淺談建筑防火的性能化設(shè)計(jì)

王繼紅 馮勇

河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450000）

淺談建筑防火的性能化設(shè)計(jì)

王繼紅 馮勇

河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450000）

隨著新型建筑材料、建筑技術(shù)和建筑物大量涌現(xiàn)，建筑物出現(xiàn)了向大規(guī)模、復(fù)雜化和個(gè)性設(shè)計(jì)等方向發(fā)展的趨勢(shì)，為順應(yīng)現(xiàn)代建筑發(fā)展的需要，一種更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，性能化設(shè)計(jì)正是時(shí)代發(fā)展的需求。根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)、用途、內(nèi)部裝修、火災(zāi)荷載等的具體情況，自由選擇各種防火措施，對(duì)建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性和危害性進(jìn)行定量的預(yù)測(cè)和評(píng)估，為建筑物提供最合理的防火保護(hù)，從而保證建筑物內(nèi)的人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。

建筑防火；性能化設(shè)計(jì)；安全評(píng)估

性能化設(shè)計(jì)是一種新型的防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，是建立在更加理性條件上的一種新的設(shè)計(jì)方法。從根本上說(shuō)，性能化設(shè)計(jì)只是一個(gè)描述能夠達(dá)到某種規(guī)定性能水平的設(shè)計(jì)過(guò)程的術(shù)語(yǔ)。它是運(yùn)用消防安全工程學(xué)的原理和方法首先制定整個(gè)防火系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的性能目標(biāo),并針對(duì)各類建筑物的實(shí)際狀態(tài)，應(yīng)用所有可能的方法對(duì)建筑物的火災(zāi)危險(xiǎn)和將導(dǎo)致的后果進(jìn)行定性、定量的預(yù)測(cè)與評(píng)估，以期得到最佳的防火設(shè)計(jì)方案和最好的防火保護(hù)。

1 性能化設(shè)計(jì)方法的必要性和步驟

1.1 性能化設(shè)計(jì)方法的必要性

1）是適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的客觀需要

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，超高層建筑、大型商場(chǎng)、大型娛樂(lè)游藝場(chǎng)所等大量涌現(xiàn)，群死群傷、特大、重大火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)行消防技術(shù)規(guī)范已不能涵蓋所有建筑的消防安全要求。所以，推行完善、高效、適應(yīng)建筑發(fā)展需求的防火性能化設(shè)計(jì)規(guī)范或性能化設(shè)計(jì)方法是解決問(wèn)題的根本出路。

2）是豐富建筑藝術(shù)、推廣新技術(shù)的最佳途徑

建筑防火性能化設(shè)計(jì)只需要規(guī)定建筑物達(dá)到的安全規(guī)定的性能要求和應(yīng)具備的性能要求的特征參數(shù)指標(biāo)，使得建筑師在設(shè)計(jì)時(shí)充分施展才能，設(shè)計(jì)出更有人情味、更富理性的建筑藝術(shù)作品。同時(shí)，在建筑設(shè)計(jì)中，可大力推廣使用新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備。

3）是建筑設(shè)計(jì)方法發(fā)展的必然趨勢(shì)

以火災(zāi)性能為基礎(chǔ)的性能化設(shè)計(jì)方法已成為世界各國(guó)建筑界與消防界的共識(shí)。目前，已有不少國(guó)家實(shí)行了防火性能化設(shè)計(jì)規(guī)范。如澳大利亞頒布了《性能化建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》，美國(guó)發(fā)布了《國(guó)際建筑性能規(guī)范》和《國(guó)際防火性能規(guī)范》。英國(guó)、法國(guó)、加拿大、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）、國(guó)際建筑研究與文獻(xiàn)研究委員會(huì)（CIB）等多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織采用了性能化規(guī)范或性能化設(shè)計(jì)方法。我國(guó)也開(kāi)始了相關(guān)研究，但發(fā)展較慢，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于部分發(fā)達(dá)國(guó)家。研究適用于建筑工程設(shè)計(jì)的消防評(píng)估方法和評(píng)估模型，開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件，逐步建立和完善性能化設(shè)計(jì)迫在眉睫。

1.2 性能化設(shè)計(jì)的步驟

1）確定工程場(chǎng)址

2）確定防火安全目標(biāo)

