巴黎圣母院火灾原因以及处理（土木工程视角下的巴黎圣母院起火原因探究）
巴黎圣母院火灾原因以及处理（土木工程视角下的巴黎圣母院起火原因探究）1864年修复后巴黎圣母院立面图巴黎圣母院在历史长河中经历过无数次浮沉，经历过荣光，也经历过破败，见证了法国乃至世界的发展。富丽堂皇的巴黎圣母院也曾一度破败不堪。历史上的巴黎圣母院经过了多次的修缮，其中，维克多·雨果1831 年出版的小说《巴黎圣母院》取得了巨大成功后，巴黎圣母院迎来了其历史上最大的一次修复，整个修复工作于1844年4月20日至1864年5月31日，历时20年之久，在修复过程，尖塔高度被建筑师勒杜克提升了13米，也由此成为了巴黎圣母院的标志。近年来，巴黎圣母院的状态每况愈下，法国政府2018年4月开始了新一轮的维修，维修工作一直持续至今。这事儿啊，还得慢慢唠...巴黎圣母院位于法国巴黎西提岛的天主教教堂，也是天主教巴黎总教区的主教座堂，约建造于1163年到1250年间。最具代表性的哥特式建筑之一；其法文原名中“Notre Dame”原意为“我们的女士”，指的是耶稣的母亲圣母
You have to think that Notre Dame will be gone one day
近日，巴黎圣母院起火一事刷爆网络。“卡西莫多失去了他心爱的姑娘 也终究失去了他的钟楼”为朋友圈的刷屏文案。
巴黎圣母院为啥会着火？
这火到底咋着的？
这事儿啊，还得慢慢唠...
巴黎圣母院位于法国巴黎西提岛的天主教教堂，也是天主教巴黎总教区的主教座堂，约建造于1163年到1250年间。最具代表性的哥特式建筑之一；其法文原名中“Notre Dame”原意为“我们的女士”，指的是耶稣的母亲圣母玛利亚。
巴黎圣母院于巴黎当地时间2019年4月15日下午近6时左右突发大火，失火区域集中在教堂中后庭正在施工修复的部分。这场大火引发了全世界的关注，巴黎圣母院牵动着无数人的心，截止于4月16日16时，大火已全部被扑灭。
巴黎圣母院在历史长河中经历过无数次浮沉，经历过荣光，也经历过破败，见证了法国乃至世界的发展。富丽堂皇的巴黎圣母院也曾一度破败不堪。历史上的巴黎圣母院经过了多次的修缮，其中，维克多·雨果1831 年出版的小说《巴黎圣母院》取得了巨大成功后，巴黎圣母院迎来了其历史上最大的一次修复，整个修复工作于1844年4月20日至1864年5月31日，历时20年之久，在修复过程，尖塔高度被建筑师勒杜克提升了13米，也由此成为了巴黎圣母院的标志。近年来，巴黎圣母院的状态每况愈下，法国政府2018年4月开始了新一轮的维修，维修工作一直持续至今。
1864年修复后巴黎圣母院立面图
一、巴黎圣母院为什么会起火？
据法国《世界报》报道，巴黎检察官办公室称，这起大火疑似从屋顶上的脚手架开始燃烧，具体起火原因疑是电线短路引起。
1860年，巴黎圣母院最大规模的一次修缮工作中，也发生过火灾，无独有偶的是，当时的火灾发生原因也是脚手架失火，所幸的是未引起教堂大火。
二、巴黎圣母院的火势情况
从网上流传的图片可以看到，整个教堂一片火海，貌似整个教堂都将被大火焚毁；但其实大火烧毁了教堂的整个橡木结构的木质屋顶，巴黎圣母院的屋顶是搭建在石质穹顶之上，大火被石质穹顶阻挡，教堂的大部分主体结构得以保留。
遗憾的是，当年勒杜克建造的巴黎圣母院13米标志性木质尖塔未能幸免于难，也在此次大火中轰然倒坍。
三、巴黎圣母院屋顶为什么要采用木质结构？
如此庞大的巴黎圣母院属于大跨结构，在中世纪，没有如今这么丰富的建筑材料，更没有钢筋、混凝土以保证大跨结构的稳定性，整个建筑大部分采用石质材料建成，被雨果盛赞为“石头的交响乐”；石质材料有较好的抗压强度，同时天然满足抗腐蚀、抗渗等各种不利因素；然而，大块的石头之间不能有足够强度的连接，使其整体不能承担较大的侧向压力和剪力，上部如若不能够采用轻质材料构建，势必会对下部结构产生巨大的侧向压力。
