《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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本文针对易燃建筑材料、紧凑空间布局和有限消防资源导致的中国传统村落火灾蔓延风险，开发了一种高效、经济且科学合理的火灾流量需求评估框架。该方法结合无人机倾斜摄影测量和现场调查获取建筑内外参数，识别火势蔓延路径，并区分进攻性（扑灭火源）和防御性（保护相邻建筑）操作，计算单体建筑及全村的火灾流量需求。应用于云南11个代表性传统村落的研究发现，现有一体化供水系统的设计流量不足以完全满足其消防需求，且进攻性火灾流量主要受建筑体量影响，而防御性流量则与空间连通性和间隔距离相关，为传统村落消防设计与策略制定提供了重要依据。
中国传统村落是各民族建筑风格和生活方式的宝贵文化遗产，然而，近年来丽江古城、独克宗古城和翁丁村等地的一系列火灾事故敲响了警钟。这些村落普遍面临着严重的火灾蔓延风险，这背后是三个致命因素的结合：大量使用木材等易燃建筑材料、建筑布局异常紧凑、以及偏远地区消防水源和设施严重不足。在这种背景下，科学、合理地估算火灾发生时所需的消防用水量——即火灾流量需求，成为了一个亟待解决的现实问题。这不仅是对现有供水条件能否满足灭火要求的核心评判依据，更是制定有效灭火与保护策略的前提。
遗憾的是，目前国际上虽有多种火灾流量需求估算方法，但缺乏专门针对中国传统村落特性的评估框架。而国内现有的消防规范，要么参考现代建筑的标准，要么依据历史建筑规范，用建筑体积等指标进行估算，难以准确反映传统村落的真实需求。一方面，传统建筑与现代建筑在材料、结构和火灾行为上迥异；另一方面，不同地域、不同类型的传统村落在空间布局、建筑材料和立面开口率上也存在巨大差异。一刀切的规范标准，显然无法应对如此复杂的实际情况。
为了解决这一难题，一项发表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上的研究，由郑飞翔、宋志刚、张建、韩金生共同完成，他们开发了一套高效、经济且专门针对中国传统村落的火灾流量需求评估框架。
该研究首先采用了无人机（UAV）倾斜摄影测量结合现场勘察的创新数据获取方式。无人机技术能够快速获取村落的高分辨率影像和精确地理信息，并生成三维和二维模型，从而高效、准确地提取建筑的外立面尺寸、材料、间距等外部参数。对于建筑内部的使用类型、结构和是否有自动喷淋系统等信息，则通过有限但具有代表性的现场调查进行补充。这种方法克服了传统村落缺少建筑图纸、人工测绘困难的瓶颈。
研究核心采用了基于火灾安全工程原理的Hadjisophocleous方法（简称HAD方法），它将火灾流量需求分为进攻性灭火流量和防御性灭火流量两部分进行分别计算再整合。进攻性流量Foff直接用于扑灭起火建筑，其计算主要与建筑火灾荷载密度（FLD）和燃烧面积Af相关。防御性流量Fdef则用于保护可能受到火势威胁的相邻建筑，其计算与建筑间的空间关系密切相关，涉及视角因子Fu、立面开口率λ和建筑间隔距离Y等参数。研究还引入了基于NFPA 80A的火蔓延路径识别方法，来判断建筑之间是否存在火灾蔓延的可能。
4.1 火灾流量需求的分布特征
研究人员将上述方法应用于云南省11个代表性传统村落（涵盖合院式、土掌房、干栏式和木楞房四种主要建筑类型），计算了每个建筑在假设起火场景下的进攻性、防御性及总火灾流量需求。结果显示，不同建筑类型的火灾流量需求分布特征差异显著：
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合院式与土掌房村落的总火灾流量需求分布较为集中，且防御性流量需求普遍很低（土掌房尤其显著），这得益于其院落分隔或厚实墙体带来的天然防火屏障。
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干栏式和木楞房村落的总火灾流量需求分布则更为分散，且防御性流量需求波动很大。例如，景芒村（JMV）和同乐村（TLV）的90%分位数值和标准差明显高于同类型的其他村落，表明其火灾风险更高，更需要关注火势在建筑群间的蔓延。
4.2 结果验证
为了验证方法的可靠性，研究从数据和模型两个层面进行了交叉验证。
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数据验证：在翁丁村（WDV）选取特定区域，将无人机测量数据与现场实测数据计算的火灾流量需求进行对比，平均绝对误差（MAE）仅为0.332 L/s，平均相对误差为2.69%，证明了无人机数据采集方法的准确性。
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方法对比：将HAD方法的计算结果与美国保险商实验室（ISO）的经典经验方法进行对比。在WDV，两种方法得出的90%分位数流量值非常接近（HAD: 46.05 L/s, ISO: 47.32 L/s），但HAD方法得出的分布更连续平滑，而ISO方法由于依赖离散的经验系数，结果呈阶梯状分布。在平均值水平上，ISO方法比HAD方法高出约23.9%。
4.3 与现行规范的比较
研究将计算出的火灾流量需求与中国现行规范《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB 50974-2014）和《历史建筑防火设计规范》（WW/T 0125-2025）中规定的室内外消火栓设计流量（建议取35或40 L/s）进行符合性分析。
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合院式和土掌房村落在35 L/s的设计流量下，总流量需求符合率普遍超过90%。
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然而，对于干栏式和木楞房村落，即使将设计流量提高到40 L/s，WDV、JMV和TLV等村落的总流量需求符合率仍无法达到90%。这意味着，现有规范提供的消防供水能力，对于这类易燃且密集的村落，仅能勉强应对单体建筑的灭火需求。一旦发生建筑间的火灾蔓延，现有供水往往不足以支持同时进行有效的进攻性灭火和防御性冷却，这也解释了为何此类村落火灾常出现“早期扑灭”或“烧至自然/人工边界后自限”的两种典型结局。
4.4 相关性分析
通过斯皮尔曼（Spearman）相关性分析，研究进一步揭示了建筑参数与火灾流量需求之间的内在联系：
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进攻性火灾流量需求与建筑占地面积和建筑高度呈极强的正相关，而与建筑间距等其他参数相关性很弱。这表明，建筑体量是决定进攻性灭火所需水量的最主要因素。
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防御性火灾流量需求则与建筑出度（表征火灾潜在影响范围的指标）、加权平均开口率呈强正相关，与等效最近邻距离呈弱负相关。这意味着建筑的空间连通性越强（出度高）、开口越大、彼此靠得越近，火势向外蔓延的风险就越大，因此需要更多的水进行外围冷却和隔离。
综合来看，这项研究不仅提出了一套适用于中国传统村落的、操作性强的火灾流量需求评估方法，还通过实证分析揭示了不同建筑类型的风险差异及其背后的主导因素。其结论具有重要的实践指导意义：首先，它指出现行“一刀切”的消防设计流量标准对干栏式、木楞房等高风险村落存在不足，亟待修订或补充针对性条款。其次，它明确了降低传统村落火灾风险的两个关键方向：一是通过控制建筑体量（在可能的保护性改造中）来降低进攻性灭火需求；二是通过优化空间布局（如增设防火间距、改善建筑开口）、提升建筑防火等级来削弱火灾蔓延潜力，从而降低防御性灭火需求。最后，该研究融合无人机技术与工程分析方法，为大量缺乏基础图纸的传统村落提供了一种高效、低成本的消防风险评估与规划工具，有助于实现文化遗产保护与消防安全的平衡。
