文物古建火灾探测器选择的探讨

初探古建筑火灾报警探测器的选择作者：王春霞来源：《城市建设理论研究》2013年第24期摘要：针对古建筑特点和火灾危险性分析，结合不同报警探测器的特点比较，提出消防设计方案。

关键词：古建筑、火灾、消防、报警、探测器中图分类号：P24 文献标识码：A 文章编号：一、引言我国是世界著名的四大文明古国之一，风格各异的古建筑是我国五千年文明的象征，同时古建筑还具有巨大的历史、科学价值和教育纪念意义。

古建筑不仅火灾的预防工作要做好，而且一旦发生事故应能够迅速响应，高效快速的在早期扑灭火灾。

在设计和施工中，应在不改变文物原状、不破坏古建筑历史风貌的前提下，积极采用安全可靠、技术先进、经济合理、切实可行的保障措施。

二、火灾危险性分析基于古建筑多为木或石木混合结构，以木柱、木梁、斗拱等支撑的巨大屋顶，使古建筑的表面积增大，严实紧密，烟热不易散失，在燃烧中产生的高热大量聚集，极易出现轰燃和大面积燃烧，出现轰燃后，火灾发展到了极盛的阶段，扑救相当困难。

尤其像西藏寺庙内一般都点酥油灯，且又有油漆彩绘以及帷幔、唐卡等大量可燃装饰，一旦触及火种，即可迅速燃烧。

电线陈旧、绝缘下降、电气设备安装使用不当或可燃织物随风飘荡接触灯烛等都是引发火灾的危险因素。

三、火灾探测器的设置3.1火灾探测器选择的一般要求：现行规范中对火灾探测器的选择做了以下一般规定：对火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的场所，应选择感烟探测器；对火灾发展迅速，可产生大量的热、烟和火焰辐射的场所，可选择感温探测器、感烟探测器、火焰探测器或其组合；对火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量的烟、热的场所，可选择火焰探测器；对火灾形成特性不可预料的场所，可根据模拟试验的结果选择探测器。

3.2不同探测器的适用场所由于古建筑结构的独特性，采用任何单一探测方式，都不能达到最好的预警作用，应根据古建筑内结构及保护对象的特点，有针对性地选择报警探测方式。

文物古建筑自动消防设施的及灭火器选择与设置作者：马澜涛贾文博杨龙来源：《中国科技博览》2013年第33期摘要：文物古建筑大多为砖木结构，耐火等级低，易起火，蔓延快，极易造成易造成不可估量的文物古迹损失，也会造成重大的人员伤亡。

本文主要从自动消防设施入手，论述了文物古建筑文物古建筑自动消防设施的及灭火器选择与设置。

主题词：文物古建筑自动消防设施中图分类号：G356.6文物古建筑是中华民族珍贵的历史文化遗产，是不可再生的重要文化资源，保护文物古建筑就是保护民族文化。

我国古建筑、博物馆、文物库房等多系砖木结构，火灾是它的最大危害。

这些砖木结构的建筑物一旦着火，短时间内就可变为灰烬，损失无法挽回。

但是由于文物古建筑大多为木质结构，耐火等级低，特别是一些文物古建筑管理、使用单位擅自在文物古建筑内违章设置营业性场所，导致用火用电量大幅增加，消防安全管理混乱，火灾隐患十分突出。

一、设置自动消防设施的必要性近年来，文物古建筑失火事件不断发生，使祖国文化遗产遭到不可弥补的损失。

2004年，世界文化遗产武当山古建筑群的遇真宫主殿发生火灾，236平米的三间正殿化为灰烬。

2008年，包头市东河区妙法禅寺火灾烧毁寺内千佛殿、大雄宝殿、念佛殿等 7 座殿堂，造成直接经济损失815万多元。

同是2008年，内蒙古阿拉善盟境内福音寺大雄宝殿发生火灾，共烧毁大佛像4尊，各类小佛像60余尊。

这些文物古建筑所处地点又是人员密集、活动频繁的场所，一旦发生火灾事故，不仅会造成不可估量的文物古迹损失，也会造成重大的人员伤亡。

所以说保护文物古建筑迫切需要一种方便快捷、安全可靠的消防设施。

二、自动消防设施的优势文物古建筑建筑建立以自动喷淋灭火系统为主体的灭火体系是非常必要的，并且在经济上和技术上也是可行的。

自动消防设施具有工作性能稳定，造价便宜，维护方便，灭火效率高，早期控制火势和灭火，使用期长，不污染环境等优点。

自动消防设施反应速度快，无须专门人员控制，且有自动报警功能，可24小时不间断地监测火警信息，一旦有火灾发生，无论现场是否有人，只要存在着火的条件烟雾、温度等，自动喷淋系统会马上动作，同时发出警报，提醒人员及时到场。

文物古迹消防系统工程设计方案设计方案：文物古迹消防系统工程设计方案1. 防火设计：根据文物古迹的特点和要求，设计合适的防火系统，包括火灾报警系统、灭火系统和疏散通道设计。

