淺談建筑性能化防火設(shè)計(jì)的發(fā)展及應(yīng)用

陳思帆

(公安消防部隊(duì)公安高等?？茖W(xué)校，云南 昆明 650208)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，各式各樣的高層建筑和大型綜合體建筑如雨后春筍一樣鱗次櫛比。加之建筑工藝的日益精進(jìn)，建筑外保溫新材料的不斷投入使用，使得現(xiàn)代建筑逐漸向大型化，復(fù)雜化，功能化的趨勢(shì)發(fā)展。這些建筑往往體量大，使用功能復(fù)雜，人口密度大，建筑形式及結(jié)構(gòu)多種多樣，同時(shí)也存在更多的著火源和可燃物，為消防安全帶來(lái)諸多問題[1]。一旦發(fā)生火災(zāi)， 建筑物內(nèi)部燃燒速度快，火災(zāi)蔓延途徑多，疏散和撲救都極為困難，易造成極大的損失和傷亡，威脅人民群眾的財(cái)產(chǎn)安全。因此，如何能夠有效利用現(xiàn)有的防火技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并最大化的保障建筑消防安全是新時(shí)期下賦予我們的一個(gè)新課題[2]。

目前，在我國(guó)建筑防火設(shè)計(jì)中，最傳統(tǒng)的方法即“規(guī)格式設(shè)計(jì)”，也就是業(yè)內(nèi)所稱的“處方法”，顧名思義它是一種基于場(chǎng)所的類型，對(duì)照國(guó)家最新的技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)[3]。雖然依照"規(guī)格式設(shè)計(jì)"方法對(duì)建筑進(jìn)行防火設(shè)計(jì)具有一定的科學(xué)性和合理性，但對(duì)于現(xiàn)代建筑而言，每棟建筑物的結(jié)構(gòu)和用途以及可燃物的數(shù)量和種類都不同。所以根據(jù)規(guī)范所作出的建筑防火設(shè)計(jì)方案，并不一定是最完美的解決方案。可見"規(guī)格式設(shè)計(jì)"方法所設(shè)計(jì)的方案存在著相當(dāng)大的局限性。因此對(duì)于當(dāng)今的建筑防火設(shè)計(jì)，非常需要建立一種更加科學(xué)合理，并可以達(dá)到本質(zhì)安全的設(shè)計(jì)方法，建筑性能化防火設(shè)計(jì)方法就是在這種條件下產(chǎn)生的[4]。

1 性能化防火設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

性能化防火設(shè)計(jì)依據(jù)《關(guān)于印發(fā)< 建設(shè)工程消防性能化設(shè)計(jì)評(píng)估應(yīng)用管理暫行規(guī)定> 的通知》(公消[2009]52號(hào))第二條，建設(shè)工程消防性能化設(shè)計(jì)評(píng)估(以下簡(jiǎn)稱性能化設(shè)計(jì)評(píng)估)，是指根據(jù)建設(shè)工程使用功能和消防安全要求，運(yùn)用消防安全工程學(xué)原理，采用先進(jìn)適用的計(jì)算分析工具和方法，為建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)提供針對(duì)性的防火設(shè)計(jì)參數(shù)和方案，或?qū)ㄔO(shè)工程消防設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合分析評(píng)估，完成相關(guān)技術(shù)文件的工作過程。

建筑性能化防火設(shè)計(jì)的主體思想是在做建筑整體防火設(shè)計(jì)時(shí)提出本質(zhì)消防安全所需要的性能要求或技術(shù)指標(biāo)，而不是直接要求設(shè)計(jì)者為達(dá)到此目的必須采用規(guī)定的設(shè)計(jì)方法。如何達(dá)到這一指標(biāo)要求，采取什么樣的工程措施則由設(shè)計(jì)者自身決定，但最終設(shè)計(jì)者要向建筑防火設(shè)計(jì)審核者證明其所設(shè)計(jì)的建筑防火方案是滿足要求的，審核者則需使用相應(yīng)的評(píng)估工具檢驗(yàn)方案設(shè)計(jì)是否符合消防安全的總體目標(biāo)。

性能化防火設(shè)計(jì)相較于 "規(guī)格式設(shè)計(jì)"具有以下四點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

(1)有利于實(shí)現(xiàn)防火設(shè)計(jì)的科學(xué)合理化和成本效益最大化。因?yàn)樾阅芑阑鹪O(shè)計(jì)是統(tǒng)籌考慮建筑物整體的防火設(shè)計(jì)，綜合考慮防火設(shè)計(jì)因素，并不按照其中某個(gè)部分孤立研究。

