高層建筑防火中性能化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用分析

柴相文

摘要：伴隨城市化發(fā)展的快速步伐與城市土地資源的寸土寸金，城市內(nèi)高層建筑與超高層建筑越來越多，它們的建筑形式、設(shè)計(jì)風(fēng)格多樣化，但卻擁有一個共同弊病，那就是都無法有效解決火災(zāi)防范問題。為了有效解決高層建筑防火問題，本文專門提出了性能化防火設(shè)計(jì)方法及其相關(guān)功能應(yīng)用，最后著重對性能化防火設(shè)計(jì)中的人員安全疏散設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了針對性分析，并展開了高層住宅建筑性能化防火設(shè)計(jì)案例解讀。

Abstract： With the rapid pace of urbanization development and the increasing cost of urban land resources， there are more and more high-rise buildings and super high-rise buildings in the city. Their architectural forms and design styles are diversified， but they have a common drawback， that is can not effectively solve the fire prevention problem. In order to effectively solve the fire protection problem of high-rise buildings， this paper puts forward the performance-based fire protection design method and its related functional applications. Finally， it focuses on the targeted analysis of the personnel safety evacuation design in the performance-based fire protection design， and develops the interpretation of the case of performance-based fire protection design of high-rise residential buildings.

關(guān)鍵詞：性能化防火設(shè)計(jì);高層住宅建筑;存在問題;技術(shù)應(yīng)用;人員疏散

Key words： performance-based fire protection design;high-rise residential building;existing problems;technical application;personnel evacuation

中圖分類號：TU972+.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）13-0164-04

0 ?引言

近年來，由于我國城鎮(zhèn)化與城市化的同步快速發(fā)展，城市人口密度越來越大，城市住宅建筑越來越高，這也使得高層建筑的火災(zāi)隱患愈發(fā)明顯。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在近5年來我國死傷于住宅火災(zāi)的人數(shù)占比達(dá)到70%以上，其中高層住宅火災(zāi)傷亡人數(shù)達(dá)到1540人，占到住宅火災(zāi)死傷人數(shù)比例的55%，直接造成經(jīng)濟(jì)損失超過87330萬元。高層建筑火災(zāi)問題如此嚴(yán)峻，它也說明了高層建筑安全性與防火性能的相對薄弱，這也在一定程度上刺激了性能化防火設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用。

1 ?高層住宅建筑基本特征與防火規(guī)范

一般在城市中高層建筑主要為居民住宅建筑，現(xiàn)如今它也是城市防火工作中的難點(diǎn)問題，這主要是因?yàn)楦邔咏ㄖ逃械慕ㄖ?nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性與建筑施工用材特性。下文將主要針對高層住宅建筑的基本特征與其在防火規(guī)范中所存在的現(xiàn)實(shí)弊端問題展開分析。

1.1 高層住宅建筑的基本特征

根據(jù)我國《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，凡是10層或10層以上的居住建筑（包括設(shè)置有商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)的商住一體化建筑），以及建筑高度超過24m的公共建筑都屬于高層民用建筑。一般來說，高層住宅建筑中的居住人員群體是相對固定的。

如果從高層住宅建筑的外部體形進(jìn)行分析歸類，它還分為傳統(tǒng)的板式、塔式以及現(xiàn)代的墻式結(jié)構(gòu)。而如果從高層住宅建筑的內(nèi)部空間組合方式與基本形體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來看，它還可分為單元式與走廊式。單元式一般為獨(dú)立單元式或組合單元式，而走廊式則分為內(nèi)走廊式、外走廊式和躍廊式。目前單元式高層住宅建筑在城市中最為常見，因?yàn)樗繉咏ㄖ家詷翘莼螂娞轂橹行模瑧魯?shù)一般為2～4戶（最大8戶），各戶自成一體，互不影響，建筑中每一層都保留一定的公共使用區(qū)域，且一般高層建筑朝向都很好，建筑面積較小，造價(jià)經(jīng)濟(jì)能夠?yàn)楦喑鞘芯用袼邮堋卧礁邔幼≌ㄖ惨呀?jīng)成為最受城市居民歡迎的主要住宅形式。