- 火灾报警系统：采用可靠的火灾探测器和报警装置，包括烟雾探测器、温度探测器和手动报警按钮。

报警系统应具备声光报警功能，能够在火灾发生时及时发出报警信号。

- 灭火系统：根据文物古迹的特点选择合适的灭火系统，包括自动喷水灭火系统、气体灭火系统和干粉灭火系统。

在设计时需考虑文物古迹的特殊性，避免给文物造成损害。

- 疏散通道设计：根据文物古迹的平面布置和人员密度设计合理的疏散通道。

通道宽度要满足疏散人员的需求，通道应设有明确的标识和照明设备，以保证人员能够快速、安全地疏散。

2. 消防设备布置：根据文物古迹的结构和布局，合理布置消防设备，确保其覆盖范围和使用效果。

- 灭火器具：根据文物古迹的特点和需求，布置适量的灭火器具，包括手提式灭火器、灭火器箱和消防栓。

灭火器具应放置在易燃物附近和易发生火灾的区域。

- 防火墙和防火通道：设计适当的防火墙和防火通道，将文物古迹的不同部分隔离开来，以防止火灾蔓延和扩大。

3. 电气设计：合理设计文物古迹的电气系统，确保电气设备的安全运行。

- 电气线路布置：根据文物古迹的需要，设计合理的电气线路布置。

将电气线路和设备与易燃物、易燃气体以及火源隔离开来，防止电气设备引发火灾。

- 电气设备选择：选用符合国家标准的电气设备，确保其质量和安全性能。

设备包括电气控制柜、断路器和漏电保护器等。

4. 基础设施建设：保证文物古迹的基础设施完善，满足消防系统的使用需求。

- 消防水源：设计符合要求的消防水源，保证消防系统的供水能力。

消防水源可以是市政供水或者自备供水。

- 排水系统：确保文物古迹内部的排水系统畅通，避免因积水导致火势扩大。

5. 管理与维护：设置专门的管理机构，负责文物古迹消防系统的日常维护和管理。

- 消防设备维护：定期对消防设备进行检查、维修和更换，确保其正常运行。

浅谈火灾探测器的选择与自动报警系统一、前言火灾自动报警系统能够在早期有效的发现将要发生火灾的隐患，及时报警，并向相关消防设施发出联动信号，进而将火灾扑灭于萌芽状态降，是帮助人们准确、及时逃生和降低火灾事故损失的有效方式之一。

在火灾早期，探测器自动、准确、快速地发现火灾并准确报警，是一切逃生行动成功和灭火措施准确动作的前提。

1.一般类型的火灾探测器在火灾自动报警系统中一般采用传统火灾传感器，包含感温探测器、感烟探测器、感火焰探测器，还包括特殊场合使用的本安型感温探测器、本安型感烟探测器、各种类型的可燃气体探测器等。

按照最新火灾自动报警规范，这些点式探测器在系统中都应具有唯一的地址，且常常同一场合我们一般单一使用某种传感器，即便使用多个不同类别的传感器，也是独立地报警，互相没有任何联系。

每种类别的传感器都有其探测的优势和局限性，例如感温传感器只对明火产生的温升敏感，对阴燃火不敏感，而且无法识别温度上升的原因；感烟传感器是一种对一般火情均有较高灵敏度的火灾传感器，且对阴燃火有极好的探测效果，但对明火却不敏感。

感火焰探测器对于明火探测效果较好，而对于燃烧前产生浓烟的火灾却不灵敏，因此，在特殊厂场合使用多种探测器的组合或者使用新型的火灾探测器成为一种新的火灾报警的方案。

2.新型火灾探测器的发展传统的火灾探测器其准确性和反应速度都不理想，比如感温探测器，当气体温度达到68～70摄氏度以上时才会报警，且布线、安装复杂，检修麻烦，已经远远不能满足现今智能建筑及时、准确的灭火和简便的施工要求。

红外对射探测器，由一组发射器和接收器完成，发射器与接收器之间无电气关系，一组探测器探测距离长达100m，发射器与接收器属一一对应关系，在大空间场合使用这种探测器，使用这种探测器不仅安装维护方便，而且美化了建筑环境，节省了大量的人力成本。

与红外对射类似，市场上又出现了，双鉴式火灾探测器，光截面火灾探测器等等，此外还有空气采样（吸气管路式）探测器和缆式感温探测器能探测人员无法进入的高密度空间内的火灾隐患，这就为我们在不同场合使用不同的探测器提供了更多的选择，从而提高了系统自动报警和联动的准确性和及时性。

浅析我国古建筑的火灾探测器选用【摘要】本文从管理和技术两个方面，提出在古建筑中采用吸气式和线型光纤感温探测器的可行性。

【关键词】古建筑;火灾危险性;对策随着近年来旅游业的发展，古建筑成为了旅游区内最有价值的旅游景点，内部人员活动空前增多，古建筑火灾更是频频发生，使许多珍贵的古建筑毁于大火，造成了巨大损失。

一古建筑的火灾危险性分析1.1可燃物质多，耐火性能差经过长期的风干，古建筑木结构的含水量极低，几乎遇到火星也会起火，除使用大量木材外，一些宗教建筑中还布置有大量的经书佛文和各式帐幔幡幢、屏风壁画、油漆彩绘等织物，这些物质遇火即燃。

1.2火灾荷载高，消防用水量大古建筑的火灾荷载，大约为现代建筑的30倍，扑救1 kg木材火灾需要用水2 kg，一座1000 m2古建筑，其消防用水量就达到1260 m3。

1.3空气容易进入，火势蔓延迅速引起古建筑火灾的点火源一般在建筑物的下部，下部木材燃烧会加热周围空气并产生大量的热解气体，热空气及热解气体迅速上升，同样会点燃上部的木结构，热空气上升后，会使古建筑下部出现负压，冷空气便会从下部的开口处进入，燃烧三要素之一的“氧化剂”得到了补充，这无异于火上浇油，助长火势更加快速蔓延。

1.4上部积热不散，迅速导致轰燃古建筑发生火灾，从起火到出现轰燃的时间是很短暂的，古建筑上部封闭严实，尤其是上部的人字形屋顶，如果保存比较完善的话，简直是密不透风，在发生火灾时，屋顶内部的烟气和热量不易失散，温度容易积聚，火焰的温度随时间变化成非线性增长，如果在15 分钟内得不到有效的控制，便会出现轰然。

1.5消防力量不易到达，灭火扑救困难重重古建筑一般位于偏僻之处，道路崎岖，往往距最近消防站数十公里，一旦发生火灾，火势迅速蔓延，城镇消防站往往是鞭长莫及，只能是望火兴叹。

