谷 凡，張玉玉，姜喻涵，谷 池，南 宇

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

我國(guó)西南地區(qū)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑之間多為檐廊相接，一旦發(fā)生火災(zāi)，容易出現(xiàn)“火燒連營(yíng)”的現(xiàn)象，存在極大的火災(zāi)隱患。因此，對(duì)我國(guó)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距的研究尤為重要[1-4]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在木結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)方面進(jìn)行了相關(guān)研究[5-12]。周強(qiáng)[13]對(duì)不同熱流條件下三種木材的外形變化趨勢(shì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。A.Menis[14]對(duì)無保護(hù)交互疊放型木樓板進(jìn)行了耐火性試驗(yàn)研究。 S.F.Tung[15]對(duì)全尺寸木結(jié)構(gòu)建筑模型進(jìn)行了火災(zāi)試驗(yàn)研究，探究了木結(jié)構(gòu)建筑的室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展規(guī)律和蔓延規(guī)律。李思禹[16]對(duì)文物古建筑物的火災(zāi)危險(xiǎn)性及抗火性能進(jìn)行了研究。懷超平[17]采用FDS軟件對(duì)木結(jié)構(gòu)文物古建筑物的火災(zāi)蔓延規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。韓雷[18]采用FDS軟件對(duì)古寺廟大殿的火災(zāi)蔓延過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，針對(duì)溫度、煙氣變化等情況，提出文物古建筑的火災(zāi)防控措施。王雁楠[19]采用FDS軟件對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑間火災(zāi)蔓延進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，指出建筑間距和風(fēng)速是影響火災(zāi)蔓延的主要因素。關(guān)于木結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)方面的研究，多局限于木材耐火性能和木結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)火災(zāi)蔓延等方面，而關(guān)于村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑間的火災(zāi)蔓延規(guī)律以及防火間距的研究相對(duì)薄弱。影響木結(jié)構(gòu)建筑防火間距的因素包括起火建筑的火災(zāi)荷載、建筑群的整體布局和大氣環(huán)境等因素，其中風(fēng)速的影響應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注?；诖?，筆者對(duì)不同風(fēng)速條件下的木結(jié)構(gòu)建筑間的火災(zāi)蔓延規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探索風(fēng)速對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距的影響規(guī)律。研究表明：木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距隨著風(fēng)速的增加而增加，在風(fēng)速為4 m/s時(shí)出現(xiàn)極大值；當(dāng)風(fēng)速大于4 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的繼續(xù)增加，熱量加速擴(kuò)散，導(dǎo)致防火間距出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。綜合考慮地形、地勢(shì)以及大氣環(huán)境等各種不確定因素的影響，建議西南地區(qū)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距值在12 m以上。

1 數(shù)值模型

1.1 模型尺寸

計(jì)算模型為西南地區(qū)典型的穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑，其長(zhǎng)×寬×高為10.3 m×7.6 m× 6.5 m。墻外圍門、窗洞口寬×高分別為1.1 m×2.1 m、1.1 m×0.9 m，室內(nèi)門洞口寬×高為0.9 m×2.1 m，室內(nèi)布置床、沙發(fā)等家具(火災(zāi)荷載)，數(shù)值模型如圖1所示?；鹪次挥谝粚涌蛷d，面積為0.4 m×0.4 m，模擬著火時(shí)間為1 000 s，燃燒類型為非穩(wěn)態(tài)t2火模式。

圖1 穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of chuan-dou type timber structure building

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分對(duì)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果具有較大影響，為兼顧計(jì)算精度和計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)行時(shí)間，筆者設(shè)定模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)?3 m×20 m×8 m，并將其劃分為兩個(gè)計(jì)算子區(qū)域，每個(gè)計(jì)算子區(qū)域按照不同的網(wǎng)格尺寸分別進(jìn)行獨(dú)自的網(wǎng)格劃分，如圖2和表1所示，網(wǎng)格總數(shù)為352 640個(gè)。

圖2 計(jì)算子區(qū)域的劃分Fig.2 Division of simulation sub-regions

表1 計(jì)算子區(qū)域的網(wǎng)格劃分Table 1 Mesh generation of simulation sub-regions

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

在起火建筑物后立面墻體的后方布置熱輻射通量計(jì)，共計(jì)4組。A組、B組熱輻射通量計(jì)布置在左側(cè)房間窗口處，距地面高度分別為3.0 m、5.0 m；C組、D組熱輻射通量計(jì)布置在中間房間窗口處，距地面高度分別為3.0 m、5.0 m。 每組熱輻射通量計(jì)包括10個(gè)測(cè)點(diǎn)，在水平方向上相互間隔0.5m，如圖3所示。此外，在起火建筑物后立面墻體的后方，在距離墻體0.5 m、1.0 m、1.5 m…處，等間距布置豎向溫度切片，共計(jì)10組，如圖4所示。