1.2 高層住宅建筑在防火規(guī)范中所存在的問題

傳統(tǒng)高層住宅建筑在防火規(guī)范中主要遵循《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合建筑工程項(xiàng)目技術(shù)內(nèi)容對建筑的防火安全、居民安全保護(hù)與生命財(cái)產(chǎn)安全問題加以管理與保護(hù)。不過這種傳統(tǒng)防火設(shè)計(jì)方法顯然相對落后，大有“按方抓藥”的處方藥處置思維?？紤]到不同高層住宅建筑的建筑內(nèi)外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布局、防火分區(qū)、耐火等級、人員疏散設(shè)施、消防用水用電以及各種電氣智能化系統(tǒng)分布及功能應(yīng)用不同，所以難免會出現(xiàn)各種設(shè)計(jì)規(guī)范相互矛盾的情況，采取不到位或過度的防火設(shè)計(jì)都有可能導(dǎo)致高層住宅建筑防火的失范，造成更難以挽回的人員生命財(cái)產(chǎn)損失。詳細(xì)來講，本文認(rèn)為高層住宅建筑在防火規(guī)范中存在以下五點(diǎn)問題。

第一，結(jié)合《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》相關(guān)規(guī)范內(nèi)容，可將高層住宅建筑劃分為一類高層與二類高層兩類，其中一類高層為19層及其以上層次的普通高層住宅建筑;第二類為10～18層的普通高層住宅建筑。結(jié)合高層住宅建筑不同的住宅層數(shù)與不同高度，它其中的消防技術(shù)規(guī)定也應(yīng)該有所不同。不過規(guī)范中并沒有對高層住宅建筑的防火事項(xiàng)進(jìn)行定量與定性分析，這容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)者對建筑防火設(shè)計(jì)產(chǎn)生誤解，嚴(yán)重影響建筑整體的防火安全性。

第二，針對高層住宅建筑防火相關(guān)事項(xiàng)，對安全疏散出口的寬度與距離設(shè)計(jì)相對簡單和粗糙。客觀講許多高層建筑沒有迎合實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖紙與實(shí)際施工存在明顯沖突。舉例來說，在設(shè)置連通陽臺的通道問題方面一定會涉及人員疏散和逃生等關(guān)鍵問題，但某些高層住宅建筑未對人員疏散及逃生設(shè)施問題加以詳細(xì)考量，則導(dǎo)致高層住宅建筑火災(zāi)安全隱患的形成。

第三，針對高層住宅建筑的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火等級考慮不周全，特別是對其極限值的合理性研究并不到位，未能結(jié)合住宅建筑特征提出相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。譬如說某些高層建筑的傳統(tǒng)施工材料與構(gòu)建組合就沒有耐火等級極限值數(shù)據(jù)，而采用高層住宅建筑新施工技術(shù)難以與舊建筑材料實(shí)現(xiàn)有效匹配，這導(dǎo)致現(xiàn)代高層住宅建筑建設(shè)形式與技術(shù)發(fā)展陷入瓶頸。

第四，處于對造價(jià)的考量，目前國內(nèi)只針對100m以上的超高層建筑采用自動報(bào)警與自動滅火系統(tǒng)，但實(shí)際上這種形式的住宅在國內(nèi)還相對少見，某些普通高層住宅建筑更需要配置自動報(bào)警與自動滅火系統(tǒng)。如果單純依靠外部救援解決建筑內(nèi)火災(zāi)問題顯然是不現(xiàn)實(shí)的，難免會造成相比于傳統(tǒng)建筑更慘重的生命財(cái)產(chǎn)損失。

第五，雖然如上文所述，國內(nèi)對高層住宅建筑的內(nèi)部裝修材料都做了具體的耐火等級規(guī)定要求，但是某些單個家庭中的自主裝修材料不受限制，可能未能達(dá)到耐火等級，所以這也成為了高層住宅建筑的重要火災(zāi)隱患[1]。

2 ?性能化防火設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用分析

從性能化防火設(shè)計(jì)本身概念來看，它提供了一種相對先進(jìn)的防火研究方向，希望有效提升防火設(shè)計(jì)的整體適用性與靈活性，在一定程度上解決防火設(shè)計(jì)中的某些技術(shù)難點(diǎn)問題，確保高層住宅建筑結(jié)構(gòu)功能化與安全性的有效發(fā)揮，同時(shí)也體現(xiàn)一種高經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢。

