文物建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性分析及防火對(duì)策研究

文物建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性分析及防火對(duì)策研究

中國(guó)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(zhēng)到1912年辛亥革命的70多年來(lái)重建和建造的具有一定歷史意義和科學(xué)價(jià)值的現(xiàn)代建筑。這些建筑是中華文明源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的歷史見(jiàn)證,也是我國(guó)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(shí)歷史條件的限制,現(xiàn)存文物建筑其原有的防火設(shè)計(jì)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(hù)方案或消防改措施在實(shí)施中存在一定的困難和局限性。利用火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測(cè)不同地理環(huán)境下文物建筑的火災(zāi)特性,通過(guò)數(shù)據(jù)處理和模擬過(guò)程分析其可能存在的火災(zāi)危險(xiǎn)性,提出文物建筑在使用、維修和消防改造中的防火對(duì)策。1文物和建筑的火災(zāi)現(xiàn)狀和風(fēng)險(xiǎn)1.1文物建筑消防保護(hù)面臨的問(wèn)題和困難近年來(lái),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(guó)2014年1月11日1時(shí)27分發(fā)生在云南香格里拉的火災(zāi)、1月22日下午17時(shí)46分樂(lè)山市的古建筑龍神祠突發(fā)大火。韓國(guó)“第一號(hào)國(guó)寶”崇禮門當(dāng)?shù)?008年2月10日晚突然失火等。針對(duì)文物建筑面臨的嚴(yán)峻的火災(zāi)形勢(shì),如何更好地保護(hù)好這份遺產(chǎn),是當(dāng)前文物建筑保護(hù)面臨的主要問(wèn)題和困難。我國(guó)是一個(gè)建筑遺產(chǎn)豐富的國(guó)家,現(xiàn)存文物建筑在類型和數(shù)量上相對(duì)比其他國(guó)家較多,而且又分散分布于全國(guó)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(shuō),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(duì)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(kāi)發(fā)利用和保護(hù)狀況復(fù)雜,消防保護(hù)面臨很多不可預(yù)測(cè)的困難。例如,文物建筑的使用單位,往往不經(jīng)過(guò)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(huì)對(duì)建筑物的消防安保帶來(lái)一定程度的威脅,也留下潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)當(dāng)前文物建筑嚴(yán)峻的火災(zāi)形勢(shì),歐美國(guó)家普遍采取計(jì)算機(jī)模擬軟件進(jìn)行火災(zāi)預(yù)測(cè)與火場(chǎng)重建的工作,其模式也發(fā)展得愈加成熟。同時(shí),由于目前計(jì)算機(jī)的效能越來(lái)越高,進(jìn)行火災(zāi)模擬的時(shí)間與精確度都得到大幅度提升。為此,根據(jù)我國(guó)文物建筑使用現(xiàn)狀及火災(zāi)形勢(shì),借助火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬來(lái)預(yù)測(cè)文物建筑可能的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)及火災(zāi)場(chǎng)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(gè)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(chóng)等生活用火。生活用火不慎引起火災(zāi)的占建國(guó)以來(lái)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(dòng)。(3)宗教活動(dòng)用火。文物建筑,尤其是年代久遠(yuǎn)的宗教古建筑,長(zhǎng)期以來(lái)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(duì)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(dòng)用火(燒香化紙、燃點(diǎn)、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(huì)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(dòng)都要?jiǎng)踊?無(wú)形之中埋下了眾多火災(zāi)隱患。因宗教活動(dòng)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(shì)而言,文物建筑所處的環(huán)境相對(duì)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(shì)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(shù),且木質(zhì)干燥。這些文物建筑本身或周圍的大樹(shù)的接觸點(diǎn)高,地處雷擊多發(fā)區(qū)時(shí)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(shí)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(yùn)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(cái)產(chǎn)損失451萬(wàn)元。2在火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一個(gè)示例2.1燃燒和煙氣蔓延特性結(jié)合對(duì)吉林省四保臨江戰(zhàn)役指揮部舊址現(xiàn)狀勘測(cè)及維修加固工程等文物建筑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(duì)象,根據(jù)文物建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和周圍環(huán)境,從預(yù)測(cè)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(dòng)態(tài)模擬的方法進(jìn)行火災(zāi)場(chǎng)景模擬,預(yù)測(cè)可能的火災(zāi)場(chǎng)景下煙氣蔓延和火場(chǎng)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(xiǎn)性,以有針對(duì)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(guó)務(wù)院列為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。本研究對(duì)象本體現(xiàn)為陳云故居展覽館,共分為兩個(gè)展室,圖片展室和實(shí)物展室。