新时期我国古建筑消防安全的现状及对策研究

作者:吴俊奇 张婧 曾雪华
单位:北京建筑大学环境与能源工程学院
摘要:结合时代背景, 阐述了新时期我国古建筑消防发展的现状, 通过具体火灾案例, 分析火灾原因, 提出我国古建筑消防安全中存在的问题。结合古今建筑防火措施, 在提高古建筑耐火特性、保证消防水源、选择消防设施、改造电气线路、火灾探测报警技术和性能化防火设计等方面, 提出适用于我国古建筑现状的消防保护技术和应对策略。
关键词:古建筑 消防安全 火灾隐患 消防措施 性能化防火
作者简介: 吴俊奇, 通讯处:100044北京市西城区展览馆路1号; 张婧, 通讯处:100044北京市西城区展览馆路1号; 曾雪华, 通讯处:100044北京市西城区展览馆路1号;

 

   我国是历史悠久的文明古国, 拥有极为丰富的文化遗产, 而古建筑作为文化遗产的重要组成部分, 体现着中华民族的生命力和创造力, 蕴含了丰富的物质价值和精神价值。1961~2015年近50余年间, 我国国务院共公布了七批全国重点文物保护单位, 共计4 291处, 其中古建筑1 882处, 占重点文物保护单位总计近45%, 可见古建筑是文物保护的重点。然而经历几百数千年的风雨侵袭后, 古建筑抵御火灾的能力越来越弱, 火灾发生的频率也越来越高, 古建筑防火的形势日趋严峻[1]。从古至今的种种火灾案例表明古建筑火灾所留下的遗憾和损失是无法弥补的, 所以对古建筑消防保护的研究与探讨有着重大的现实意义。

1 我国古建筑消防发展现状

   我国目前有125座历史文化名城、252个历史文化名镇、276个历史文化名村、3 744个古村寨, 且多为木结构或砖木结构的古建筑, 耐火等级低, 在消防安全方面面临重大压力, 为此, 国家文物局于2014年启动了“文物建筑消防安全百项工程”。据《中国消防年鉴》统计, 2003~2013年这10年间共发生417起古建筑火灾, 烧毁建筑面积37 526m2, 近几年古建筑火灾更是频发, 造成的损失愈加严重。2015年7月, 国家文物局、公安部联合印发了《文物建筑消防安全管理十项规定》, 要求文物建筑单位落实消防安全责任, 严格管理措施, 确保消防安全。目前我国已颁布实施的消防技术相关国家标准和行业标准已有250余项, 但还没有专门针对我国古建筑消防设计的国家规范。我国古建筑分布广泛, 形式多样, 环境和结构的差异性加大了消防保护的难度, 对此现状国家和各地方政府已加大古建筑消防投资, 引进先进的消防产品和技术, 针对不同的古建筑采取个性化的消防设计方案。

2 我国古建筑火灾隐患分析及消防安全中存在的问题

   根据《中国消防年鉴》对我国2003~2013年417个古建筑火灾案例的统计分析可知:我国古建筑大多以纯木结构和砖木结构为主, 在417个着火的古建筑中, 木结构所占比例79.9%, 砖木结构占14.8%, 其他结构占5.3%;引发古建筑火灾的因素有人为因素、自然因素 (雷击、自燃等) 和其他因素, 其中人为因素比例较大, 约占70% (见表1) 。经调查分析, 总结新时期我国古建筑火灾隐患和消防安全中存在的问题如下。

   表1 2003~2013年间417个古建筑火灾案例火灾因素统计   

表1 2003~2013年间417个古建筑火灾案例火灾因素统计

2.1 建筑材料火灾荷载高, 耐火性能低, 扑救难度大

   (1) 现代建筑要求木材用量不宜多于0.03m3/m2, 而我国大多数的古建筑基本每1 m2需要1 m3的木材, 火灾荷载约为现代建筑的33倍, 再加上古建筑年久失修, 原本的土漆滑落, 久经风吹日晒, 干燥的季节中很容易起火燃烧, 且木质疏松, 裂缝和拼接缝隙较多, 火灾发生后极易形成猛烈的立体燃烧[2]

   (2) 按照国家标准《建筑设计防火规范》, 建筑物的耐火等级分为四级。建筑物的耐火等级是由建筑构件 (梁、柱、楼板、墙等) 的燃烧性能和耐火极限决定的 (见表2) 。而在我国, 对于单体古建筑其建筑材料有80%以上是木材, 分布于挑檐、斗拱、粱、柱等各建筑部位, 为火灾的发生提供了天然的可燃物[3]。我国木结构古建筑屋顶承重构件大多为可燃性, 严重者除防火墙为不可燃烧性, 其余结构全为可燃性, 因此我国古建筑耐火等级多为三~四级。