1.6多为大面积燃烧，极易“火烧连营”如果其中一处起火，一时得不到有效的扑救，毗连的木构架结构的建筑，很快就会出现大面积燃烧，形成火烧连营的局面。

火灾探测器的选用及其技术要求随着城市化进程的不断加速，火灾的发生频率变得越来越高，给人们的生命财产安全带来很大威胁。

因此，火灾探测器的选用与技术要求尤其重要。

选择合适的火灾探测器并了解其技术规格是保障人们生命财产的必要措施。

一、火灾探测器的分类火灾探测器根据其探测方式可分为电离室探测器、光电式探测器、红外线探测器、气体探测器等。

1、电离室探测器电离室探测器是一种早期的火灾探测器，适用于监测火焰产生的电离效应，是一种分析气体离子化程度的探测器，感应器采用金属电极与众多电离室平行排列。

该探测器灵敏度较高，但也有漏报的可能性。

2、光电式探测器光电式探测器通过感应烟雾的光散射或吸收，以实现火灾探测。

光散射和吸收的特性在烟雾产生时如实反映，因此光电探测器可以及时发现火灾。

不过，由于光电探测器对温度变化较为敏感，因此易受误报的影响。

3、红外线探测器红外线探测器是一种非接触式探测器，通过感知环境中红外线的辐射对火灾进行探测。

该探测器适用于各种不同环境的监测，无需对环境进行接触式操作，解决了烟雾对光电探测器探测影响的问题。

4、气体探测器气体探测器适用于监测环境中可燃性气体，可以及早解决因为气体泄漏等引起火灾的问题。

当环境中检测到可燃性气体时，探测器将会启动警示，由于该探测法量具本身具有毒气泄漏监测功能，因此气体探测器在有毒气体环境下也可以使用。

二、火灾探测器的技术要求1、灵敏度火灾探测器的灵敏度是指探测器能够探测到哪种小的火源。

电离室探测器的灵敏度比烟雾感应探测器要高，而红外线探测器灵敏度会更高。

因此，使用高灵敏度的探测器，可以提高火灾探测的准确性。

2、警戒范围火灾探测器的警戒范围越大，探测范围越广，监测到的火源就越多。

因此，可视化阳离子通断式探测器和红外线探测器适用于尽可能地扩大监测范围。

同时，要注意火灾探测器探测距离的安装范围。

比如，在室内安装的探测器需要避免遮拦，例如家具、门窗等。

3、可靠性火灾探测器以其可靠性、正确性、稳定性为基础，上述指标的准确性可以验证可靠性。

火灾探测器的选择
1、根据火灾的特点选择探测器
①火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量热，很小或没有火
焰辐射，应选用感烟探测器。

②火灾发展迅速，产生大量的热、烟和火焰辐射，可选用感烟探
测器、感温探测器、火焰探测器或其组合。

③火灾发展迅速、有强烈的火焰辐射和少量烟和热、应选用火焰
探测器。

④火灾形成特点不可预料，可进行模拟试验，根据试验结果选择
探测器。

2、根据安装场所环境特征选择探测器
①相对湿度长期大于95%，气流速度大于5m/s，有大量粉尘、
水雾滞留，可能产生腐蚀性气体，在正常情况下有烟滞留，产生醇类、醚类、酮类等有机物质的场所，不宜选用离子感烟探测器。

②可能产生阴燃或者发生火灾不及早报警将造成重大损失的场
所，不宜选用感温探测器；温度在0℃以下的场所，不宜选用定温探测器；正常情况下温度变化大的场所，不宜选用差温探测器。

③有下列情形的场所，不宜选用火焰探测器：
a、可能发生无焰火灾；
b、在火焰出现前有浓烟扩散；
c、探测器的镜头易被污染；
d、探测器的‘视线’易被遮挡；
e、探测器易被阳光或其他光源直接或间接照射；
f、在正常情况下，有明火作业以及X射线、弧光等影响。

探讨文物古建火灾探测器选择原理2014年，古城古镇、古村古寨等文物古建发生火灾的情况不在少数。

如：云南省迪庆州香格里拉县独克宗古城、贵州报京侗寨、湖南怀化洪江古商城、贵州剑河久吉苗寨等。

火灾造成巨大的文化和经济损失。

由于文物古建的特殊性，为了保护文物古建的风貌，喷淋系统难以应用，一旦发生火灾，只有依靠人力灭火，人员的反应速度决定了灭火的及时性，因此，火灾的预警显得尤为重要。

在火灾自动报警系统中，火灾探测器是第一个环节，选择合适的火灾探测器，才能对火情做出有效的探测和预警。

文物古建多以砖木结构为主，本文中仅探讨此类结构的建筑。

1.常見文物古建型式分类常见的文物古建，根据财产归属，可以分为公共性质的文物古建和民居性质的文物古建。

公共性质的文物古建，并非个人所有，没有居民在其中生活，大部分的建筑同时也作为供游客旅游参观的场所。

民居性质的文物古建，仍有居民在其中生活，层高不会太高。

公共性质的文物古建，根据建筑内部高度，又可分为大空间和一般高度。

设置探测器的要求各有不同。

2.设计原则根据《文物防火设计导则》1.火灾探测器的布置宜采用重点保护与区域监测相结合的方式，突出重点，特别重要的文物建筑或场所应采用双重保护。

2.对火灾形成特征不可预料的场所，可根据模拟实验的结果选择火灾探测器。

3.在文物建筑防火保护区和控制区，宜在其周边选择适当的高位设置能完全覆盖保护区、基本覆盖控制区的图像火灾探测器。

3.一般高度的文物古建选择感温探测器还是感烟探测器？根据GB50016-2013《火灾自动报警系统设计规范》中对火灾探测器选择的条文说明。

点型感温探测器的应用有两种目的。

当感温火灾探测器直接用于探测物体温度变化时，如堆垛内部温度变化、电缆温度变化等，其报警信号会比感烟火灾探测器早很多，此时的报警信号的含义更多的成分是预警，并不表示已发展到火灾阶段。

另一种是当火焰达到一定程度时，感温火灾探测器才能响应，报警信号表示火灾已经发生。

浅谈建筑设计中几种特殊场景的火灾探测器选择发布时间：2022-06-14T08:53:42.432Z 来源：《新型城镇化》2022年12期作者：郭逸楠[导读] 随着经济发展，各种高层建筑越来越多，为了确保人们生命财产安全，对消防安全提出了更高，更严格的要求。

广东省环境保护工程研究设计院有限公司广州市 510000摘要：随着经济发展，各种高层建筑越来越多，为了确保人们生命财产安全，对消防安全提出了更高，更严格的要求。

随着建筑内空间场所的功能逐渐趋于复杂多样，电气设计师设计火灾报警系统也应结合场所特点。

本文笔者将结合具体的特殊场景设计案例，简要探讨选择火灾探测的的设计思路，希望能对类似工程起到参考作用。

关键词：高层建筑，特殊场景，火灾自动报警系统，火灾探测器随着我国经济的迅速发展，城市用地逐渐减少，建筑高度不断提高,建筑内部空间功能逐渐多元化，同时人们的生活水平日渐提高，日益重视生命财产安全，因此对高层建筑的消防安全提出了更高的要求。

