砖木结构古建筑大殿火灾蔓延规律研究.pdf
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1、27TECHNOLOGY OF DISASTER REDUCTION 减灾技术李明海,西安建筑科技大学博士生导师,陕西省消防局消防安全专家库专家、中国指挥与控制学会安全防护与应急管理专委会委员。长期从事建筑智能化、建筑安全的研究。主持参加 50 项国家、省、市重点工程的建筑电气及建筑智能化设计任务,发表论文 30 余篇,荣获国家级、省部级优秀设计奖 12 次。2019 年入选中国勘察设计协会建筑电气工程设计分会新中国成立 70 周年“建筑电气行业百位突出贡献人物”。引言古建筑是非常珍贵的历史文化产物,我国的古建筑多为砖木结构,木材含水率低、火灾荷载大,火灾风险性极高,且现在的古建筑多发展为开放
2、的景区,一旦发生火灾会造成不可挽回的后果。2018 年巴西国家博物馆火灾、2019 年巴黎圣母院火灾和日本“首里城”火灾、2020 年我国云南翁丁村火灾事故均造成了恶劣的影响,因此需要对古建筑的火灾引起重视(图 1 图 4)。FDS(FireDynamicsSimulator,火 灾 动力学技术)是一种基于场模型的火灾动态模拟仿真软件,是模拟火灾常用的方法。目前众多学者应用 FDS 对火灾进行模拟研究,以期为城市减灾提供理论指导。陈拓其、李方舰、赵忠杰等研究不同通风排烟方式对火灾发展的影响,为通风设计、人员疏散和火灾救援等提供支撑。万子奇等利用 FDS 软件模拟火灾发展过程,估算人员死亡时间,
3、为火灾调查提供参考。易晓列、田垚、韩雷等对古建筑发生火灾后的危险性和火灾蔓延规律进行研究,并提出防控措施。应用 FDS 进行火灾模拟时,模型的完善程度会直接影响运行结果。但 FDS 建模时只能用长方体表示,如果需建立曲面则要通过多个长方体组合来完成曲面创建,尤其对于复杂建筑,在建模时间和精度上都有所欠缺,从而影响模拟结果。BIM(BuildingInformationModel,建筑信息模型技术)能够对建筑物理特征和功能性特征信息进行数字化承载和可视化表达,呈现出建筑真实砖木结构古建筑大殿火灾蔓延规律研究李明海杨一帆*鲁娟常通*通讯作者:杨一帆,西安建筑科技大学,陕西省西安市,710055,。
4、28城市与减灾CITY AND DISASTER REDUCTION的三维模型。张莹等、吴梦轩、王印等结合 FDS 与 BIM 技术分别以地铁车站、高层建筑和地下综合管廊为研究对象进行了相应的火灾研究,证明了该方法的可行性。目前,对古建筑火灾应用 BIM 模型的研究尚少,对火灾蔓延规律的系统性研究也尚有欠缺,因此本文以“BIM+FDS”的方式对古建筑火灾进行模拟研究,分析古建筑火灾的发展与蔓延规律,同时提高古建筑建模的速度和结果精确性,具有一定的普遍意义。基于 BIM 的古建筑火灾模型构建(一)BIM 技术与 FDS 的结合本文采用 BIM 技术进行模型的构建,应用 Revit 软件(Revi
5、t 是实现 BIM 信息化平台功能的核心软件之一,是目前市场上全专业建模及全专业协同较为全面成熟的软件)搭建建筑三维模型,再将 Revit 模型与 Pyrosim(以 FDS 为基础,为 FDS 的前端软件,为 FDS 提供了用户界面)进行转换,由于两个软件传递上会存在一些语言丢失现象,因此需要在 Pyrosim 中对建筑物的门窗状态信息和材料信息进行丰富,最后实现火灾模型的构建。模型搭建的流程如图5所示。图1巴西国家博物馆火灾图3日本“首里城”火灾图2巴黎圣母院火灾图4云南翁丁村火灾图5火灾模型搭建流程图大殿建筑信息收集BIM三维模型Revit2018导出DXF丰富门窗状态信息丰富材料信息F
6、DS火灾模拟(DXF是Revit导出的一种格式,可与Pyrosim兼容)导入Pyrosim实地调研文献、资料查阅29TECHNOLOGY OF DISASTER REDUCTION 减灾技术间有一垂壁,见图 7;前后门位置各开一个 1.8m4.2m 的开口;窗户均紧闭。大殿内部的金柱为杨木,方柱为冷杉木,其余木制部分为杨木,殿内的神像与桌子均为木制。古建筑三维模型如图 8 所示,图 8(a)为大殿 Revit 中的模型,图8(b)为 Revit 导入 Pyrosim 中并定义材料和开口的模型。2.火灾场景设置火灾燃烧模型主要分为稳态模型和非稳态模型,FDS 进行火灾模拟时所选的模型要符合实际火
