闽浙木拱廊桥基于数字重建的廊屋结构火灾仿真分析

宋震雯; 范冰辉; 鄢佳颖; 王黎园; 陈舒洁; 吴昆辉

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506418

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (24) :10548-10555 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506418

建筑科学

闽浙木拱廊桥基于数字重建的廊屋结构火灾仿真分析

宋震雯 ¹^,² ,
范冰辉 ¹^,^* ,
鄢佳颖 ¹ ,
王黎园 ¹ ,
陈舒洁 ³ ,
吴昆辉 ¹

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Fire Simulation Analysis on Gallery Structure of Min-Zhe Timber Arch Lounge Bridges Based on Digital Reconstruction

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摘要

为探究闽浙木拱廊桥不同屋顶形式的火灾蔓延规律和防火性能,通过基于建筑信息模型(building information modeling,BIM)参数化的数字重建方法构建木拱廊桥数字档案,以及基于BIM-火灾动力学仿真(fire dynamic simulator,FDS)的火灾仿真方法分析木拱廊桥火灾蔓延规律。首先,选取兼具藻井结构和攒尖顶结构的寿宁仙宫桥进行数字档案重建;其次,基于BIM-FDS交互方法建立不同屋顶形式的木拱廊桥火灾场景工况;最后,通过分析热释放速率、火灾蔓延现象、温度等火灾蔓延特性指标得出不同屋顶形式的防火性能。结果表明:依据营造技艺的“族嵌套”BIM建模方法,可适用于屋顶形式复杂且构件繁多的闽浙木拱廊桥;藻井结构的装饰功能远大于防火功能,甚至为火灾提供更大的火灾荷载,并不能有效延缓火灾蔓延;攒尖顶式屋顶较木拱廊桥常见的双坡式屋顶能显著延缓火灾蔓延。可见该研究成果为现存闽浙木拱廊桥的数字化保护提供技术支撑,也可以为新建木拱廊桥提供防火优化设计建议。

Abstract

To investigate the fire spread patterns and fire resistance performance of different roof forms in Min-Zhe timber arch lounge bridges, a building information modeling (BIM)-based parametric digital reconstruction method was employed to establish digital archives of these bridges, and a BIM-fire dynamic simulator (FDS) integrated fire simulation approach was utilized to analyze their fire spread characteristics. First, the Shouning Xiangong Bridge, which features both caisson structures and pyramidal roof elements, was selected for digital archival reconstruction. Subsequently, fire scenarios for Min-Zhe timber arch lounge bridges with varying roof configurations were established using the BIM-FDS interoperability methodology. Finally, fire spread characteristics—including heat release rate, fire propagation phenomena, and temperature distribution—were analyzed to evaluate the fire resistance performance of different roof types. It is found that the “nested family” BIM modeling approach, based on traditional construction techniques, is well-suited for the structurally complex and component-intensive Min-Zhe timber arch lounge bridges. The caisson structure primarily serves decorative rather than fire-resistant functions, potentially increasing fire load and failing to effectively retard fire spread. Pyramidal roofs exhibit significantly better fire spread retardation compared to the more common gable roofs in Min-Zhe timber arch lounge bridges. These findings provide technical support for the digital preservation and fire spread analysis of Min-Zhe timber arch lounge bridges, while also offering fire-optimized architectural design recommendations for future bridge constructions.

Graphical abstract

关键词

闽浙木拱廊桥 / 建筑信息模型(BIM) / 火灾动力学仿真(FDS) / 火灾蔓延 / 屋顶形式

Key words

Min-Zhe timber arch lounge bridge / building information modeling (BIM) / fire dynamic simulator (FDS) / fire spread / roof form

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宋震雯, 范冰辉, 鄢佳颖, 王黎园, 陈舒洁, 吴昆辉. 闽浙木拱廊桥基于数字重建的廊屋结构火灾仿真分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(24): 10548-10555 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506418

SONG Zhen-wen, FAN Bing-hui, YAN Jia-ying, WANG Li-yuan, CHEN Shu-jie, WU Kun-hui. Fire Simulation Analysis on Gallery Structure of Min-Zhe Timber Arch Lounge Bridges Based on Digital Reconstruction[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(24): 10548-10555 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506418

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闽浙木拱廊桥是中国传统木构桥梁中结构形制独特、营造技艺精湛的代表性建筑类型,现已两度入选《中国世界文化遗产预备名单》。然而,受木质材料易燃特性的制约,加之近年来火灾险情时有发生,此类遗产面临严峻的消防安全挑战。火灾不仅直接损毁其物质载体,更因其营造技艺高度依赖实体传承与在地实践,间接威胁到传统营造技艺的传承。