笔者根据实际设计经验里，对几种特殊场景中设置火灾自动报警系统做出介绍，应选择哪种火灾探测器，希望能对类似工程起到参考作用。

一、概述火宅探测器的分类及优缺点对比按照探测物来分：可以分为①感烟火灾探测器，②感温火灾探测器，③火焰探测器，④气体探测器（火灾初期有阴燃阶段可选用一氧化碳，使用、生产可燃可燃气体的场所选用可燃气体探测器）；根据其监视范围的不同，可以分为①点型火灾探测器（响应一个小型传感器附近的火灾特征参数的探测器）②线型火灾探测器（响应某一连续路线附近的火灾特征参数的探测器）。

市面上根据应用场景比较常见的有：点型感烟火灾探测器，点型感温火灾探测器，感温电缆探测器，线型光束感烟火灾探测器，火焰探测器等。

二、特殊场景的火宅探测器的选择1、室内篮球场——选用火焰探测器火焰探测器，又称感光式火灾探测器，也可以细分为红外火焰探测器，紫外火焰探测器。

工作原理是：物质燃烧时，产生烟雾和放出热量，同时也产生不同波段的光辐射（电磁波），比如紫外辐射，可见光辐射，红外辐射。

古建筑消防难点及灭火器材的选择关键字建筑消防灭火超细干粉正文一、前言我国是文物大国，历史悠久，有着十分丰富的文物古迹和古代建筑，这些文物和古建筑是中华民族五千年灿烂文化的积淀和宝贵的文化遗产。

加强文物古建筑消防管理，确保消防安全，是我们消防工作的一项重要内容。

但在我们的实际工作中，由于文物古建筑自身的特点及管理上存在的一些盲点，使其存在着大量的火灾隐患，极易诱发火灾事故，造成难以弥补的火灾损失。

下面就谈谈古建筑的消防难点及灭火器材的选择。

二、古建筑的消防难点（一）构造性因素。

文物古建筑多为木质构造，历经几百甚至上千年的日晒风吹雨淋，造成建筑木质腐蚀、干燥、疏松，含水量远远低于一般自然干燥的含水量（约在12~18%之间），成了全干材。

同时文物古建筑材料又多用油脂含量高的柏木、松木、樟木等优质木材建造，且其表层涂有大量的油漆涂料，极易燃烧。

（二）火灾负荷因素。

现代建筑要求火灾负荷量平均每平方米的木材的用量，不宜多于0.03立方米。

在文物古建筑中，大体上每平方米含有木材1立方米（包括其它可燃物折合木材的用量），那么文物古建筑的火灾负荷量比现代建筑大31倍。

由此可见文物古建筑火灾危险性之大。

（三）扑救困难因素。

1、文物古建筑在设计建造上往往存在先天缺陷。

建筑之间大多间距很小，没有消防通道，更无法设立防火墙，消防设施及水源无法满足施救的需要，因而，对防火工作带来了很大的困难。

2、燃烧速度快，温度积聚迅速。

木构架建筑在起火以后，必须在15~20分钟内实施有效施救，否则会出现大面积燃烧，最高温度可达800~1000℃。

文物古建筑中的木材，由于长期的干燥和自然的侵蚀，往往出现许多大大小小的裂缝，其牢固情况比疏松的松木还要差。

有的大圆柱，并非完整的原木，而是用几根木料拼接而成，外面裹以麻布，涂以漆料，发生火灾时，木材的裂缝和拼接的缝隙，成了火势向纵深蔓延的途径，加快了燃烧速度。

同时，文物古建筑的屋顶相当宽大且坚实，发生火灾时，屋顶内部的烟雾和热量不易散发，温度容易积聚，导致轰燃现象，使古建火灾难以扑救。

文博安防探测器选择前言文物藏品是人类历史文化的宝贵遗产，它在历史见证、传承、再现方面起着不可替代的作用，也是文博单位收藏、陈列、研究、展出的物质基础。

现今，博物馆、展览馆、美术馆（以下统称文博）已成为对外展示地方经济、文化的重要窗口之一，其发展势头如火如荼。

由于文物藏品具有价格昂贵、不可再生、历史悠久等特殊性，历来一直是众多不法之徒垂涎之的。

文博单位应如何应对展出与安全的问题呢？据有关报道：博物馆失窃现象近年来十分严重，其特点是“内盗”、以及利用安防产品或系统在技术、设计、施工上的漏洞，进行“技术性外盗”。

文博单位除了要进一步贯彻实施《文物系统博物馆风险等级和安全防护级别的规定》和《文物系统博物馆安全防范工程设计规范》外，还要把人防、物防、技防有机地结合在一起，这是做好文博安全工作的可靠保证。

1.加强“人防”工作：文博单位领导要高度重视，成立专业保安巡逻队伍，组织消防演习，开展安全业务培训，制定《文博馆夜间值班制度》、《文物收藏、陈列、展出、修复、注销管理制度》和《文博馆突发性事件处置预案》等规程，实行24小时值班制和夜间值班巡逻制，落实任务，责任到人。

2.完善“物防”工作：改造硬件设施，把原文博馆的重要部位铁栅门和中控室门改装为标准防盗门，更换老式文物箱柜，制作文物保管囊盒，添置灭火器材等消防设备，不断做好“物防”工作。

3.安装、更新、改造、维护“技防”系统设备：在做好“人防”和“物防”的基础上，依据文博馆的环境条件，切实完善“技防”工作，把防盗报警系统、声音复核系统、图像复核系统、电视监控系统、巡更系统、门禁系统、集中管理系统和控制系统，通过设计组合，构成一套具有防范性强、功能完备、自动化、智能化程度高的综合性现代化安全防范报警系统，并及时做好110报警系统的接入工作。

防盗报警系统在吓阻、延缓、报警、预案、接警、处警、消警方面发挥着重要的作用，历来一直是文博安防项目设计、施工的重点，难点。

而入侵探测器是整个防盗报警系统的源头，犹如人的眼睛、鼻子、耳朵，是系统最重要的信息采集工具，入侵探测器质量的好坏直接决定了整个系统的可靠性，文博安防的设计原则就是：“不漏报，少误报”，选择具有先进技术、高质量的探测器对文博安防至关重要。