7、灾规律,以保证火灾模拟的准确性。由于古建筑的主要材料为木材,燃烧迅速,因此在进行火灾数值模拟时选择非稳态的t2火模型,具体公式如下:Q=t2其中Q代表热释放速率,指在规定的试验条件下,单位时间内可燃物燃烧所释放的热量,常用单位为 MW。根据现行国家标准建筑防烟排烟系统技术标准(GB51251-2017)中典型场所的最大热释放速率确定无喷淋的公共场所为 8MW。图6西岳庙灏灵殿(二)古建筑概况陕西省华阴市西岳庙是全国重点文物保护单位,本文的研究对象为西岳庙的灏灵殿(图 6)。灏灵殿建筑面积1084.86m2,体 积 16272.90m3,殿 高 16.8m(天 花 高8.5m,屋顶结构高 8.3
8、m),为砖木结构,位于整个古建筑群的中心院落,为整个建筑群的主殿,坐北朝南,面宽七间、进深五间、周围有回廊环绕,单檐歇山顶,是西北地区现存最大的殿宇。该建筑建成年代久远,导致木材的含水率极低,并且古建筑内部构建均为木质,火灾荷载大,由于前后门日常为敞开状态,为火灾提供了充足燃料,存在很大火灾风险,具有一定的代表性。(三)古建筑火灾模型设置1.模型建立与材料设置根据查阅文献与实地调研所得数据进行模型搭建,在Revit 中建立长 32m、宽 17.6m、高 16.81m 的建筑模型。将 Revit 中建立的模型导入 Pyrosim 中,并对材料信息和门窗状态信息进行补充。根据实地调研,建筑入口面两
9、根金柱图7垂壁图8(b)Revit导入Pyrosim后的模型图8(a)大殿Reivit模型图垂壁30城市与减灾CITY AND DISASTER REDUCTION由于古建筑的燃烧特点,属于快速增长火类型,取火灾增长系数=0.0469,根据公式得出火源达到最大热释放速率的时间为 413s,设置模拟时间为 1000s。为模拟真实情况,大殿除底部外其余各面均为开放网格,与外界相通,环境温度设置为 20,风速为 0m/s。经过综合分析,火源位置选取为神像前的供台,为香炉引燃木制供台导致火灾的发生,火源面积为 0.5m0.5m。3.网格设置FDS 网格是火灾模拟基本的计算单位,网格的大小将直接影响模拟
10、结果的精度,理论上讲,网格越小模拟结果越精确,但耗时也会更长。通常网格的确定需要通过火源特征直径方程对网格进行合理性验证,火源特征直径方程如下:式中D*为火源特征直径(m);Q为火源热释放速率(取8000kW);为环境空气初始密度(取 1.29kg/m3);T为内部环境温度(取 293K);CP为定压比热容(单位质量的某种物质温度升高 1K 所需吸收的热量,取 1.014kJ/(kg k);g 为重力加速度(取 9.81m/s2);经过研究得网格尺寸d*为火源特征值的 1/161/4 倍可得出合理的求解结果。通过计算得到火源特征直径为 2.14m,对应的网格直径d*为 0.130.53m,从中
11、选择 0.2m、0.3m、0.4m、0.5m 四个网格进行对比验证。分别对网格 0.2m、0.3m、0.4m、0.5m 在火源正上方5m 处的温度观测 600s,进行网格验证,见图 9。0.5m 网格整体测得温度较低,0.4m、0.3m 和 0.2m 测量结果呈相近规律,燃烧后期 0.3m 测得温度较高,0.5m 测得温度较低,因此综合考虑温度整体趋势、模拟精度和模拟时间选择网格为 0.4m 进行火灾模拟,总共划分 498432 个网格。4.监测设置将天花分为 21 块区域,分别在其下方设置热电偶,当热电偶温度达到 600认为天花被烧穿并退出计算,见图 10。图9网格对比验证图10天花热电偶布
12、置在前后出入口人高 2m 处、大殿中部火源上方位置2.515m 处设置测点,分别观测温度、CO 浓度、能见度情况。在大殿中部X、Y轴方向设置温度、CO 浓度、能见度切片。火灾模拟分析(一)火灾及烟气蔓延火灾刚开始在火源区域中心燃烧,火灾烟气首先沿天花水平蔓延随后开始下沉。由于建筑入口上方设置了垂壁,对烟气有一定的阻挡作用,因此在Z=8.5m 处X轴下方的烟气浓度较X轴上方略低,如图 11(b)所示。烟气在 270s 左右从出入口流出后沿着檐口水平扩散,热量开始在屋檐积聚,部分烟气顺着飞檐溢出。随着燃烧的进行,殿内的烟气持续沿着殿内柱子向下蔓延,殿内温度持续升高,358s 时大殿中心部位上方天花
13、达到 600被烧毁,火灾继续向屋顶蔓延,450s 时烟气已经蔓延至整个屋顶部位,954s 时殿内高度8.5m 处即天花部位再次达到 600,导致天花有更大的坍塌,见图 12。整个燃烧过程的火灾及烟气蔓延见图 13。(二)大殿主要燃烧产物的分布情况1.温度火灾烟气的温度很高,对人有很大危害。人类对 65的温度可以短时间忍受,对 120的温度可以忍受约 15 分0100200300400500600020040060080010001200温度/时间/s0.5m0.4m0.3m0.2mD*=CPT gQ2531TECHNOLOGY OF DISASTER REDUCTION 减灾技术钟,对 175
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