防火防爆安全
KNOWLEDGE文物古建筑火灾特点与消防安全对策分析
文物古建筑是中华民族珍贵五千年历史文化遗产的重要组成部分，是中华文明源远流长的历史见证，是不可再生的人文资源。因此，保护好这些文物古建筑，利在今世，功在千秋。在所有对文物古建筑的危害当中，火灾无疑是首当其冲。数据表明：2000年全国文博单位、古建筑发生火灾6起，烧毁城楼一座、牌楼一座、古建筑5间。2001年全国文博单位、古建筑发生火灾4起，烧毁大殿一座、古建筑165平方米。2002全国文博单位、古建筑发生火灾4起，烧毁寺院一座、大殿一座、房屋65间，过火面积1865平方米。而最近文物古建筑火灾事故更是频频发生，令人痛心疾首。如2003年1月20日，作为世界遗产地的武当山发生火灾，名噪千年的遇真宫主殿化为灰烬；2004年6月20日，具有700余年历史的北京护国寺发生火灾，其西配殿被完全焚毁。因此，目前我国文物古建筑火灾形势十分严峻，文物古建筑的消防安全已经成为了各级消防主管部门任务的重中之重。
本文将从火灾科学的基本原理出发，分析讨论古建筑火灾的危险性与火灾动力学演化过程，并就文物古建筑的消防安全对策提供一些合理的建议。
2. 古建筑火灾危险性
我国历史上众多的古建筑之所以毁于火灾，今天幸存下来的绝大多数古建筑也历经火劫，究其原因，在于这些古建筑本身就具有很大的火灾危险性。
（一）火灾荷载大，耐火等级低
我国古建筑绝大多数以木材为主要材料，以木构架为主要结构形式，火灾荷载远远高于现行的国家标准所规定的火灾负荷量，火灾危险性极大，耐火等级低。古建筑中的木材，经过多年的干燥，成了"全干材"，含水量很低，因此极易燃烧，特别是一些枯朽的木材，由于质地疏松，在干燥的季节，即使遇到火星也会起火。
古建筑中的各种木材构件，具有良好的燃烧和传播火焰的条件。古建筑起火后，犹如架满了干柴的炉膛，而屋顶严实紧密，将导致在发生火灾时，屋顶内部的烟与热不易散发，温度快速积聚，迅速达到"轰燃"。古建筑的梁、柱、椽等构件，表面积大，木材的裂缝和拼接的缝隙多，并且大多数通风条件比较好，有的古建筑更是建在高山之巅，发生火灾后火势蔓延快，燃烧猛烈，极易形成立体燃烧。
（二）无防火间距，容易出现"火烧连营"
我国的古建筑多数是以各式各样的单体建筑为基础，组成各种庭院。在庭院布局中，基本采用"四合院"和"廊院"的形式。这两种布局形式都缺少防火分隔和安全空间，如果其中一处起火，一时得不到有效控制，就会"城门失火，殃及池鱼"，毗连的木结构建筑很快就会出现大面积燃烧，形成"火烧连营"的局面。
（三）消防设施匮乏，火灾扑救难度大
我国的古建筑分布在全国各地，且大多数远离城镇，建于环境幽静的高山深谷之中。这些古建筑普遍缺乏自防自救能力，既没有足够的训练有素的专职消防队员，也没有配备安装有效的消防设施，一旦发生火灾，位于城镇的消防队鞭长莫及，只有任其燃烧，直至烧完为止。大多数古建筑都缺乏消防水源，而对于一些高大的古建筑更是有水难攻，再加上古建筑周围的道路大多狭窄，有的还设有门槛、台阶，消防车根本无法通行，这些都给火灾扑救工作带来很大的困难。
（四）古建筑的管理和使用不善，问题复杂