第50 卷第 7 期2023年7 月Vol.50，No.7Jul. 2023湖南大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）明清古建筑群火灾智能监测技术研究王茹1，李朴杰1†，王亚康2，胡又文1（1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055；2.上海建科工程咨询有限公司，上海 200032）摘要：针对明清古建筑群存在的火灾隐患高、火灾监测智能化水平低的问题，以xBIM为二次开发平台，利用SQL Server建立数据库，搭建了火灾智能监测平台，以实现对体量庞大的古建筑群监测体系的集成化管理.对于探测器产生的实时数据，通过对Mann-Kendall算法进行迭代优化，既有效避免了传统固定阈值算法带来的漂移问题，又提高了火灾探测器的精确性.并结合火灾动力学模拟，以火灾危险源、建筑结构为影响因素，对火灾探测器的布置进行合理优化，以提高其探测的高效性.本文为明清古建筑群的火灾监管，提供了一套科学、高效的集成化管理技术.关键词：古建筑群；感烟探测器布置；Mann-Kendall算法；火灾探测中图分类号：TU892 文献标志码：AResearch on Intelligent Fire Monitoring Technology of Historic Buildingsin Ming and Qing DynastiesWANG Ru1，LI Pujie1†，WANG Yakang2，HU Youwen1（1.School of Civil Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China；2.Shanghai Jianke Engineering Consulting Co. Ltd.， Shanghai 200032， China）Abstract：Aiming at the problems of high fire hazard and low levels of intelligent fire monitoring in the historic buildings of Ming and Qing Dynasties， this article takes xBIM as the secondary development platform， establishes a database using SQL Server，and builds an intelligent fire monitoring platform，so as to realize the integrated management of the monitoring system of the huge ancient buildings. For the real-time data generated by the detector， the iterative optimization of the Mann-Kendall trend algorithm not only effectively avoids the drift problem caused by the traditional fixed threshold algorithm， but also improves the accuracy of the fire detectors. Combining the fire dynamics simulation and taking the fire hazard source and the building structure as the influencing factors，the layout of the fire detector is reasonably optimized to improve the efficiency of its detection. This article provides a set of scientific and efficient integrated management technology for the fire supervision of historic buildings in the Ming and Qing Dynasties.Key words：historic buildings；smoke detector arrangement；Mann-Kendall algorithm；fire detection∗收稿日期：2022-04-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（51278400），National Natural Science Foundation of China（51278400）作者简介：王茹（1968—），女，江苏徐州人，西安建筑科技大学教授，博士† 通信联系人，E-mail：****************文章编号：1674-2974（2023）07-0169-09DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023090湖南大学学报（自然科学版）2023 年建筑是人类文明的标志，是人类社会发展的印迹，中国古代建筑的历史更是源远流长.由于时代久远，我国明清之前的建筑大多已经损毁，因此，当前我国存在较为完整的历史建筑，大多为明清时期的建筑.明清古建筑为木或砖木结构，其主要建筑材料为木材，其耐火性差，一旦发生火灾，大火往往难以扑灭.因此，对于古建筑火灾的防治，应以预防为主，消防为辅.对于古建筑火灾的预防，以火灾监测为主要技术手段，早在2005年，刘国柱［1］提出以空气采样报警器探测空气中烟雾浓度.然而探测器大多为有线网络，需要在建筑内走线，甚至需要开孔安装，破坏古建筑结构.随着无线通信技术的出现，刘士兴等［2］、Palma等［3］均提出利用无线传感器网络进行探测器布置，可解决有线传感器破坏古建筑美观性和结构的缺点.然而对于古建筑群而言，由于建筑数量十分庞大，导致所需探测器的数量更为庞大，仅依靠无线传感技术已无法满足其对探测器管理上的需求.因此，黄娟等［4］以ZigBee无线通信技术传输探测数据，以Android客户端为终端，将藏区古建筑群火灾探测器与移动终端连接，搭建了移动端的App平台.然而移动端的App平台，有着管理界面小、大批量管理不易的问题，仍然需要一个计算机平台进行大批量的数据管理，且对于海量数据的储存、处理，也有一定的不足.