文物建筑火災(zāi)危險性分析及防火對策研究

文物建筑火災(zāi)危險性分析及防火對策研究

中國的文化遺產(chǎn)包括1840年前的建筑、清末的古建筑，以及從鴉片戰(zhàn)爭到1912年辛亥革命的70多年來重建和建造的具有一定歷史意義和科學(xué)價值的現(xiàn)代建筑。這些建筑是中華文明源遠(yuǎn)流長的歷史見證,也是我國建筑文化、考古文化的重要載體,具有不可再生性。由于當(dāng)時歷史條件的限制,現(xiàn)存文物建筑其原有的防火設(shè)計在當(dāng)前的城市發(fā)展中有著很大的局限性和不足,使得當(dāng)前文物的防火保護方案或消防改措施在實施中存在一定的困難和局限性。利用火災(zāi)動態(tài)模擬預(yù)測不同地理環(huán)境下文物建筑的火災(zāi)特性,通過數(shù)據(jù)處理和模擬過程分析其可能存在的火災(zāi)危險性,提出文物建筑在使用、維修和消防改造中的防火對策。1文物和建筑的火災(zāi)現(xiàn)狀和風(fēng)險1.1文物建筑消防保護面臨的問題和困難近年來,由火災(zāi)造成文物建筑破壞和毀壞的狀況比較多。比如,我國2014年1月11日1時27分發(fā)生在云南香格里拉的火災(zāi)、1月22日下午17時46分樂山市的古建筑龍神祠突發(fā)大火。韓國“第一號國寶”崇禮門當(dāng)?shù)?008年2月10日晚突然失火等。針對文物建筑面臨的嚴(yán)峻的火災(zāi)形勢,如何更好地保護好這份遺產(chǎn),是當(dāng)前文物建筑保護面臨的主要問題和困難。我國是一個建筑遺產(chǎn)豐富的國家,現(xiàn)存文物建筑在類型和數(shù)量上相對比其他國家較多,而且又分散分布于全國各地,使用和消防現(xiàn)狀都比較復(fù)雜。從建筑防火和消防的角度上嚴(yán)格地說,在現(xiàn)存的這些文物建筑中,保存完好并能正常使用的相對數(shù)量則少得多。在當(dāng)前城鄉(xiāng)規(guī)劃和城市更新中,文物建筑的開發(fā)利用和保護狀況復(fù)雜,消防保護面臨很多不可預(yù)測的困難。例如,文物建筑的使用單位,往往不經(jīng)過消防部門的審批就隨意改變建筑物的使用性質(zhì),或改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和交通流線,有些甚至隨意更改或破壞原有結(jié)構(gòu)和建筑特征。這些做法都會對建筑物的消防安保帶來一定程度的威脅,也留下潛在的火災(zāi)風(fēng)險。針對當(dāng)前文物建筑嚴(yán)峻的火災(zāi)形勢,歐美國家普遍采取計算機模擬軟件進行火災(zāi)預(yù)測與火場重建的工作,其模式也發(fā)展得愈加成熟。同時,由于目前計算機的效能越來越高,進行火災(zāi)模擬的時間與精確度都得到大幅度提升。為此,根據(jù)我國文物建筑使用現(xiàn)狀及火災(zāi)形勢,借助火災(zāi)動態(tài)模擬來預(yù)測文物建筑可能的火災(zāi)風(fēng)險及火災(zāi)場景,以使文物建筑的維修、使用和消防改造有行之有效的防火措施。1.2文物建筑火災(zāi)文物建筑大都年代久遠(yuǎn),就建筑防火而言,建筑物的風(fēng)格、結(jié)構(gòu)體系、建筑材料及其使用環(huán)境、消防規(guī)劃、周圍環(huán)境和道路布局上都有其特殊性和不利之處。結(jié)合大量調(diào)研的資料,文物建筑的火災(zāi)隱患主要存在于以下幾個方面:(1)生活用火。包括炊事、照明、取暖、熱水、沏茶、吸煙、驅(qū)蚊蟲等生活用火。生活用火不慎引起火災(zāi)的占建國以來文物建筑火災(zāi)的40%以上。(2)電氣火災(zāi)。文物建筑內(nèi)使用電氣設(shè)備、設(shè)施極為普遍,這些電器有用于照明的、做飯的,有些還用于燒鍋爐,有的還用于宗教活動。(3)宗教活動用火。