一些古建筑的主管部门分工不明确、职责不清，往往为了追逐经济利益而忽视了消防安全管理。在古建筑的使用中，一些地方利用古建筑开设旅馆、饭店、招待所、工厂、仓库等，火源管理不严，电线乱拉乱接，线路开关随意乱设。有的古建筑的周围大量开店，火灾危险因素大量增多。这些管理和使用方面存在的消防安全问题，也给古建筑的消防安全带来了严重的威胁。
3. 古建筑火灾动力学演化过程
火灾是一种具有复杂性本质的过程，其孕育、发生和发展包含着湍流流动、相变、传热传质和复杂化学反应等物理化学作用，是一种涉及物质、动量、能量和化学组分在复杂多变的环境条件下相互作用的三维、多相、多尺度、非定常、非线形、非平衡的动力学过程；该动力学过程还与外部因素的人、材料、环境及其它干预因素等发生相互作用。因此分析火灾动力学演化过程，不仅有助于加深我们对文物古建筑火灾的认识，也为进一步有针对性的制定准确、合理的消防安全对策提供科学指导。
整个古建筑火灾过程大体可以分为起火、初期增长、充分燃烧和减弱四个阶段。如下图1所示。
（一）起火
建国前，我国古建筑起火多数是雷击和战争引起的。建国后，由于一些古建筑被随意改变其使用性质，火灾发生原因也大不相同，归纳起来主要有以下几种情况：
（1）生活用火不慎。主要是炊煮、取暖和照明用火，不慎引发火灾，如1990年1月25日，青海海南州石藏寺特大火灾就是哈达落到酥油灯上而引发的。
（2）电线电器设备起火。主要是由于电线陈旧老化、绝缘损坏、发生短路引发火灾；还有的是大功率灯泡紧靠可燃物，长时间烘烤而起火。
（3）乱扔烟头起火。1992年9月19日，扬州市旌忠寺藏经楼就因遗留烟头引发火灾。
（4）小孩玩火。1982年2月，北京市万寿寺西路行宫被烧毁，就是小孩玩火造成的。
（5）宗教活动。1984年4月，云南筇竹寺华严阁发生火灾，直接原因是两位信女进阁烧"头柱香"不慎引起的。
（6）雷击起火。1969年9月，河北省避暑山庄的普佑寺，因未安装避雷设备，遭雷击起火。
（7）生产用火。1981年9月20日，扬州市"卢宅"火灾，就是由于古建筑中生产工人违章作业所酿成的。
除此以外，因外部的火灾蔓延引发古建筑起火也应当引起足够的重视。我国古建筑讲究"曲径通幽"，往往位于深山茂林之中，因此一旦古建筑周围的森林发生火灾，必将严重威胁到古建筑的本身的火灾安全。
（二）火灾初期增长
古建筑火灾初期一般增长迅速、燃烧猛烈。古建筑物的构建一般采用木质材料，多次涂刷油漆，年代久远，极为干燥。一旦发生火灾，燃烧迅猛，且释放出大量可燃气体，快速形成状态燃烧，火场中心温度可达1200 0C以上。此外室内悬挂的字画、垂帷、幔帐、柱锦、飘带、天帐以及常用的香火蜡烛、油灯、酥油等极易燃烧，进一步加剧了火灾增长速度。并且古建筑空间大、门窗多，火灾时，室内空气受热膨胀向外扩散，室外冷空气通过空气对流，大量向室内补充，使火势燃烧更加猛烈，起火室内温度随之迅速上升。
（三）充分发展阶段
古建筑火灾发生后，烟热向上升腾，火势沿着悬挂的物品迅速向上蔓延，然后向水平方向发展。由于古建筑上部建有大量的木质梁、柱，因此犹如架满了干柴的炉膛，而屋顶严实紧密，烟热不易散发，温度快速积聚，迅速达到"轰燃"。轰然的出现标志着火灾充分发展阶段的开始。此时室内温度可升高到1000 0C。火焰和高温烟气常可从门、窗窜出，致使火灾蔓延到古建筑的其它区域或者毗邻的其它建筑。由于古建筑的火灾载荷远远高于一般建筑，因此火灾的充分发展阶段可以持续很长的一段时间。
