《Case Studies in Thermal Engineering》：Assessment of Fire Flow Demand in Chinese Traditional Villages Based on UAV Photogrammetry and Fire Propagation Analysis
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本文針對易燃建筑材料、緊湊空間布局和有限消防資源導致的中國傳統村落火災蔓延風險，開發了一種高效、經濟且科學合理的火災流量需求評估框架。該方法結合無人機傾斜攝影測量和現場調查獲取建筑內外參數，識別火勢蔓延路徑，并區分進攻性（撲滅火源）和防御性（保護相鄰建筑）操作，計算單體建筑及全村的火災流量需求。應用于云南11個代表性傳統村落的研究發現，現有一體化供水系統的設計流量不足以完全滿足其消防需求，且進攻性火災流量主要受建筑體量影響，而防御性流量則與空間連通性和間隔距離相關，為傳統村落消防設計與策略制定提供了重要依據。
中國傳統村落是各民族建筑風格和生活方式的寶貴文化遺產，然而，近年來麗江古城、獨克宗古城和翁丁村等地的一系列火災事故敲響了警鐘。這些村落普遍面臨著嚴重的火災蔓延風險，這背后是三個致命因素的結合：大量使用木材等易燃建筑材料、建筑布局異常緊湊、以及偏遠地區消防水源和設施嚴重不足。在這種背景下，科學、合理地估算火災發生時所需的消防用水量——即火災流量需求，成為了一個亟待解決的現實問題。這不僅是對現有供水條件能否滿足滅火要求的核心評判依據，更是制定有效滅火與保護策略的前提。
遺憾的是，目前國際上雖有多種火災流量需求估算方法，但缺乏專門針對中國傳統村落特性的評估框架。而國內現有的消防規范，要么參考現代建筑的標準，要么依據歷史建筑規范，用建筑體積等指標進行估算，難以準確反映傳統村落的真實需求。一方面，傳統建筑與現代建筑在材料、結構和火災行為上迥異；另一方面，不同地域、不同類型的傳統村落在空間布局、建筑材料和立面開口率上也存在巨大差異。一刀切的規范標準，顯然無法應對如此復雜的實際情況。
為了解決這一難題，一項發表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上的研究，由鄭飛翔、宋志剛、張建、韓金生共同完成，他們開發了一套高效、經濟且專門針對中國傳統村落的火災流量需求評估框架。
該研究首先采用了無人機（UAV）傾斜攝影測量結合現場勘察的創新數據獲取方式。無人機技術能夠快速獲取村落的高分辨率影像和精確地理信息，并生成三維和二維模型，從而高效、準確地提取建筑的外立面尺寸、材料、間距等外部參數。對于建筑內部的使用類型、結構和是否有自動噴淋系統等信息，則通過有限但具有代表性的現場調查進行補充。這種方法克服了傳統村落缺少建筑圖紙、人工測繪困難的瓶頸。
研究核心采用了基于火災安全工程原理的Hadjisophocleous方法（簡稱HAD方法），它將火災流量需求分為進攻性滅火流量和防御性滅火流量兩部分進行分別計算再整合。進攻性流量Foff直接用于撲滅起火建筑，其計算主要與建筑火災荷載密度（FLD）和燃燒面積Af相關。防御性流量Fdef則用于保護可能受到火勢威脅的相鄰建筑，其計算與建筑間的空間關系密切相關，涉及視角因子Fu、立面開口率λ和建筑間隔距離Y等參數。研究還引入了基于NFPA 80A的火蔓延路徑識別方法，來判斷建筑之間是否存在火災蔓延的可能。
4.1 火災流量需求的分布特征
研究人員將上述方法應用于云南省11個代表性傳統村落（涵蓋合院式、土掌房、干欄式和木楞房四種主要建筑類型），計算了每個建筑在假設起火場景下的進攻性、防御性及總火災流量需求。結果顯示，不同建筑類型的火災流量需求分布特征差異顯著：
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合院式與土掌房村落的總火災流量需求分布較為集中，且防御性流量需求普遍很低（土掌房尤其顯著），這得益于其院落分隔或厚實墻體帶來的天然防火屏障。