(2)有利于設(shè)計(jì)者發(fā)揮其創(chuàng)造性。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的規(guī)格式防火設(shè)計(jì)依規(guī)行事，必須按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，將每一個(gè)技術(shù)因素考慮的仔細(xì)周全，局限了設(shè)計(jì)者的思路。而性能化防火設(shè)計(jì)只需要考慮建筑物整體的消防安全目標(biāo)是否達(dá)到，能否滿足消防安全要求，至于選擇什么方法進(jìn)行設(shè)計(jì)則完全取決于設(shè)計(jì)者。

(3)有利于新技術(shù)和新材料的使用和推廣。性能化防火設(shè)計(jì)在使用和推廣新材料和新技術(shù)上有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)方法靈活多變，更能滿足現(xiàn)代高層建筑及大型綜合體的建筑設(shè)計(jì)要求。

(4)有利于制定防火預(yù)案。因?yàn)樵谛阅芑阑鹪O(shè)計(jì)過程中，已經(jīng)就預(yù)設(shè)火災(zāi)類型和火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行仿真模擬，對(duì)于科學(xué)合理的制定防火預(yù)案和逃生方案有所幫助。

2 性能化防火設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

相對(duì)于我國(guó)而言，國(guó)外的性能化防火起步較早，累積的經(jīng)驗(yàn)也較豐富，相關(guān)技術(shù)手段和算法也較成熟。國(guó)外的性能化防火設(shè)計(jì)起源于20世紀(jì)70年代，在此期間歐美發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)建設(shè)了一大批超高、超大、設(shè)計(jì)新穎、風(fēng)格獨(dú)特的標(biāo)志性建筑。在這些建筑的防火設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常遇到無(wú)法滿足防火規(guī)范要求的問題。既而許多國(guó)家開始對(duì)這一類建筑逐步采取性能化防火設(shè)計(jì)的新方法。還有的國(guó)家著手對(duì)現(xiàn)行防火設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行修編和完善，并嘗試制定一套滿足性能化防火設(shè)計(jì)的規(guī)范。

日本在20世紀(jì)80年代初期制定了一步為期五年的發(fā)展計(jì)劃，專門用于研究性能化防火設(shè)計(jì)。1998年，日本借鑒了其他國(guó)家的研究進(jìn)展，進(jìn)一步完善建筑防火設(shè)計(jì)的規(guī)范體系。新體系更加重視以下幾個(gè)方面，包括火災(zāi)煙氣控制，人員安全疏散，火災(zāi)發(fā)生的預(yù)防，建筑結(jié)構(gòu)的耐火等級(jí)，火災(zāi)向毗鄰建筑蔓延的預(yù)防等等。

英國(guó)早在1973年就統(tǒng)一制定了大部分建筑的法律法規(guī)，并逐步形成了國(guó)家級(jí)的防火設(shè)計(jì)規(guī)范，但該規(guī)范仍然屬于規(guī)格式設(shè)計(jì)防火規(guī)范。在1985年和1991年，英國(guó)兩次修訂建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范，明確規(guī)定可以將性能化設(shè)計(jì)方法作為一種常備的防火設(shè)計(jì)方法。

美國(guó)從20世紀(jì)70年代以來(lái)，對(duì)建筑性能化防火設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)研究，直到20世紀(jì)80年代，在美國(guó)火災(zāi)研究基金會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)下推行了國(guó)家火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目。1997年，Caster和Meacham出版了《以性能為基礎(chǔ)的火災(zāi)安全導(dǎo)論》這一性能化防火研究歷史上的重要著作，標(biāo)志著性能化防火研究進(jìn)入新階段。

澳大利亞在1989年起草頒布了《全國(guó)建筑防火系統(tǒng)規(guī)范草案》，這部規(guī)范草案對(duì)一些歐洲國(guó)家產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)其中部分的章節(jié)也被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織所采用。1996年，澳大利亞正式首次頒布實(shí)施了建筑性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，我國(guó)便已開展了建筑性能化防火設(shè)計(jì)規(guī)范的研究工作。直到1986年，天津消防科學(xué)研究所編譯了“火災(zāi)?；椒ǖ陌l(fā)展”的相關(guān)著作，對(duì)幾個(gè)仿真模擬計(jì)算軟件做了全面地介紹，并探討了FAST程序在我國(guó)的應(yīng)用前景。1987年至1996年期間又連續(xù)多次舉辦了關(guān)于火災(zāi)科學(xué)與消防技術(shù)的國(guó)際研討會(huì)，極大的推進(jìn)了我國(guó)火災(zāi)計(jì)算機(jī)模擬仿真和火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估方面的研究。

