文物建筑火灾危险性分析及防火对策研究

文物建筑火灾危险性分析及防火对策研究

中国的文化遗产包括1840年前的建筑、清末的古建筑，以及从鸦片战争到1912年辛亥革命的70多年来重建和建造的具有一定历史意义和科学价值的现代建筑。这些建筑是中华文明源远流长的历史见证,也是我国建筑文化、考古文化的重要载体,具有不可再生性。由于当时历史条件的限制,现存文物建筑其原有的防火设计在当前的城市发展中有着很大的局限性和不足,使得当前文物的防火保护方案或消防改措施在实施中存在一定的困难和局限性。利用火灾动态模拟预测不同地理环境下文物建筑的火灾特性,通过数据处理和模拟过程分析其可能存在的火灾危险性,提出文物建筑在使用、维修和消防改造中的防火对策。1文物和建筑的火灾现状和风险1.1文物建筑消防保护面临的问题和困难近年来,由火灾造成文物建筑破坏和毁坏的状况比较多。比如,我国2014年1月11日1时27分发生在云南香格里拉的火灾、1月22日下午17时46分乐山市的古建筑龙神祠突发大火。韩国“第一号国宝”崇礼门当地2008年2月10日晚突然失火等。针对文物建筑面临的严峻的火灾形势,如何更好地保护好这份遗产,是当前文物建筑保护面临的主要问题和困难。我国是一个建筑遗产丰富的国家,现存文物建筑在类型和数量上相对比其他国家较多,而且又分散分布于全国各地,使用和消防现状都比较复杂。从建筑防火和消防的角度上严格地说,在现存的这些文物建筑中,保存完好并能正常使用的相对数量则少得多。在当前城乡规划和城市更新中,文物建筑的开发利用和保护状况复杂,消防保护面临很多不可预测的困难。例如,文物建筑的使用单位,往往不经过消防部门的审批就随意改变建筑物的使用性质,或改变其内部结构和交通流线,有些甚至随意更改或破坏原有结构和建筑特征。这些做法都会对建筑物的消防安保带来一定程度的威胁,也留下潜在的火灾风险。针对当前文物建筑严峻的火灾形势,欧美国家普遍采取计算机模拟软件进行火灾预测与火场重建的工作,其模式也发展得愈加成熟。同时,由于目前计算机的效能越来越高,进行火灾模拟的时间与精确度都得到大幅度提升。为此,根据我国文物建筑使用现状及火灾形势,借助火灾动态模拟来预测文物建筑可能的火灾风险及火灾场景,以使文物建筑的维修、使用和消防改造有行之有效的防火措施。1.2文物建筑火灾文物建筑大都年代久远,就建筑防火而言,建筑物的风格、结构体系、建筑材料及其使用环境、消防规划、周围环境和道路布局上都有其特殊性和不利之处。结合大量调研的资料,文物建筑的火灾隐患主要存在于以下几个方面:(1)生活用火。包括炊事、照明、取暖、热水、沏茶、吸烟、驱蚊虫等生活用火。生活用火不慎引起火灾的占建国以来文物建筑火灾的40%以上。(2)电气火灾。文物建筑内使用电气设备、设施极为普遍,这些电器有用于照明的、做饭的,有些还用于烧锅炉,有的还用于宗教活动。(3)宗教活动用火。文物建筑,尤其是年代久远的宗教古建筑,长期以来成为民间烧香拜佛的首选之地,香、烛、灯是此类建筑最大也是最直接的火源,对这些建筑的防火安全造成了极大的威胁。除了日常的宗教活动用火(烧香化纸、燃点、蜡烛、供龛上的植物油灯,喇嘛庙宇中的酥油供灯)外,大型庙会期间,文物建筑也是老百姓光顾最多的去处,各种信仰的宗教活动都要动火,无形之中埋下了众多火灾隐患。因宗教活动造成的火灾约占文物建筑火灾的12.8%。(4)雷击起火。就目前城乡规划和城市发展的整体形势而言,文物建筑所处的环境相对都比较特殊。有些建筑本身的建造高度比较大,有些建造在较高的地势上;有些文物建筑高度不是很大的单体建筑或建筑群,周围则有着古木参天的大树,且木质干燥。这些文物建筑本身或周围的大树的接触点高,地处雷击多发区时极易引起雷电火灾。雷击引起的火灾约占文物建筑火灾的15.4%。如,坐落于西藏拉萨市红山上的布达拉宫,始建于公元七世纪,是松赞干布为迎娶文成公主而修建的宫堡建筑群,在赤松德赞时期因雷击起火,遭遇火灾。(5)其他原因。引发文物建筑火灾的其他原因主要有材料自燃、纵火、玩火、烟花炮竹、爆炸等引发的火灾。