木结构建筑群火灾蔓延规律研究

李庆贺

摘 要：在村镇建筑中木材为必不可少的建筑材料，且村镇发生火灾的次数占很大一部分比例，目前在火灾时关于火灾在建筑内的研究较少，本文将针对云南省丽江典型木结构民居运用FDS数值模拟方法进行分析，探讨以风向和风速为变量，这两个因素对木结构民居群火灾蔓延研究，发现其变化规律，得到火灾在风的作用下安全距离

关键词：木结构；房屋安全间距；FDS；数值模拟

0 引言

建造乡村住宅，大部分建筑材料采用的都是以木材为主。木材作为建筑材料是容易引燃的，一旦遇到明火就会发生火灾，不但会带来经济财产损失，严重的更会造成人员伤亡。国内外学者对木材方面的研究包括炭化机理、炭化速度、木材的物理及力学性能、耐火极限和受火后剩余承载力等。Fragiacomo^[1]等使用ABAQUS软件参照对比试验，得出结论可以用数值模拟的方法来代替昂贵的试验。Thi^[2]等提出了木结构的传热模型，为木材传热分析提出了借鉴。许清风^[3]进行了一系列三面受火木梁火灾后性能试验，考虑了不同截面尺寸、不同荷载以及是否涂防火材料等不同影响因素对木梁受火后剩余承载力的影响。Firmanti^[4]重点研究了应力水平与木材耐火性能之间的关系，将时间与炭化深度的关系表达为线性或者指数关系，临界应力值在各施加荷载下大致恒定，临界应力是应力水平和炭化率的函数。Van zeeland^[5]研究了木材受压强度与温度的关系，发现木材受压强度随温度升高而减小。倪照鹏等^[6]试验研究表明，木构件能有良好的耐火性能，可以达到规范要求的耐火极限。White^[7]通过木板的受火试验来测定水分含量的变化，认为288℃为木材炭化线温度。屈伟等^[8]研究发现阻燃生态板可直接覆盖墙体上做阻燃材料使用。郭福良等^[9]对木结构建筑火灾蔓延理论进行了分析研究，得到了不同年代下的杉木热解动力学方程。李雪进^[10]模拟结果发现风速增加火灾蔓延迅速，对于实体建筑间安全防火距离的确定应考虑风速的影响并不应低于12m。

由于明火试验耗费大量的财力、物力以及时间，并且在火灾燃烧过程中能提取的数据资料较少，效率不高。因此，通过FDS模拟软件模拟建模分析火灾竖向蔓延发展趋势。本文通过建立受火木结构建筑模型，对木结构民居火灾蔓延研究，对其火灾蔓延趋势进行分析，探讨以风向和风速为变量，这两个因素对木结构民居群火灾蔓延研究，研究其安全距离以避免出现“火烧连营”的情况，设置两种火灾情况，分别是火灾场景一和火灾场景二。火灾场景一：在无风情况下点燃房屋。火灾场景二：在一定风速下点燃实验房屋

1 建筑模型设置

1. 1. 数值模型尺寸

建筑为两层木结构建筑，建筑长10.12m,宽4.0m，房间开建为3.0m，层高2.6m，一层吊顶距离地面为2.2m，均使用木质材料，建筑左侧房间设置一部通往二楼宽度为0.9m的楼梯，楼梯与最左侧房间用隔墙隔开，二层开设三个房间，隔墙开设门洞，各个房间采用隔板分隔，各房间之间设置门洞连接，门尺寸为1.0m×2.0m，窗尺寸为1.0m×1.0m，距地0.9m，隔墙为木材，围墙设置成木材，由于 Pyrosim 绘制斜面和曲面较为困难，用块来绘制单一桁架 来创建桁架组然后复制许多桁架。如图1-2

图1-2建筑模型外观

在一层中间房间内设置1.0m×1.0m的火源，轰然时间为350s。为了能够很好的观察屋内火灾蔓延变化，将一楼前墙设为隐藏状态，如图1-3所示。

图1-3建筑模型内部

1.2 环境及材料参数

在模型中需要设置材料的热物理参数，并规定固体表面的边界条件。本文中建筑墙体的热边界条件使用软件默认的热边界条件，热传导按照以为传热计算。模型中采用自定义的热解模型，参考温度为150℃，热解反应热取5000KJ/Kg，燃烧放热180000KJ/Kg，泡沫参数去系统默认值