因年代較為久遠(yuǎn),建國(guó)后,雖然地方政府也采取了一定的保護(hù)措施,但由于長(zhǎng)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(jiǎn)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(wú)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(guò)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(chǎng)景外,重點(diǎn)在于對(duì)建筑本體強(qiáng)度及飾面進(jìn)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(zhǎng)13m進(jìn)深10m,南北長(zhǎng)15m進(jìn)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(kāi)窗,北側(cè)山墻上部開(kāi)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(shù),植物分布和整體環(huán)境比較凌亂;(2)院內(nèi)無(wú)消火栓、無(wú)污水、雨水排放系統(tǒng),無(wú)消防管網(wǎng)設(shè)計(jì),除了普通照明無(wú)安防系統(tǒng)及應(yīng)急照明;(3)無(wú)消防通道,缺少機(jī)動(dòng)停車位和非機(jī)動(dòng)停車位。2.3模型試驗(yàn)的基本過(guò)程和結(jié)果分析(1)試驗(yàn)?zāi)康募坝?jì)算方法通過(guò)FDS火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn),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(duì)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(duì)火災(zāi)驅(qū)動(dòng)下的流體流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算模擬,根據(jù)不同火災(zāi)場(chǎng)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(dòng)力學(xué)方程計(jì)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(shí)火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程,結(jié)合火災(zāi)區(qū)域模擬控制方程可以計(jì)算出火災(zāi)發(fā)展和煙氣蔓延的過(guò)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(jìn)行計(jì)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(shí)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(kāi),圖1為模型效果圖。(3)試驗(yàn)裝置火災(zāi)安全分析的第一步是確定可能的火災(zāi)危險(xiǎn)源。由于不同建筑內(nèi),起火位置的隨機(jī)性很大。但對(duì)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(jìn)行模擬和分析。本次試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際情況,設(shè)置了辦公室、廚房、臥室三組場(chǎng)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(gè)溫度探點(diǎn),以便探測(cè)某個(gè)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(diǎn)分布如圖2所示。(4)火災(zāi)場(chǎng)景模擬及結(jié)果項(xiàng)目研究中主要就最易發(fā)生火災(zāi)的廚房火災(zāi)場(chǎng)景的模擬過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行分析,重點(diǎn)選取辦公室、廚房、臥室3個(gè)地點(diǎn)的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行了模擬?；鹪次挥趶N房中央,經(jīng)過(guò)火災(zāi)危險(xiǎn)源辨識(shí),火災(zāi)類型定為t2快速火災(zāi),火災(zāi)增長(zhǎng)因子為0.0469,最大熱釋放速率為1MW,房間的門和窗均為開(kāi)啟狀態(tài)。圖3給出了不同時(shí)刻2m高度處水平截面的溫度變化情況。從圖中溫度場(chǎng)可以看出,廚房和走廊上方溫度很快便超過(guò)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(shí)刻的2m高水平截面的能見(jiàn)度變化情況。從圖中能見(jiàn)度可以看出,火災(zāi)發(fā)展到100s時(shí),廚房和走廊的能見(jiàn)度低于10m;200s時(shí),警衛(wèi)室的能見(jiàn)度低于10m;300s時(shí),辦公室的能見(jiàn)度低于10m;500s時(shí),臥室、機(jī)要室、庫(kù)房的門口能見(jiàn)度低于10m。圖5所示,廚房的兩個(gè)門口探點(diǎn)所測(cè)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(shí),對(duì)其警衛(wèi)室、辦公室有較大的影響,尤其是能見(jiàn)度,對(duì)其他的房間影響較小。與辦公室著火不同,廚房對(duì)外沒(méi)有窗,屋內(nèi)的煙氣不能直接排向室外,只能通過(guò)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(jiàn)度降低,并對(duì)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(hù)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(duì)需要更換的構(gòu)件盡可能采用傳統(tǒng)材料和施工工藝,對(duì)需要修補(bǔ)的部位一律采用耐火材料或經(jīng)防火處理后的材料,而對(duì)新補(bǔ)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(dòng)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(jìn)行計(jì)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(duì)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(bào)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(jìn)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(shí),采用經(jīng)阻燃處理的硬雜木更換榫頭;扭閃糟朽嚴(yán)重時(shí)更換耐火構(gòu)件。(2)檁條維修加固:上皮和局部糟朽者剔補(bǔ),經(jīng)計(jì)算斷面不足時(shí)更換,拔榫的拆裝撥正并加鐵鋦。所有檁件進(jìn)行阻燃處理并以鐵件加固,加強(qiáng)檁條間平面約束力,加強(qiáng)屋頂平面剛度。(3)梁、枋、檁糟朽加固:未糟朽斷面經(jīng)計(jì)算仍能安全承載者,剔除糟朽用木料釘補(bǔ)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(dòng),拆卸后重新組裝,用耐火膠粘牢;邊框局部糟朽的釘補(bǔ),格心殘毀的修補(bǔ);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(duì)院內(nèi)無(wú)消防用水管道、無(wú)污水及雨水排放系統(tǒng),無(wú)消防管網(wǎng)設(shè)計(jì),無(wú)安防系統(tǒng)僅有普通照明;以及缺少機(jī)動(dòng)停車位和非機(jī)動(dòng)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(duì)消防通道和疏散環(huán)境進(jìn)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(shí)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(wú)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(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。(5)增加相應(yīng)安全標(biāo)識(shí),對(duì)人流進(jìn)行引導(dǎo),拓展消防通道的同時(shí)增加了普通停車位,以滿足停車需要而不占用