西南民族村寨火灾荷载调查研究

袁沙沙，韩腾奔，晏 风，相 坤，周欣鑫，王志伟

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.中国矿业大学（北京），北京 100083）

0 引言

西南民族村寨的代表性建筑为竹楼和吊脚楼等，绝大多数以木质结构为主，建筑通常不实施阻燃和防护处理，房屋防火性能差，火灾风险高。与普通单体木结构建筑不同的是，西南民族村寨受地形地势所限，一般依山就势而建，房屋鳞次栉比，连成片状，建筑密度大，而建筑防火间距严重不足。加之村寨地处偏远，水源缺乏、交通不便，一旦发生火灾，可借助风势迅速蔓延，形成“火烧连营”的局面，扑救难度极大。据统计［1］，自 2000 年以来，贵州东南州农村村寨共发生火灾 3 590 起，死亡 192 人，受伤 105 人，受灾 21 132 户，受灾群众达 102 862 人，烧毁房屋建筑面积 198.4 万m2。西南民族村寨火灾不仅严重威胁少数民族群众生命财产安全，影响民族经济发展，而且还会对原生民族文化、原始自然生态和原貌历史遗存造成毁灭性破坏。

火灾科学中，通常将建筑、空间或区域内部所有可燃物完全燃烧释放出的总热量值定义为火灾荷载，火灾荷载决定了火灾持续时间的长短和室内温度的变化幅度，是预测火灾规模与火灾发展趋势的基础。火灾荷载通常分为固定火灾荷载、活动火灾荷载和临时性火灾荷载。固定火灾荷载是指由建筑构件和内部装修形成的、基本位置固定不变的可燃材料形成的火灾荷载，如门窗、地板；活动火灾荷载是指为了建筑功能的正常使用而另外布置的，位置和数量可变性较大的可燃物形成的火灾荷载，如家具；临时性火灾荷载是指被使用人员临时放置在建筑内并短暂停留的可燃物，具有较大随机性和不确定性，通常不予计算。

我国对于火灾荷载的调查工作始于 20 世纪 90 年代，中国科学技术大学通过实地调查和文献调研获得了合肥、烟台、天津地区宾馆的火灾荷载密度均值为330.29 MJ/m2，学校宿舍的火灾荷载密度均值为 543.22 MJ/m2；张明振等［2］以杭州市 4 种不同类型公交车为调研对象，得到公交车前部、中部、尾部区域的平均火灾荷载密度分别为 494.6 、250.35、569.84 MJ/m2；王中翔［3］调查了在廊坊、长治、郑州及天津 4 个城市的快餐店、服装店等 117 家零售类商业店铺火灾荷载情况，调查得到的所有店铺火灾荷载密度平均值为 1 230 MJ/m2。目前，我国各大科研机构和学者已经对很多常见场景的火灾荷载密度进行了调查，涵盖的场景多、范围广，主要调查对象集中于人群流动频率较高的公共场所，而对于地处偏僻的西南民族村寨火灾荷载调查研究相对缺乏。

刘庆等［4］以黑龙江、内蒙古、河南、江西、山东 5 省市部分农村为代表，进行了小范围的火灾荷载的调查统计，计算了室内平均火灾荷载密度，但其调查范围主要集中于北方农村，房屋建筑风格、材质结构及排列分布等与西南民族村寨建筑存在较大差异，因此不能为西南民族村寨火灾荷载调查研究提供充分参考价值；韩嘉兴［5］采用实地调查研究方法对北京市 12 个区域，共计 77 座古建筑进行火灾荷载调查研究，统计古建筑的结构形式与内部可燃物分布情况，分析得出古建筑固定火灾荷载和活动火灾荷载平均值分别为 2 638.3 MJ/m2和 182.98 MJ/m2。古建筑虽然以木结构为主，通常为成组、成群分布，和西南民族村寨有相似之处。但由于古建筑通常有较大尺寸的梁、板、柱、枋、墙等结构，导致其固定火灾荷载远超普通民居；加之古建筑通常年代久远，木材高度劣化，其燃烧性能发生极大改变，因此和西南民族村寨差异较大。