这类火灾在文物建筑火灾中占7.8%。如1998年4月4日,山西省临汾市尧庙宫广运殿因人为放火引发火灾,烧毁殿宇1276m2,殿内9尊神塑也被毁于火,直接财产损失451万元。2在火灾动态模拟的基础上，进行了一个示例2.1燃烧和烟气蔓延特性结合对吉林省四保临江战役指挥部旧址现状勘测及维修加固工程等文物建筑进行现场实测资料,为了得到文物建筑火灾燃烧和烟气蔓延特性,本文以陈云故居旧址为研究对象,根据文物建筑的结构特点和周围环境,从预测到的最不利状态下可能发生的火灾燃烧特性出发,采用火灾动态模拟的方法进行火灾场景模拟,预测可能的火灾场景下烟气蔓延和火场温度变化的规律。从而获得这些文物建筑在既定环境条件下的火灾危险性,以有针对性地提出相应的消防改造方案。2.2战役体制的修善陈云故居是在2006年5月25日被国务院列为全国重点文物保护单位。本研究对象本体现为陈云故居展览馆,共分为两个展室,图片展室和实物展室。因年代较为久远,建国后,虽然地方政府也采取了一定的保护措施,但由于长期的风吹、雨淋、日晒,展览馆有了一定程度的损毁。也因缺乏修缮和管理,故居居室也非常简陋,建筑构件残缺,结构单元之间缺乏相应的支撑,无法形成有效的整体。临江市四保临江战役指挥部旧址经过2010年吉林省特大暴雨侵袭建筑本体及周围环境遭到严重损坏,此次修善,本着“维持文物原状”的原则,除了还原当年的历史场景外,重点在于对建筑本体强度及饰面进行恢复修缮和相应的消防改造。故居建筑平面呈L形,平面东西长13m进深10m,南北长15m进深8.5m,高7.8m。该文物建筑为木桁架代替传统的抬梁式构架,木桁架插入墙体上部形成双面坡屋顶,桁架下方做木龙骨吊顶与墙体相接室内形成平屋面。木桁架上搭木檩条,檩条上铺木望板然后用青灰色粘土瓦覆面。建筑室内地面为架空防火木地板,内置木龙骨式吊顶。外墙上部开窗,北侧山墙上部开百叶窗并用砖砌三层拔檐,内墙设日式推拉门(被后人拆除)。建筑现状及周边环境如下:a.结构体系中遭到一定程度破坏的部位主要有:(1)地面:原有铺装佚失;(2)墙面:原粉刷面层被更改,现表面粉刷剥落;(3)吊顶:局部糟朽劈裂;(4)大木架:桁架有弯曲变形糟朽、檩劈裂等;(5)屋面:瓦、脊酥碱风化,望板大部分糟朽;b.周边消防环境勘察:(1)建筑紧邻鸭绿江大街,院内多硬质地面,植有少数柏树,植物分布和整体环境比较凌乱;(2)院内无消火栓、无污水、雨水排放系统,无消防管网设计,除了普通照明无安防系统及应急照明;(3)无消防通道,缺少机动停车位和非机动停车位。2.3模型试验的基本过程和结果分析(1)试验目的及计算方法通过FDS火灾动态模拟试验,观察文物建筑火灾燃烧特性及烟气蔓延和发展情况。分析烟气在不同温度和释热速率作用下的蔓延速度,得出着火空间火灾烟气温度及其对相邻空间安全性的影响。FES模拟是目前火灾工程中应用广泛的模拟程序。FDS是主要针对火灾驱动下的流体流动进行计算模拟,根据不同火灾场景内的火灾荷载及火灾燃烧特性,主要描述燃烧产物与周围空气的湍流混合,并结合流体动力学方程计算火灾中的烟气和热量的的传输。FDS较其他模型采用了尽可能少的假设,能够较好模拟真实火灾的发展过程,结合火灾区域模拟控制方程可以计算出火灾发展和烟气蔓延的过程。火灾区域模拟控制方程式中的小标u和l分别表示上层和下层。加上辅助条件PU=Pl和V=VU+Vl方程组封闭,可以进行计算求解和分析。(2)模型建立及工况试根据建筑图纸,建立了房屋的实体模型,模拟区域网格尺寸为0.2m×0.2m×0.2m,其中所有的门窗均敞开,图1为模型效果图。(3)试验装置火灾安全分析的第一步是确定可能的火灾危险源。由于不同建筑内,起火位置的随机性很大。但对文物建筑火灾特性和火灾安全状况的分析可以根据火灾规律提取若干有代表性的情形进行模拟和分析。本次试验根据实际情况,设置了办公室、厨房、卧室三组场景,具体情况如表1所示。