關(guān)于在性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范中火災(zāi)模型的重要性

摘要：由于現(xiàn)在城市化的迅速發(fā)展，在我國和一些發(fā)展中國家人口密集度相對增加，使得人們需要建造大量大型高層建筑。但近年發(fā)生在綜合商廈和人群密集的交通樞紐的火災(zāi)悲劇，警醒著人們要對消防安全設(shè)計(jì)的重視，尤其是超高層復(fù)雜建筑物。本文主要闡述了涉及在世界范圍內(nèi)掀起的從處方式防火設(shè)計(jì)規(guī)范到性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范的轉(zhuǎn)變。在性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用中，要求聯(lián)合使用基本的和創(chuàng)新的工程設(shè)計(jì)工具，通過分析某一特定的潛在火災(zāi)場景來評(píng)估相應(yīng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性?；馂?zāi)模型就是這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)工具之一，特別是火災(zāi)場模型在建筑消防安全設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將不斷地增加。

關(guān)鍵詞：性能化；防火設(shè)計(jì)；火災(zāi)模型；區(qū)域模型；渦流燃燒模型

引言

隨著城市的加快發(fā)展和防火災(zāi)科技的進(jìn)步，在歐洲國家中消防規(guī)范中已經(jīng)將建筑物性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范替換了原有的處方式防火設(shè)計(jì)。性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范是專門致力于解決傳統(tǒng)的處方式防火設(shè)計(jì)規(guī)范的缺陷的。傳統(tǒng)的防火設(shè)計(jì)規(guī)范詳細(xì)地給出了關(guān)于消防安全建筑設(shè)計(jì)各方面的具體說明，但是，該規(guī)范無法適用于新的和具有創(chuàng)新意義的消防安全解決方法，也很難推動(dòng)和適應(yīng)防火保護(hù)領(lǐng)域的新技術(shù)發(fā)展。本文主要講述了火災(zāi)場模型作為性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范中的新型設(shè)計(jì)工具及它的工程應(yīng)用性和缺點(diǎn)，并確定了必要的改進(jìn)步驟。

一、性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范的概念

性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范是新型的消防安全設(shè)計(jì)思路，然而，傳統(tǒng)的處方式防火設(shè)計(jì)規(guī)范是依據(jù)建筑和消防專家對一般的建筑防火設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)而設(shè)定，把經(jīng)驗(yàn)為主的規(guī)范作為設(shè)計(jì)復(fù)雜建筑的依據(jù)，不能靈活的運(yùn)用在復(fù)雜新穎的設(shè)計(jì)中，另一方面，性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范的基本概念強(qiáng)調(diào)應(yīng)滿足某種防火保護(hù)性能要求，至于如何符合這些性能要求，并不要求建筑設(shè)計(jì)師采用任何特殊的解決方法。然而，設(shè)計(jì)師必須向規(guī)范執(zhí)行者證明所選擇的工程方法是可靠的和合理的。

二、性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用

在性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用中，最困難的是要弄清楚規(guī)定了怎樣的性能要求。這些要求都與特定的火災(zāi)場景有關(guān)，包括火源以及火勢和煙氣的蔓延，有許多火災(zāi)場景在一個(gè)建筑中都有可能發(fā)生。一種可以用來分析消防安全措施的可靠性和有效性的工程設(shè)計(jì)工具是火災(zāi)模型的應(yīng)用，這些模型在世界防火設(shè)計(jì)研究界中不斷地得到了巨大的發(fā)展。

三、火災(zāi)模型對性能化防火設(shè)計(jì)的應(yīng)用及其分析

1.一個(gè)火災(zāi)模型提供了一個(gè)關(guān)于火災(zāi)初期的定量物理（和化學(xué)）描述，即從某個(gè)位置開始點(diǎn)火，緊跟著是火勢的發(fā)展和蔓延，并伴隨著煙和其它有毒氣體向下一個(gè)鄰近的位置傳播；火災(zāi)模型是可燃物的材質(zhì)和幾何形狀，以及主要溫度、流速和壓力條件的函數(shù)。一旦指定了一個(gè)設(shè)定的火災(zāi)場景，通常利用這樣一個(gè)火災(zāi)模型來為火勢蔓延的動(dòng)態(tài)發(fā)展提供定量的信息是可靠的，因此可以確定這種特定火災(zāi)場景的消防安全設(shè)計(jì)方案。