在国家乡村经济振兴的战略背景下，西南民族村寨建筑的消防安全问题形势严峻。火灾荷载的调查分析是认识其火灾风险的重要基础，是人们掌握火灾的发生、发展、蔓延规律并采取有效消防措施的重要前提。对此，笔者选取贵州省榕江县寨蒿镇高郝村为研究对象，实地调查了西南民族村寨建筑的火灾荷载，分别计算了每栋建筑的燃烧总热值及单位面积的火灾荷载密度，填补了目前我国关于西南民族村寨建筑火灾荷载调查的空白，同时也能为建筑防火设计进一步发展提出合理化建议。

1 调查及计算方法

1.1 火灾荷载的调查方法

本次调查选用直接调查法。直接调查法是在调查对象范围内，对于所有可燃物进行逐一、详细统计的方法。在做建筑火灾荷载调查前，应熟悉其建筑设计图纸、装修图纸、制定调查表格、确定调查人员、数据采集的区域等。为了使调查过程有序进行，一般应预先编制建筑可燃物记录表（见图 1），调查内容主要包括调查时间、建筑物的名称、调查人员基本信息、建筑类型、建筑地址、建筑规模及装修状态等；其次测量房间尺寸，确定墙壁、地板和门窗等材料的类型，并且记录在调查表格的固定火灾荷载部分；然后识别和划分每个空间内的所有可燃物，记录在调查表格的活动火灾荷载部分。至于质量测量方法的选用，对于小型可燃物，可以采用直接称量方法；对于固定尺寸较大的大型可燃物，可以采用间接测量方法，即通过测量物体的长度尺寸计算出体积，其次利用平均密度估算物体质量。

图1 建筑可燃物调查记录表

在进行火灾荷载调查时，应保证设备的可靠性。常用的调查设备包括数码相机、电子秤、卷尺、测距仪等。数码相机用于采集调查建筑内可燃物的布置方式，对建筑内活动火灾载荷进行影像存档，实时记录其状态；电子秤用于可燃物的称重；卷尺可应用于测量部分物品的尺寸，如书本堆积的厚度、桌椅的尺寸等；当需测量尺寸较大时，可用测距仪进行测量，如门窗或建筑高度的测量。

本次调查地点选为贵州省榕江县寨蒿镇高郝村，火灾荷载调查对象选取当地有代表性的相邻 4 间房屋建筑，分别标记为 1、2、3、4 号房，其外部构造及现场的空间分布和现场工程测量图分别如图 2、3 所示。

图2 西南民族村寨建筑分布情况

图3 现场工程测量图（单位：mm）

1.2 火灾荷载密度的计算

火灾荷载是指涉火空间内所有可燃物燃烧时所产生的总热量。由于火灾燃烧中的不确定性，为了简化工作量和计算量，火灾实验中通常对建筑物和可燃物进行以下基本假设：

1）可燃物在建筑物内呈均匀分布；

2）所有可燃物均参与燃烧过程，并燃尽。

火灾荷载密度在数值上表现为涉火空间内所有可燃物完全燃烧所释放热量与该涉火空间面积之比，即该涉火空间单位面积上可燃物的发热量。公式表述如式（1）所示。

式中：q为燃烧空间内火灾载荷密度，MJ/m2；M为燃烧空间内单个可燃物的质量，kg；Δhc为可燃物的热值，MJ/kg；At为燃烧空间总面积，m2。

2 火灾荷载调查结果

2.1 活动火灾荷载调查结果

一般情况下，家具、家电等可燃物的数量和重量决定了活动火灾荷载的大小，因此活动火灾荷载调查的主要范围是日常家具、家电等可燃物的重量和材质。由于可燃物的分布情况在受限空间内对活动火灾荷载影响不大，因此本文不考虑可燃物的分布情况。采用直接称重法或间接测量法对涉及到的可燃物的重量进行统计，可燃物总热值等于可燃物重量与其燃烧热值的乘积，室内常见材料燃烧热值具体取值如表 1 所示。

表1 室内常见材料燃烧热值

由于村寨内住宅数量较大，因此采用抽样调查方法，抽取 24 户住宅进行活动火灾荷载现场实地调查，将调查结果汇总如表 2 所示。

表2 西南民族村寨住宅样本活动火灾荷载密度统计

根据抽样调查和计算，西南民族村寨住宅样本活动火灾荷载密度统计如表 2 所示。其中最大值为 418.89 MJ/m2，最小值为 348.43 MJ/m2，平均值为 381.77 MJ/m2，标准差为 19.76 MJ/m2。调查住宅样本的活动火灾荷载密度分布散点图如图 4 所示，根据图中数据分布情况和计算得到的标准差可知，西南民族村寨住宅的活动火灾荷载密度分布离散程度小且都接近平均值。结合当地实际经济发展水平和人文因素等分析可知，由于西南民族村寨地处偏僻，经济发展缓慢，部分地区仍然尚未脱贫，居民收入微薄、购买力相对不足且贫富差距较小。因此居民住宅中一般只存在如衣服、被褥、床柜、桌椅等日常生活用品和电视、电磁炉等少数家用电器，而且家家户户相似度极大。这种由于经济文化因素导致的社会现象恰好也印证了本文得到的数据的可靠性。因此，为了减少部分冗杂的工作量，在后续调查中便选取活动火灾荷载的平均值 381.77 MJ/m2进行计算。