文物建筑,尤其是年代久遠(yuǎn)的宗教古建筑,長期以來成為民間燒香拜佛的首選之地,香、燭、燈是此類建筑最大也是最直接的火源,對這些建筑的防火安全造成了極大的威脅。除了日常的宗教活動用火(燒香化紙、燃點、蠟燭、供龕上的植物油燈,喇嘛廟宇中的酥油供燈)外,大型廟會期間,文物建筑也是老百姓光顧最多的去處,各種信仰的宗教活動都要動火,無形之中埋下了眾多火災(zāi)隱患。因宗教活動造成的火災(zāi)約占文物建筑火災(zāi)的12.8%。(4)雷擊起火。就目前城鄉(xiāng)規(guī)劃和城市發(fā)展的整體形勢而言,文物建筑所處的環(huán)境相對都比較特殊。有些建筑本身的建造高度比較大,有些建造在較高的地勢上;有些文物建筑高度不是很大的單體建筑或建筑群,周圍則有著古木參天的大樹,且木質(zhì)干燥。這些文物建筑本身或周圍的大樹的接觸點高,地處雷擊多發(fā)區(qū)時極易引起雷電火災(zāi)。雷擊引起的火災(zāi)約占文物建筑火災(zāi)的15.4%。如,坐落于西藏拉薩市紅山上的布達(dá)拉宮,始建于公元七世紀(jì),是松贊干布為迎娶文成公主而修建的宮堡建筑群,在赤松德贊時期因雷擊起火,遭遇火災(zāi)。(5)其他原因。引發(fā)文物建筑火災(zāi)的其他原因主要有材料自燃、縱火、玩火、煙花炮竹、爆炸等引發(fā)的火災(zāi)。這類火災(zāi)在文物建筑火災(zāi)中占7.8%。如1998年4月4日,山西省臨汾市堯廟宮廣運殿因人為放火引發(fā)火災(zāi),燒毀殿宇1276m2,殿內(nèi)9尊神塑也被毀于火,直接財產(chǎn)損失451萬元。2在火災(zāi)動態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，進行了一個示例2.1燃燒和煙氣蔓延特性結(jié)合對吉林省四保臨江戰(zhàn)役指揮部舊址現(xiàn)狀勘測及維修加固工程等文物建筑進行現(xiàn)場實測資料,為了得到文物建筑火災(zāi)燃燒和煙氣蔓延特性,本文以陳云故居舊址為研究對象,根據(jù)文物建筑的結(jié)構(gòu)特點和周圍環(huán)境,從預(yù)測到的最不利狀態(tài)下可能發(fā)生的火災(zāi)燃燒特性出發(fā),采用火災(zāi)動態(tài)模擬的方法進行火災(zāi)場景模擬,預(yù)測可能的火災(zāi)場景下煙氣蔓延和火場溫度變化的規(guī)律。從而獲得這些文物建筑在既定環(huán)境條件下的火災(zāi)危險性,以有針對性地提出相應(yīng)的消防改造方案。2.2戰(zhàn)役體制的修善陳云故居是在2006年5月25日被國務(wù)院列為全國重點文物保護單位。本研究對象本體現(xiàn)為陳云故居展覽館,共分為兩個展室,圖片展室和實物展室。因年代較為久遠(yuǎn),建國后,雖然地方政府也采取了一定的保護措施,但由于長期的風(fēng)吹、雨淋、日曬,展覽館有了一定程度的損毀。也因缺乏修繕和管理,故居居室也非常簡陋,建筑構(gòu)件殘缺,結(jié)構(gòu)單元之間缺乏相應(yīng)的支撐,無法形成有效的整體。臨江市四保臨江戰(zhàn)役指揮部舊址經(jīng)過2010年吉林省特大暴雨侵襲建筑本體及周圍環(huán)境遭到嚴(yán)重?fù)p壞,此次修善,本著“維持文物原狀”的原則,除了還原當(dāng)年的歷史場景外,重點在于對建筑本體強度及飾面進行恢復(fù)修繕和相應(yīng)的消防改造。故居建筑平面呈L形,平面東西長13m進深10m,南北長15m進深8.5m,高7.8m。該文物建筑為木桁架代替?zhèn)鹘y(tǒng)的抬梁式構(gòu)架,木桁架插入墻體上部形成雙面坡屋頂,桁架下方做木龍骨吊頂與墻體相接室內(nèi)形成平屋面。木桁架上搭木檁條,檁條上鋪木望板然后用青灰色粘土瓦覆面。建筑室內(nèi)地面為架空防火木地板,內(nèi)置木龍骨式吊頂。