在火灾的充分发展阶段，室内高温可使古建筑的木质构件的承载能力急剧下降，造成建筑物的坍塌。由于一般古建筑的木质构件截面积较粗，安全系数较大，距离倒塌的时间也因此较长。因此，古建筑火灾的倒塌规律一般是屋盖先塌，墙柱后倒。
（四）火灾减弱阶段
随着可燃物的消耗，火灾的燃烧强度逐渐减弱，明火逐渐熄灭。不过剩下的焦炭通常还将持续燃烧一段时间。同时由于燃烧释放的热量不会很快散失，着火区内温度仍然较高。
以上描述的是古建筑火灾的自然发展过程。实际上人们是不会听任火灾自由发展的，总会采取各种可行的措施来控制或扑灭火灾。就古建筑火灾而言，将火灾扑灭在初期增长阶段是减少火灾损失最有效的途径。
4. 古建筑消防安全对策分析
根据以上分析，古建筑火灾具有其自身的特殊性。古建筑火灾安全不是以扑灭火灾为唯一目标，而是以最大限度保护古建筑，减少文物损失为首要目的。因此，必须从火灾防治的各个关键环节入手，有针对性的制定消防安全对策，切实对文物古建筑存在的不安全因素从技术上找到根本的解决方法。
（一）古建筑火灾风险评估
古建筑火灾安全的第一个步骤是调查，以评估建筑或综合建筑群的火灾危险性。这包括识别火灾隐患，火灾发生危害以及疏散出路被堵塞所造成的有害后果等因素。火灾风险评估是系统对古建筑消防安全的现状进行客观评价，这方面的研究将用于发展古建筑消防总体规划。
通过现场调查古建筑的建筑结构、可燃物的分布、人员结构与数目、文物的价值与分布，起火可能性、消防设施的类型与分布、消防管理水平等方面的情况，采用危险等级分析方法，分析古建筑内不同区域的危险度等级并给予标识，对危险较大的区域进行重点的防护。
在调查的基础上，设计可能的火灾场景，利用计算机模拟分析火灾发生后的蔓延情况，古建筑发生轰然的时间，人员安全疏散的时间，研究需要的报警探测时间和合理的灭火方案。
（二）阻燃技术
由于古建筑的特殊性，因此要变更古建筑的防火分区（分隔）、疏散手段和建筑结构是非常困难的，这是因为它们是古建筑历史意义整体的一部分。因此我们认为古建筑防火技术的重点是发展清洁、高效阻燃技术，从源头上遏制火灾的发生。这主要包括对可燃木质建筑物构件的阻燃处理和内部可燃物的阻燃处理。
（1）可燃建筑构件的阻燃。古建筑中的可燃建筑构件是指柱、梁、枋、檩和楼板等木质构件，在木材的表面涂刷或喷涂防火涂料，形成一层保护性的阻火膜，降低木材表面的燃烧性能，阻滞火灾的迅速蔓延。有些木柱、楼板、楼梯等构件在尊重民族风俗，不损害建筑整体风格的基础上，可制作相应的防火保护层，以提高耐火等级。
（2）内部可燃物的阻燃。古建筑物的内部可燃物主要是指帏、帘、帐等织物、纤维。因此阻燃的重点是对这一类的聚合物材料进行阻燃设计。
然而，不管采取何种阻燃技术，对于文物古建筑而言，重要的是"绿色"阻燃，即阻燃物质燃烧释放的物质不会损害文物与古建筑物本身，因此无卤纳米阻燃技术将在古建筑中有用武之地。
（三）早期探测技术
火灾探测报警系统本身并不影响火灾的自然发展过程，其主要作用是及时将火灾迹象通知有关人员，以便准备疏散与组织灭火，并通过联动系统启动其它消防设施以灭火或控制烟气。由于古建筑结构和建筑材料的特殊性，保护文物不受灭火药剂或过多的水渍的影响，及早的发现火情甚或火灾隐患就显得尤其重要。一般而言，单一的火灾探测方法对于古建筑而言难以有效做到早期报警。如，正常情况下，寺庙大殿因香火就存在大量烟雾，所以不宜采用感烟方法进行火灾探测。而较多明火存在（蜡烛、酥油灯）会对一般的感火焰火灾探测技术造成影响。虽然图像型火灾探测技术可以很好的解决这个问题，但是古建筑结构特殊，遮挡物较多，同时无明火条件下，此种方法作为早期火灾探测也是不适合的。因此需要寻求复合火灾探测方法。
