以性能为基础的建筑防火设计探讨

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一、引言

　　目前，我国建筑防火设计是依据有关《规范》进行的，这种设计被称为“规范化设计”。随着社会的进步，这种设计方法越来越难以适应现代建筑所表现出的“形式多样、功能复杂”的特点。从80年代开始，国际建筑界和火灾科研界已有许多学者在倡导“性能化防火设计”也可称之为“火灾安全工程设计法”。这种设计方法不仅可使建筑物的防火设计更合理，而且，能够节约大量的消防投资费用，使火灾防治方案更为科学、经济。

　　二、性能化设计方法的必要性和步骤

　　经济不断发展，火灾是难免的。减少火灾及其损失每一项的设计方案都不是完美无缺的。我们只是在寻找一个更科学，更合理的方案。实践证明，性能化设计在现阶段是比较灵活合理的一种设计方法，更适应现代建筑发展的需要。

　　（一）现代建筑的发展趋势的特点：

　　外观体量的庞大化、摩天化，显示了现代建筑的雄伟和神奇，各类功能场所在一起，共同组成一个建筑群，甚至一个超大规模的建筑物，建筑高度不断增高，这给消防灭火的登高作业、内攻侦察、火场供水等都带来了不少困难。结构外壳的轻灵化、通透化，创新了现代建筑的风格与形象；新颖的钢结构使建筑的跨度增大，荷载减少；玻璃或金属的幕墙的运用使建筑外形日趋明快。但这些却都造成建筑的耐火等级的降低，建筑构件的耐火极限的缩短，也造成竖向防火分隔难以实施。内部环境的互融化，智能化，丰富了现代建筑的情趣和内涵，花园式室内庭院；集中控制的楼宇设施，将整个建筑融为一体，相映生辉，产生充满韵味的空间组合，给人以舒适和贯通的感觉。但是传统的建筑防火分区的措施难以落实，火灾的排烟更加困难。

　　现代建筑发展的趋势迫切要求有与之相适应设计方法的出现。

　　（二）性能化设计的几个步骤

　　“性能化设计”的主要目的在于解决某些现代建筑设计方案超过《规范》设定要求的问题。主要步骤有：

　　1.防火安全目标

　　防火安全目标是安全系统最终应达到的总体效果，安全目标中还包括两个较为具体的项目“性能目标和性能标准。性能目标是消防系统必须满足的建筑物在防火、灭火等方面的具体要求。性能标准更加量化，它是指单个消防设备或整个系统的有关技术指标，性能标准所提供的临界值可以在设计方案中作为计算数据使用。

　　2.建筑物内部的可燃物、人员等的具体特征，并确定设计指标。

　　3.建立火灾场景模型。

　　该过程涉及到防火设计中一些十分关键的问题，如点火源性状、起火点位置、可燃物种类、火灾荷载、建筑布局等，该过程同时应该给出火灾试验及计算过程需要的技术条件。

　　4.选择分析计算方法

　　5.制定设计方案并进行评估

　　6.对设计方案进行审核，并最终确定设计方案

　　总之，“性能化防火设计”和“性能化防火规范”是建筑消防设计的发展趋势，要大力开展对“火灾安全工程学”的研究，研究适用于建筑工程设计的消防评估方法和评估模型，开发计算机设计软件，为逐步建立和完善“性能化防火设计”创造条件。

　　三、性能化设计的火灾安全工程理论基础

　　建筑工程消防设计包括：总平面设计、防火分隔和建筑构造、安全疏散、消防给水和固定灭火系统、采暖通风和防排烟及电气等内容。

　　要建立火灾场模型，也是必须基于火灾燃烧理论及火灾中烟气的流动理论。下面仅以安全疏散的“火灾安全工程理论”为代表，对“火灾安全工程理论”加以简要说明。

　　（一）火灾中的释热速率

　　释热速率时表示火灾发展的一个主要参数。

　　Q = φ×m×ΔH（Kj/s）

　　式中 ：φ燃烧速率因子

　　m 可燃物质量燃烧速率（Kg/s）

　　ΔH该可燃物的热值（Kj/Kg）

　　一般认为，应当通过实验来认识典型物品的火灾燃烧特性，据此估计特定火灾中的释热速率。因此尽可能以全尺寸火灾试验来对这些参数进行研究。

　　（二）火灾烟气产生的特性

　　火灾烟气是一种混合物，由于它的减光性、毒性和高温的影响，使得烟气对火灾中被困人员生命的威胁最大。

　　1.火灾烟气的来源

　　火灾烟气一般来源于：

　　1）可燃物热解或燃烧产生的气相产物

　　2）由于卷吸而进入的空气

　　3）多种微小固体颗粒和液滴

　　2.烟气的减光性

　　烟气的减光性一般根据测量一定光束穿过烟场后的强度衰落值来确定。设I0位易光远射入长度给定的空间的强度，I为射出强度，其比值I/IO成为该空间的透射率。透射虑倒数的常用对数成为烟气的光学密度。即：