2.1 性能化防火設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容與設(shè)計(jì)步驟

性能化防火設(shè)計(jì)是基于對社會多方面需求的關(guān)注所展開的，它能夠加速當(dāng)前性能化防火設(shè)計(jì)的技術(shù)革新。同時(shí)，它將防火系統(tǒng)視為是一個整體考慮，而并非是將其孤立起來進(jìn)行封閉式設(shè)計(jì)，它的設(shè)計(jì)理念是開放性的。再一點(diǎn)，它同時(shí)也能夠增強(qiáng)高層住宅建筑防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的責(zé)任感，提高設(shè)計(jì)的整體應(yīng)用性、靈活性與技術(shù)多樣性，在一定程度上降低建筑建設(shè)成本。

從性能化防火設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容來看，它就希望設(shè)計(jì)出最經(jīng)濟(jì)有效且最科學(xué)合理的防火方法，爭取將火災(zāi)發(fā)生概率控制在最低水平，即火災(zāi)一發(fā)生就被快速撲滅，不對建筑內(nèi)的所有電氣設(shè)備、建筑材料、人員生命財(cái)產(chǎn)造成過大損失。通過最短時(shí)間限制內(nèi)的安全疏散保證各方安全。

一般來說，最終設(shè)計(jì)方案中所明確的基本內(nèi)容就包括了針對性能化防火設(shè)計(jì)的基本工程狀況、性能化評估的總體目標(biāo)與功能指標(biāo)設(shè)計(jì)、火災(zāi)現(xiàn)場模擬場景、防火安全管理方案以及相關(guān)的數(shù)據(jù)資料記錄內(nèi)容。結(jié)合性能化防火設(shè)計(jì)的每一個步驟，設(shè)計(jì)與執(zhí)行人員要對方案進(jìn)行反復(fù)不斷的修改與評估，最后選擇出一個最為科學(xué)合理的防火設(shè)計(jì)方案。國內(nèi)當(dāng)前主要借鑒國外做法，采用消防安全工程學(xué)技術(shù)理念展開性能化防火設(shè)計(jì)，希望逐漸完善設(shè)計(jì)方案，提高高層住宅建筑防火整體效率與安全性。

2.2 高層建筑性能化防火設(shè)計(jì)的安全性判定依據(jù)

在高層住宅建筑中，性能化防火設(shè)計(jì)的安全性判定依據(jù)非常關(guān)鍵，它就涉及到時(shí)間判定依據(jù)、環(huán)境判定依據(jù)以及可燃物燃燒值判定依據(jù)，下文將展開逐一分析。

2.2.1 時(shí)間判定依據(jù) ?在人員撤離與避難方案設(shè)計(jì)過程中就涉及到對火災(zāi)蔓延區(qū)域與撤離到安全區(qū)域的時(shí)間計(jì)算，這一段時(shí)間被稱之為逃生時(shí)間，具體來說就是利用人員生命安全判定量化的火災(zāi)發(fā)展與逃生時(shí)間分析，它主要借助時(shí)間線對人員耐受極限程度（ASET）進(jìn)行分析，再與人員安全輸送時(shí)間（REST）進(jìn)行對比分析，如果出現(xiàn)了RESTASET情況，則不能保證逃生人員安全逃生。在上述量對比中采用ts.表示安全剩余量，則有如下評估關(guān)系算式為[2]：REST+（ts.）≤ASET。

如圖1所示，在提升性能化防火設(shè)計(jì)實(shí)效性的過程中，還要考慮并處理兩方面內(nèi)容：

首先，要適當(dāng)增加可用的ASET，做到對火災(zāi)實(shí)際規(guī)模的合理控制，有效阻止火災(zāi)繼續(xù)蔓延，確保人員疏散具有足夠的時(shí)間與空間。在性能化防火設(shè)計(jì)中應(yīng)該基于此采用到整合防火設(shè)計(jì)、排煙系統(tǒng)設(shè)置處理等等，最快最準(zhǔn)選擇最優(yōu)材料完成滅火過程，最大限度保高層住宅建筑安全性。