防火安全目標(biāo)是安全系統(tǒng)最終達(dá)到的總體效果，安全目標(biāo)還包括性能目標(biāo)和性能標(biāo)準(zhǔn)。性能目標(biāo)是必須滿足的建筑物在防火、滅火等方面的具體要求。性能標(biāo)準(zhǔn)是指單個(gè)消防設(shè)備或整個(gè)系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

3）建筑物內(nèi)部的可燃物、人員等的具體特征，確定設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4）建立火災(zāi)場(chǎng)景模型

火災(zāi)場(chǎng)景模型涉及諸如點(diǎn)火源性狀、起火點(diǎn)位置、可燃物種類、火災(zāi)荷載、建筑布局等，同時(shí)應(yīng)該給出火災(zāi)試驗(yàn)及計(jì)算過(guò)程需要的技術(shù)條件。

5）選擇分析計(jì)算方法

6）提出和評(píng)估設(shè)計(jì)方案

7）對(duì)設(shè)計(jì)方案審核，并最終確定設(shè)計(jì)方案，寫出最終報(bào)告。

性能化設(shè)計(jì)還需考慮到起火和發(fā)展、煙氣蔓延和控制、火災(zāi)蔓延和控制、火災(zāi)探測(cè)和滅火、通知使用者和疏散、消防部門的接警和響應(yīng)等因素。

2 建筑防火性能化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

建筑工程消防設(shè)計(jì)包括：總平面設(shè)計(jì)、防火分隔和建筑構(gòu)造、安全疏散、消防給水和滅火系統(tǒng)、采暖通風(fēng)、防排煙及電氣等內(nèi)容。建立火災(zāi)場(chǎng)模型，必須基于火災(zāi)燃燒理論及火災(zāi)中煙氣的流動(dòng)理論。

2.1 火災(zāi)中的釋熱速率

釋熱速率是表示火災(zāi)發(fā)展的一個(gè)主要參數(shù)。一般應(yīng)當(dāng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)認(rèn)識(shí)典型物品的火災(zāi)燃燒特性，據(jù)此估計(jì)特定火災(zāi)中的釋熱速率。

2.2 火災(zāi)煙氣的特性

火災(zāi)煙氣是一種混合物,由于它的減光性、毒性和高溫的影響,對(duì)火災(zāi)中被困人員生命的威脅最大。

2.2.1 火災(zāi)煙氣的來(lái)源

1）可燃物熱解或燃燒產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物。

2）由于卷吸而進(jìn)入的空氣。

3）多種微小固體顆粒和液滴。

2.2.2 煙氣的減光性

可見(jiàn)光波的波長(zhǎng)為0.4～0.7 μm，一般火災(zāi)煙氣中煙粒子粒徑為幾微米到幾十微米，對(duì)可見(jiàn)光有完全的遮蔽作用。煙氣彌蔓時(shí)，可見(jiàn)光因受到煙粒子的遮蔽而大大減弱，能見(jiàn)度大大降低。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣蔓延進(jìn)入疏散通道，使火場(chǎng)中疏散人員的疏散速度大大降低。

2.2.3 煙氣的毒性

1）缺氧

煙氣中含氧量往往低于人們生理正常所需要的數(shù)值。當(dāng)空氣中含氧量降低到15%時(shí)，人的肌肉活動(dòng)能力下降；降到10%～14%時(shí)，人就四肢無(wú)力，智力混亂，辯不清方向；降到6%～10%時(shí)，人就會(huì)暈倒。雖然短時(shí)不會(huì)死亡，但也會(huì)因失去活動(dòng)能力而不能逃離火場(chǎng)最終被火燒死。

2）中毒

煙氣中含有各種有毒氣體，這些氣體的含量已超過(guò)人們生理正常所允許的濃度，造成人們中毒死亡。人員接觸1 h一氧化碳的安全濃度為0.04%～0.05%；接觸10%左右濃度的二氧化碳，會(huì)引起頭暈；嚴(yán)重者，會(huì)發(fā)生昏迷、呼吸困難，甚至失去知覺(jué)。接觸20%左右濃度的二氧化碳，人體的神經(jīng)中樞系統(tǒng)出現(xiàn)麻痹，導(dǎo)致死亡。