　　D = lg（I0/I）

　　而单位长度光学密度：D0 = lg（I0/I）

　　根据BeerLambert定律：

　　I = I0×exp（- KC）

　　式中：KC—减光系数

　　KC = - ln（I/IO）/L

　　KC = 2.303D0

　　由于烟气的减光性的作用，人们在有烟场合下的能见度必然下降。烟气的减光性对人员的安全疏散构成严重威胁。

　　3.烟气的毒性

　　火灾中具有毒性的烟气，最普遍的是CO。火灾中死亡人员一般是CO中毒。还有许多高分子聚合物的燃烧释放出有毒气体。火灾中缺氧仅是一种特殊情况，并不常见。烟气的毒性不仅来自气体，也来自悬浮固体颗粒和吸附烟尘粒子上的物质。

　　4.烟气的高温

　　一般烟气具有较高的温度。人在高温下个人承受极限时间：5-10分钟。但目前火灾危险评估数据为：一段时间内连续暴露的安全温度为：65100℃。

　　（三）烟气的流动

　　根据流体的特性，流动烟气的宽度一般等于空间的宽度。由烟气流动的质量守恒可得：

　　Q = B × hy × wsy （m³/s）

　　式中：Q空间流动烟气的体积流量

　　B—空间宽度（m）

　　hy — 烟层厚度（m）

　　wsy—烟气水平流动速度（m/s）

　　∴wsy = Q / B × hy

　　由力学平衡式得：

　　（ρk ρy）ghy = ζ（ρywsy）/2

　　式中：ρk —空间的冷空气密度

　　ρy—空间的烟气层的平均密度

　　ζ—折算系数

　　∴（ρk ρy）ghy = ζρy /2*（Q/Bhy）²

　　由实验得ζ= 0.9

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

　　式中：Q空间烟气的平均流动速度（m/s）

　　tk空间的冷空气的温度（℃）

　　ty空间流动的烟层的平均温度（℃）

　　四、火灾模型在性能化设计中的应用

　　在火灾安全工程理论的基础上，我们可以结合实际的建筑物，建立火灾模型，用工程学的方法加以解析，得到科学合理的设计参数。

　　近年来已经开发的火灾模型有许多中，但设计方向大致有两个。一是采取既定的设计方案，按一定的程序进行设计，然后对计算结果进行评价。二是调用“人员及建筑物”在火灾时的反应状况，对设计结果进行估算。后者的设计方向较为理想化，但因为火灾场景的设定数据比较难以确定，现有数据的数量也相对较少，而且现阶段已确定的数据，可靠性没有保证。建筑火灾的实际情况也不尽相同，所以在现阶段，这种设计方法较难实现。因此，就其可行性而言，一般选用既定的工程学设计方法，根据建筑物的实际情况加以计算，并对结果的安全性进行评价。

　　五、我国性能化设计的现状及前景

　　《高规》第1.0.5条：当高层建筑的建筑高度超过250m时，建筑设计防火应对特殊的防火设施进行专题研究，并应提交国家消防主管部门组织专题研究论证。就是针对现代建筑“摩天化”的特点而提出的。而专家论证的本质就是一种性能化设计。我国自90年代以来，摩天大楼在各大城市如雨后春笋般悄然升起；火车站、飞机场和大型集贸市场等大空间建筑层出不穷；智能建筑也在一些发达地区不断兴起。但消防法规的建设却显得滞后。所以现阶段我国的建筑行业迫切地呼唤消防设计的改革。在我国，此项工作大致可分为以下三个步骤推进：

　　用现有的规范对给定的建筑作出符合规范的消防设计，而后，在“规范化设计”的基础之上，对既定的设计参数和设计方案，运用工程学理论加以确证。所以第一步骤可以称之为“规范化设计”和“性能化设计”的结合。

　　以工程学理论为指导，对指令性规范作出合理的修改，制定“性能化规范”。如前所述，对火灾场景的设定在现阶段还不能实现，对于模型的建立只能是向“按部就班”的方向发展，制定一部以性能为基础的规范还是有必要的。

　　通过计算机这一工具，建立火灾场景模型。要建立火灾场景模型，其工作量十分繁重。所以必须有数据库来支持，而且，其中的数据也必须具有一定的可靠性。

　　六、结束语

　　本文中所提到的“性能化设计”，也仅限于民用建筑，避免了建筑防火设计的先天不足，减轻了日后防火工作的压力；火灾场景模型的建立，为将来的火灾调查工作奠定了基础；火灾蔓延的场景预想，也为灭火预案的制定提供了参考。性能化设计将消防工作一体化，真正的做到：“以防为主，防消结合！”