21世紀(jì)初至今，我國(guó)又多次召開關(guān)于消防科學(xué)與技術(shù)的國(guó)際會(huì)議，其中一個(gè)非常重要的議題就是建筑性能化防火設(shè)計(jì)。截至目前，我國(guó)性能化防火設(shè)計(jì)研究工作已取得一系列成果，比如四川消防科學(xué)研究所研究的《大空間公共建筑火災(zāi)疏散評(píng)估技術(shù)》和《高層建筑性能化防火設(shè)計(jì)安全評(píng)估技術(shù)》等，在建筑設(shè)計(jì)方面也有很多新建的大型綜合體和地標(biāo)性高層建筑應(yīng)用了性能化防火設(shè)計(jì)方法。然而，由于建筑防火設(shè)計(jì)涉及內(nèi)容之廣，全面實(shí)現(xiàn)從規(guī)格式設(shè)計(jì)向性能化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變十分困難，因此未來(lái)還是要加強(qiáng)度建筑性能化防火設(shè)計(jì)的研究工作。

3 性能化防火設(shè)計(jì)的主要步驟

建筑性能化防火設(shè)計(jì)主要分為以下七個(gè)步驟，詳情見圖1。

圖1 建筑性能化防火設(shè)計(jì)主要步驟

3.1 確立消防總體安全目標(biāo)

總目標(biāo)包括性能化目標(biāo)和性能化標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)方面。性能化目標(biāo)是依據(jù)建筑物的社會(huì)目標(biāo)、功能目標(biāo)和社會(huì)期望，來(lái)制訂的相對(duì)應(yīng)的性能要求。性能化標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)建筑內(nèi)具體的消防設(shè)備或消防系統(tǒng)提出的防火技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，比如消防設(shè)計(jì)中的一些臨界值的設(shè)定等等。

3.2 確立性能化指標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)

對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)及內(nèi)部可燃物、人員分布等特征進(jìn)行詳細(xì)分析，確立性能化指標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)。這些指標(biāo)建筑防火設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，如對(duì)安全通道和安全出口、防排煙系統(tǒng)、消防材料、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急供電照明等方面的具體要求等等。

3.3 建立合理的火災(zāi)場(chǎng)景

火災(zāi)場(chǎng)景的搭建涉及到如著火源的設(shè)置、火災(zāi)荷載的計(jì)算和可燃物種類等，要使建立的火災(zāi)場(chǎng)景更加逼真，必須依靠龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)?；馂?zāi)場(chǎng)景是對(duì)特定的火災(zāi)類型從著火階段開始到火災(zāi)成熟階段以及火災(zāi)所造成的破壞的描述。建立火災(zāi)場(chǎng)景時(shí)可以使用一些參數(shù)如熱釋放速率、火災(zāi)增長(zhǎng)速率、物質(zhì)分解物和物質(zhì)分解率等來(lái)表現(xiàn)其特征。

3.4 選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算模擬方法

根據(jù)前期建立的火災(zāi)場(chǎng)景，選擇適合的計(jì)算公式和計(jì)算方法，選取符合建筑物火災(zāi)特點(diǎn)的模擬仿真模型。同時(shí)按照火災(zāi)科學(xué)的理論，模擬分析計(jì)算火災(zāi)可能發(fā)生的地點(diǎn)或蔓延的途徑和范圍，火災(zāi)煙氣的蔓延擴(kuò)散方向，消防設(shè)施的工作情況，人員疏散和逃生行為等。合理的選擇火災(zāi)模型和計(jì)算模擬方法可以準(zhǔn)確衡量不同防火設(shè)計(jì)方案下火災(zāi)危險(xiǎn)程度，從而根據(jù)每個(gè)建筑物自身特點(diǎn)選定最為經(jīng)濟(jì)合理的防火設(shè)計(jì)方案。

3.5 確定初步設(shè)計(jì)方案

通過模擬計(jì)算得出初步的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行性能化防火設(shè)計(jì)，同時(shí)可以參考一些同類型建筑的工程實(shí)例，這些技術(shù)方法都是經(jīng)過大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的。設(shè)計(jì)者可以以此作為參考，選擇相應(yīng)的技術(shù)措施以滿足建筑整體的和建筑物各部分所要求的消防性能化目標(biāo)。

