1. 清华大学 土木工程系, 北京市钢与混凝土组合结构工程技术研究中心, 北京 100084;
2. 北京科技大学 土木工程系, 北京 100083;
3. 清华大学 土木工程系, 土木工程安全与耐久教育部重点实验室, 北京 100084
收稿日期：2017-02-07
基金项目：国家科技支撑计划（2014BAL05B04）
作者简介：曾翔(1991-), 男, 博士研究生
通信作者：陆新征, 教授, E-mail:luxz@tsinghua.edu.cn
摘要：我国西南村镇地区建筑密集，木结构众多，火灾频发。为有效防范村镇区域火灾，判断和识别其中潜在的火灾风险，该文提出了针对村镇区域建筑群的火灾蔓延模拟方法，并基于OSG（open scene graph）图形引擎开发了可视化平台。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良好，该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。
关键词：村镇建筑群寨火蔓延模拟独克宗古城火灾
Fire spread simulations of building groups in rural areas
ZENG Xiang1, YANG Zhebiao1, XU Zhen2, LU Xinzheng3
1.Beijing Engineering Research Center of Steel and Concrete Composite Structures, Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
3.Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: Rural areas in southwestern China have high density building environments with mostly wooden structures with many fires in recent years. A fire simulation model was developed for a typical rural design to identify potential fire risks with a visualization platform based on the OSG (open scene graph) graphics engine. Visualizations of simulation results for Wenquan village and Dukezong city agree well with the actual fire hazard. This simulation method can be used to assist fire investigations, as well as to provide a scientific basis and technical support for fire prevention planning and fire control.
Key words: rural areasbuilding groupstockade village firespread simulationDukezong town fire
我国西南地区少数民族村寨密集，其中存在着大量木结构建筑。这些建筑在建造时往往缺乏消防规划和必要的防火分隔，具有极大的火灾安全隐患。与此同时，这些村寨大都交通不便，一旦起火，火势将迅速蔓延，扑救非常困难。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1亿多元人民币[1]。而贵州、广西、湖南等地近年来也频发寨火，2012年湖南怀化侗族村寨的房屋火灾导致70余栋房屋遭焚毁，500多人受灾[2]；2014年贵州镇远的报京大寨发生火灾，致使296户、1 184名民众受灾，1 000余间房屋受损，直接经济损失达970万元人民币[3]；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[4]。
