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新论文:村镇建筑群火灾蔓延模拟与案例

曾翔、杨哲飚等 陆新征课题组 2019-10-03

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. 

下载链接:

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:

Physics-based simulation and high-fidelity visualization of fire following earthquake considering building seismic damage. Journal of Earthquake Engineering, 2017.



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:新华网)

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。

论文全文参阅“阅读原文”链接


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