根据实地和文献[1-2]调研所提供的数据,清代以来福建省内发生的木拱廊桥火灾事故共27起,高于洪灾导致的22起;浙江省也发生过多起木拱廊桥火灾事故,如庆元濛淤桥(1995年)、景宁柘湾木拱桥及英川梅漴桥(2005年)均毁于火灾。此外,洪灾冲毁的木拱廊桥构件尚可部分寻回,而火灾致主受力构件及廊屋尽毁,特别是梁枋墨书题记随焚而不可复得,使得重建后的桥梁在历史信息的真实性与遗产价值认定上受到质疑^[3-4]。因此,防火成为木拱廊桥保护的首要任务。

不同于具有起居、会客、祭祀、附属活动空间等多种功能的古民居,木拱廊桥主要为交通和社区公共文化空间功能,后者主要包括人们的休憩娱乐以及信仰祭祀活动,都发生在上部廊屋结构,存在大量人为火源,如民俗活动香火和鞭炮、吸烟、照明火烛等。此外,木拱廊桥为水平延伸的建筑形式,平面跨度较大,通风条件良好,火灾荷载大,一旦发生火灾危害较大且救援困难。因此,木拱廊桥应注重上部廊屋结构的火灾防控。

如今快速发展的数字化技术已在历史建筑保护领域得到广泛应用,但更多集中于古房屋,古桥梁数字化研究也更多集中于石桥,对闽浙木拱廊桥的数字化研究大都停留在理论层面。结合木拱廊桥受自然侵蚀、资料缺失、营造技艺面临失传等困境,木拱廊桥数字化遗存工作迫在眉睫。

闽浙木拱廊桥防火方面的研究基本停留在定性阶段^[1,5-7],采用火灾动力学仿真(fire dynamic simulator,FDS)定量开展木拱廊桥相关火灾动力学仿真以探究其火灾蔓延规律和防火措施的研究较少。加之当前火灾仿真软件仅有简易的建模功能^[8],难以建立木拱廊桥这类结构复杂、构件繁多且空间位置难以把控的古建筑火灾模型,进而导致火灾仿真准确性较差。

已有研究采用FDS技术定量分析了古建筑常见的防火措施,包括探讨材料阻燃、喷淋等外在增设措施的防火性能^[9],也包含探究天井、山墙等建筑形态特征的防火性能^[10]。此外,FDS火灾动力学仿真已广泛应用于超高层建筑与航空领域^[11-12],具有良好的科学严谨性。然而,对于火灾隐患大都处于廊屋的木拱廊桥,仍未有探究廊屋屋顶形式防火性能的研究。因此,当前学术界对木拱廊桥火灾防控的研究多聚焦于传统经验的定性分析,尚未形成基于数字档案与量化分析的系统性研究框架。

为此,现以典型木拱廊桥为对象,依据木拱廊桥营造技艺,采用建筑信息模型(building information modeling,BIM)技术的族嵌套建模方式构建建筑信息模型;BIM与FDS交互构建火灾信息模型,并通过火灾仿真结果揭示木拱廊桥廊屋结构的火灾蔓延规律,提出防火优化设计建议;以此,构建木拱廊桥“数字化遗存-火灾机理解析-防火优化设计”的技术链条,为现存木拱廊桥提供数字化保护方法,也为新建木拱廊桥提供防火优化设计。

1 研究对象

1.1 木拱廊桥屋顶形式统计

福建寿宁与屏南是木拱廊桥分布非常集中的地区,有着长、险、造桥年代序列全的木拱廊桥。肖东等^[13]通过多次专项调查研究和保护修缮工程开展的测绘和校核工程完成32座木拱廊桥的完整图集,据此统计木拱廊桥屋顶形式的占比,如图1所示。

由图1(a)可知,双坡式屋顶的木拱廊桥有29座,在双坡式屋顶上再升出屋顶的木拱廊桥有3座,分别为单檐歇山顶、重檐歇山顶和攒尖式屋顶;由图1(b)可知,无、有藻井结构的木拱廊桥分别为29、3座。因此,双坡式屋顶、无藻井结构是木拱廊桥的常见建筑形态,具有二层屋顶和藻井结构在木拱廊桥中较为罕见。为探究不同屋顶形式对木拱廊桥防火性能的影响,选取兼具二层屋顶和藻井结构的木拱廊桥为研究对象,以详尽的图纸资料为基础建立BIM模型,并在此基础上分别删除二层屋顶、藻井结构来改变屋顶建筑形态,以此建立对照组。