除此之外，大量的探测器势必会提高误报的频率，对于监测数据的处理，也需要进行相关优化.针对此方面问题，本文提出一套基于xBIM平台二次开发、SQL Server数据库管理系统的计算机火灾智能监测系统.以火灾危险源、建筑结构为因子，设置出火灾探测器的布置方案，再依据布置探测器情况建立数据库，储存和调用海量的实时监测数据，并应用迭代优化后的Man-kendall趋势算法对其进行阈值处理，减少误报，提高准确性.在监测平台中，可以实时查看各个探测器的状态，并在触发阈值后给予及时的报警提示，提高了火灾监测的及时性、精确性，极大地方便了古建筑群火灾安全的管理.1 火灾监测方案设计1.1 火灾探测器的选型选择适合的火灾探测器是进行火灾监测的第一步，对于明清古建筑而言，火灾探测器的选择应遵循以下原则：1）明清古建筑为木或砖木结构，其火灾荷载密度［5-6］大，着火后火势凶猛，因此无论从古建筑的文物珍贵性考虑，抑或从安全角度考虑，明清古建筑的火灾报警最佳窗口期均应为燃烧的初期［7］.2）火灾探测器的安装方式应为无损安装，避免打孔安装方式对古建筑结构的破坏.3）火灾探测器的体积不应过大，以免影响建筑美观.如今科技手段下，常用的火灾探测器有感烟探测器、感温火灾探测器、火焰探测器以及图像型火灾探测器等，对其原理及优缺点进行分析汇总见表1.经过对比分析，本文采用感烟探测器对明清古建筑进行火灾监控，原因如下：1）明清古建筑为木或砖木结构，燃烧主要依靠大量的木构件、木家具等.木材表面在受到持续的热通量时，木材表面会随着温度升高而开始分解，产生大量的烟气，随着表面的热解持续增加，会在传递热通量的界面生成一个炭化层［8］，炭化层具有一定的阻燃功能，发生的是阴燃，同时产生大量的烟气，若在此时能探知出燃烧，便能及时控制火灾，若发展到明火阶段，即使发现，也损失较重，扑灭也较为不易.因此，感烟探测器是较好的选择.2）感烟探测器多为点型探测器［9］，其体积小、质量轻、安装方便简单，对古建筑表面不造成损坏. 3）感温火灾探测器和图像型火灾探测器虽对环境适应性较好，但感温火灾探测器敏感度较低，现已较少使用，图像型火灾探测器适用于明火阶段，对古建筑的保护不利.火焰探测器易受到环境的影响，误报频率高.因此，综合考量后，针对明清木结构古建筑的自身特点，选取感烟探测器为最佳.1.2 火灾危险源及建筑结构对火灾的影响对于火灾探测器的布置而言，有两大影响因素，一是火灾危险源，二是建筑结构.1.2.1 火灾危险源的影响火灾危险源是火灾的源头，对火灾危险源实施监测防范，能有效降低发生火灾的概率，因此，人们表1 各类火灾探测器对比Tab.1 Comparison of various fire detectors种类感烟探测器感温火灾探测器火焰探测器图像型火灾探测器适用范围阴燃阶段发展阶段发展阶段明火阶段环境适应性无烟环境下使用较强易受环境影响，易误报较强灵敏度较高较低响应速度快较高170第 7 期王茹等：明清古建筑群火灾智能监测技术研究通过危险源管理的方式对火灾进行防控，如设置火灾危险源登记台账［10］等.1949年以来，我国发生的大大小小古建筑文物火灾上千起，损坏珍贵建筑、文物不计其数，本文通过查找相关案例文献、搜索相关新闻报道、查阅官方网站，共查阅到百余起古建筑火灾事故，其中已查明起火原因的事故97起.对这97起古建筑起火原因进行了汇总分析，整理出11种不同的火灾危险源，以统计图形式将不同火灾危险源所占比例进行表征，如图1所示.由图1中可以看出，古建筑起火主要原因为电气老化或短路，殿内烛台、焚香或烧纸，乱丢烟头，生活用火等.因此，在对火灾探测器进行布置时，以当前古建筑的环境特点为对象、主要火灾危险源为重点，做到重点位置重点部署.1.2.2 建筑结构的影响火灾在建筑内的燃烧过程，是一个复杂的热力学、流体力学、传热学和燃烧学过程［11-13］，其热气流在建筑内部的运动路径，与建筑的结构、可燃物位置、门窗位置（氧气通道）均相关，其共同构成了建筑火灾的发展过程.因此对于建筑内部火灾探测器的布置，应根据建筑结构等实际情况进行.对于明清古建筑而言，抬梁式与穿斗式木结构是使用最为广泛的两种木结构形式.这两种木结构，如图2所示，在力学原理、木材用料上都截然不同.抬梁式木结构是梁柱支撑体系，由多层的架梁和柱子传受力，多用于北方地区；穿斗式木结构则是檩柱支撑体系，由檩柱直接将屋顶“顶起”，承受主要荷载，多用于南方地区.两种木结构都以木材为主要受力构件，而抬梁式木结构在木材用量上更是穿斗式木结构的3.5倍［14］.抬梁式木结构多用于大跨度、大空间组合的官式建筑，而其恰巧为火灾的燃烧创造了条件，犹如燃烧的炉子，有大量的木材，也有充足的氧气空间.而穿斗式建筑多用于民居等空间较小的建筑，两者在建筑材料、结构形式、空间大小上，均不相同，在火灾发生后的蔓延情况也不相同.1.3 烟雾模拟及探测器布置为将火灾危险源及建筑结构对火灾事态的综合影响可视化，本文以 BIM 技术、火灾动力学模拟为手段［15-16］，对两个因素的共同作用进行模拟分析，以模拟出实际建筑环境下的最不利点，从而指导探测器的布置.PyroSim 是目前较为成熟的火灾动力学模拟分析软件，但其缺点是建立的模型较为粗糙简单，如屋顶斜面、曲面的建模均难以实现，这使得“建筑结构”这一因素的影响难以突出.因此，本文以Revit 作为精细化的建模工具， Fbx 数据格式作为二者连接的桥梁进行建模分析.以某穿斗式木结构为例，该结构为三层穿枋结构，应用 Revit 建立该结构下的三维模型，并导入至 PyroSim 中，模型见图3.模拟环境初始温度为 20 ℃，网格单元大小为0.25 m×0.25 m×0.25 m ， 以殿中烛台引燃木质香案作为起火点.由于木结构建筑火灾荷载大，因此起火点设置为快速火， 单位热释放速率为 611 kW/m 2.对于感烟探测器的布置，重点关注模拟结果中烟雾的扩散情况.其模拟结果如图 4 所示，由于设置为快速图1 火灾危险源饼状图Fig.1 Fire hazard source pie chart（a ）抬梁式木结构（b ）穿斗式木结构图片来源：王晓华《中国古建筑构造技术》图2 抬梁式与穿斗式木结构Fig.2 Lifting beam frame and Chuan-dou frame171湖南大学学报（自然科学版）2023 年火，产生的热烟气在 T =3 s 时， 便上升至起火点上方第一层穿枋，随后在 T =25 s 时，在屋顶向两侧蔓延，集中于二层与三层穿枋之间.随后，烟气沿两侧山墙顺流而下，而随着时间的推移，烟气密度逐渐增大而开始逐渐下沉并从门窗通风处开始外溢.火灾源在古建筑内的位置因建筑的不同布局而具有特殊性.当古建筑内部发生火灾时，着火点产生的热烟气流随时间流动的轨迹具有一定普遍性， 即热烟气均是先由火灾源处上升，升至屋顶结构最高处时沿屋面结构横向散开，后随着浓度的增强开始下沉.