表2.1 建筑材料热值

材料名称	密度	比热（ ）	传导率（ ）	放热 （ ）
混凝土	2280	1.04	1.8	——
木材	570	2.3	0.2	18000
泡沫	28	1.7	0.05	25400
石膏	930	1.09	0.17	——

1.3网格划分

网格是FDS计算模拟软件的运算基础，如果网格数量和大小与建筑模型不匹配，那么就会影响计算过程，得到的计算结果也不够精确。且一般FDS软件先预设一个能够容纳所有建造模型的一个计算区域，在进行网格内运算，当网格数量特别巨大时，不仅会耗费大量时间，且会浪费大量的计算机资源，本文仅讨论房屋群的防火安全距离，为了能将计算机的性能利用率最大化，并能将运算时间大大缩短，本文把计算区域分为三块，即3个计算区域，为了将误差控制在可接受范围内，将燃烧的区域的网格精细化，采用0.2m×0.2m×0.2m的网格，而其他计算区域由于 受到热辐射区域，所以采用较粗的网格，网格大小为0.4 m×0.4 m×0.4 m，如图1-4 所示

图1-4网格布置图

1.4 测点布置

在火源所处的房间内设置一竖列热电偶，位置在火源向面墙0.4m处自上而下分别是THcp1-1 THcp1-2 THcp1-3 THcp1-4 距离地面分别是0.6m 1.2m 1.8m 2.4，取房屋外墙中点 距离外围墙1m，高度为2m处设置第一个热电偶分别，每隔2m布置一个热电偶 如图1-5-1和1-5-2所示

图1-5-1建筑模型测点布置

图1-5-2建筑模型测点布置

2 火灾发展过程

2.1火灾场景一火灾发展过程

从温度-时间曲线中可以看出，室内常温是20℃，0-300s时 火焰处在初级燃烧阶段，火源处温度（图2.2 THCP001温度-时间曲线）缓慢上升，烟气缓慢上升，火源所处屋内弥漫着黑烟，烟气随着木质墙体的缝隙飘向一楼其他房间，火情发生第300s时 黑烟已覆盖整个一楼楼层。火灾发生350s时发生轰然，温度快速上升，推测引火木堆接触到大量空气得到了充分的燃烧。400s是黑烟由楼板之间的缝隙和楼梯飘向二楼，与此同时火焰开始点燃一楼楼板。400s至600s时烟气已经充满整个房，温度也趋于稳定，推测此时可燃物正在平稳燃烧。600s至700s时屋内烟气更加浓，而此时温度又少量下降，推测可能由于探测点可燃物燃烧殆尽导致，可以看出房屋外墙开始燃烧，此时火焰已经肉眼可见的窜出窗外和门外，这一时刻极易产生火星点燃其他房屋。

由图2.3THcp005温度变化曲线可以看出在火灾发生时，距离模拟建造房屋5米处所测得的温度与室内的温度变化规律大致相同。但是所处温度不足以将其他房屋点燃

t=300s t=400s

t=600s t=700s

图2.1 各时刻燃烧图

下图为各测点温度-时间曲线。

图2.2 THCP001温度-时间曲线

图2.3HCP005温度-时间曲线

2.2火灾场景二火灾发展过程

火灾初期与火灾场景一相同。t=350s时，起火房间瞬间被点燃，温度达到900℃左右的稳定状态。推测可能由于风的原因，使得燃烧时火焰与空气得到了更充分的接触，令温度更高，燃烧更剧烈。在距离房屋5米处热电偶温度达到400℃极易引起此处木材的燃烧

t=300s时 t=700s时

t=1300s t=1563s

图2.6 各时刻燃烧图

图2.7 THCP002温度-时间曲线

线

4 结论

本文参照实体建筑，应用FDS建立与实体建筑详尽的模型，模拟了丽江木结构建筑室内火灾的蔓延过程，分析了火灾时楼梯口敞开和楼梯口关闭时对火灾蔓延发展的影响，分析得到了下面的结论：

木结构建筑一旦发生火灾，火势会迅速蔓延，在较短时间内会引燃火源附近的可燃物体，火灾会通过门洞和楼梯口快速向楼上蔓延。楼梯间发生火灾，温度迅速随着温度向楼上传递，热量会通过热浮力在楼上屋顶内积攒，火焰随着烟气传递到楼上，会在短时间内引燃建筑上部房间内的可燃物。在风的作用下火势蔓延速度加快，容易发生火烧连营现象。

参考文献

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