为了了解火灾的蔓延机理和有效地防范火灾，许多****在火灾风险分析和蔓延模拟方面进行了深入的研究。Kaoru和Kiyoaki[5]基于建筑数据库对日本木结构密集区火灾风险进行了量化评估，赵振东等[6]提出了火灾发生与蔓延危险性的概率模型，Himoto等[7]提出了基于物理机理的火灾蔓延模型。Zhao等[8]基于元胞自动机等方法进行火灾蔓延模拟；Ren等[9]基于GIS (geographic information system)开发了地震次生火灾仿真系统，直观形象地再现了地震后火灾的全过程；王雁楠等[10]基于FDS (fire dynamic simulator)对古建筑群的火灾蔓延进行了数值模拟，考察了房屋间距、风速等因素对火灾蔓延速度的影响；Guo[11]对木结构吊脚楼建筑火灾进行了模拟，分析了不同起火位置对建筑火灾蔓延的影响。而在火灾过程可视化方面，陈驰等[12]开发了基于虚拟现实和数值模拟的建筑火灾模拟系统，实现了交互式虚拟火灾环境；Huang等[13]采用OSG (open scene graph)实现了森林火灾发展蔓延的仿真再现；Zhou等[14]基于OSG完成了建筑火灾消防模拟的展示。
目前与西南少数民族村寨火灾相关的文献大多为定性和经验化的描述[15-16]，缺乏科学定量的研究。同时，也缺乏有效的可视化手段来展现村镇火灾蔓延过程的模拟。
因此，有必要对村镇建筑密集区进行火灾模拟并实现可视化展示，判断和识别其中潜在的火灾风险，为消防规划和火灾防控提供科学依据和参考。本文首先介绍建筑信息的采集方法，提供火灾蔓延建模的基础数据；其次介绍火灾蔓延模型的原理，分析火灾蔓延的具体方式，并简要阐述在OSG中建模的方法；最后，以我国近年2个特大火灾为例，应用本文的方法实现火灾仿真模拟和可视化展示。
1 模拟方法火灾的蔓延场景模拟需要以合理的模型为基础。村镇地区的建筑往往建造密集，并且缺少房屋图纸资料等建筑信息。本文基于现有的地图资料和现场火灾图片资料，提出了村镇建筑群火灾场景模拟和可视化的方法。该方法包括3个部分，分别是建筑信息采集、火灾蔓延过程计算以及火灾蔓延场景显示。火灾蔓延建模和计算原理如图 1所示。
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| 图 1 火灾模拟场景示意图 |
| 图选项 |
1.1 建筑信息采集火灾场景模拟需要建筑的几何位置、面积、结构类型以及建筑火灾损毁情况等信息作为输入，具体过程如下。
1) 利用Google地图等方式获得区域图像。Google地图、Bing地图拥有丰富的全球地理信息数据，可以从中获取研究区域的卫星图像。
2) 导入ArcGIS并绘制建筑轮廓。采用ArcGIS软件，将从Google地图中获得的卫星图像导入软件中，描出房屋外形轮廓，ArcGIS软件能够自动计算出建筑物外形各角点的坐标以及面积等信息。由于村镇地区缺少可供直接使用的GIS数据，因此采用人工描图的方式以获得建筑轮廓。有不少研究者在震害模拟和评估中采用了类似的方法[17-19]。需要指出的是，虽然目前在缺少GIS数据的地区，要通过人工手段来获得建筑信息，但在将来有可能通过其他更高效准确的方式来实现。例如基于网络的GIS平台目前快速发展(代表性的平台有Open Street Map[20]等)，其中建筑物、道路等数据在不断地增多，未来可以作为获得建筑物信息的一个有效途径。
3) 确定建筑结构类型及火灾损毁情况。根据现场调查数据和照片可以确定建筑物的结构类型等信息，根据火灾前后的卫星图像对比可以确定建筑物的火灾损毁情况。根据建筑物基本信息，在ArcGIS中建立和完善建筑物属性表。将整理好的建筑数据导出，作为自动建模所需的基本输入数据。
1.2 模型计算原理区域建筑群的火灾蔓延可分为在单栋建筑内部的蔓延和建筑间的蔓延。在单栋建筑内，若未及时控制起火点，火势将在建筑中迅速蔓延，最终波及整栋建筑。建筑间火灾的蔓延，包括火焰直接接触、热辐射、热羽流和飞火等途径[21]。其中，火焰直接接触是指一栋建筑燃烧时的火焰直接波及邻近建筑。热辐射是指建筑燃烧时的辐射通过门窗等开洞部位影响周围建筑。热羽流是高温热烟气，可以随风扩散到较远处，同样会引发建筑起火。飞火是指燃烧的固体颗粒，能被热羽流携带到其他地方，当它接触到建筑时，也有可能引发火灾。在上述几种途径中，热辐射是最主要的火灾扩散方式[22]。
1.2.1 单栋建筑火灾蔓延模型根据Zhao等[22]的研究，单栋建筑内火灾的发展过程可以简化为5个阶段，分别为起火阶段、蔓延阶段、完全燃烧阶段、倒塌阶段、熄灭阶段。各个发展阶段可以用温度和热释放率与时间的关系来表示。