外墻上部開窗,北側(cè)山墻上部開百葉窗并用磚砌三層拔檐,內(nèi)墻設(shè)日式推拉門(被后人拆除)。建筑現(xiàn)狀及周邊環(huán)境如下:a.結(jié)構(gòu)體系中遭到一定程度破壞的部位主要有:(1)地面:原有鋪裝佚失;(2)墻面:原粉刷面層被更改,現(xiàn)表面粉刷剝落;(3)吊頂:局部糟朽劈裂;(4)大木架:桁架有彎曲變形糟朽、檁劈裂等;(5)屋面:瓦、脊酥堿風(fēng)化,望板大部分糟朽;b.周邊消防環(huán)境勘察:(1)建筑緊鄰鴨綠江大街,院內(nèi)多硬質(zhì)地面,植有少數(shù)柏樹,植物分布和整體環(huán)境比較凌亂;(2)院內(nèi)無消火栓、無污水、雨水排放系統(tǒng),無消防管網(wǎng)設(shè)計,除了普通照明無安防系統(tǒng)及應(yīng)急照明;(3)無消防通道,缺少機動停車位和非機動停車位。2.3模型試驗的基本過程和結(jié)果分析(1)試驗?zāi)康募坝嬎惴椒ㄍㄟ^FDS火災(zāi)動態(tài)模擬試驗,觀察文物建筑火災(zāi)燃燒特性及煙氣蔓延和發(fā)展情況。分析煙氣在不同溫度和釋熱速率作用下的蔓延速度,得出著火空間火災(zāi)煙氣溫度及其對相鄰空間安全性的影響。FES模擬是目前火災(zāi)工程中應(yīng)用廣泛的模擬程序。FDS是主要針對火災(zāi)驅(qū)動下的流體流動進行計算模擬,根據(jù)不同火災(zāi)場景內(nèi)的火災(zāi)荷載及火災(zāi)燃燒特性,主要描述燃燒產(chǎn)物與周圍空氣的湍流混合,并結(jié)合流體動力學(xué)方程計算火災(zāi)中的煙氣和熱量的的傳輸。FDS較其他模型采用了盡可能少的假設(shè),能夠較好模擬真實火災(zāi)的發(fā)展過程,結(jié)合火災(zāi)區(qū)域模擬控制方程可以計算出火災(zāi)發(fā)展和煙氣蔓延的過程?；馂?zāi)區(qū)域模擬控制方程式中的小標(biāo)u和l分別表示上層和下層。加上輔助條件PU=Pl和V=VU+Vl方程組封閉,可以進行計算求解和分析。(2)模型建立及工況試根據(jù)建筑圖紙,建立了房屋的實體模型,模擬區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.2m×0.2m×0.2m,其中所有的門窗均敞開,圖1為模型效果圖。(3)試驗裝置火災(zāi)安全分析的第一步是確定可能的火災(zāi)危險源。由于不同建筑內(nèi),起火位置的隨機性很大。但對文物建筑火災(zāi)特性和火災(zāi)安全狀況的分析可以根據(jù)火災(zāi)規(guī)律提取若干有代表性的情形進行模擬和分析。本次試驗根據(jù)實際情況,設(shè)置了辦公室、廚房、臥室三組場景,具體情況如表1所示。在屋內(nèi)相應(yīng)的門口設(shè)置了T1~T8共8個溫度探點,以便探測某個房間著火的情況下,其他房間入口的溫度變化情況,具體探點分布如圖2所示。(4)火災(zāi)場景模擬及結(jié)果項目研究中主要就最易發(fā)生火災(zāi)的廚房火災(zāi)場景的模擬過程及結(jié)果進行分析,重點選取辦公室、廚房、臥室3個地點的火災(zāi)場景進行了模擬?；鹪次挥趶N房中央,經(jīng)過火災(zāi)危險源辨識,火災(zāi)類型定為t2快速火災(zāi),火災(zāi)增長因子為0.0469,最大熱釋放速率為1MW,房間的門和窗均為開啟狀態(tài)。圖3給出了不同時刻2m高度處水平截面的溫度變化情況。從圖中溫度場可以看出,廚房和走廊上方溫度很快便超過60℃,隨后警衛(wèi)室的溫度達(dá)到了50℃左右,其余別的房間均有一定的溫升。圖4給出了不同時刻的2m高水平截面的能見度變化情況。從圖中能見度可以看出,火災(zāi)發(fā)展到100s時,廚房和走廊的能見度低于10m;200s時,警衛(wèi)室的能見度低于10m;300s時,辦公室的能見度低于10m;500s時,臥室、機要室、庫房的門口能見度低于10m。