在屋内相应的门口设置了T1~T8共8个温度探点,以便探测某个房间着火的情况下,其他房间入口的温度变化情况,具体探点分布如图2所示。(4)火灾场景模拟及结果项目研究中主要就最易发生火灾的厨房火灾场景的模拟过程及结果进行分析,重点选取办公室、厨房、卧室3个地点的火灾场景进行了模拟。火源位于厨房中央,经过火灾危险源辨识,火灾类型定为t2快速火灾,火灾增长因子为0.0469,最大热释放速率为1MW,房间的门和窗均为开启状态。图3给出了不同时刻2m高度处水平截面的温度变化情况。从图中温度场可以看出,厨房和走廊上方温度很快便超过60℃,随后警卫室的温度达到了50℃左右,其余别的房间均有一定的温升。图4给出了不同时刻的2m高水平截面的能见度变化情况。从图中能见度可以看出,火灾发展到100s时,厨房和走廊的能见度低于10m;200s时,警卫室的能见度低于10m;300s时,办公室的能见度低于10m;500s时,卧室、机要室、库房的门口能见度低于10m。图5所示,厨房的两个门口探点所测的温升较大,其次是走道两端的出口,其他房间温度略有升高。再结合图3、图4可以看出,厨房着火时,对其警卫室、办公室有较大的影响,尤其是能见度,对其他的房间影响较小。与办公室着火不同,厨房对外没有窗,屋内的烟气不能直接排向室外,只能通过警卫室、走道排出去。大量的高温烟气流向警卫室和走道,使温度迅速升高,能见度降低,并对其他房间造成了不利的影响。3构件的更换、阻燃处理根据《文物法》明确规定的“不改变文物原状”的修缮原则,文物建筑的消防改造及防火保护应尽可能多地保留文物建筑的原构件,维修中建筑构件能不拆卸的尽量不要拆卸,对需要更换的构件尽可能采用传统材料和施工工艺,对需要修补的部位一律采用耐火材料或经防火处理后的材料,而对新补配的或需置换的构件则全部采用经阻燃处理的与原构件相同的材料。基于火灾动态模拟结果,并将相关数值代入火灾区域模拟控制方程进行计算、分析后,综合考虑了临江陈云故居建筑现有的消防设施和使用现状的基础,在本次消防整改中采取了如下措施。3.1外墙质量维修(1)地面维修:对于室内地面拆除室内所有水泥铺地和花岗岩铺地,施以经阻燃处理的架空木地板。(2)地面和墙体维修:(1)移除室内报废的暖气片及暖气管道,清洗墙身发霉处并重新用防火涂料粉刷室内墙面。(2)墙面抹灰维修:清除现有墙身涂料用原材料进行替换,下部墙裙依据临江市伪满行宫外墙裙用毛石贴面并加水泥砂浆勾缝。(3)清除山墙表面爬藤植物,以减少因枯竭植物引发的火灾,并清洗外墙表面去除植物留下的痕迹。(3)木作维修:(1)梁劈裂弯垂加固:榫头糟朽、折断、劈裂部位置换时,采用经阻燃处理的硬杂木更换榫头;扭闪糟朽严重时更换耐火构件。(2)檩条维修加固:上皮和局部糟朽者剔补,经计算断面不足时更换,拔榫的拆装拨正并加铁锔。所有檩件进行阻燃处理并以铁件加固,加强檩条间平面约束力,加强屋顶平面刚度。(3)梁、枋、檩糟朽加固:未糟朽断面经计算仍能安全承载者,剔除糟朽用木料钉补粘接,面积较大的外加铁箍,断面不足者用阻燃处理后的原材料更换。(4)隔扇门、窗维修加固:边挺抹头榫卯松动,拆卸后重新组装,用耐火胶粘牢;边框局部糟朽的钉补,格心残毁的修补;抱框扭曲压弯者予以修正;去除后加装修,按原样修配经阻燃处理的格栅。3.2消防通道,疏散环境针对院内无消防用水管道、无污水及雨水排放系统,无消防管网设计,无安防系统仅有普通照明;以及缺少机动停车位和非机动停车位的情况,遵循可持续发展的战略思想和回复原有建筑风貌的原则,对消防通道和疏散环境进行如下整改:(1)拆除违章建筑,去除本体建筑周围杂物,加设消防通道。(2)院内道路为方砖和条砖铺地,两边加道牙石,保证院内道路的通畅性和疏散时的安全性。(3)在院落西侧设置消防通道。排水体制采用雨、污合流制,地面找坡形成地上无组织排水和地下管道排水系统接入城市管道。(4)加设灭火器材和消防管网,安装安防监控系统、火灾自动报警系统。(5)增加相应安全标识,对人流进行引导,拓展消防通道的同时增加了普通停车位,以满足停车需要而不占用