1.2 研究桥例概况

仙宫桥位于宁德市寿宁县蟾溪之上,2006年作为“闽东北廊桥”组成部分列入第六批全国重点文物保护单位。仙宫桥长30.2 m,宽5.1 m,下部拱骨结构采用三五节苗组合形式,上部廊屋采用四柱九檩抬梁式梁架,共13开间,风雨挡板为全封闭式,中心设有神龛。

仙宫桥不仅具有闽浙木拱廊桥中常见的结构形式,如下部拱骨结构、上部梁架结构等,还在桥中心间用如意斗拱叠梁搭接出八角藻井,并且在原有双坡式屋顶的基础上,于中心间及两端尽间位置升出八角攒尖顶,如图2所示。

2 研究方法

2.1 依据营造技艺的“族嵌套”BIM模型构建

BIM是通过数字化手段建立的信息仿真模型,不仅包含建筑几何形状描述的视觉信息,还包含大量非几何信息,如材料热度、建筑历史等,具备数字化表达、全生命周期等优势。

闽浙木拱廊桥作为传统木构建筑,结构复杂且构件繁多,而BIM建模软件主要面向现代建筑,自带族库无法满足木拱廊桥的构件创建,因此采用Revit中基于公制常规模型的自定义族构建木拱廊桥基因族库。

根据已有测绘图纸资料,创建多个单一构件族,并依据木拱廊桥营造技艺采用“族嵌套”^[14]的建模思路,加强构件与构件间、构件与结构间的逻辑关系,利于模型和族的调用与管理,以仙宫桥中结构最为复杂、构件最为繁多的藻井为例,如图3所示。

依据木拱廊桥实际营造顺序,采用“族嵌套”方法搭建的仙宫桥最终BIM模型,如图4所示。由此可见,对于拥有复杂结构、繁多构件的闽浙木拱廊桥,皆可依据“族嵌套”的方法来便捷构建上部廊屋结构。

2.2 基于BIM-FDS的火灾信息模型

2.2.1 火灾仿真方法

FDS是美国国家标准与技术研究院开发的火灾动力学模拟软件^[15]。FDS专注于火灾场景中烟气流动、温度分布、毒气扩散及热辐射等过程的数值模拟。

PyroSim作为专为FDS设计的前处理平台,为FDS提供2D和3D可视化操作界面^[15]。火灾模型建立后,运用PyroSim内置核心算法FDS,采用并行运行方式进行仿真求解,以充分利用计算核数,求解过程中可实时查看数据反馈,并运用后处理程序Smokeview查看火灾发展过程,增强了仿真精度和速度。

2.2.2 BIM-FDS交互方法

FDS通过手动编写命令流搭建火灾信息模型,网格、材料、表面等命令繁杂多样,且缺乏图形化界面,即使是拥有可视化操作界面的PyroSim,其建模功能也很简单,难以建立复杂形状以及精确把控构件空间位置。因此,结合具有完备的赋予信息、建模功能的BIM技术以及具有火灾动力学分析的FDS技术,采用PyroSim与Revit兼容的IFC格式文件进行交互,将BIM模型几何形体完全复制到火灾仿真环境中,并且采用2.1节“族嵌套”方法创建的BIM模型,在导入FDS后,细致到每个构件都具有唯一ID,便于管理和调整所有构件,及时更新木拱廊桥火灾信息模型。

2.2.3 火灾仿真工况设置

为兼顾火灾仿真精度和计算效率,根据文献[15-16]建议网格尺寸δx为特征火源直径(D^*)的1/4~1/16,其中D^*计算公式为

(1)D^*=${\left(\frac{Q}{{\rho }_{\infty }{C}_{P}{T}_{\infty }\sqrt{g}}\right)}^{2/5}$

式(1)中:Q为火源总热释放速率,取2 000 kW;ρ_∞为空气密度,取1.2 kg/m³;C_P为定压比热容,取1 kJ/(kg·K);T_∞为环境温度,取293 K;g为重力加速度,取9.8 m/s²。

