以性能為基礎的建筑防火設計探討

一、引言

目前，我國建筑防火設計是依據有關《規范》進行的，這種設計被稱為“規范化設計”。隨著社會的進步，這種設計方法越來越難以適應現代建筑所表現出的“形式多樣、功能復雜”的特點。從80年代開始，國際建筑界和火災科研界已有許多學者在倡導“性能化防火設計”也可稱之為“火災安全工程設計法”。這種設計方法不僅可使建筑物的防火設計更合理，而且，能夠節約大量的消防投資費用，使火災防治方案更為科學、經濟。

二、性能化設計方法的必要性和步驟

經濟不斷發展，火災是難免的。減少火災及其損失每一項的設計方案都不是完美無缺的。我們只是在尋找一個更科學，更合理的方案。實踐證明，性能化設計在現階段是比較靈活合理的一種設計方法，更適應現代建筑發展的需要。

（一）現代建筑的發展趨勢的特點：

外觀體量的龐大化、摩天化，顯示了現代建筑的雄偉和神奇，各類功能場所在一起，共同組成一個建筑群，甚至一個超大規模的建筑物，建筑高度不斷增高，這給消防滅火的登高作業、內攻偵察、火場供水等都帶來了不少困難。結構外殼的輕靈化、通透化，創新了現代建筑的風格與形象；新穎的鋼結構使建筑的跨度增大，荷載減少；玻璃或金屬的幕墻的運用使建筑外形日趨明快。但這些卻都造成建筑的耐火等級的降低，建筑構件的耐火極限的縮短，也造成豎向防火分隔難以實施。內部環境的互融化，智能化，豐富了現代建筑的情趣和內涵，花園式室內庭院；集中控制的樓宇設施，將整個建筑融為一體，相映生輝，產生充滿韻味的空間組合，給人以舒適和貫通的感覺。但是傳統的建筑防火分區的措施難以落實，火災的排煙更加困難。

現代建筑發展的趨勢迫切要求有與之相適應設計方法的出現。

（二）性能化設計的幾個步驟

“性能化設計”的主要目的在于解決某些現代建筑設計方案超過《規范》設定要求的問題。主要步驟有：

1.防火安全目標

防火安全目標是安全系統最終應達到的總體效果，安全目標中還包括兩個較為具體的項目“性能目標和性能標準。性能目標是消防系統必須滿足的建筑物在防火、滅火等方面的具體要求。性能標準更加量化，它是指單個消防設備或整個系統的有關技術指標，性能標準所提供的臨界值可以在設計方案中作為計算數據使用。

2.建筑物內部的可燃物、人員等的具體特征，并確定設計指標。

3.建立火災場景模型。

該過程涉及到防火設計中一些十分關鍵的問題，如點火源性狀、起火點位置、可燃物種類、火災荷載、建筑布局等，該過程同時應該給出火災試驗及計算過程需要的技術條件。

4.選擇分析計算方法

5.制定設計方案并進行評估

6.對設計方案進行審核，并最終確定設計方案

總之，“性能化防火設計”和“性能化防火規范”是建筑消防設計的發展趨勢，要大力開展對“火災安全工程學”的研究，研究適用于建筑工程設計的消防評估方法和評估模型，開發計算機設計軟件，為逐步建立和完善“性能化防火設計”創造條件。

三、性能化設計的火災安全工程理論基礎

建筑工程消防設計包括：總平面設計、防火分隔和建筑構造、安全疏散、消防給水和固定滅火系統、采暖通風和防排煙及電氣等內容。

要建立火災場模型，也是必須基于火災燃燒理論及火災中煙氣的流動理論。下面僅以安全疏散的“火災安全工程理論”為代表，對“火災安全工程理論”加以簡要說明。

（一）火災中的釋熱速率

釋熱速率時表示火災發展的一個主要參數。

Q = φ×m×ΔH(Kj/s)

式中 :φ燃燒速率因子

m 可燃物質量燃燒速率(Kg/s)

ΔH該可燃物的熱值(Kj/Kg)

一般認為，應當通過實驗來認識典型物品的火災燃燒特性，據此估計特定火災中的釋熱速率。因此盡可能以全尺寸火災試驗來對這些參數進行研究。

（二）火災煙氣產生的特性

火災煙氣是一種混合物，由于它的減光性、毒性和高溫的影響，使得煙氣對火災中被困人員生命的威脅最大。

1.火災煙氣的來源

火災煙氣一般來源于：

1）可燃物熱解或燃燒產生的氣相產物

2）由于卷吸而進入的空氣

3）多種微小固體顆粒和液滴

2.煙氣的減光性

煙氣的減光性一般根據測量一定光束穿過煙場后的強度衰落值來確定。設I0位易光遠射入長度給定的空間的強度，I為射出強度，其比值I/IO成為該空間的透射率。透射慮倒數的常用對數成為煙氣的光學密度。即：

