯現(xiàn)出來，如圖2所示。

圖2 福祿村單體建筑網(wǎng)格化模型

由于木結(jié)構(gòu)建筑群的防火間距小和耐火等級(jí)低等缺點(diǎn)，火災(zāi)很容易在相鄰的建筑之間蔓延。村落建筑群中的單體建筑起火后，主要由熱輻射和熱羽流蔓延至周邊房屋。以建筑起火時(shí)熱輻射強(qiáng)度值為計(jì)算依據(jù)，判斷出單個(gè)建筑起火后引燃周圍房屋的路徑方向，如圖3所示。

圖3 福祿村單體建筑火災(zāi)蔓延路徑

1.2 現(xiàn)場(chǎng)勘查數(shù)據(jù)

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在獲取建筑群地理位置信息時(shí)具有靈活、方便、高效的優(yōu)勢(shì)，但無法勘查建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。為保證單體建筑模型的準(zhǔn)確性，采用現(xiàn)場(chǎng)勘查獲取單體建筑的內(nèi)部構(gòu)造、材料屬性、耐火等級(jí)、門窗尺寸、外墻開口率等信息（如表1所示），彌補(bǔ)了無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)無法深入單體建筑內(nèi)部的弊端。

表1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)

2 火災(zāi)蔓延原理

建筑群火災(zāi)蔓延發(fā)展過程主要包括單體建筑的室內(nèi)火災(zāi)蔓延過程和建筑群之間的火災(zāi)蔓延過程。單體建筑室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過程采用場(chǎng)-網(wǎng)區(qū)域模擬進(jìn)行分析，建筑群火災(zāi)之間的蔓延方式最主要是通過熱輻射進(jìn)行傳播，其次是熱羽流攜帶著高溫?zé)煔馐茱L(fēng)速的影響擴(kuò)散到周邊建筑。

2.1 點(diǎn)源熱輻射

對(duì)于點(diǎn)火源的熱輻射強(qiáng)度，一般假設(shè)輻射能量是在火源中心位置釋放出來的，其輻射強(qiáng)度可用式（1）計(jì)算。

式中，qR為距離處接收的熱輻射通量，即輻射熱流值，kw/m2，Q為火源熱釋放速率，kw為火源中心至受接收輻射面的水平距離，m。

2.2 面源熱輻射

對(duì)于面源熱輻射［8］，其熱輻射強(qiáng)度在某點(diǎn)處引起的熱輻射通量按公式（2）計(jì)算。

式中，qe為輻射面的輻射強(qiáng)度；為形態(tài)系數(shù)，與發(fā)射面的幾何尺寸、發(fā)射面和接收面之間的位置關(guān)系有關(guān)。矩形輻射源發(fā)射面與接收面平行時(shí)，形態(tài)系數(shù)的計(jì)算公式為：

2.3 輻射引燃

輻射引燃［9］是火災(zāi)在室內(nèi)及相鄰建筑間蔓延的主要方式，其熱輻射來自起火建筑室內(nèi)的熱煙氣和門窗洞口噴出的火焰。經(jīng)過對(duì)門、窗口火源和外墻輻射量的計(jì)算，起火建筑通過具有開口的外墻發(fā)出的熱輻射強(qiáng)度可以按照式（5）計(jì)算。

2.4 火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)分析

基于單體建筑vi可得到一個(gè)建筑群的集合V，集合V是初始起火建筑為vi時(shí)，可能引燃的所有建筑。不同的初始起火建筑，會(huì)導(dǎo)致不同的蔓延結(jié)果，從而產(chǎn)生一個(gè)蔓延的損失場(chǎng)景，對(duì)于一個(gè)具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的建筑群，在考慮有n個(gè)初始起火節(jié)點(diǎn)的情況下，其損失場(chǎng)景數(shù)共有CnN個(gè)。為便于討論，這里只考慮一個(gè)初始起火點(diǎn)的情況，此時(shí)共計(jì)有N個(gè)損失場(chǎng)景，這些損失場(chǎng)景可以通過將所有建筑逐一設(shè)定為起火點(diǎn)后計(jì)算得到，經(jīng)過建筑火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)分析可用式（6）得到建筑群蔓延矩陣Pm×m。

式中，V為基于單體建筑vi起火后引燃所有建筑的集合。蔓延矩陣Pm×m的第i行取值為1的元素的列，表示單體建筑i起火后，能夠引燃的建筑節(jié)點(diǎn)編號(hào)；蔓延矩陣Pm×m第j列為1的行，表示不同初始源點(diǎn)的蔓延場(chǎng)景中會(huì)引燃建筑j的場(chǎng)景。

火災(zāi)蔓延場(chǎng)景損失值可以用火災(zāi)引燃建筑的數(shù)量或火災(zāi)引燃建筑的面積表示，可用式（7）計(jì)算火災(zāi)蔓延場(chǎng)景損失值。

式中，Li為火災(zāi)蔓延場(chǎng)景損失值；Pm×m為建筑群的蔓延矩陣。若不考慮單體建筑面積的情況下，S=[1，1，…1]T為m行元素值為1的列向量；若考慮建筑面積的情況下，si（i=1，2，…M）為第i個(gè)單體建筑的面積，S=[s1，s2，…sM]T為m行面積值的列向量。