其次，巴黎圣母院作为哥特式建筑的典型代表，在中世纪修建的塔顶只有一个要求：够高，以表达能够与神联接。古代建筑师用复杂的飞扶壁体系分担主体结构压力，拱顶根本没有承载冲击载荷的余量。
因此，为了减轻顶部的重量，同时兼顾防雨的功能，木质较好的橡木作为巴黎圣母院的屋顶就成了首选。
四、如果采用钢筋作为建筑材料又会怎样？
许多古代建筑能够一直保存至今很大程度上得益于建筑材料，石材和木质材料除去力学性能上的不足外具有能够长时间保存的优点，这是现代建筑材料往往不能够做到的。此次巴黎圣母院大火，正式因为主题部分采用了石材为建筑材料，才能够得以大部分保存。钢筋材料耐火、耐高温性能极差，高温会使其迅速失稳，若是巴黎圣母院主体采用了钢筋为大跨结构的主材，估计这一场大火就轰然倒塌了。
五、为什么多次修缮却不加装现代防火设施？
巴黎圣母院的大火几乎是烧毁了整个木质屋顶才停止，现代建筑中已经有足够先进的防火设施来极大限度的减小火灾的损害，如：烟雾报警器、自动喷淋装置等，为什么巴黎圣母院多次修缮却没有加装呢？
原因也很简单，文物古迹的修缮与普通的建筑不同，文物古迹的修缮工作要以最大限度不破坏其原貌为原则，你能想象巴黎圣母院里到处都是一节一节的塑料管和一闪一闪的烟雾报警器与教堂会有多格格不入吧？再者，上百年历史的木质屋顶，经过如此大量的水喷淋、浸泡，即使火被灭了，木质结构损毁的也差不多了。
六、木质古迹保护到底应该如何做？
首先，巴黎圣母院经历的两场大火都是在修缮过程中发生的，说明巴黎圣母院的防护薄弱点不在日常防护而是在修缮工程施工过程防护。文物古迹的修缮工程更应该加强安全防护控制管理，临时用电线路要区别于一般工程，临时用电线路材料更加安全、布线更加规范合理、用电安全管理更加严格，做到百密而无一疏。
随着建筑科学与技术的发展，越来越多的技术手段都可以被有效的应用在文物古迹的修缮和保护中，木质结构可以采用喷刷阻燃剂有效的阻止火灾的发生，巴黎圣母院为什么没做？或许是因为目前的阻燃剂对木质材料具有损害且一般具有一定的毒性，巴黎圣母院的木质屋顶已经历经百年，大概是经不起折腾了。未来，建筑防火技术手段还有很长的一段路要走。
（以上内容转载自公众号“土木小牛学报”）
上述信息为北科大土木工程专业研究生
毕乾同学的研究成果
解释了为啥会着火
接下来再请北科大许镇老师及其学生团队为大家讲解
看看这火势怎么着起来的
法国当地时间2019年4月15日下午6点50分巴黎圣母院发生火灾，这座人类著名历史建筑被大火严重破坏。在扼腕叹息之余，“学术小镇”通过计算流体力学CFD模拟手段再现了巴黎圣母院的火灾蔓延过程，为火灾事故原因调查提供了初步的参考。
1. 火灾蔓延CFD模拟
巴黎圣母院主体为砌体拱结构，上部覆盖木结构屋顶，因此，本次大火的主要蔓延区域是木屋顶部分，如下图深红色区域。
（图片源自BBC）
为模拟这次火灾事故，我们在第一时间建立了巴黎圣母院的计算流体力学CFD数值模拟模型，如下图所示。模拟平台为美国国家标准与技术研究院NIST研发的软件FDS（火灾动力学模拟器）。图中绿色部分为巴黎圣母院的木质屋顶，设置成可燃物，其他区域为惰性不可燃物体。
精细化的火灾CFD模拟耗时巨大，一般需要大型计算机，长达数日才能给出结果。在此次模拟中，我们在材料燃烧性能和燃烧时间方面都进行了简化和缩放处理，以最快时间给出结果。
历经12小时的资料收集、建模、模拟、讨论后，我们给出了巴黎圣母院火灾蔓延过程的CFD模拟结果，如下所示：
巴黎圣母院火灾蔓延过程CFD模拟
通过上述巴黎圣母院的火灾蔓延过程模拟结果，我们可以清楚的看到：火是从中间部分开始蔓延，先向上蔓延，烧毁了高塔Spire，然后向四周蔓延，烧毁了整个十字型木屋顶。