在探测器布置点位受限的前提下，若将感烟探测器全部布置于最低一层层架处，则及时“捕捉”到细小上升烟气的概率较低.若将感烟探测器全部布置于顶层层架，则需至烟气上升至屋顶且向四周蔓延开时方能捕捉火情，不具备及时性.二层作为烟气穿越层，在火灾前期不及一层的及时性，在火灾后期不及顶层的普遍性.因此，既针对可预测性火灾源在一层层架处进行重点布控实现及时性监测，又在顶层层架处布置提高烟气捕捉概率，实现“及时性”与“普遍性”相结合.在本文案例中，应在香案烛台上方的第一层穿枋或斗枋上布置感烟探测器，在其余无火灾危险源的地方，在第三层穿枋或檩处设置感烟探测器，这样能够最快速地发现火情，从而最大限度保护古建筑.2 探测器监测数据处理2.1 固定阈值算法下的漂移问题在完成火灾探测器的布置方案后，根据《古建筑木结构维护与加固技术标准》（GB/T 50165―2020）［17］中的要求，需对监测系统设置报警阈值.报警阈值的设置是火灾探测器是否精准、及时的体现，同时也是智能监测平台智能化、精确化的体现.传统感烟探测器的报警机制均为开关量式的［18］，即“0”或“1”的区别.设置一固定阈值A ，当探测到的数据超过阈值时，探测器进行报警.其报警机制见式（1）：Y (t )=ìíî1，Y (t )>A 0，Y (t )<A （1）这种传统固定阈值的算法原理固然简单，实现起来也较容易，但其简单粗暴的火灾判断方法，在实际应用时，却因探测器的漂移现象［19-20］而经常发生误报.如图5所示，感烟探测器在正常工作时，其探测数据并不是一个固定值，而是在一个稳定值附近上下波动，由于探测器的应用环境中通常悬浮着大量无处不在的尘埃颗粒，它们会随着气流落入烟雾探测器的迷宫中，尘埃的积累会影响探测器的灵敏度，使其发生误报警，且随着时间的推移，光电发射器和接收管的老化也会导致探测器对火灾的响应变慢，这即是探测器的漂移现象.2.2 Mann-Kendall 算法为了解决固定阈值算法易产生漂移的问题，本文采用了Mann-kendall 算法对探测器进行阈值设定，以减少误报，提升监测系统的准确性.Mann-Kendall 算法属于趋势算法，应用于研究数据序列趋图 3 穿斗式木结构模型Fig.3 Chuan-dou frame model（a ）T=3 s（b ）T =25 s图 4 烟雾模拟结果Fig.4 Smoke simulation results172第 7 期王茹等：明清古建筑群火灾智能监测技术研究势或突变中，一般分为趋势检验及突变检验，是一种非参数检验方法［21-22］.在水文、气象研究中有着广泛的应用，通过对径流、降水、气温等要素的时间序列进行趋势、突变分析，从而判断各要素未来的情况.定义X （n ）为感烟探测器在时间段n 内的输出信号序列，其代表了在时间段n 内的烟雾浓度变化情况.则有符号函数见式（2）.Sign(X i -X j )=ìíîïïïï+1 ， (X i -X j )>00 ， (X i -X j )=0-1 ， (X i -X j )<0（2）式中：Sign 为符号函数；j 为时间序列的第j 个值；i =j +1，且0<j <i ≤n .即对于n 时间段内的某一时刻X i ，若烟雾浓度信号大于其前一时刻的浓度信号X j ，则输出为+1，因此，无论烟雾浓度的信号值是大是小，只要前一时刻大于后一时刻，均记为+1，相反则记为-1，相同则记为0.此种计数方式的优点则在于忽略了具体数值的大小，只强调前后值是增大还是减小，避免了某一瞬时时刻的漂移值大于固定阈值，从而引起误报.此时，便引出Mann-kendall 趋势检验的统计量S 见式（3）.S =∑j =1n -1∑i =j +1nSign (X i -X j )（3）式中：当n ≥8时，S 服从正态分布，其均值为0.对统计量S 求方差为：Var (S )=n (n -1)(2n +5)-∑a =1b t a (t a -1)(2t a +5)18（4）式中：b 为分组数； t a 是第a 组数据的个数.对统计量S 进行标准化，得到式（5）.Z c =ìíîïïïïïïïïS -1Var (S )，S >00，S =0S +1Var (S )，S <0（5）此时，Z c 服从标准正态分布.Z c 为正值时则表示当前数列趋势为递增，即火灾探测器在某一时间段n内测得的烟雾浓度是递增的.因此，设置合理的n 值以及Z c 的置信区间，即可在无规律的监测信号中掌握烟雾浓度的变化趋势，同时也避免了漂移产生的误报信号.2.3 实时监测下的迭代优化处理火灾探测器为实时动态的监测，一般火灾探测器每3 s 生成一个数据，根据《点型感烟火灾探测器》（GB 4715—2005）［23］要求，点型感烟火灾探测器应在30 s 内做出报警，即要求对30 s 内产生的10个数据进行判断处理.一般而言，对每30 s 产生的数据进行一次处理，即每隔30 s 处理一次数据，这样会使得报警的效率降低，对火灾曲线的判断力也会降低.对于以上情况，本文将监测系统中的Mann-Kendall 算法进行迭代优化，如图6所示，以10个数据为一组，将新产生的数据认定为新一组的“第10个数据”，将前一组的第10个数据认定为新一组的“第9个数据”，以此类推至前一组数据的第2个数据认其为新一组的“第1个数据”，即将新数据与前一组的9个数据组合为新的一组数据进行处理，这样就实现了数据处理的连续性，提高了数据处理效率.设定置信区间为大于85%，则认为这10个数据的增加趋势可信，即这30 s内烟雾浓度上升.在标准正态分布表中，85%的置信区间对应的Z c 值为1.04，即Z c 值大于1.04，则探测器进行报警.此部分在监测系统中，为监测平台在调取数据库数据后的数据分析中应用，以代码的形式体现，部分代码见图7.3 古建筑群火灾智能监测平台搭建3.1 开发工具及环境智能火灾监测系统包括探测器系统、监测数据分析与处理、状态评估、实时预警等模块，在古建筑图5 漂移现象导致的误报Fig.5 Mispositives caused by the drift phenomenon图6 迭代优化示意图Fig.6 Schematic representation of the iterative optimization173湖南大学学报（自然科学版）2023 年群内数量庞大的探测器系统会实时产生海量的监测数据，通过对数据的集成化管理，提高了处理火灾隐患的准确性，方便了对火灾安全的管理.对于错综复杂的古建筑群而言，应用BIM 技术可以对建筑群进行信息化和可视化管理，也可将探测器与古建筑群进行实时联动.