   表2 建筑物耐火等级   

表2 建筑物耐火等级

   (3) 我国古建筑大多为1~2层建筑, 高10~25m, 相当于一幢6层高的现代建筑, 再加上屋檐等外挑较大的古建筑构件阻碍, 加大了火灾救援中登高作业的难度, 消防水枪射流很难击中顶部的火焰, 扑救困难[2]。此外, 平均每1kg木材燃烧会产生20m3的烟雾, 若一座1 000 m2的木结构古建筑燃烧20kg的木材[4], 数分钟内整座建筑室内将会烟雾弥漫, 出于对古建筑的保护消防队员又不能轻易对古建筑实施强拆措施, 进而又增加了扑救火灾的难度。

   因此, 我国古建筑的火灾隐患重重, 提高古建筑的耐火性能与维护古建筑的原貌是相矛盾的。

2.2 人为因素增加火灾隐患, 防火间距小加速火灾蔓延速度

   由表1可以看出, 有近1/2的古建筑火灾是因为用火不慎和电气设备引发。

   (1) 室内易燃物与明火共存。我国古建筑中有很大一部分为寺庙建筑, 丝绸、布料制作的装饰物挂在各处, 经卷文书摆在明处, 酥油灯、火烛等火源常年不熄, 火源和可燃物同时存在, 烧香拜佛过程中经常会有火星和可燃物溅出, 僧人、游客用火稍有不慎就会引发火灾。如2002年11月21日山西省宁武县悬空寺院遭遇灭顶火灾就是因为点燃的蜡烛不慎倒地引燃周围物品蔓延成大火[5]

   (2) 电气设备安装、使用不当。近年来, 随着古建筑群落 (古村古寨) 居住居民生活水平的不断提高以及古建筑的开发利用, 很多电气设备进入古建筑, 乱拉乱接电线等不规范用电现象剧增, 如1984年6月17日晚11点, 布达拉宫强巴佛殿就因电气线路绝缘层脱落, 造成电气线路短路而引发火灾[6];2014年1月11日云南香格里拉独克宗古城由于客栈内使用电取暖器不当导致火灾, 造成烧损、拆除房屋面积59 980.66m2

   (3) 游客的不文明行为, 个别纵火犯罪的存在。大批游客进入古建筑游览时乱扔烟头、玩火等不文明行为频现。再加上我国古建筑群在总平面布局上多以成组、成群布置, 各单体建筑之间以木质走廊相通, 纵横毗连, 建筑密度大, 防火间距小, 失火时极易以热对流、热辐射、飞火等方式蔓延扩大, 引发“火烧连营”之势[7]

2.3 水源不足, 消防设计施工不当

   我国现存古建筑, 大部分远离城市, 地处偏远地区和深山之中[5], 尤其是在冬季寒冷时节, 交通不便, 再加之消防水源匮乏, 消防设施陈旧, 水压水量不能满足消防要求, 一旦发生火灾, 既不能自救也不能及时得到外部援助, 往往因为错失灭火良机而酿成重大文物财产损失。经调查鉴定, 2014年1月11日云南香格里拉独克宗古镇火灾损失惨重的间接原因就是该古镇2012年6月新建成的“独克宗古城消防系统改造工程”在设计方案中[8], 未严格按国家工程建设消防技术标准设计消火栓防冻措施, 留下消火栓不能有效防止高原地区低温冰冻先天缺陷, 而且施工过程中部分消火栓管顶覆土深度未达到要求, 不能有效防止低温冰冻, 消火栓未能正常出水, 自备消防车用水不能满足救火需要, 导致火势蔓延, 市政消防给水管网压力不足, 且在扑救火灾时, 未能及时联动, 提供加压保障。

2.4 古建筑的消防管理和设计存在疏忽

   目前我国古建筑文物保护单位分为三类, 分别是国家级、省级和县级。国家级和省级文物保护单位受到了较为完善的消防保护, 设置了专门的消防管理部门, 制订了较为全面的消防规章制度, 在灭火设备、消防水源、安全疏散装标志、电气线路布置等方面也能基本符合消防安全要求[1], 但是一些县级文物保护单位虽然数量是最多的, 由于经济条件的制约存在着缺乏消防队员、消防设施不到位、消防安全管理相对较差等情况。至于一些未列入文物保护单位却同样珍贵的古建筑, 如2006年被烧毁的北京护国寺西配殿就不是市区级文物保护单位, 其消防保护状况更令人堪忧。虽然目前针对古建筑文物保护的相关政策频出, 但大多停留于表面, 缺乏科学技术性。如何拥有针对古建筑自身的消防技术规定以及改扩建过程中专门的消防设计, 如何建立建全系统完善的消防设施体系, 这些都是新时期我国古建消防面临的严峻问题。