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干欄式和木楞房村落的總火災流量需求分布則更為分散，且防御性流量需求波動很大。例如，景芒村（JMV）和同樂村（TLV）的90%分位數值和標準差明顯高于同類型的其他村落，表明其火災風險更高，更需要關注火勢在建筑群間的蔓延。
4.2 結果驗證
為了驗證方法的可靠性，研究從數據和模型兩個層面進行了交叉驗證。
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數據驗證：在翁丁村（WDV）選取特定區域，將無人機測量數據與現場實測數據計算的火災流量需求進行對比，平均絕對誤差（MAE）僅為0.332 L/s，平均相對誤差為2.69%，證明了無人機數據采集方法的準確性。
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方法對比：將HAD方法的計算結果與美國保險商實驗室（ISO）的經典經驗方法進行對比。在WDV，兩種方法得出的90%分位數流量值非常接近（HAD: 46.05 L/s, ISO: 47.32 L/s），但HAD方法得出的分布更連續平滑，而ISO方法由于依賴離散的經驗系數，結果呈階梯狀分布。在平均值水平上，ISO方法比HAD方法高出約23.9%。
4.3 與現行規范的比較
研究將計算出的火災流量需求與中國現行規范《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB 50974-2014）和《歷史建筑防火設計規范》（WW/T 0125-2025）中規定的室內外消火栓設計流量（建議取35或40 L/s）進行符合性分析。
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合院式和土掌房村落在35 L/s的設計流量下，總流量需求符合率普遍超過90%。
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然而，對于干欄式和木楞房村落，即使將設計流量提高到40 L/s，WDV、JMV和TLV等村落的總流量需求符合率仍無法達到90%。這意味著，現有規范提供的消防供水能力，對于這類易燃且密集的村落，僅能勉強應對單體建筑的滅火需求。一旦發生建筑間的火災蔓延，現有供水往往不足以支持同時進行有效的進攻性滅火和防御性冷卻，這也解釋了為何此類村落火災常出現“早期撲滅”或“燒至自然/人工邊界后自限”的兩種典型結局。
4.4 相關性分析
通過斯皮爾曼（Spearman）相關性分析，研究進一步揭示了建筑參數與火災流量需求之間的內在聯系：
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進攻性火災流量需求與建筑占地面積和建筑高度呈極強的正相關，而與建筑間距等其他參數相關性很弱。這表明，建筑體量是決定進攻性滅火所需水量的最主要因素。
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防御性火災流量需求則與建筑出度（表征火災潛在影響范圍的指標）、加權平均開口率呈強正相關，與等效最近鄰距離呈弱負相關。這意味著建筑的空間連通性越強（出度高）、開口越大、彼此靠得越近，火勢向外蔓延的風險就越大，因此需要更多的水進行外圍冷卻和隔離。
綜合來看，這項研究不僅提出了一套適用于中國傳統村落的、操作性強的火災流量需求評估方法，還通過實證分析揭示了不同建筑類型的風險差異及其背后的主導因素。其結論具有重要的實踐指導意義：首先，它指出現行“一刀切”的消防設計流量標準對干欄式、木楞房等高風險村落存在不足，亟待修訂或補充針對性條款。其次，它明確了降低傳統村落火災風險的兩個關鍵方向：一是通過控制建筑體量（在可能的保護性改造中）來降低進攻性滅火需求；二是通過優化空間布局（如增設防火間距、改善建筑開口）、提升建筑防火等級來削弱火災蔓延潛力，從而降低防御性滅火需求。最后，該研究融合無人機技術與工程分析方法，為大量缺乏基礎圖紙的傳統村落提供了一種高效、低成本的消防風險評估與規劃工具，有助于實現文化遺產保護與消防安全的平衡。