圖5所示,廚房的兩個門口探點所測的溫升較大,其次是走道兩端的出口,其他房間溫度略有升高。再結(jié)合圖3、圖4可以看出,廚房著火時,對其警衛(wèi)室、辦公室有較大的影響,尤其是能見度,對其他的房間影響較小。與辦公室著火不同,廚房對外沒有窗,屋內(nèi)的煙氣不能直接排向室外,只能通過警衛(wèi)室、走道排出去。大量的高溫?zé)煔饬飨蚓l(wèi)室和走道,使溫度迅速升高,能見度降低,并對其他房間造成了不利的影響。3構(gòu)件的更換、阻燃處理根據(jù)《文物法》明確規(guī)定的“不改變文物原狀”的修繕原則,文物建筑的消防改造及防火保護應(yīng)盡可能多地保留文物建筑的原構(gòu)件,維修中建筑構(gòu)件能不拆卸的盡量不要拆卸,對需要更換的構(gòu)件盡可能采用傳統(tǒng)材料和施工工藝,對需要修補的部位一律采用耐火材料或經(jīng)防火處理后的材料,而對新補配的或需置換的構(gòu)件則全部采用經(jīng)阻燃處理的與原構(gòu)件相同的材料?；诨馂?zāi)動態(tài)模擬結(jié)果,并將相關(guān)數(shù)值代入火災(zāi)區(qū)域模擬控制方程進行計算、分析后,綜合考慮了臨江陳云故居建筑現(xiàn)有的消防設(shè)施和使用現(xiàn)狀的基礎(chǔ),在本次消防整改中采取了如下措施。3.1外墻質(zhì)量維修(1)地面維修:對于室內(nèi)地面拆除室內(nèi)所有水泥鋪地和花崗巖鋪地,施以經(jīng)阻燃處理的架空木地板。(2)地面和墻體維修:(1)移除室內(nèi)報廢的暖氣片及暖氣管道,清洗墻身發(fā)霉處并重新用防火涂料粉刷室內(nèi)墻面。(2)墻面抹灰維修:清除現(xiàn)有墻身涂料用原材料進行替換,下部墻裙依據(jù)臨江市偽滿行宮外墻裙用毛石貼面并加水泥砂漿勾縫。(3)清除山墻表面爬藤植物,以減少因枯竭植物引發(fā)的火災(zāi),并清洗外墻表面去除植物留下的痕跡。(3)木作維修:(1)梁劈裂彎垂加固:榫頭糟朽、折斷、劈裂部位置換時,采用經(jīng)阻燃處理的硬雜木更換榫頭;扭閃糟朽嚴(yán)重時更換耐火構(gòu)件。(2)檁條維修加固:上皮和局部糟朽者剔補,經(jīng)計算斷面不足時更換,拔榫的拆裝撥正并加鐵鋦。所有檁件進行阻燃處理并以鐵件加固,加強檁條間平面約束力,加強屋頂平面剛度。(3)梁、枋、檁糟朽加固:未糟朽斷面經(jīng)計算仍能安全承載者,剔除糟朽用木料釘補粘接,面積較大的外加鐵箍,斷面不足者用阻燃處理后的原材料更換。(4)隔扇門、窗維修加固:邊挺抹頭榫卯松動,拆卸后重新組裝,用耐火膠粘牢;邊框局部糟朽的釘補,格心殘毀的修補;抱框扭曲壓彎者予以修正;去除后加裝修,按原樣修配經(jīng)阻燃處理的格柵。3.2消防通道,疏散環(huán)境針對院內(nèi)無消防用水管道、無污水及雨水排放系統(tǒng),無消防管網(wǎng)設(shè)計,無安防系統(tǒng)僅有普通照明;以及缺少機動停車位和非機動停車位的情況,遵循可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想和回復(fù)原有建筑風(fēng)貌的原則,對消防通道和疏散環(huán)境進行如下整改:(1)拆除違章建筑,去除本體建筑周圍雜物,加設(shè)消防通道。(2)院內(nèi)道路為方磚和條磚鋪地,兩邊加道牙石,保證院內(nèi)道路的通暢性和疏散時的安全性。(3)在院落西側(cè)設(shè)置消防通道。排水體制采用雨、污合流制,地面找坡形成地上無組織排水和地下管道排水系統(tǒng)接入城市管道。(4)加設(shè)滅火器材和消防管網(wǎng),安裝安防監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。(5)增加相應(yīng)安全標(biāo)識,對人流進行引導(dǎo),拓展消防通道的同時增加了普通停車位,以滿足停車需要而不占用