圖3 熱輻射通量測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of thermal radiation flux measuring points

圖4 溫度切片布置圖Fig.4 Layout of temperature slices

1.4 工況設(shè)置

筆者以西南地區(qū)典型城市昆明市的風(fēng)場(chǎng)特征為代表，研究風(fēng)速對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距的影響規(guī)律。根據(jù)昆明基準(zhǔn)氣候站近10年觀察數(shù)據(jù)[20]得知：昆明市平均風(fēng)速小于5.0 m/s。為此，建立6種火災(zāi)場(chǎng)景分別對(duì)應(yīng)于不同的風(fēng)速，風(fēng)速取值分別為0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s，由計(jì)算域的+Y面(即建筑物前立面)吹入，起火建筑物的門窗均設(shè)為開啟狀態(tài)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 場(chǎng)景1

對(duì)于場(chǎng)景1，在風(fēng)速為0 m/s的情況下，當(dāng)燃燒時(shí)間為600 s時(shí)，木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)入燃燒充分發(fā)展階段。若起火建筑物與相鄰建筑物距離過近，則極易通過熱輻射作用導(dǎo)致相鄰建筑物發(fā)生火災(zāi)，即建筑物之間的火災(zāi)蔓延。選取距離起火建筑物后立面墻體1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m的溫度切面，得到相應(yīng)位置處的溫度云圖，如圖5所示。由于起火房間設(shè)置在一樓中間房間室內(nèi)，因此在火災(zāi)充分發(fā)展階段，熱對(duì)流與熱輻射作用導(dǎo)致二樓中間房間窗口上方的溫度最高。選取該位置處的10個(gè)熱輻射通量測(cè)點(diǎn)值(即圖3中的D組熱輻射通量測(cè)點(diǎn))，可以得到距離起火建筑物后立面墻體不同位置處的熱輻射通量密度隨時(shí)間的變化曲線，如圖6所示。

圖5 場(chǎng)景1在燃燒時(shí)間為600 s時(shí)的溫度云圖Fig.5 Temperature contour chart of scene 1 at combustion time of 600 s

圖6 不同位置處的熱輻射通量密度隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 The variation of thermal radiation flux density with time at different positions

熱輻射通量密度隨著火災(zāi)的發(fā)展而逐漸增大，隨著與起火建筑物距離的增大而減小；當(dāng)燃燒時(shí)間到達(dá)600 s后，各位置處的熱輻射通量密度逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6可以獲得木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)入燃燒充分發(fā)展階段時(shí)的熱輻射通量密度與起火建筑物距離的關(guān)系曲線，如圖7所示，其擬合公式為

E=36.625x-0.618.

(1)

式中：E為熱輻射通量密度，kW/m2；x為與起火建筑物的水平距離，m。

由圖7可知：木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)入燃燒充分發(fā)展階段后，距離起火建筑后立面墻體0.5 m處的平均熱輻射通量值約為50 kW/m2，距離起火建筑后立面墻體5.0 m處的平均熱輻射通量值約為13 kW/m2。美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA建筑材料防火浸漬木材與防火涂料標(biāo)準(zhǔn)[21]指出：對(duì)于經(jīng)過防火處理的建筑木材，當(dāng)表面熱輻射通量密度達(dá)到12.6 kW/m2時(shí)，木材將被引燃。根據(jù)式(1)的擬合公式可以得出：當(dāng)風(fēng)速為0 m/s時(shí)，木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距約為5.62 m。

圖7 在燃燒充分發(fā)展階段熱輻射通量密度與起火建筑物距離的關(guān)系(風(fēng)速為0 m/s)Fig.7 Relationship between thermal radiation flux density and the distance to fire building in the full combustion stage(wind speed of 0 m/s)

2.2 場(chǎng)景2—場(chǎng)景6

對(duì)于場(chǎng)景2—場(chǎng)景6，即在風(fēng)速v分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s的情況下，木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)入燃燒充分發(fā)展階段的燃燒時(shí)間仍為600 s。當(dāng)燃燒時(shí)間為600 s時(shí)，對(duì)距離起火建筑物后立面墻體不同距離的10組豎向溫度切片所記錄的溫度云圖進(jìn)行對(duì)比分析可知：在二層中間房間窗口上方處的溫度值最高。選取該位置處的10個(gè)熱輻射通量測(cè)點(diǎn)值(即圖3中的D組熱輻射通量測(cè)點(diǎn))，可得到距離起火建筑物后立面墻體不同位置處的熱輻射通量密度隨時(shí)間的變化曲線，如圖8所示。