1.2.2 建筑间火灾蔓延模型热辐射是最主要的火灾扩散方式，热羽流是火灾直接扩散到远处的主要途径，因此火灾计算程序主要考虑了这2种因素。
1) 热辐射。
将建筑间的热辐射简化为辐射热通量
| ${\dot q_{\rm{R}}} = \frac{1}{\varphi }\frac{{{{\dot q}_{\rm{D}}}{A_{\rm{D}}}}}{{{A_{\rm{D}}} + {A_{\rm{W}}}}} = \frac{k}{\varphi }{\dot q_{\rm{D}}}.$ | (1) |
2) 热羽流。
采用Himoto和Tanaka提出的热羽流模型[7, 23]，热羽流的影响模型如图 2所示。起火建筑将在其上方产生热羽流，并在风的作用下与地面形成倾角θ。热羽流温度沿轴向Z变化，并沿径向r衰减。多个起火建筑的热羽流将对未起火建筑产生叠加影响。具体的计算公式参见文[7, 23]。
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| 图 2 热羽流影响模型[7, 23] |
| 图选项 |
3) 起火条件。
建筑在燃烧过程中，热量通过墙体和开洞进行传递。钢筋混凝土等建筑的外墙不可燃，建筑内的物品将首先起火。而木结构较为特别，外墙本身就具有可燃性，因此外墙将先于建筑内物品起火。这些因素可通过设置墙表面的热通量、极限热通量的数值加以考虑[22]。如果建筑外墙涂有防火涂料，则视其不可燃，并认为建筑内的物品首先起火。
4) 天气因素。
火灾模拟中考虑了气温、湿度以及风速风向等天气因素的影响。气温会影响可燃物的含水率，进而影响到物体的可燃性。温度在一天内随时间的变化关系采用Ren等[9]提出的方程。和气温类似，空气的湿度同样会影响可燃物的含水率，对火灾的扩散产生影响。风速会影响火灾蔓延的速度，而风向则会影响火灾蔓延的方向。
1.3 火灾场景展示在对村镇地区进行火灾模拟后，能够得到单栋建筑火灾损毁情况以及区域的火灾蔓延过程。但是计算得到的数值结果无法直观展示火灾场景，非专业人员也难以从中快速获得有效信息。因此，实现火灾场景的显示有助于直观快速地获得信息，能够为防火救灾、应急救援提供重要参考。火灾场景显示程序基于OSG图形引擎开发，该程序利用建筑物的顶点坐标、外形等几何信息来建立建筑二维和三维模型。建筑物的顶点坐标等地理信息可按照节1.1的方法获得。在OSG中，渲染完每一帧后，都会调用事件响应和场景处理函数来实现用户需求和场景控制需要，这种反复调用的机制称为回调机制[24]。本文利用回调机制将火灾蔓延时程数据与动态渲染帧数关联，通过回调改变起火建筑的颜色(或灰度)实现火灾蔓延过程的可视化[25]。
2 案例研究2.1 贵州剑河县苗寨2016年2月21日下午18时，贵州省剑河县温泉村苗寨发生寨火，当日21时30分火灾被扑灭，火灾持续约3.5 h, 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 3所示。
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| 图 3 火灾前后卫星图对比 |
| 图选项 |
根据历史天气记载，当天天气为多云转阴，气温为6~16℃。无固定风向，风力为微风。实际火灾焚毁的建筑范围如图 4a中的深色多边形所示。根据目前有限的资料，起火发生在村寨中心区域，尚无法确定此次火灾具体的起火位置[4]。因此模拟时假定了村寨中心区域的起火点，如图 4a中箭头所示。由于当天为微风、无固定风向，因此模拟时假设了2 m/s的西风。3.5 h的模拟结果如图 4b所示，其中白色带交叉纹理表示建筑完好，浅灰色表示建筑开始燃烧，深灰色表示建筑严重焚毁。模拟得到的严重焚毁的建筑范围在图 4a中用黑色线框标示，与灾后航拍图片进行对比，两者吻合良好。实际火灾的结果验证了本文提出的火灾模拟方法的准确性和可靠性，说明本方法能够实现村镇区域火灾较为准确可靠的模拟。
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| 图 4 实际结果与模拟结果对比 |
| 图选项 |
由于真实起火点未确定，现场也无固定风向，为进一步研究此次火灾的蔓延规律和灾害过程，有必要对不同起火点位置和风力情况进行分析。