本文利用已有的BIM 平台——xBIM （eXtensible Building InformationModelling ）平台［24-26］，进行二次开发，设计古建筑火灾实时监测平台.xBIM 是一个.NET 工具包，其可以构建从命令行应用程序到Windows 应用程序、Web 服务扩展的所有内容.在平台中，以IFC 格式读取BIM 模型，全面支持几何、拓扑操作和可视化.本文以Visual Studio 为开发工具、C#为语言、.NET 为开发框架，搭建平台界面.对于探测器产生的实时数据，应用SQL Server 建立数据库［27-28］.SQL Server 是Microsoft 开发设计的一个关系数据库智能管理系统，以C#和 T-SQL 进行混合编程，具备使用方便、可伸缩性好、软件集成度高等优势，方便火灾探测器海量数据的储存及调用.本文以SqlDataReader （Sqlcon ）的方式读取数据库，以SqlCommand （SQLstr ）执行添加、修改和删除操作.3.2 监测数据库开发采用SQL Server 创建结构化数据库后，将监测数据储存在网络云中，在xBIM 平台中对数据进行调用和阈值分析，这样方便了数据的管理与检索，也极大提高了监测系统的运行工作效率.对于明清古建筑群火灾监测，其数据库的基本需求为：以古建筑单体为监测对象，包括ID 编号、名称、位置以及建筑防火等级，每个监测对象上的探测器数量；对于探测器，应包括探测器的编号ID 、安装位置、安装时间、预警阈值以及备注；对于探测器监测到的数据应根据时间进行记录.对以上需求进行梳理，并将其转换成对应的数据表.感烟探测器的相关信息储存于火灾探测器数据表中，其逻辑结构如表2所示.以古建筑群内的各个建筑单体为监测对象，需有明确的建筑位置，并注明建筑防火等级，其逻辑结构如表3所示.将监测数据置于监测数据表中，其逻辑结构如表4所示.以某明清古建筑群为例，在SQL Server 上使用T-SQL 语言和图形操作界面对数据表格进行创建后，如图8所示.3.3 平台监测实施以某明清古建筑群为例，进行火灾监测系统实施.如图9所示，输入提前预设的账号和密码，即可登录监测平台主界面.图7 Mann-Kendall 算法迭代优化后部分代码Fig.7 Partial code of the Mann-Kendall method after iterativeoptimization表2 火灾探测器数据表Tab.2 Fire detector data字段名称*S_ID*HB_ID LocationThreshold Ins_time数据类型varchar （20）varchar （20）Text float dateNull 值N N N N Y说明探测器编号监测建筑编号安装位置置信报警阈值安装时间表3 监测建筑数据表Tab.3 Monitoring building data字段名称*HB_ID NameFrie_rating Location 数据类型varchar （20）varchar （20）Text TextNull 值N N Y Y说明监测建筑编号监测建筑名称建筑防火等级建筑位置表4 监测数据表Tab.4 Monitoring data字段名称*SD_ID ValueMon_time 数据类型varchar （20）FloatDatetime Null 值N N N说明探测器编号监测数值监测时间174第 7 期王茹等：明清古建筑群火灾智能监测技术研究进入主界面后，如图10所示，可以看到监测项目名称、项目位置、古建筑数量以及火灾探测器数量等概况，在主界面还有监测古建筑群的BIM 模型.将监测方案的设计储存在数据库中后，在平台管理中，有“探测器管理”这一选项，可以对火灾探测器进行管理.如图11所示，进入管理界面后，在右侧可以看到所有已添加的探测器信息，选定相关探测器后，可以看到此探测器的基本详细信息，并可以对其参数进行设定和修改.对于火灾探测器的实时监测，如图12所示，在“实时监测”这一页面中，左侧有古建筑群中每个建筑设置的探测器列表，点击任意一个探测器，即可看到每个探测器的状态，包括探测器的信息、监测实时数据以及实时动态曲线图.当监测到数据触发报警机制时，便会出现弹窗警示，如图13所示.在火灾警报窗口，会注明发生报警的探测器ID 以及当前的趋势置信区间对应的正态分布值，并记录当前火灾发生的时间.图8 监测数据库Fig.8 Monitoring database图9 火灾智能监测平台登录窗口Fig.9 Login window of the intelligent fire monitoring platform图10 火灾智能监测平台主界面Fig.10 Main interface of the intelligent fire monitoring platform图11 火灾探测器管理界面Fig.11 Fire detector management interface图12 实时监测界面Fig.12 Real-time monitoring interface175湖南大学学报（自然科学版）2023 年4 结 论1）以火灾危险源、建筑结构作为火灾主要影响因素，以火灾动力学模拟作为手段，对古建筑进行火灾探测器的布置优化，可提高火灾探测器的高效性、准确性.2）对于古建筑群内庞大的火灾探测器系统，集成化火灾智能监测平台的开发，极大地方便了对火灾安全的管理，提高了火灾报警的及时性，对古建筑群的文物保护提供了新思路.3）实时迭代优化后的Mann-Kendall 算法，可避免传统固定阈值算法下的漂移问题，减少感烟探测器的误报频率.云数据库的开发，对海量大数据的储存、调用提供了高效便利的管理工具，也为古建筑群的实时监测提供了新的技术手段.参考文献［1］刘国柱.空气采样早期烟雾报警器在古建筑中的应用［J ］.电气应用，2005（3）：48-50.LIU G Z. 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文物建筑火灾探测方法探讨
刘昊
【期刊名称】《消防科学与技术》
【年(卷),期】2017(036)008
【摘要】总结分析文物建筑的结构特点、建筑内可燃物特性、可能发生火灾部位和火灾探测环境.以此为基础,结合早期火灾烟气在不同类型文物建筑中运动规律,依据火灾自动报警系统设计规范和不同类型火灾探测器特点,分析常用火灾探测器的选型与设置方法,包括点型感烟火灾探测器、点型感温火灾探测器、吸气式感烟火灾探测器和可视图像早期火灾报警系统等.
【总页数】3页(P1108-1110)
【作者】刘昊
【作者单位】国家文物局,北京 100009;中国建筑科学研究院,北京 100013
【正文语种】中文
【中图分类】X924.4;TP277;TN215
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