2. 与实际过程的对照
我们完成模拟后，恰好发现纽约时报梳理了巴黎圣母院火灾蔓延过程（可点击文末“阅读原文”查看）。我们将模拟结果与纽约时报结果进行了对照，以验证CFD模拟的合理性。
根据纽约时报的梳理，巴黎圣母院的火灾过程分为了3个阶段：
（1）尖塔周边开始起火
法国当地时间2019年4月15日下午6点50分，巴黎圣母院大教堂尖塔底部冒出火焰和烟雾。纽约时报与本文CFD模拟结果对照过程如下图所示。可以看出，本文模拟结果清晰地展示了起火区域的火灾烟气。
（2）火势蔓延到塔尖
当地时间4月15日晚上7时40分，火势蔓延到巴黎圣母院大教堂的尖顶上。可以看出，本文CFD结果蔓延范围与纽约时报整理结果吻合，均为尖塔及尖塔周边区域。
（3）火势蔓延到整个木屋顶
后来，火势逐渐蔓延到整个木屋顶，屋顶逐渐被燃尽。在本模拟结果中可以看出，模拟的蔓延范围与实际相符，而且还模拟了木屋顶被燃尽的情况。
从以上结果可以看出，本文CFD模拟的火灾蔓延过程与巴黎圣母院实际蔓延过程是相符的。因此，火灾蔓延CFD模拟结果可以为火灾事故调研提供参考。
需要说明的是：
（1）实际过程中，Spire尖塔由于底部结构被烧毁，无法承受上部重力，发生了倒塌。但CFD模拟中，无法加载重力并模拟其倒塌过程，这与实际过程所有不同。
（2）由于数据有限，本文CFD模拟不能做到很精细，只给出一种基本判断。如需深入调研事故原因，必须结合现场调查，开展详细的模拟。
3. 火灾蔓延原因浅析
从各种新闻报道和现场视频来看，大家不难发现：此次巴黎圣母院火灾的火势比较大（如下图所示），蔓延速度也比较快。7时40分，火势蔓延到巴黎圣母院大教堂的尖顶上；7时59分，巴黎圣母院中部的尖塔坍塌。中间只花了不到20分钟，木塔就被烧塌了。
（图片源自 NYTimes）
这里面原因很多，但是从木屋顶结构而言，其实这种屋顶结构形式类似架篝火，如下图所示。
这种架篝火形式，上部是木材可燃物，中间空洞部分可以提供空气，使得燃烧更加充分。这也从某一角度解释了火势为什么这么大以及蔓延为什么比较快。
尽管巴黎圣母院的木屋顶从建筑学角度是非常美的，但一旦起火，容易充分燃烧，引起大范围的破坏。
4. 结语，但并未结束
(1) 巴黎圣母院大火是人类文明的灾难，也是防灾减灾工作者应该高度重视的火灾事故。
(2) 本文的CFD模拟还原了巴黎圣母院火灾蔓延过程，为火灾事故调查提供了一种手段。但是，由于资料有限，此文模拟结果并不精细，有待进一步深入。
(3) 相信法国当局也会深入调查此次巴黎圣母院火灾的详细过程，为以后的文物防火提供重要借鉴，避免类似的悲剧发生。
最后，感谢我的研究生魏炜以及郑铭和薛巧蕊在12小时内完成了此次模拟，赞！
（以上内容转载自公众号“学术小镇”）
对于巴黎圣母院遭受的烈焰之苦
小青深表遗憾与惋惜
最后想用“圆明园遗址公园”微博的话作为结尾
文明是脆弱又坚韧的
我们能够做到的就是
尽力的守护它
尽量延缓它的消逝
传承它的精神
每件文物都是文化的象征
每座博物馆都是人类文明的宝库
衷心祈愿文物都能够远离灾难
代代传承
公众号：学术小镇
公众号：土木小牛学报
精彩回顾
拒绝上头，要走心：我爱你，中国！
成年人都在谈论“996”，宝宝我只知道“666”
出品 | 北科大青年融媒体中心
素材来源丨土木小牛学报 学术小镇
集成编辑 | 晚点先生 南无
展望未来，我国青年一代必将大有可为，也必将大有作为。这是“长江后浪推前浪”的历史规律，也是“一代更比一代强”的青春责任。广大青年要勇敢肩负起时代赋予的重任，志存高远，脚踏实地，努力在实现中华民族伟大复兴的中国梦的生动实践中放飞青春梦想。
——寄语
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