FDS被广泛应用于分析建筑火灾，但其局限性促使研究者探索其他模型以应对更复杂的火灾场景。Ran等[8]提出了一种基于元胞自动机(cellular automata, CA)的复杂树种森林火灾蔓延模型，旨在解决森林火灾蔓延影响因素复杂的问题，适用于森林火灾在多因素共同作用下的蔓延模拟分析；Liu等[9]提出了一种基于CA的城市地震火势蔓延模型，考虑了建筑物高度、建筑物倒塌程度、大面积耐火元件的作用和环境的影响；Li等[10]提出了一种基于CA的隧道火灾蔓延模型，认为可燃物的种类和密度、通风、坡度等要素对火灾蔓延有一定的影响；Akira等[11]提出了一种基于CA的城市社区火灾蔓延模型，该模型考虑了传统木结构建筑的可燃性和其所占总建筑的比例等因素。目前，基于CA的森林火灾和城市火灾模型应用已取得很多成果，由于不同研究对象的火灾蔓延模型计算原理和影响要素有所不同，所以城市社区火灾蔓延模型虽然也考虑传统木结构建筑要素，但是传统村落环境更加复杂。传统村落火灾蔓延过程中受到多种不确定因素影响，除了考虑城市社区火灾蔓延模型中给出的建筑物的结构可燃性和风的要素外，还要分析建筑类型、村落布局、阻火要素等重要因素对火灾蔓延的影响。
因此，CA利用计算机数值模拟仿真技术避免火灾蔓延实验的危险并提升模拟效率，通过综合分析多种影响火灾蔓延的因素，实现对火灾蔓延行为的动态预测。村落中根据布局要素类别划分为不同的元素，每个元素都与一个离散集合中给出的状态相关联，并根据一组局部规则，在其紧邻单元先前状态的基础上进行更新。但是目前基于CA的火灾蔓延研究大多集中在森林火灾中，现有模型难以满足传统村落层面的火灾蔓延研究需求。
本文以徽州集聚型传统村落宏村为研究对象，提出了一种适用于该类型村落的火灾蔓延预测模型。该模型结合火灾动力学、环境、建筑材料特性和布局等因素，构建了复杂村落环境条件下的火灾蔓延判别指标函数，并结合CA模拟村落火灾的动态蔓延过程。以2016年2月中国贵州省剑河县温泉村苗寨火灾作为研究案例，验证模型的可靠性和实用性，并分析了不同火源位置、风速、风向下火灾蔓延情况，揭示了潜在的起火点、蔓延路径和影响范围。该模型有利于火灾隐患筛查、防火隔离等防控措施的决策，进而达到降低灾害损失的目的。
1 集聚型传统村落火灾蔓延模型
基于村落现有的地理信息数据，提出村落火灾场景模拟和可视化方法，通过对村落要素初始化环境的定义、燃烧状态和转换规则的定义、燃烧状态更新计算，最终获得可视化村落火灾蔓延数据。火灾模拟场景技术路线如图 1所示，分别对应了4部分的研究内容：元胞定义与分割、燃烧状态与转换规则、时间步长状态更新和环境要素和布局要素影响。
1.1 集聚型传统村落元胞定义
徽州村落因聚族而居和建设用地有限，布局多为集聚型。村落建筑布局密集，通过巷道分割或连接；巷道曲折狭窄，宽度仅有建筑高度的1/5，火灾风险性大；水系发达，顺巷布置，有众多水井、池塘和湖泊穿插其中，水系不仅提供了丰富的生活用水资源，同时还发挥着重要的消防功能和防火隔离作用，成为村落布局的重要组成部分[12]。为了同时包含具有不同属性的计算单元，本研究在统一集成框架下引入了元胞自动机模型。村落要素被分割为可燃建筑区域和阻火要素区域。每个区域分别被划分为相同大小的网格，每个网格称为一个元胞。研究采用主要要素法，根据村落实际尺寸和模型需求，当一个元胞中包含2种或多种要素时，选择每个元胞中占据面积最大的要素作为该元胞的状态。每个元胞均赋予一个状态属性，该属性根据相邻要素元胞传输命令而发生变化，如图 2a所示。
1.2 元胞边长与邻域
元胞尺寸越小越能显示火蔓延过程的细节，但同时会增加计算时间和数据量。根据本文实际村落尺度，采用了Hamada[13]提出的一种下风向火灾蔓延的极限距离确定元胞尺寸，如式(1)所示。
其中：v表示风速，m/s；D表示火蔓延的极限距离，m。当v = 0 m/s，D=5.75 m。鉴于村落建筑主要为砖木结构，区域尺寸与建筑尺寸均较小，设置元胞边长a=3 m。定义仿真时间步长为60 s，确保火灾在每个时间步长内不会跨越多个元胞。
1.3 元胞燃烧状态
在村落火灾蔓延模型中，可燃建筑区域被划分为大小均匀的正方形网格元胞，根据火灾动力学原理，元胞(i, j)在t时刻的状态可被定义为该元胞在t时刻的一个热动力学函数f，如式(2)[15]所示。
