新论文：村镇建筑群火灾蔓延模拟与案例
村镇建筑群火灾蔓延模拟与案例
清华大学学报(自然科学版), 2017, 57(12): 1331-1337.
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http://jst.tsinghuajournals.com/CN/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.25.060
研究背景
我国西南村镇地区建筑密集，木结构众多，火灾频发。2014年发生在云南香格里拉县独克宗古城的火灾，导致343栋木结构房屋被焚毁。独克宗的历史风貌遭到严重破坏，经济损失达1亿多元。2016年贵州黔东南州的苗寨寨火造成60栋房屋被毁、120人受灾。
图1 2014年独克宗古城火灾（中新网）
图2 2016年贵州黔东南州的苗寨火灾（搜狐网）
模拟方法
为了理解火灾的蔓延机理，本文对贵州温泉村和云南独克宗古城进行火灾蔓延模拟。火灾主要通过热辐射和热羽流两种机制蔓延扩散（图3）。
图3 建筑间火灾蔓延两个主要方式：热辐射、热羽流
当然，这个模型如果再和“城市抗震弹塑性分析”相结合，做地震后次生火灾模拟的效果也是不错的，可以参阅本课题组之前的论文：
独克宗火灾模拟
2014年1月11日，凌晨1时10分，独克宗古城发生火灾，当天10时50分，火灾被扑灭。火灾前后独克宗古城的灾损情况如图4所示，图4(b)中深色方块区域是火灾后的卫星图片，叠加在火灾前的卫星图片上，使相同位置相互重合。对比可见中央部分的建筑基本被焚毁。
(a) 火灾前（图片来源：Bing地图）
(b) 火灾后（图片来源：Google地图）
图4 火灾前后卫星图对比
独克宗古城当天天气为小雪，气温为-5 ℃至7 ℃。无固定风向，风力为微风（在模拟时假设了3 m/s的北风）。起火地点查明为仓房社区“如意客栈”，该房屋与周边建筑一样，均为木结构。实际火灾在起火后9.5h被扑灭。模拟结果和实际结果的对比如图5所示，黄色线框为模拟得到的受火灾影响的建筑的范围。火灾蔓延过程还可在我们开发的可视化平台上实现动态展示（图6）。
(a) 实际结果与模拟燃烧范围
(b) 模拟结果（t = 9.5h）
图5 模拟结果与实际结果对比
图6 火灾蔓延模拟动画
从图中可以看到，模拟结果受火灾影响的建筑的趋势和实际结果相似，但是范围要大于实际焚毁结果。其中一个原因是现场存在消防扑救，火灾发生1小时后，有1000余人投入到救援中。并且为避免火势蔓延，消防人员破拆了房屋建立了防火隔离带，这也使得实际中火灾没有蔓延到更大的范围。
贵州剑河县苗寨火灾模拟
2016年2月21日下午18时，贵州苗寨发生寨火，当日21时30分，火灾被扑灭，火灾持续约3.5小时。火灾共导致60栋房屋被焚毁。温泉村的苗寨房屋均为木结构，火灾前后灾损情况如图7所示。
(a) 火灾前（图片来源：Google地图）
(b) 火灾后（图片来源：）
图7 火灾前后航拍图对比
当天天气为多云转阴，气温6摄氏度至16摄氏度。无固定风向，风力为微风。实际火灾焚毁的建筑范围如图8(a)中的深色多边形所示，模拟得到的严重焚毁的建筑范围在图8(a)中用黄色线框标示（不考虑扑救），与灾后航拍图片进行对比，两者吻合较好。
(a) 实际结果与模拟燃烧范围
(b) 模拟结果
图8 模拟结果与实际结果对比
图9 火灾蔓延模拟动画
结论
本文提出了针对村镇区域建筑群火灾蔓延的模拟方法，并开发了可视化平台。采用该方法对贵州温泉村和云南独克宗古城进行火灾蔓延模拟，并完成了火灾蔓延过程的可视化展示。结果表明，火灾蔓延模拟结果与实际情况吻合较好，本文提出的火灾模拟方法能够辅助调查火灾事故原因，并为消防规划和火灾防控提供科学依据和技术支持。