3.6 提出和評(píng)估設(shè)計(jì)方案

提出和評(píng)估設(shè)計(jì)方案是對(duì)設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行全面分析和合理評(píng)價(jià)的過程。主要是為了證明擬采用的設(shè)計(jì)方案的有效性和合理性，確定是否能夠滿足建筑本質(zhì)安全。目前常用的評(píng)估方法包括等式分析、相關(guān)性分析、實(shí)驗(yàn)分析和計(jì)算機(jī)模擬分析等。通過這些方法分析建筑消防安全的可靠性，當(dāng)所提供的防火設(shè)計(jì)方案不能滿足要求時(shí)，則必須修改完善。在此過程中，通常會(huì)提出多個(gè)性能化防火設(shè)計(jì)方案，并分別進(jìn)行評(píng)估，以確定最佳的設(shè)計(jì)方案。

3.7 確定最終設(shè)計(jì)方案

確定最終的性能化防火設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案的評(píng)估分析整改過程進(jìn)行詳細(xì)記錄，這是方案能否最終通過的關(guān)鍵因素。最終提交的分析報(bào)告和設(shè)計(jì)方案都要滿足審核部門和客戶的要求。

4 對(duì)于性能化防火設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

從當(dāng)前的應(yīng)用情況看，建筑性能化防火設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用有效地降低了火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，減小了火災(zāi)發(fā)生的危害，但在很多方面還有所欠缺，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也不夠廣泛，因此提出以下幾點(diǎn)建議。

4.1 加強(qiáng)對(duì)火災(zāi)基礎(chǔ)科學(xué)的研究

由于火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的復(fù)雜性，對(duì)火災(zāi)發(fā)展蔓延機(jī)理的研究還有待進(jìn)一步深入和完善。性能化防火設(shè)計(jì)方法的好壞很大程度上取決于是否建立合理的火災(zāi)模型。因此，應(yīng)加強(qiáng)火災(zāi)基礎(chǔ)科學(xué)方面的研究，這既可以為各種火災(zāi)模型的建立提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，又可以在保障性能化防火設(shè)計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。

4.2 開展對(duì)火災(zāi)模擬軟件的的研發(fā)

現(xiàn)階段我國(guó)主要應(yīng)用的火災(zāi)模擬軟件大都是國(guó)外開發(fā)的，在應(yīng)用時(shí)有一定的局限性。例如最常用的火災(zāi)模型有美國(guó)NIST開發(fā)的一種場(chǎng)模擬程序FDS；美國(guó)NIST開發(fā)的區(qū)域式計(jì)算多室火災(zāi)與煙氣蔓延的程序CFAST；由英國(guó)火災(zāi)研究站開發(fā)的專用于火災(zāi)過程場(chǎng)模擬計(jì)算的模型JASMINE?？梢妵?guó)外在此方面的研究相對(duì)成熟，我國(guó)也應(yīng)組織相關(guān)人員在對(duì)國(guó)外軟件深入研究的基礎(chǔ)上，取長(zhǎng)補(bǔ)短，開發(fā)出適合的火災(zāi)模擬軟件。

4.3 建立健全性能化防火設(shè)計(jì)相關(guān)法律法規(guī)

目前我國(guó)性能化防火設(shè)計(jì)相關(guān)法律法規(guī)還不健全，制訂符合我國(guó)自身情況的性能化設(shè)計(jì)的法規(guī)就顯得十分有必要。通過對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的性能化防火設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，制定相關(guān)法律法規(guī)不能一蹴而就，必須循序漸進(jìn)，同時(shí)視各項(xiàng)前期基礎(chǔ)工作以及性能化防火設(shè)計(jì)的應(yīng)用情況而定。

4.4 建立性能化設(shè)計(jì)的評(píng)估體系

與規(guī)格式設(shè)計(jì)方法相比，性能化設(shè)計(jì)的評(píng)估過程需要更多的時(shí)間，這對(duì)我國(guó)建筑防火審核者提出了更高的要求。若是不熟悉或不同意設(shè)計(jì)者所選用的方法及所選用計(jì)算方法的可行性，那么就有可能將方案駁回。因此評(píng)估體系的建立十分有必要，一是為了簡(jiǎn)化審批人員的工作量，二是對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了系統(tǒng)的要求，三是架起了審批人員與設(shè)計(jì)人員中間的一道橋梁。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，建筑性能化防火設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的努力，必須由政府有關(guān)部門牽頭組織，并投入較大的人力物力，需要各個(gè)方面協(xié)調(diào)配合，統(tǒng)籌規(guī)劃，從而盡快完善性能化防火設(shè)計(jì)方法，使之更好的服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。