   通过上述对古建筑火灾隐患的分析, 我国古建筑较低的防火等级与较高的防火要求是不匹配的。

3 古建筑消防保护的技术措施

3.1 加强对古建筑内文物的消防保护, 提高古建筑的耐火特性

   木结构古建筑的耐火等级低是引发火灾的重要原因之一, 通过涂刷防火涂料的方法对可燃木结构进行阻燃处理, 是我国古建筑消防保护中历史最悠久、运用最广泛的一种技术措施。如元代著名农学家王祯就在《农书》中提出“火得木而生, 得水而熄, 至土而尽”, 并研发出以砖屑、白善泥、桐油、枯莩碳、石灰以及糯米胶等材料制成的简易防火阻燃材料[9]。如今, 我们对古建筑进行阻燃处理时, 要确保防火涂料不会影响古建筑原本的外貌特征。常用的阻燃产品有溶剂饰面型防火涂料和水基防火阻燃液, 对古建筑中原有的木结构首先进行阻燃液浸渍处理[7], 待其干燥后再在木材表面进行防火涂料涂刷。此外, 由于古建筑中存在大量的珍贵文物, 为避免火灾发生及消防救火时文物受损, 还应针对不同的文物类型采取不同的消防保护措施 (如表3所示) 。

3.2 保证充足的消防用水

   水是最好的灭火剂之一, 每燃烧1kg木材, 需要消耗2kg的水才能阻止燃烧[5], 也就是说水的消耗量是燃烧物的2倍, 由此可见, 古建筑发生火灾时, 充足的消防水源是保证扑救成功的基本条件。早在我国古代的建筑保护中就十分重视消防水源的建设, 如北京故宫的金水河通过河水引入消防水源, 而且故宫内有80余口水井, 建筑周围均安置了“太平缸”补给消防用水。如今, 我们在选择消防水源时, 应首先借鉴古代传统经验, 结合古建筑的地理位置, 灵活布置, 如在河流、小溪等天然水源旁修建消防取水码头, 结合景观设计利用喷水池和养鱼池。位于城镇的古建筑群应充分利用市政供水管网, 设置室外消火栓系统, 在设计过程中要认真核算所需消防用水量和水压 (见表4) , 压力不足时可选择合适的地方建加压泵站, 或配备机动性强的消防增压设备, 如手抬机动泵等。此外, 消火栓的布置不能简单套用规范, 要根据古建筑的具体实际情况确定间距、位置及设置方式 (地上式或地下式) 。对于寒冷地区, 为防止消防水源结冰, 还应设置可靠的防冻措施, 如采用常高压高位水池、短距离自动干式水消防系统等其他特殊外保温措施, 保证消防水源常年水压充足、水源充沛[10]

   表3 不同文物的消防保护措施汇总   

表3 不同文物的消防保护措施汇总

   表4 国家级文物保护单位重点砖木和木结构古建筑室外消火栓用水量   

   (单位:L/s)

表4 国家级文物保护单位重点砖木和木结构古建筑室外消火栓用水量

3.3 有针对性选择消防设施, 完善和清通消防通道

   根据《消防法》的规定, 国家级文物保护单位必须建立消防站, 而在重要古建筑群周边设置消防站时应遵循“因地制宜、小型适用”的原则, 采用仿古建筑与古建筑群相协调。消防站配置的消防车辆应与消防通道相适应, 选择尺寸小、机动性强的消防设施, 如目前国内外技术成熟的小型消防产品 (小型消防车、消防摩托车等) , 其车体尺寸和转弯半径较小 (见表5) , 适合在崎岖、狭窄和坡道上行驶, 具有出勤迅速、受消防通道影响小的优点, 十分适合古建筑群的火灾救援。此外更要因地制宜地解决消防通道不畅问题, 充分利用古建筑群外部道路及场地, 合理组织内部通道, 根据各类消防车辆尺寸及转弯半径的不同为每栋建筑选择最合理的消防通道 (宽度可以小于4m) , 如地形复杂的古建筑群有时可以利用高差为救援提供有利条件。尽量组织消防回路, 注重人员疏散流线设计, 保证消防人员顺畅的消防扑救。此外, 对坐落于远郊野外和偏远深山中的古建筑, 应及时将古建筑周围30m以内的杂草、干树枝等可燃物清除干净, 防止森林发生火灾时危及古建筑[1]