2.火災(zāi)模型可以分為兩大類，稱之為區(qū)域模型和場模型。區(qū)域模型，將具有不同特征和均一特性的各流層當(dāng)作一個(gè)區(qū)域?qū)Υ?。每個(gè)區(qū)域都可以通過它本身的全部質(zhì)量、動(dòng)量、反應(yīng)生成物和能量守恒，與由經(jīng)驗(yàn)關(guān)系得出的物理子模型一起來描述，主要以單獨(dú)的試驗(yàn)為基礎(chǔ)，每個(gè)區(qū)域都將作為強(qiáng)制函數(shù)或近似恒等式的函數(shù)。結(jié)果正是一系列相關(guān)的一階非線性常微分方程，可以在個(gè)人計(jì)算機(jī)上很方便地得到數(shù)值求解。另一方面，火災(zāi)場模型以數(shù)值求解一系列與質(zhì)量、動(dòng)量、能量和反應(yīng)生成物守恒有關(guān)的偏微分方程為基礎(chǔ)?；馂?zāi)場模型及其在建筑火災(zāi)場景分析應(yīng)用中的唯一優(yōu)點(diǎn)是能在時(shí)間和空間上準(zhǔn)確無誤地模擬動(dòng)態(tài)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)，就象真正火災(zāi)發(fā)生那樣。這些火災(zāi)模型本身就是更基本、更一般的模型，因?yàn)樗鼈儾⒉惶貏e限制于任一特定的火災(zāi)場景。隨著高能、快速CPU計(jì)算機(jī)資源的不斷增加，用火災(zāi)場模型來模擬真實(shí)火災(zāi)場景越來越受到重視。

3.許多消防安全的火災(zāi)場景與煙氣流、煙粒子、有毒氣體的傳播速度及高溫有關(guān)，由于火源和環(huán)境的影響，它們會(huì)隨時(shí)間和空間的不同而變化。盡管當(dāng)代火災(zāi)場模型有一些缺陷，但考慮到實(shí)際火災(zāi)現(xiàn)象中一切復(fù)雜的綜合效應(yīng)，火災(zāi)場模型就特別適合于分析和計(jì)算熱氣流中這些有毒物質(zhì)的增長和蔓延。然而，建筑設(shè)計(jì)師在實(shí)際中會(huì)遇到許多可能的設(shè)計(jì)方案，因此，必須通過研究分析出一組最有可能發(fā)生災(zāi)難的火災(zāi)場景設(shè)計(jì)，為適合所有火災(zāi)場景的性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范提供依據(jù)。此外，這些設(shè)計(jì)的火災(zāi)場景的選定要依靠與相似建筑有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和過去的經(jīng)驗(yàn)，以滿足與這種火災(zāi)相關(guān)的參數(shù)，如防火、擋煙簾、煙層厚度、防止轟燃、實(shí)際防火分區(qū)、逃生路線設(shè)計(jì)等的性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范。

除了為設(shè)定的火災(zāi)場景提供分析方法外，同樣的火災(zāi)場模型也可以用來為收集火情分析資料提供定量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，以有助于未來建筑的設(shè)計(jì)。當(dāng)使用了更好、更新的子模型，處理復(fù)雜綜合物理現(xiàn)象的子模型也會(huì)不斷地得到更新。

4.在任何火災(zāi)場模型中，最重要、也最難的子模型是渦流燃燒模型，它需要提供一個(gè)給定火災(zāi)場景的火災(zāi)熱荷載。盡管我們對渦流燃燒機(jī)理在很大程度上已有所了解，但對于如何定量描述該現(xiàn)象仍有相當(dāng)大的爭論，甚至更大的不確定性是子模型需要的基本內(nèi)在參數(shù)，如反應(yīng)動(dòng)力和熱解，而事實(shí)上在住宅建筑中通常都缺乏可燃性物質(zhì)。因此，只需要從一個(gè)設(shè)定了火災(zāi)場景的火災(zāi)中估計(jì)出火災(zāi)荷載（或火災(zāi)熱釋放速率），即使不使用燃燒子模型，也可以進(jìn)行火災(zāi)場模型分析。至今為止，這已在性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用領(lǐng)域中達(dá)成了一致意見。將一個(gè)給定火災(zāi)場景的火災(zāi)荷載作為一個(gè)設(shè)定的參數(shù)，稱之為設(shè)定火災(zāi)荷載，它是一個(gè)燃料函數(shù)，通常接近于一個(gè)已知火源或火源本身的特性。在分析一個(gè)設(shè)定的火災(zāi)場景時(shí)，火災(zāi)荷載將被賦予一個(gè)很可能發(fā)生火災(zāi)的典型值，也可能接近于所估計(jì)上限或邊界范圍的值。采用這樣的設(shè)定后，火災(zāi)場模型在應(yīng)用時(shí)就變得非常地簡化了。