图 5b-5d中的起火点记为A，图 5e中的起火点记为B，图 5f中的起火点记为C。对比图 5b-5d可以发现，温泉村中部建筑密集，因此在无风、西风和东风3种情形下，中部密集建筑均遭受到火灾，且焚毁严重。在2 m/s西风和2 m/s东风的情形下，起火建筑的范围以及损毁严重程度均比无风情形时要大，这与风能够助长火势的常识相符。
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| 图 5 起火点与风力情况分析 |
| 图选项 |
由于该村落东部和南部存在部分空地，建筑间距较为稀疏，因此即使在西风情形下，火势也未越过这些空地，火灾波及区域限制在了村落的中部及北部。在东风情形下，火灾易于向西侧蔓延，西侧部分建筑间距较小，因此东风情形时受损建筑的数量要大于西风情形。
对比图 5d-5f可以发现，起火位置附近的建筑受损情况最为严重。当起火地点位于建筑密集区中部时，火灾波及范围最广(图 5d)；当起火点位于村寨边缘，且周围建筑密度较小时，火灾波及范围会减小(图 5e)。这也表明建筑密集区起火，火灾的危险性更大，对这些区域必须采取如建立消防隔离带等可靠有效的防火措施，以有效阻止火灾的蔓延。
2.2 云南香格里拉独克宗古城2014年1月11日凌晨1时10分，云南香格里拉独克宗古城发生火灾，当天10时50分火灾被扑灭，火灾持续约9.5 h，火灾共烧毁100余栋房屋。火灾前后独克宗古城的灾损情况如图 6所示，图 6b中黑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以作对比。对比可见中央部分的建筑基本被焚毁。
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| 图 6 火灾前后卫星图对比 |
| 图选项 |
根据火灾前独克宗古城的卫星图，在ArcGIS中绘制出建筑轮廓，得到了建筑的几何信息。根据火灾前后卫星图的对比确定焚毁的建筑。
独克宗古城当天天气为小雪，气温为-5~7℃。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9.5 h被扑灭，因此程序模拟时长也调整为9.5 h。
模拟结果和实际结果的对比如图 7所示，图 7a中标明了起火点，黑色线框为模拟得到的受火灾影响的建筑的范围，图 7b中白色带交叉纹理的建筑表示完好，颜色由浅灰到深灰色表示建筑的烧毁程度加深。
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| 图 7 实际结果与模拟结果对比 |
| 图选项 |
从图 7可以看出，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，其中一个原因是消防扑救的影响。火灾发生1 h后，有1 000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，这也使得火灾没有蔓延到更大的范围。
独克宗古城建筑密集，模拟结果显示：当不存在有效的消防隔离时，火灾极易蔓延。而对比模拟结果和实际火灾影响区域可知，破拆房屋、建立防火隔离带能够有效阻止火势的发展，之后独克宗古城重建时需要重视必要的建筑间距和可靠的消防隔离。
本文提出的建筑火灾蔓延模拟方法适用于中低层建筑密集的区域，例如村镇居民聚集区、古城古镇旅游区等，它们同时也是火灾风险较大的区域。以上2个案例表明，本文提出的方法能够较好地模拟村镇建筑群的火灾蔓延特点，而模拟所需的输入数据可以通过卫星图像或航拍照片等方便地获取，因此该方法具有良好的实用性。
3 结论本文提出了一套针对村镇区域火灾模拟的建模方法，开发了基于OSG的火灾模拟程序，实现了火灾蔓延过程的计算和可视化。根据贵州剑河县温泉村和云南独克宗古城建筑和气象数据，采用该方法实现了这2个地区的火灾模拟，并直观地展示了火灾蔓延的过程，模拟结果在一定程度上还原了实际情形，验证了该方法的准确性和可靠性。此外，为进一步了解蔓延规律和还原灾害过程，本文还分析了起火地点、风力情况等因素对火灾范围的影响。本文提出的方法可以辅助消防部门调查火灾事故原因，并为防范我国村镇建筑群火灾提供科学依据和技术支持。
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