其次，要縮短消防救援時(shí)間，最優(yōu)化保證人員快速逃離出危險(xiǎn)區(qū)域。因此要重視對高層建筑中報(bào)警系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)，在逃生人員輸送過程中保證建筑空間設(shè)計(jì)的合理性，提出基于疏導(dǎo)策略的合理性與完整性方案。

2.2.2 環(huán)境判定依據(jù) ?在高層住宅建筑中人員逃生過程中應(yīng)該分析ASET的參數(shù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容與火災(zāi)發(fā)生時(shí)實(shí)際的逃生環(huán)境信息，具體結(jié)合建筑內(nèi)的煙氣層輻射度、流熱度、能見度等等基礎(chǔ)條件進(jìn)行綜合分析判定。這里給出三個時(shí)間判定標(biāo)準(zhǔn)：其一，人體遭遇外界熱輻射強(qiáng)度在2.5kW/m2以內(nèi)，人體的耐受時(shí)間大約為5分鐘左右;其二，人體遭遇外界熱輻射強(qiáng)度在2.5kW/m2時(shí)，人體的耐受時(shí)間大約為30秒左右;其三，人體遭遇外界熱輻射強(qiáng)度在10kW/m2或以上時(shí)，人體的耐受時(shí)間大約為3～4秒左右。結(jié)合該環(huán)境判定依據(jù)與上述時(shí)間判定依據(jù)，可為高層建筑性能化防火設(shè)計(jì)提供方案設(shè)計(jì)參數(shù)，提高方案設(shè)計(jì)合理性，為性能化管理工作全面落實(shí)優(yōu)化奠定良好基礎(chǔ)。

2.2.3 可燃物燃燒值判定依據(jù) ?因?yàn)楦邔咏ㄖ械拿恳环N可燃物都是具有它的燃燒值的，當(dāng)達(dá)到燃燒值以上標(biāo)準(zhǔn)其燃燒狀態(tài)就會向外釋放，但它始末狀態(tài)的燃燒能量必然保持守恒狀態(tài)。如果從火災(zāi)發(fā)生角度來看這屬于典型的熱效應(yīng)，其中涉及恒容、恒壓以及絕熱等等過程，可基于此提出轉(zhuǎn)換后的火場體系焓變計(jì)算公式如下：

在上述焓變計(jì)算公式中，Ni代表反應(yīng)物摩爾數(shù)（mol），Hi代表生成物的摩爾焓（J/mol）。通過上述計(jì)算公式可分析計(jì)算出可燃物燃燒值，這為建筑防火材料的選取提供了重要參考依據(jù)。

2.3 性能化防火的人員安全疏散設(shè)計(jì)

2.3.1 安全疏散設(shè)計(jì)的基本影響因素

通常情況下，高層住宅建筑火災(zāi)威脅主要來自于火焰的熱輻射、有毒煙氣煙塵以及建筑結(jié)構(gòu)崩塌，這些也都是安全疏散設(shè)計(jì)的基本影響因素。結(jié)合高層住宅建筑的具體特征、尺寸、結(jié)構(gòu)、耐火等級、防火防煙分區(qū)、內(nèi)部火災(zāi)荷載、內(nèi)部結(jié)構(gòu)開口設(shè)計(jì)等等內(nèi)容進(jìn)行分析，可了解到哪些因素對火災(zāi)時(shí)人員安全疏散活動會產(chǎn)生影響。當(dāng)然，也要對疏散設(shè)備、消防設(shè)施、外部滅火救援力量等等進(jìn)行分析。

2.3.2 安全疏散設(shè)計(jì)的基本執(zhí)行原則

結(jié)合安全疏散設(shè)計(jì)的基本影響因素，下文也給出了3點(diǎn)安全疏散的基本原則：第一，要保證高層住宅建筑中擁有安全的逃生人員疏散通道;第二，要保證高層建筑中擁有穩(wěn)妥的逃生人員疏散計(jì)劃;第三，要保證高層住宅建筑內(nèi)外都擁有安全的避難場所。例如建筑內(nèi)部的衛(wèi)生間，緊急回避房間等等。