图4 调查住宅样本的活动火灾荷载密度分布散点图

2.2 固定火灾荷载调查结果

通过相关建筑图纸参考和实地调查，以 3 号房为例，固定火灾荷载调查结果如表 3 所示，并将 1～4 号房的固定火灾荷载调查结果汇总如表 4 所示。

表3 3 号房火灾荷载调查结果

表4 1～4号房固定火灾荷载调查结果汇总

3 结果分析

3.1 火灾荷载与占据空间关系

将以上调查得到的活动火灾荷载和固定火灾荷载数据进行汇总，得到如下数据统计表（见表 5）。本文中将建筑占地面积和建筑高度的乘积定义为占据空间，占据空间的数值可以大致反应建筑占地面积和高度两个维度的大小及整个建筑体积大小。将占据空间数值及总火灾荷载数值绘制成散点图（见图 5），可以发现占据空间和总火灾荷载呈正相关关系。应用 SPSS 软件对这两组数据进行回归分析，结果表明占据空间和总火灾荷载之间近似呈一元线性回归分布，回归方程为y=217.59x+3 500.3。利用相关系数r检验线性相关关系的密切程度，所得R2=0.999 5，表示线性关系好，可见该一元线性回归方程对所得结果的拟合程度较高。此结果也符合人们的常识，空间占据越大的建筑，可燃物的数量越多，总火灾荷载越大。

表5 1～4 号房火灾荷载数据统计表

图5 占据空间和总火灾荷载分布散点图

3.2 西南民族村寨火灾荷载和其他建筑比较

中国建筑科学研究院从 20 世纪 90 年代便开始在全国各地展开火灾荷载的调查研究工作，以住宅、商场、宾馆、医院、学校、影院、KTV 等建筑为主要调查对象，详细了解建筑内可燃物数量、种类和分布状态，各种调查场所的调查量均在百次以上，最终得到不同功能典型建筑的火灾荷载密度［6］（见表 6）。

表6 国内典型建筑火灾荷载密度表

国外从 20 世纪 30 年代便开展了大量的建筑物火灾荷载的调查，由于建筑形式、风俗习惯、生活习惯、经济水平、气候条件、材料种类等与我国存在较大差异，因此火灾荷载值有一定差别，具体统计如表 7 所示。

表7 国外各国典型建筑火灾荷载平均值统计

从上述数据中不难发现，国内住宅火灾荷载密度平均值为 564.99 MJ/m2，在美国、日本和英国，这项数值分别为 792、585、780 MJ/m2，略大于国内。而在本次火灾荷载调查中，1～4 号建筑的火灾荷载密度分别为 1 109.99、1 464.72、1 520.74、1 056.76 MJ/m2，这些数值比国内外住宅火灾荷载平均值高出 1～2 倍，同时也远超其他功能类型建筑。可见，西南民族村寨建筑火灾的危险程度远远大于普通建筑，存在极大的火灾隐患。

4 结论

1）对于活动火灾荷载密度，所随机抽取的 24 户西南民族村寨住宅，其中最大值为 418.89 MJ/m2，最小值为 348.43 MJ/m2，平均值为 381.77 MJ/m2，标准差为 19.76 MJ/m2。西南民族村寨住宅的活动火灾荷载密度分布离散程度小且都接近平均值。

2）西南民族村寨建筑占据空间和总火灾荷载之间近似呈一元线性回归分布，回归方程为y=217.59x+3 500.3。利用相关系数r检验线性相关关系的密切程度，所得r2= 0.995，表示线性关系好。

3）西南民族村寨建筑火灾荷载平均密度比国内外相同及不同类型建筑高出 1～2 倍，因此西南民族村寨建筑火灾的危险程度远远大于普通建筑和公共建筑，存在极大的火灾隐患。Q