3）塵害

危害最大的是顆粒直徑小于10 μm的飄塵。由于氣體擴(kuò)散作用，進(jìn)入人體肺部粘附并聚集在肺泡壁上，引起呼吸道疾病、增大心臟病死亡率，對(duì)人造成直接危害。

4）高溫

火災(zāi)煙氣具有較高的溫度,在著火房間內(nèi)，煙氣溫度可高達(dá)數(shù)百攝氏度。在地下建筑中，火災(zāi)煙氣溫度可高達(dá)在1 000℃以上。人們?cè)?5℃時(shí)，可短時(shí)忍受；在120℃時(shí)，15 min內(nèi)就將產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷；140℃時(shí)約為5 min，170℃時(shí)約為1 min；而在幾百度的高溫?zé)煔庵校? min也無(wú)法忍受的。

2.2.4 煙氣的恐怖性

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，特別是發(fā)生爆燃時(shí)，火焰和煙氣沖出門、窗洞口，濃煙滾滾，烈火熊熊，使人產(chǎn)生恐怖感，常常給疏散造成混亂局面，使人失失去理智，驚慌失措。

2.3 煙氣的流動(dòng)

根據(jù)流體的特性，流動(dòng)煙氣的寬度一般等于空間的寬度。煙氣在水平方向擴(kuò)散流動(dòng)速度較小，火災(zāi)初期為0.1～0.3 m/s，中期為0.5～0.8 m/s。煙氣在垂直方向擴(kuò)散流動(dòng)速度較大，通常為1～5 m/s。在樓梯間或管道豎井中，煙氣上升流動(dòng)速度可達(dá)6～8 m/ s，甚至更大。

3 建筑防火性能化設(shè)計(jì)的內(nèi)容

1）保證建筑內(nèi)人員安全疏散

從安全性方面綜合考慮各種火災(zāi)因素對(duì)人員逃生的影響，采用性能化設(shè)計(jì)保證建筑物內(nèi)人員的火災(zāi)安全性，從而防止人員傷亡。保證煙層下降高度和煙氣濃度達(dá)到人不能忍耐的時(shí)間大于人員安全疏散所需的時(shí)間。

2）保證建筑構(gòu)件耐火

從穩(wěn)定性方面分析建筑構(gòu)件在火災(zāi)中的反應(yīng)，采用性能化設(shè)計(jì)方法來(lái)保證建筑物結(jié)構(gòu)的火災(zāi)穩(wěn)定性，從而防止建筑物的倒塌，保證火災(zāi)持續(xù)時(shí)間小于構(gòu)件的耐火時(shí)間。

4 防火安全評(píng)估的判定標(biāo)準(zhǔn)及其量化指標(biāo)

建筑防火的性能化評(píng)估過(guò)程就是證明性能化設(shè)計(jì)是否達(dá)到安全性能判定標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程，只有達(dá)到性能判定標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)才是最佳的設(shè)計(jì)方案。

4.1 以人員暴露于火災(zāi)中的危險(xiǎn)狀況作為判定標(biāo)準(zhǔn)

火災(zāi)發(fā)展到使環(huán)境達(dá)到人體耐受極限的時(shí)間(ASET)必須大于以火災(zāi)發(fā)生到人員疏散到安全地點(diǎn)所用的時(shí)間(RSET)，即ASET＞RSET。

4.2 具體化指標(biāo)

我國(guó)一些評(píng)估機(jī)構(gòu)參照國(guó)外性能化評(píng)估案例，確定了人員安全疏散的性能判定標(biāo)準(zhǔn)，量化指標(biāo)如下：

1）2.1 m以上空間內(nèi)的煙氣層平均溫度不大于200℃。

2）2.1 m以下空間的煙氣層平均溫度不大于100℃，且可視度不小于10 m。

在需要考慮煙氣毒性影響的情況下，還要滿足一氧化碳濃度不超過(guò)2 500 pm(即0.25%)，二氧化碳濃度不超過(guò)1%的條件。

5 結(jié)語(yǔ)

性能化設(shè)計(jì)已成為世界建筑消防設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它的發(fā)展將大大促進(jìn)消防安全設(shè)計(jì)的科學(xué)化、合理化和成本效益的最優(yōu)化，對(duì)于提高我國(guó)城市消防安全水平和管理水平，促進(jìn)建筑防火設(shè)計(jì)和消防安全咨詢的專業(yè)化，提高設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性都有著重要的意義。