2.3.3 安全疏散設(shè)計(jì)的人員疏散計(jì)算方法

我國應(yīng)該借鑒國外先進(jìn)的性能化防火設(shè)計(jì)逃生人員安全疏散方法，例如可采用日本的“疏散時(shí)間計(jì)算方法”，它其實(shí)是日本將了美國的火災(zāi)成長公式所演變轉(zhuǎn)化成的新逃生人員安全疏散計(jì)算方法。具體來講，它首先基于疏散開始時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，明確從火災(zāi)發(fā)生到開始之間的疏散所需要時(shí)間，即疏散開始時(shí)間，假設(shè)高層住宅建筑中火災(zāi)的疏散起止時(shí)間為t，那么火災(zāi)發(fā)生區(qū)域的現(xiàn)場人員從察覺火災(zāi)到正式發(fā)現(xiàn)火災(zāi)所需要的時(shí)間就是起火房間的疏散開始時(shí)間ts，它的計(jì)算公式應(yīng)該如下：

在計(jì)算公式中，A代表室內(nèi)面積（m2），而當(dāng)起火樓層的疏散開始時(shí)間正式計(jì)算以后，本樓層的其他現(xiàn)場人員必須開始緊急疏散[3]。

3 ?案例分析

3.1 案例高層建筑基本概況

某高層建筑為通廊式建筑，其耐火等級為一級，地上8層，由樓梯間、房間、走廊等幾部分組成（見圖2、圖3）。整個建筑采用消防部門檢測合格的防火材料建設(shè)，且在四、五、七、八層設(shè)置了排煙窗口，可開啟面積為1.44m2。內(nèi)走廊靠近外墻一端設(shè)有排煙窗口，可開啟面積也為1.44m2。

3.2 高層建筑的火災(zāi)發(fā)生位置與性能化防火設(shè)計(jì)簡析

場景一：火災(zāi)發(fā)生在一層靠近樓梯間的房間內(nèi)一角處，相對于模型坐標(biāo)為min（9.0;5.0;0.0），max（10.0;6.0;0.0）?？紤]房間及走廊噴淋系統(tǒng)失效，自然排煙，通過開啟的窗口進(jìn)行自然補(bǔ)風(fēng)，快速平方火，最大火災(zāi)熱釋放率為10MW。 假定走廊發(fā)生火災(zāi)房間一側(cè)房門、走廊排煙窗口以及走廊通向樓梯間房門開啟，整個建筑走廊另一側(cè)房間門均關(guān)閉，所有房間的窗戶均關(guān)閉。整個場景模擬時(shí)間為360s。

場景二：火災(zāi)發(fā)生在四層走廊盡頭房間內(nèi)一角處，相對于模型坐標(biāo)為min（2.0;5.0;12.0），max（3.0;6.0;12.0）?？紤]房間及走廊噴淋系統(tǒng)失效，自然排煙，快速平方火，最大火災(zāi)熱釋放率為8MW。假定著火房間房門，走廊通向樓梯間疏散門以及排煙窗口都開啟，走廊另一側(cè)全部房門均關(guān)閉。整個場景模擬時(shí)間為360s。

建筑火災(zāi)中煙氣的危害包括諸多方面，不單是高溫對人身產(chǎn)生嚴(yán)重危害，煙氣中的有害氣體比如一氧化碳、二氧化碳等達(dá)到一定濃度會使人員產(chǎn)生中毒反應(yīng)，兩種火災(zāi)場景下有害氣體的濃度在火災(zāi)發(fā)生2～3分鐘后就可達(dá)到對人身有害的程度;另外火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣會嚴(yán)重影響能見度，人在這種環(huán)境下即便有能力逃生也會因?yàn)椴荒鼙鎰e方向而錯過最佳的疏散時(shí)間。在高層住宅建筑中，火災(zāi)危害不可忽視，本文中基于性能化防火設(shè)計(jì)展開全方位分析，結(jié)合建筑工程項(xiàng)目的實(shí)際需求與逃生人員疏散問題建設(shè)了一套完整的防火設(shè)計(jì)方案，希望以此提高高層住宅建筑整體防火性能，保證人員生命及財(cái)產(chǎn)安全。

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