计算得D^*=1.27 m,δx的取值范围为0.079~0.32 m。

火灾仿真计算区域尺寸为36 m×14 m×24.4 m,以覆盖全桥范围,并分为上、下两层。下半层沿高度方向均分为9个网格区域,高度皆为 1.6 m,基本网格尺寸设置为0.2 m×0.2 m×0.2 m,符合上述公式计算结果,用于高精度仿真模拟桥体火灾蔓延过程。根据网格对齐原则,不同计算区域的网格尺寸须设置成整数比,以保证不同计算区域相交处网格吻合不报错,因此,上半层基本网格尺寸设置为0.4 m×0.4 m×0.4 m,高度为10 m,用于缓解下半层火灾产生的巨大压力和易于观察烟气扩散现象,同时减少因数值不稳定导致的报错情况。全域总网格数为98.6×10⁴,如图5所示。

在PyroSim中,网格边界默认是与外界环境不相通的封闭状态。由于桥底为水面或者地面,因此ZMIN网格边界设置为封闭;桥的其余空间与外界环境相通,因此其余5个面的网格边界设置为开放。

由于木材为闽浙木拱廊桥最主要燃烧物,木材燃烧特性决定其燃烧过程是动态的,加之木拱廊桥复杂的结构特点也使得火灾很难维持在一个稳定状态。因此,采用t²火非稳态模型,其描述火源由开始缓慢燃烧到逐渐趋于稳定的过程,火源热释放速率定为2 000 kW,火灾类型为快速火,火灾增长系数α=0.046 89 kW/s²,火灾仿真模拟时间为 1 000 s,如表1所示。

由于仙宫桥兼具藻井结构和攒尖顶结构,因此在仙宫桥原有结构基础之上设置有藻井有攒尖顶、无藻井有攒尖顶、有藻井无攒尖顶、无藻井无攒尖顶4种屋顶形式工况,为下文简便描述,4种工况分别简称为C1、C2、C3、C4。

3 不同屋顶形式下火灾蔓延结果分析

木拱廊桥廊屋结构与古房屋的建筑特征相近,大都为四柱九檩式结构,这导致上部火灾荷载密度远大于下部;此外,由于廊屋屋顶结构双坡式的建筑特征,导致下部火源产生的热羽流竖向蔓延并顺着坡面方向汇聚于空间狭小的屋顶顶端,随后沿屋顶水平流动形成犹如火蛇的顶棚射流,可快速贯通全桥屋顶,即“沟槽效应”,如图6所示。因此,廊屋结构的火灾防控重点为屋顶。

火灾仿真结果以火灾蔓延为主要参考指标,包括热释放速率、火灾蔓延现象、温度、能见度、有害气体浓度等。

3.1 热释放速率

对不同屋顶形式下的热释放速率曲线进行整合,如图7所示,直观反映了屋顶形式对全桥热释放速率有极大影响。

3.1.1 有无藻井对比

C3、C4工况HRR曲线变化趋势类似,呈现连续三段上升、一段下降的变化。0~250 s时间段,初始火源从缓慢燃烧至稳定燃烧,两种工况HRR值小幅度上升;250至450 s时间段,初始火源逐渐熄灭,两种工况HRR值上升幅度更大,表明初始火源已引燃木拱廊桥且火灾开始小规模蔓延;450~1 000 s时间段,两种工况HRR值经历快速上升和下降,表明木拱廊桥在发生大规模火灾蔓延后火势减小。

在HRR的3个上升阶段,每段的上升时间、上升幅度都基本一致,这表明藻井结构并未起到延缓火灾蔓延的作用,反而有藻井结构的C3工况HRR值比C4工况高约5 MW,主要原因在于藻井结构为可燃木材,提高了全桥火灾荷载,导致火灾发生时热释放速率更大。

C1、C2工况的HRR曲线变化趋势类似,呈现连续两段上升、一段下降的非单调变化。0~250 s和250~450 s两个时间段为HRR值的两个上升期,而后火源不提供热量,两种工况HRR值呈现下降趋势,每段的上升时间基本一致,C1工况上升幅度更大,这也表明藻井结构并未起到延缓火灾蔓延的作用,反而给木拱廊桥提供更大的火灾荷载,热释放速率增大。

3.1.2 有无攒尖顶对比

C1、C3工况HRR曲线在0~250 s时间段基本一致,在火源逐渐熄灭的250~450 s,C3工况HRR值上升幅度略大于C1工况,而在450 s后C3工况比C1工况多一段HRR值陡增期,表明C3工况虽然因缺少木质攒尖顶结构而火灾荷载更小,但是HRR值远比C1工况更大,火灾风险性更大,这也反映了攒尖顶式屋顶对于木拱廊桥的火灾蔓延有极大的抑制和延缓作用。C2、C4工况的对比分析同上,不加以赘述。