最为直接的方法是采用图像探测技术辅以空气采样火灾探测系统。一般古建筑均设有监控系统，这样采用与监控系统关联的空气采样系统，工程量较少，避免对文物的破坏，同时不会在被保护参数引入用电设备等其它危险因素，还可以对监控系统的摄像机和线路进行火灾隐患探测，有针对性的进行早期火灾预警。
当然为了使空气采样系统能在古建筑环境中应用，还必需进行一些相关的研究。主要的两点：一是对古建筑内空气进行成分分析和固体颗粒的分布情况，二是对古建筑中的可燃物进行分析，掌握可燃物的大致分类以及燃烧气体的特征。
（四）灭火技术
古建筑的灭火技术内涵十分丰富，此处侧重利用比较方式分析不同灭火系统在古建筑中适应性。由于古建筑灭火的目的不在于灭火本身，更为重要是保护文物和古建筑。因此对灭火系统的选择不仅需要考虑灭火的性能，还必须把灭火行为的后果作为重要的依据条件。
（1）自动水喷淋灭火系统
自动水喷淋灭火系统是当今世界上公认的最为有效的自救灭火设施，是应用最广，用量最大且造价低廉的自动灭火系统。规范规定，国家级文物保护单位的重点砖木或木结构建筑，应设置自动喷水灭火系统。但是自动喷水灭火系统在古建筑中应用存在一定的问题。一是自动喷水灭火系统的管网结构可能会损坏古建筑的原有建筑风格。二是自动喷水灭火系统的耗水量大，水渍危害严重，这样对于缺乏消防水源或者在保存有忌水文物的古建筑，其应用受到很大的限制。因此需要寻求自动喷水灭火系统的替代。
（2）细水雾灭火系统
细水雾灭火系统是利用水雾喷头在一定水压下将水流分解成细小雾滴进行灭火或防护冷却的灭火系统，它是在自动喷水灭火系统的基础上发展起来的。细水雾是指在最小设计工作压力下，距喷嘴1m 处的平面上，测得水雾最粗部分的水滴直径DV 0。99不大于1000μm，可以通过撞击、气动、高压及超声波等多种方法产生。细水雾灭火技术以其无环境污染（不会损耗臭氧层或产生温室效应）、灭火迅速、耗水量低、对防护对象破坏性小等特点，在喷水灭火系统中占有重要的地位，已被看作是卤代烷灭火剂的主要替代。
我们知道以水为基础的灭火系统随着水滴的体积平均直径DV的下降，其灭火起主导作用的机理和技术完全不同。水喷淋灭火系统的灭火机理主要是通过直接冷却效应来达到抑制扑灭火灾。细水雾灭火系统也包含表面直接冷却这个灭火机理。但随着雾化喷嘴的不同、工作压力以及流量的变化，它还通过以下机制共同控制、抑制、扑灭火灾：
① 气相冷却。液滴的汽化吸收了火焰释放的热量，降低了燃烧温度，抑制燃烧反应的进行；
② 隔氧作用。靠近火焰的大量水蒸汽会降低反应区的氧气浓度，从而抑制燃烧；
③ 热辐射的减弱。细水雾及蒸汽会吸收部分热辐射，降低对燃料的热反馈；
④ 动力学作用。火焰接受来自细水雾的动量转化被拉伸而变得不稳定，易淬熄。
细水雾灭火系统和水喷淋灭火系统比较具有耗水量大大降低的优点，它比传统水喷淋灭火系统的耗水量少一个数量级，这一点也潜在地降低了水灭火带来的破坏性和供水有限地方的灭火费用，同时耗水量低也为要考虑供水的体积以及重量的场合带来一个明显的优点，这也是利用细水雾来保护古建筑的一个原因。