四、如何正確使用火災(zāi)模型

當(dāng)代火災(zāi)場模型，特別是在相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序的驗(yàn)證和模型的確認(rèn)方面仍有一些缺陷和不確定性。計(jì)算機(jī)程序的驗(yàn)證只要求部分火災(zāi)模型的開發(fā)者對程序本身進(jìn)行一些調(diào)試，并對他們的計(jì)算機(jī)程序分析的正確性、連續(xù)性和解算收斂等，全部結(jié)果都只證明和顯示一次，也可能顯示一些相關(guān)問題的近似結(jié)果。這樣，解算方案的正確性就可以得到證明。另一方面，火災(zāi)場模型的確認(rèn)將給模型開發(fā)者帶來更多額外的壓力，因?yàn)檫@要求不斷努力去尋找更有用的數(shù)據(jù)來擴(kuò)展對火災(zāi)場模型有效性的限制，以及改進(jìn)子模型，使其隨著新研究發(fā)明的出現(xiàn)能包含更多參數(shù)的應(yīng)用。只有這樣，火災(zāi)場模型才能被作為性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用的最新設(shè)計(jì)工具，并有利于它的應(yīng)用。

同時(shí)，應(yīng)對當(dāng)代火災(zāi)場模型的應(yīng)用給予一定的重視。要求建筑設(shè)計(jì)師或其使用者不盲目地使用這些火災(zāi)模型是絕對重要的。設(shè)計(jì)師必須清楚地了解模型開發(fā)的所有條件、假設(shè)和以前的驗(yàn)證與確認(rèn)，并保證在準(zhǔn)備設(shè)計(jì)的建筑中會(huì)遇到這些限制條件。不確定度和靈敏度分析應(yīng)該是火災(zāi)模型應(yīng)用到性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范條例的一個(gè)完整部分。需要利用這些結(jié)果向建筑設(shè)計(jì)師、規(guī)范的執(zhí)行者和其他有關(guān)人員提供數(shù)據(jù)來估計(jì)消防安全的設(shè)計(jì)誤差。意識(shí)到建筑物中一切實(shí)際火災(zāi)場景都是復(fù)雜的現(xiàn)象，并且相應(yīng)的火災(zāi)場模型分析必須與過去的經(jīng)驗(yàn)緊密結(jié)合是很重要的。即使是定性的，這些經(jīng)驗(yàn)對于確保計(jì)算機(jī)程序分析的正確性以保證其有效也是很珍貴的。由此可以看出，為以后參考和使用建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫是很有必要的，這個(gè)數(shù)據(jù)庫包括建筑物中的一切實(shí)際消防安全和火災(zāi)記錄的資料，也包括以專門設(shè)定了火災(zāi)荷載的設(shè)定火災(zāi)場景為基礎(chǔ)的火災(zāi)模型分析的結(jié)果。

此外，火災(zāi)模型不應(yīng)用得太死板，而應(yīng)作為一個(gè)靈活的工具，可以將基本火災(zāi)模型進(jìn)行合理地簡化，以適應(yīng)特定火災(zāi)場景的需要。

結(jié)語

在不同的國家發(fā)展的進(jìn)度是不同的，不過可以確定的是，性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范在未來十至二十年內(nèi)將成為大多數(shù)國家的標(biāo)準(zhǔn)。建筑設(shè)計(jì)的性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用需要基本的和創(chuàng)新的工程設(shè)計(jì)工具來滿足消防安全的性能化要求。必須對潛在火災(zāi)場景的相關(guān)火災(zāi)危害和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行鑒別和評(píng)價(jià)?？紤]到消防安全因素，需要這樣一種工程設(shè)計(jì)工具，那就是應(yīng)用火災(zāi)模型來模擬多種火災(zāi)場景，這樣，適當(dāng)?shù)南腊踩胧┚涂梢员辉O(shè)計(jì)出來并得以應(yīng)用。更有前景的是，火災(zāi)場模型在時(shí)間和空間上準(zhǔn)確無誤地模擬了動(dòng)態(tài)火災(zāi)現(xiàn)象，在某種程度上與真實(shí)發(fā)生的火災(zāi)類似。

要正確使用火災(zāi)場模型，需要廣泛地在消防安全領(lǐng)域中對初級(jí)建筑設(shè)計(jì)師、規(guī)范執(zhí)行者和其它專業(yè)人員進(jìn)行專門的工程技術(shù)培訓(xùn)和火災(zāi)場模型的應(yīng)用及其詳細(xì)理論知識(shí)的培訓(xùn)。