圖8 不同位置處的熱輻射通量密度隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 The variation of thermal radiation flux density with time at different positions

當(dāng)燃燒時(shí)間為600 s時(shí)，各位置處的熱輻射通量值處于穩(wěn)定狀態(tài)，由圖8可以獲得當(dāng)木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)入燃燒充分發(fā)展階段后的熱輻射通量密度與起火建筑物距離的關(guān)系曲線，并可以得到相應(yīng)的擬合曲線與擬合公式，如圖9所示。

圖9 在燃燒充分發(fā)展階段熱輻射通量值密度與起火建筑物距離的關(guān)系Fig.9 Relationship between thermal radiation flux density and the distance to fire building in the full combustion stage

美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA標(biāo)準(zhǔn)[21]指出：對(duì)于經(jīng)過防火處理的建筑木材，當(dāng)表面熱輻射通量密度達(dá)到12.6 kW/m2時(shí)，木材將被引燃。根據(jù)圖9中的擬合公式可以得出：當(dāng)風(fēng)速v為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s時(shí)，木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距分別約為5.84 m、6.11 m、6.52 m、6.81 m和6.51 m。

2.3 風(fēng)速對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距影響規(guī)律

當(dāng)燃燒時(shí)間為600 s時(shí)，木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)入燃燒充分發(fā)展階段，各位置處的熱輻射通量密度值處于穩(wěn)定狀態(tài)。若起火建筑物與相鄰建筑物距離過近，則極易通過熱輻射作用導(dǎo)致相鄰建筑物發(fā)生火災(zāi)，即建筑群體間的火災(zāi)蔓延。如前所述，美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA規(guī)范指出木材引燃的表面熱輻射通量密度判據(jù)值為12.6 kW/m2；此外，吳偉[22]通過試驗(yàn)指出常用木材引燃的表面熱輻射通量密度約為11.0～15.0 kW/m2。根據(jù)式(1)以及圖9中的擬合公式，可以得到不同風(fēng)速條件下的木結(jié)構(gòu)建筑防火間距，如表2、圖10所示。

表2 不同風(fēng)速條件下的木結(jié)構(gòu)建筑防火間距Table 2 Fire separation distance of timber structure buildings under different wind speeds

木結(jié)構(gòu)建筑間的防火間距隨著風(fēng)速的增加而增加，且在風(fēng)速為4 m/s時(shí)出現(xiàn)極大值；當(dāng)風(fēng)速大于4 m/s時(shí)，由于過大的風(fēng)速會(huì)加速熱量的擴(kuò)散，反而會(huì)導(dǎo)致防火間距出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。對(duì)應(yīng)于不同的木材，數(shù)值模擬計(jì)算得到的西南地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距推薦值為4.24～8.22 m。按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)中的規(guī)定，四級(jí)民用建筑防火間距為12 m，綜合考慮地形、地勢(shì)以及大氣環(huán)境等不確定因素的影響，建議西南地區(qū)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距值為12 m以上。

根據(jù)圖10，擬合木結(jié)構(gòu)建筑防火間距與風(fēng)速的關(guān)系(對(duì)應(yīng)于不同木材引燃的表面熱輻射通量密度判據(jù)值)，如式(2)所示。

d=

(2)

式中：d為木結(jié)構(gòu)建筑防火間距，m；x為風(fēng)速，m/s；Ecr為木材引燃的表面熱輻射通量密度判據(jù)值，kW/m2。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)燃燒時(shí)間為600 s時(shí)，木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)入燃燒充分發(fā)展階段。熱輻射通量密度隨起火建筑距離的增加而減小，隨風(fēng)速的增加而增大。當(dāng)臨近木結(jié)構(gòu)建筑物表面熱輻射通量密度達(dá)到11.0～15.0 kW/m2時(shí)，極易通過熱輻射效應(yīng)導(dǎo)致相鄰建筑物發(fā)生火災(zāi)，即建筑物之間的火災(zāi)蔓延。

(2)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距隨風(fēng)速的增加而增加，且在風(fēng)速為4 m/s時(shí)出現(xiàn)極大值。當(dāng)風(fēng)速大于4 m/s時(shí)，過大的風(fēng)速加速熱量的擴(kuò)散，導(dǎo)致防火間距出現(xiàn)降低趨勢(shì)。對(duì)于不同品種的木材，數(shù)值模擬計(jì)算得到的西南地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距推薦值為4.24～8.22 m。綜合考慮《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)以及各種不確定因素的影響，取安全系數(shù)1.5，建議西南地區(qū)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距值為12 m以上。