表 1 村落可燃建筑元胞燃烧状态 |
| 火灾状态 | 燃烧阶段 | 解析 |
| 1 | 原始状态 | 未燃烧 |
| 2 | 引燃 | 未燃烧，没有能力向外扩散 |
| 3 | 缓慢燃烧 | 自我燃烧，没有能力向外扩散 |
| 4 | 充分燃烧 | 在建筑内部蔓延，向外蔓延能力较弱 |
| 5 | 闪烁 | 火灾燃烧整栋建筑，具有很强向外蔓延能力 |
| 6 | 熄灭 | 熄灭，失去向外蔓延能力 |
表 2 不同结构类型状态转换时间间隔 |
| 状态转换 | 时间间隔/min | ||
| t1 (传统木结构) | t2 (防火木结构) | t3 (耐火结构) | |
| 2→3 | [4, 6] | [4, 6] | [4, 6] |
| 3→4 | [5, 8] | [5, 8] | [5, 8] |
| 4→5 | [10, 20] | [20, 30] | [30, 40] |
| 5→6 | [20, 30] | [30, 40] | [50, 60] |
1.4 阻火要素分析
1.5 火灾蔓延转换规则与高风险火源位置识别
传统村落中火灾燃烧是可燃物的局部区域在火源作用下率先着火，随后向村落其他区域蔓延。设P0t为t时刻某一元胞(i, j)的可燃物热辐射量，Ei, jt为t时刻建筑物被引燃的概率，当可燃物热辐射量E超过临界热辐射量Eign，即E＞Eign时，满足式(3)[19]。
为分析村落中可燃建筑物的动态蔓延过程，采用火灾蔓延判断指数F实现对可燃建筑物引燃的控制，同时设定火灾蔓延判断指数随机值Fran，当F>Fran时，可燃建筑物将被引燃, 燃烧状态根据上述规则发生改变。建筑物之间火灾的蔓延受到多种因素影响，包括起火源位置、热辐射作用、建筑材料可燃性、建筑结构、建筑类型、风向、v等。综合考虑上述影响因素，设定t时刻的F的计算方法如式(4)所示[19]。
表 3 Pf的取值 |
| 建筑结构 | 传统木结构 | 砖木结构 | 钢筋混凝土结构 | 道路和空地 |
| 影响因子 | 1.00 | 0.60 | 0.10 | 0.05 |
表 4 PZ的取值 |
| 建筑类型 | 祠堂 | 住宅 | 商铺 | 道路和空地 |
| 影响因子 | 1.3 | 0.7 | 1.0 | 0.1 |
因此，在火灾蔓延过程中，当元胞(i，j)的燃烧状态为引燃或正在燃烧时，其邻域元胞将会受到热辐射并获得热量，在t+1时刻邻域元胞(i+1，±1)被引燃的概率为F+1。一旦邻域元胞被引燃, 将持续向外释放热量，引燃其他邻域元胞，使火灾进一步蔓延[17]。
2 火灾模拟场景构建
2.1 模型可靠性验证
村落火灾蔓延模型的验证数据来源于2016年2月21日18时发生在中国贵州省剑河县温泉村苗寨的传统村落火灾。该村落建筑均为传统木结构，依据相关报道[21]，火灾持续了约3.5 h，60栋房屋被焚毁，被焚烧房屋的位置在图 5a中标记为红色。据本次事故记载，火源位于村落中央位置，天气气温在6~16 ℃之间，风力为微风，无固定风向[22]。为确保模拟真实性，本次模拟验证选取v为1~3 m/s，反应典型微风下的火灾传播环境，无固定风向。模拟得出的火源点位置以及第1、2、3和3.5 h时的火灾蔓延情况如图 5b所示。将第3.5 h时的火灾蔓延模拟结果与实际火灾燃烧情况进行对比，如图 5c所示，二者吻合度较高，这表明本模型能够有效地应用于村落火灾蔓延模拟研究；存在的部分误差考虑是火灾事故记录误差和模型数据偏差等原因导致。
2.2 参数设置
2.3 数据转化
3 分析与讨论
3.1 火源点位置对火灾蔓延特征的影响
本研究设置风环境为东风1~3 m/s，不同火源点的火灾蔓延情况如图 7所示。由图 7a可知，火灾蔓延受村落布局的影响显著，4个火源点在相同时间内呈现出不同的火灾蔓延路径。如图 7b和7c所示，火源点F1—F3在第108 h时的过火面积均为54 488 m2，火源点F4发生的火灾在18 h后停止向四周蔓延。火源点F1在0~36 h内的过火面积仅缓慢增加；36 h后火灾蔓延速率显著增加，从最初的北向蔓延扩散至四周；72 h后火灾逐渐失去向外扩散能力，火灾蔓延速率显著减慢。火源点F2在0~18 h内过火面积平稳增加，主要向东扩散；18 h后火势突破阻火要素转向四周蔓延，火灾蔓延速率加快；54 h后火势仅能向北方向蔓延，蔓延速率显著减慢。火源点F3由于周围建筑较为分散，其过火面积小于火源点F1和F2，在36 h后火势蔓延到村中央建筑密集区域，随后火灾开始大范围向四周蔓延。火源点F4在前18 h内，火势平稳向东北和西北方向蔓延，但受到阻火要素影响，18 h后失去向外扩散能力。