3.2 火灾蔓延现象

如表2所示,C1和C2工况、C3和C4工况的火灾蔓延现象基本一致,故从火灾蔓延现象不能判断出藻井结构对火灾的影响;C1、C3工况以及C2、C4工况两组火灾蔓延现象差距较大,C3、C4工况在600、800 s两个时间点火灾蔓延现象明显,廊屋结构进行全面燃烧,C1、C2工况仅火源处桥面、攒尖顶、小范围屋顶存在火焰,从火灾蔓延现象判断攒尖顶式屋顶对于木拱廊桥的火灾蔓延有极大的抑制和延缓作用。

3.3 温度

各工况的屋顶全局平均温度曲线(图8)与上述热释放速率曲线变化趋势基本一致。在温度上升阶段,C3工况温度高于C4工况,并且C3工况温度比C4工况早50 s左右达到峰值;全时段C1工况温度高于C2工况,这表明藻井结构使得木拱廊桥屋顶全局平均温度更高。C3、C4工况温度峰值达到 275 ℃,C1、C2工况温度峰值未达到50 ℃,且基本全时段C3、C4工况温度远大于C1、C2工况,这表明攒尖顶结构使得木拱廊桥屋顶全局平均温度显著下降。

3.4 能见度

如图9所示,C3工况全局平均能见度比C4工况早50 s左右开始明显下降,两者的下降时间、下降幅度、最小值基本一致,全局平均能见度最小值小于18 m,人体直立高度下的最低能见度在10 m左右,远小于C1、C2工况能见度,这表明木拱廊桥由于缺少攒尖顶式屋顶导致烟气大量留存于桥内,并沿屋顶快速水平流动扩散,随后高温烟气受冷空气掺混以及木拱廊桥屋顶的阻挡,水平流动扩散的烟气温度逐渐下降并向下流动,致使廊屋内能见度显著下降。

3.5 有害气体浓度

如图10所示,C3工况全局有害气体浓度比C4工况早约70 s开始明显上升,两者的上升时间、上升幅度、最大值基本一致,全局平均CO₂浓度、CO浓度最大值分别达到0.02、3.5×10^-5 mol/mol,即20 000×10^-6、35×10^-6,人体直立高度下的CO₂浓度、CO浓度最大值分别达到50 000×10^-6、300×10^-6,令人体感觉喘不过气^[17],远超C1、C2工况的有害气体浓度,这表明木拱廊桥由于缺少攒尖顶式屋顶,导致有害气体大量堆积于桥内,对人体造成极大伤害。

综上,根据火灾蔓延现象的宏观分析以及HRR、温度、能见度、有害气体浓度方面的量化分析可以得出:藻井结构的装饰功能远大于防火功能,甚至为火灾提供更大的火灾荷载;攒尖顶式屋顶较双坡式屋顶能有效延缓火灾蔓延。因此,对于现存的木拱廊桥,具有藻井结构的上部廊屋,需要在藻井位置提供更多防火设施,如增设消防喷淋系统、加强火灾安全监控等。桥内须严禁明火,从根源上减少火灾隐患。对于新建的木拱廊桥,可更多采纳二层攒尖顶式屋顶,其形成的烟囱效应可汇聚更多高温烟气沿竖直方向排至桥外,同时可以改变部分火焰的蔓延路径,减小火焰沿屋顶水平方向形成的沟槽效应,并且攒尖顶式屋顶较双坡式屋顶更为美观。

4 结论

(1)针对闽浙木拱廊桥结构复杂且构件繁多造成的数字档案建设困难问题,提出了依据木拱廊桥营造技艺的BIM“族嵌套”方法创建数字档案。

(2)针对屋顶形式对木拱廊桥火灾蔓延规律的相关研究缺失的现状,提出了BIM-FDS交互方法,开展了不同屋顶形式对木拱廊桥火灾蔓延规律的仿真模拟分析。

(3)仿真结果表明,古人赋予防火寓意的藻井结构,其装饰功能远大于防火功能,甚至为火灾提供更大的火灾荷载,并不能有效延缓火灾蔓延;升出的二层攒尖顶式屋顶较木拱廊桥常见的双坡式屋顶能显著延缓火灾蔓延。

(4)现存的木拱廊桥可更多地防控火灾荷载密度较大的区域,以延缓火灾蔓延;新建的木拱廊桥可更多地采纳二层屋顶形式,其形成的烟囱效应可将火灾产生的大量高温烟气快速汇聚排出桥体。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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Received	Published	Revised
2025-09-04	2026-08-28	2026-01-12
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2026-09-04

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