D = lg(I0/I)

而單位長度光學密度：D0 = lg(I0/I)

根據BeerLambert定律：

I = I0×exp（- KC）

式中：KC—減光系數

KC = - ln(I/IO)/L

KC = 2.303D0

由于煙氣的減光性的作用，人們在有煙場合下的能見度必然下降。煙氣的減光性對人員的安全疏散構成嚴重威脅。

3.煙氣的毒性

火災中具有毒性的煙氣，最普遍的是CO?；馂闹兴劳鋈藛T一般是CO中毒。還有許多高分子聚合物的燃燒釋放出有毒氣體。火災中缺氧僅是一種特殊情況，并不常見。煙氣的毒性不僅來自氣體，也來自懸浮固體顆粒和吸附煙塵粒子上的物質。

4.煙氣的高溫

一般煙氣具有較高的溫度。人在高溫下個人承受極限時間：5-10分鐘。但目前火災危險評估數據為：一段時間內連續暴露的安全溫度為：65100℃

（三）煙氣的流動

根據流體的特性，流動煙氣的寬度一般等于空間的寬度。由煙氣流動的質量守恒可得：

Q = B × hy × wsy （m3/s）

式中：Q空間流動煙氣的體積流量

B—空間寬度（m）

hy — 煙層厚度(m)

wsy—煙氣水平流動速度(m/s)

∴wsy = Q / B × hy

由力學平衡式得：

（ρk ρy）ghy = ζ(ρywsy)/2

式中：ρk —空間的冷空氣密度

ρy—空間的煙氣層的平均密度

ζ—折算系數

∴（ρk ρy）ghy = ζρy /2*（Q/Bhy）2

由實驗得ζ= 0.9

∴ hy = 0.9[(273+tk)/(tytk)]1/3*(Q/B)2/3

式中：Q空間煙氣的平均流動速度(m/s)

tk空間的冷空氣的溫度(℃)

ty空間流動的煙層的平均溫度(℃)

四、火災模型在性能化設計中的應用

在火災安全工程理論的基礎上，我們可以結合實際的建筑物，建立火災模型，用工程學的方法加以解析，得到科學合理的設計參數。

近年來已經開發的火災模型有許多中，但設計方向大致有兩個。一是采取既定的設計方案，按一定的程序進行設計，然后對計算結果進行評價。二是調用“人員及建筑物”在火災時的反應狀況，對設計結果進行估算。后者的設計方向較為理想化，但因為火災場景的設定數據比較難以確定，現有數據的數量也相對較少，而且現階段已確定的數據，可靠性沒有保證。建筑火災的實際情況也不盡相同，所以在現階段，這種設計方法較難實現。因此，就其可行性而言，一般選用既定的工程學設計方法，根據建筑物的實際情況加以計算，并對結果的安全性進行評價。

五、我國性能化設計的現狀及前景

《高規》第1.0.5條：當高層建筑的建筑高度超過250m時，建筑設計防火應對特殊的防火設施進行專題研究，并應提交國家消防主管部門組織專題研究論證。就是針對現代建筑“摩天化”的特點而提出的。而專家論證的本質就是一種性能化設計。我國自90年代以來，摩天大樓在各大城市如雨后春筍般悄然升起；火車站、飛機場和大型集貿市場等大空間建筑層出不窮；智能建筑也在一些發達地區不斷興起。但消防法規的建設卻顯得滯后。所以現階段我國的建筑行業迫切地呼喚消防設計的改革。在我國，此項工作大致可分為以下三個步驟推進：

用現有的規范對給定的建筑作出符合規范的消防設計，而后，在“規范化設計”的基礎之上，對既定的設計參數和設計方案，運用工程學理論加以確證。所以第一步驟可以稱之為“規范化設計”和“性能化設計”的結合。

以工程學理論為指導，對指令性規范作出合理的修改，制定“性能化規范”。如前所述，對火災場景的設定在現階段還不能實現，對于模型的建立只能是向“按部就班”的方向發展，制定一部以性能為基礎的規范還是有必要的。

通過計算機這一工具，建立火災場景模型。要建立火災場景模型，其工作量十分繁重。所以必須有數據庫來支持，而且，其中的數據也必須具有一定的可靠性。

六、結束語

本文中所提到的“性能化設計”，也僅限于民用建筑，避免了建筑防火設計的先天不足，減輕了日后防火工作的壓力；火災場景模型的建立，為將來的火災調查工作奠定了基礎；火災蔓延的場景預想，也為滅火預案的制定提供了參考。性能化設計將消防工作一體化，真正的做到：“以防為主，防消結合！”