3.2 村落布局对火灾蔓延特征的影响
进一步分析可知，如图 7a所示，通过叠加火源点F1—F4的火灾蔓延路径，可以发现火灾蔓延路径主要集中在村落中部建筑密集区域，部分蔓延路径存在交叉重叠，形成火灾高风险区域，火势容易跨越建筑物向四周扩散。如图 7b所示，通过对比分析4个不同火源位置过火面积和蔓延路径，火源点F1在36 h内，受限于道路阻火要素的影响，无法向南向蔓延，火灾蔓延速率较为缓慢。火源点F2在18 h内，由于紧邻南侧水圳和西侧广场，过火面积受到限制，蔓延速率缓慢；在18 h后，向村中央密集区域蔓延，火势蔓延速率急剧增加。火源点F3在18 h后，受东侧主干道阻火要素影响，失去向东方蔓延能力；火源点F1和F3在36 h后火灾蔓延到村中央建筑密集区域，火灾蔓延速率显著增加。火源点F4由于南侧水系和北侧广场的双重阻火要素作用下，在18 h后的火灾停止向四周蔓延。阻火要素可以有效减缓火灾的蔓延速率。因此，合理的村落消防规划，对徽州传统村落消防安全至关重要。
通过分析不同火源位置的火灾蔓延路径和蔓延速率可知，高建筑密度加剧了火灾的蔓延，增加了火灾危险性，使火势更容易向四周蔓延，此外，高建筑密度也增加了火灾救援和疏散难度。
3.3 风速对火灾蔓延特征的影响
不同v条件下过火面积变化和36 h内火灾蔓延模拟路径如图 8a和8b所示。该文中将v为1 m/s时定义为无风状态。由图 8a可知，在v相同的条件下，过火面积随时间的增加而逐渐增加，在相同时间段内，过火面积随v的增加先减少后增加。在9 h内，火灾蔓延速率较为缓慢，在9~36 h内，随着时间的增加火灾蔓延速率逐渐加快。由图 8b可知，当v为1~2 m/s时，随着v的增加，过火面积逐渐缩小；当v为2~5 m/s时，随着v增加，过火面积无明显变化，此时的过火面积小于v=1 m/s时的；当v为5~6 m/s时，过火面积随v增加而扩大；当v为6~8 m/s时，随着v增加，过火面积无明显变化，此时的过火面积大于v=1 m/s时的。这表明：v在不同范围内对火灾蔓延的影响不同，随着v的增加加速了下风向火灾的发展，但减缓了上风向火势的蔓延，这与文[25]的结论一致；v对火灾蔓延的影响是火焰倾斜角度、热传递方式、供氧条件等火灾动力学因素的综合作用，在不同范围内表现出加速或减缓火灾蔓延的效果，具体为v为2~5 m/s内减缓了火灾蔓延，在6~8 m/s内加速了火灾蔓延。
3.4 风向对火灾蔓延特征的影响
4 结论
为了解决现有火灾蔓延模型不能满足村落层面火灾蔓延研究问题。本文通过元胞自动机针对徽州集聚型传统村落火灾构建了一种火灾蔓延灾害场模型，对不同火源点、村落布局、风速、风向下的火灾蔓延情况进行深入分析。研究结果表明：
1) 不同火源点火灾蔓延路径差异较大，蔓延范围主要集中在村中心建筑密集区域，村落布局要素对火灾蔓延路径和范围有显著影响，不同的建筑分布，在相同时间内的火灾蔓延扩散范围差异较大。高建筑密度区域的火势蔓延速度更快且蔓延范围更广。建议在村落高风险火灾蔓延区域和火灾蔓延路径上增设消防设施。
2) 环境要素中风速和风向是火灾蔓延的重要影响因素。风速决定了火灾蔓延的范围，在不同风速范围内，表现为促进或抑制火灾蔓延的效果。这种现象与风速对火灾蔓延的影响模拟实验结果一致[26]。
3) 风向控制着火灾蔓延的方向，火灾蔓延方向主要向迎风方向蔓延，在村落主导风向东风和南风条件下，村落过火面积较小。
4) 村落布局要素中道路、水系阻火要素可以延缓火灾的蔓延速率，限制火灾蔓延的方向，建筑分布密度与火灾蔓延速率呈正相关，高建筑密度可以促进火灾的蔓延。建议在村落内部规划防火隔离带，设置防火分区以及完善消防应急通道和消防疏散路线。
本文构建的火灾蔓延模型能够对集聚型传统村落火灾进行危险性分析，并预测火灾蔓延过程，为徽州传统村落的消防规划设计提供科学依据和技术支持，有助于村落依据布局形态开展合理的消防规划设计。