   表5 消防车尺寸及转弯半径   

表5 消防车尺寸及转弯半径

3.4 改造电气线路

   当准备在古建筑内安装电气设备和电气线路时, 根据古建筑不同等级按法定程序上报审批获准后方可实施。照明灯具应使用60W以下的白炽灯泡, 严禁使用日光灯、水银灯等发热量大的照明工具[11]。可以尝试将冷光源照明, 如LED灯等, 应用在古建筑照明系统中。冷光源寿命长, 灯光柔和, 可大大降低照明发热引发火灾的可能性。

   敷设电气线路、安装机电设备、开关、插座时要与木质构件保持一定距离。对于木结构古建筑, 可在月梁和斗拱之下, 在原有柱子旁边新建薄壁空心钢柱 (涂刷与原木柱子颜色相近的防火漆) 作为支撑, 将所有电线全部从空心钢柱和钢架内通过[12], 不与木结构接触, 避免电线起火的危险。对于老化电路要及时更换, 采用铜芯绝缘导线, 并用金属穿管敷设。增加断路器、漏电保护器、低压熔断器等安全保护装置, 平时应有专员对古建筑用电进行检查和维护。对古建筑周边地区随意搭设的各种管线进行整治, 建议将其埋入地下或采用简易综合管廊的方式, 这样不但可以解决古建筑的火灾隐患, 还可以更好地保护古建筑的空间原貌。

3.5 火灾探测报警技术

   我国古建筑内大多空间宽敞、单层净高较高、通风效果好, 而常规的火灾探测器的探测范围只有5~6m, 若火灾发生在地面, 烟要达到一定高度并产生使探测器报警的浓度需要较长的反应时间, 很容易延误最佳灭火时机, 再加上部分古建筑内游客众多, 室内的动静状态也会影响探测器对火灾的探测。另一方面, 常规探测器往往密集安装在屋顶或大梁下, 影响古建筑的原始风貌, 因而需要一种新型火灾探测报警技术, 它既可以及时准确探测火灾, 又能在安装设备时不破坏古建筑的空间特色。针对以上古建筑防火对火灾探测器的特殊要求, 从安全、美观、安装方便的角度分析可知, 我国古建筑可用的最佳防火探测器有分布式智能图像烟雾火焰探测器和线性光束感烟火灾探测器。线性光束感烟火灾探测器探测范围最远可达100m, 发光器和收光部分之间无信号传输线路, 既降低了电气线路火灾隐患, 又保护了古建筑的原始风貌。分布式智能图像烟雾火焰探测器探测范围最远可达150m, 配有红外光源, 可以全天候进行火灾探测, 只要有烟雾、火灾出现的图像就会报警, 而且对运动物体、光源、水蒸气等有很强的抗干扰能力, 大大提高了火灾预警的准确性和全面性。

   除了以上两类火灾探测器, 空气采样火灾探测系统可根据不同的要求和环境调节各报警级的阈值, 并可克服空气流动对烟雾探测影响, 可以及时准确地探测火灾。此外, 吸气式火灾探测系统安装灵活, 便于隐藏。如建于13世纪的挪威洛姆木教堂采用吸气式感烟火灾探测系统对其神殿天花板上的壁画进行防火保护, 该系统采样管直径只有6mm, 几乎不会被参观者察觉, 这样既保证了木教堂历史形象的原真性, 又满足了防火探测需求。

3.6 合理安装消防设施, 完善古建筑消防系统

   《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2014) 规定:“国家级文物保护单位的重点砖木或木结构的古建筑, 宜设置室内消火栓”。《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084-2001, 2005版) 中将文化遗产建筑列为中危险级I级场所, 但是, 在古建筑中设置室内消火栓、自动喷水灭火系统甚至是细水雾灭火系统等设备, 会产生相关消防设备施工和管线设置等诸多问题, 对古建筑的原有空间风貌影响较大。因此, 如何合理为古建筑配置消防灭火设施, 完善古建筑的消防系统是古建筑防火保护的重要环节。

   (1) 由于我国古建筑多为砖木或木结构, 根据《建筑灭火器配置设计规范》 (GB 50140-2005) 中民用建筑灭火器配置场所的危险等级分类原则 (见表6) , 可以确定我国古建筑的危险等级为严重危险级。所以古建筑中灭火器的配置应以体积小、机动性强、经济性好、可逆性为原则, 根据古建筑场所的危险等级及具体情况, 合理选择手提式、推车式的水基型、干粉、二氧化碳型等灭火器, 以及洁净气体灭火器, 以确保消防设备的使用不破坏古建筑风貌, 同时注意间距合理, 位置明显, 便于取用, 不影响安全疏散。