细水雾灭火系统与气体灭火系统相比，具有价廉、对人和环境没有危害的优点，同时也避免了哈龙等气体在灭火时，因与燃烧物发生反应而产生对人有害的气体，不利于火灾现场人员的逃离，也不会破坏臭氧层。由于细水雾的冷却和穿透能力较强，扑灭深位火灾比气体更为有效。另外，细水雾具有表面冷却、浸湿的优点，而气体灭火剂则没有，因而它也十分适合扑灭古建筑木质火灾，同时保证不会出现在气体灭火剂灭火过程中，由于灭火剂的浓度下降，表面的重燃。
细水雾灭火系统保护方式十分灵活，可以类似气体一样作全淹没保护，也可作局部保护或分区保护，其简单的管网设计，也可较小破坏古建筑的整体性。虽然很大程度上减轻了水渍的危害，但不代表没有，同时通风条件的影响对其灭火性能的影响较大。
（3）气体灭火系统
对于特别重要或保存有忌水珍贵文物的古建筑，在条件许可的情况下，可以采用气体灭火系统，可使火灾时文物的损失降低到最低程度。但是此类系统对保护区结构要求较高，需对古建筑做较大改造，对古建筑的影响较大，一次性投资及运行维护费用较高。目前气体灭火系统有二氧化碳、三氟甲烷、七氟丙烷及惰性气体灭火系统。二氧化碳对人有毒，要求30s的喷射延迟，惰性气体灭火浓度高，喷射时间长，不适合快速扑灭古建筑火。因此推荐选择三氟甲烷、七氟丙烷等洁净气体灭火系统。值得指出的是近来研究表明：上述洁净卤代烃灭火剂在灭火过程，会生成一定量的酸性气体，其对文物古建筑的危害还需进一步的评估。
（五）火灾安全管理
古建筑由于火灾危险性大，人员众多且类型复杂，因此火灾安全管理显得尤为重要，需要从下面三个方面入手：
（1）加强消防组织建设，建立健全规章制度。古建筑管理单位对内逐级建立火灾安全领导小组或委员会，对外可建立防火联防组织。确定防火负责人与专职防火人员，组织临近单位、企业和各基层组织层层落实防火岗位责任制，实行联防协作，群防群治。按照有关规定，尽可能的建立起专职消防队、开展业务训练，不断提高灭火能力。同时，根据《古建筑消防管理规则》还应建立一些行之有效的规章制度，使消防安全管理有章可循，有令可遵。
（2）加大宣传教育，落实管理措施。要充分利用广播、录音、标语、专栏等宣传工具，采取各种形式向单位工作人员、游客等进行消防法规、知识的宣传教育，开展岗位培训，不断增强人员的消防意识。要严格管理制度，除参观旅游外，一般不得另作他用。古建筑范围内禁止堆放柴草、木材等可燃物，严禁存储易燃易爆物品，切实加强火源、电源管理。
（3）经常进行防火检查，积极整改火灾隐患。有关单位每年要有目的、有步骤的组织大检查，单位内部要不定期的开展检查，防火人员要经常性的防火检查。对查出的火灾隐患要采取及时整改，力争把隐患消灭在萌芽状态。
（六）应急预案管理
（1）建立与空间分布关联的古建筑基础信息数据库，建立基于危险源辨识的火灾数据库，包括可燃物种类、数量、特性及分布，应急力量和装备的数量、分布等。
（2）针对古建筑火灾特点，建立不同事故等级相应的应急预案。
（3）在火灾形成、发展以及烟气输运的研究基础上，发展可快速预测火灾发展趋势的工程方法；针对古建筑人员疏散的特点，建立人员疏散特性的量化数据库，发展工程应用模型。在此基础上，建立应急决策支持系统。