3 案例分析

大東鄉(xiāng)福祿村位于云南省麗江市古城區(qū)東北區(qū)域，是云南省典型的合院式民居建筑群，屬于民族傳統(tǒng)村落。福祿村共有磚木結(jié)構(gòu)建筑152棟，房屋樣式多為穿斗式木梁瓦屋頂，采用10 cm厚的木板作為樓板，單體建筑面積總體不大，根據(jù)其建筑面積大小分為6類，如表2所示。福祿村建筑群為磚木結(jié)構(gòu)耐火等級(jí)低，村落建筑群連片建設(shè)導(dǎo)致防火間距小，存在極大的火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)。

表2 福祿村單體建筑面積分類

3.1 單體建筑場(chǎng)-網(wǎng)區(qū)域模擬

采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件Pyrosim模擬福祿村單體建筑房間起火后，最終引燃整棟房屋的過程。該棟單體建筑長度為11.1 m，寬度為7.2 m，高度為7.23 m，上下兩層各有3個(gè)房間，建筑占地面積為79.92 m2。建筑一層門尺寸為1.2 m×2.0 m，二層外墻窗戶尺寸為1.2 m×1.4 m，根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立出單體建筑模型，如圖4所示。該棟單體建筑主要由木材和其他材料構(gòu)成，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［8］，木材設(shè)定的熱解溫度為220～380℃，熱解吸熱值為5×103kJ/kg，燃燒放熱值為1.8×104kJ/kg，熱釋放速率如圖5所示。經(jīng)場(chǎng)-網(wǎng)模擬結(jié)果得出單體建筑起火后周圍最大熱輻射值為65 kw/m2，遠(yuǎn)大于木材的臨界熱輻射值12.5 kW/m2，從而判斷出單體建筑起火后對(duì)周圍建筑產(chǎn)生較大的火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 單體建筑Pyrosim模型

圖5 單體建筑熱釋放速率

3.2 建筑群火災(zāi)蔓延分析

依次對(duì)福祿村152棟單體建筑進(jìn)行火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)分析，每棟單體建筑對(duì)應(yīng)一種火災(zāi)蔓延場(chǎng)景，由現(xiàn)場(chǎng)勘察數(shù)據(jù)通過面狀熱輻射計(jì)算公式確定出各個(gè)單體建筑間的火災(zāi)蔓延路徑后，得到村落建筑群的火災(zāi)蔓延路徑，選取其中蔓延場(chǎng)景損失較大的幾個(gè)區(qū)域，如圖6所示。

圖6 福祿村火災(zāi)蔓延路徑

考慮福祿村所有單體建筑的火災(zāi)蔓延場(chǎng)景，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出村落單體建筑蔓延信息，根據(jù)式（6）～（7）對(duì)福祿村建筑群進(jìn)行火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)分析，得到福祿村建筑群蔓延場(chǎng)景損失面積，如圖7。

圖7 福祿村火災(zāi)蔓延場(chǎng)景損失面積

3.3 火災(zāi)蔓延改造分析

根據(jù)上述火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果，確定出福祿村蔓延場(chǎng)景損失值較大的20號(hào)、38號(hào)、64號(hào)、114號(hào)、116號(hào)等5棟單體建筑。對(duì)上述5棟單體建筑進(jìn)行火災(zāi)蔓延安全改造，主要改造方法［9-10］為：①對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)和外墻涂刷防火涂料；②用防火石棉網(wǎng)封堵蔓延風(fēng)險(xiǎn)較大的洞口；③修建防火墻等改造措施。

上述5棟單體建筑進(jìn)行火災(zāi)蔓延改造后，再重新建立福祿村單體建筑的蔓延矩陣，根據(jù)火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)分析得到火災(zāi)蔓延改造后的福祿村建筑蔓延場(chǎng)景損失面積和蔓延場(chǎng)景損失數(shù)量，如圖8、圖9所示。

圖8 福祿村改造前后蔓延場(chǎng)景損失面積

圖9 福祿村改造前后蔓延場(chǎng)景損失數(shù)量

4 結(jié)論

本文采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查獲得福祿村落建筑群的火災(zāi)蔓延網(wǎng)格化模型，通過面狀熱輻射計(jì)算建筑群間的火災(zāi)蔓延路徑關(guān)系，得出村落建筑群火災(zāi)蔓延損失，并進(jìn)一步對(duì)損失較大的建筑進(jìn)行火災(zāi)蔓延改造，從而降低該村落建筑群火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)，得出以下結(jié)論：

1）無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有靈活、準(zhǔn)確、方便的特點(diǎn)，可以快速地獲取村落建筑群三維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋層數(shù)、長度、面積、高度等信息的獲取，極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)勘查的工作量。

2）福祿村落建筑群存在較大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，火災(zāi)蔓延場(chǎng)景損失超過6棟以上的場(chǎng)景共有7處，蔓延場(chǎng)景損失超過9棟以上的場(chǎng)景共有5處。

3）對(duì)福祿村20號(hào)、38號(hào)、64號(hào)、114號(hào)、116號(hào)等5棟單體建筑進(jìn)行火災(zāi)蔓延改造后，火災(zāi)蔓延最大損失棟數(shù)由18棟下降至8棟，降幅為55.55%；火災(zāi)蔓延最大損失面積由1 310.22 m2下降至730 m2，降幅為44.24%。