   表6 危险因素与危险等级对应关系   

表6 危险因素与危险等级对应关系

   (2) 在为古建筑安装自动喷水灭火系统时, 为不破坏古建筑的整体结构, 宜采用干式系统, 安装在古建筑的屋顶四周和内部。细水雾灭火系统是自动灭火系统的一种, 通过粒径极小的雾滴, 产生很强的气化降温作用和隔氧窒息作用, 从而达到灭火效率高又对环境无污染的目的, 同时还对火场内的烟气具有显著的洗涤与冲刷作用, 提高火场的能见度, 有利于人员的安全疏散和消防人员的灭火救援, 很适合古建筑的消防保护。对于古建筑内存放忌水的文物 (如泥塑、壁画等) , 在不破坏文物风貌的前提下, 可设置气体灭火系统, 喷头出口射流与文物距离不应小于0.5m, 如原存放佛顶骨舍利的栖霞寺藏经楼就增设了气体灭火系统。

   (3) 当古建筑的屋顶和屋梁上发生火灾时, 对于一般高度的古建筑, 室外水池加消防泵便能提供足够消防能力。而对于高度25m以上且屋檐等外挑较大的古建筑, 室内和室外消防系统就不能扑灭火源, 此时可以考虑喷射型射流系统、自动消防水炮系统或固定消防水炮系统。通过建立层次结构模型, 构造九标度比较判断矩阵, 综合比较得出自动消防水炮系统在总排序中的综合权重最大, 因此选择自动消防水炮系统为较优方法[14]。其可根据古建筑特殊情况将水柱的喷射方式改为水雾喷射方式, 防止因喷水压力过大而冲坏古建筑。

   此外, 为了保护古建筑原貌, 最好将古建筑内的消防管道和设施涂刷上与古建筑同色或近色的涂料, 对于喷头等小型消防设备可在不影响使用的情况下尽量选用隐蔽型或仿古型装饰盘隐藏。

3.7 性能化防火设计在古建筑中的应用

   虽然在以往的古建筑消防保护实践中, 受《中华人民共和国消防法》、《中华人民共和国文物保护法》和《古建筑消防管理规则》等相关法律法规的严格限制, 在古建筑保护和保障消防安全的利弊权衡中, 往往一边倒地强调消防安全的保障, 但是, 新时期古建消防安全的保护要求我们既要保持古建筑的历史特征又能够提供合理水平的生命保障和财产保护并尽可能地不影响其正常使用。因而在此过程中以性能为基础的消防安全设计脱颖而出。如美国在NF-PA914《古建筑消防规范》 (code protection of historic structures) 中引入了性能化方法, 先设定一个火灾场景进行检测和评估, 以衡量所采取的措施是否达到了预定的目标, 若未能达到预定目标, 则设计者必须改变设计以确保最终达到目标。目前, 性能化消防设计过程包括7个基本步骤, 结合古建筑的实际情况, 其性能化防火设计流程见图1。

图1 古建筑性能化防火设计流程

   图1 古建筑性能化防火设计流程

    

4 小结

   综上所述, 新时期我国古建筑消防面临着各种时代所赋予的新问题, 政策规章和技术措施都存在着不足与漏洞。通过虚心学习并引进国外先进的理念和技术, 因地制宜地应用在自己的古建筑当中, 自我不断的开放创新, 形成具有新时期中国特色的古建筑消防管理体系, 开创与我国古建筑融为一体的消防设计规范。合理更新, 古为今用, 全民提升火灾防范意识, 减少古建筑火灾, 文物古建筑将与现代社会和谐共存。

  

 

    

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Research on the status and strategy on fire safety of our country's ancient buildings in the new era
Wu Junqi Zhang Jing Zeng Xuehua
(School of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture)
Abstract: Combined with background of the times, this paper expounded the current situation of fire protection of the ancient buildings in China in the new era.Through specific fire cases, the causes of fire were analyzed, and the problems in the fire safety of ancient buildings were put forward.In the end, with the combination of ancient and modern buildings fire protection measures, this paper put forward fire protection technologies and strategies adapting to the current situation of our country's ancient building, which include the improvement of fire-resistant property, the assurance of fire water supply, the choice of fire prevention equipment, the transformation of electrical circuit, the technology of fire detection and performance-based fire protection design.
Keywords: Ancient building; Fire safety; Fire risks; Fire protection; Performance-based fire protection;
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