我國建筑防火性能化設計

如果說20世紀的建筑設計主要競爭于造型和功能要求的話，那么21世紀建筑設計行業的核心競爭力將體現在預防災害發生上。因此，包括防火在內的防災設計是判定建筑設計方案好壞的重要條件之一。

建筑防火的安全水準和目標應該是明確的和高水平的，即發生火災的概率十分小。但確保安全水準實現的方法則是多種多樣的，人們可以運用所有的現代科技手段進行有機的創造性組合。

性能設計是一種新型的防火系統設計思路，是建立在更加理性條件上的一種新的設計方法。它不是根據確定的、一成不變的模式進行設計，而是運用消防安全工程學的原理和方法，制定整個防火系統應該達到的性能目標，并針對各類建筑物的實際狀態，應用所有可能的方法對建筑的火災危險和將導致的后果進行定性、定量地預測與評估，以期得到最佳的防火設計方案和最好的防火保護。性能設計是一個非常復雜的體系，它的實現需要各種社會環境和技術條件支撐。

應該指出的是，由指令性規范向性能規范的轉型不是一蹴而就的。目前國際上所謂性能規范都只是包含部分性能規范，并沒有百分之百的性能規范。指令性規范與性能規范不是簡單的替代，而是在相當長時期內的并存或互補，這樣既不妨礙新技術的應用，又能夠保持當前的安全程度。

筆者就我國性能化研究與實踐工作，談幾點看法。

工作的基本方向

性能規范屬于柔性的法規，它適用于：(1)規范規章沒有規定的情況。(2)規范規章雖有標準規定，但不能或不足以應對現實情況時。(3)讓設計者能在安全無虞又合乎經濟利益的情形下，自由地設計合平需求的使用空間。從國外現行情況看，目前的性能設計規范并不復雜，但支撐這類規范的性能設計體系卻是一項非常龐大的系統工程，它需要方方面面的共同努力。

從理論上講，性能設計應體現如下一些原則：

(1)性能規范的各項規定和目標應能保證不同類型建筑物的整體安全水平。

(2)性能規范應具有長期的適用性，新技術、新方法的出現和使用不會導致與規范的；中突。

(3)可以使用可變式的計算模式去內插計算結果。采用模擬的辦法去檢驗計算結果的正確與否。

(4)所有的性能設計計算均可在微機上實現，并且要保證一般的設計人員都可以非常容易地操作這些人工智能計算系統。

一個成功的性能化設計不僅可以更符合建筑物本身的要求，而且在同樣符合安全的要求下，可以為業主節省不必要的消防設備費用，這是性能化設計所應體現的優點和發展的動力。

我國要實現上述目標還需要走相當長的一段路。目前，人們在觀念、理論水平、歷史資料的存儲以及經濟支撐條件上，都十分薄弱。但從發展看，開展此項工作又是一種必然，并且越早開始越主動。

火災發展模式及預期損害度的分析評估

性能設計的核心就是運用大量的定量分析去解決工程安全的評估。

定量分析包含兩類程序：

(1)決定性程序(Deterministic Procedure)：將火災成長、擴展、煙移動及對人員影響予以定量化(理論分析、經驗關系推論、使用方程式及火災模擬方法)。

(2)概率性程序(Probabilistic Procedure)：估算發生某種不預期火災情景(fire scenario)的可能性(利用火災發生頻率的統計數據、系統可靠度、建筑背景資料及決定性程序獲得資料)。火災模式的影響因子應考慮模式的輸出量(例如：溫度、速度、熱通量)及合格標準(例如：偵測所需時間、達到人類無法承受的時間)。火災模式也為概率模式，主要進行火災風險評估，分析事件樹(Event Tree)與概率，使火災風險降低。

火災場景的設定對消防安全性能設計十分重要，即在消防安全設計之前，需先輸入火災場景的參數資料，再依假想場景去執行消防安全設計。

為能達到上述目標，火災場景的設計應予以合理的量化分析。如今火災發展模式在工程計算、計算機評估以及概率統計等方面，都已具有較合理的推算與評估，這使得火災燃燒的成長速度、熱釋放率、衰退期等較復雜的狀態均能被較接近真實地模擬，因而可以較正確地推算出危險狀況發生的時間，從而尋求確保人員生命安全的避難對策。火災場景的假想，應以實際工程為基礎，即針對實際使用空間的避難路徑、出口設置、樓梯設置、建筑物裝修材料及內含物的發熱量、避難人員數、避難人員屬性等實際狀況設定。

我國在今后的若干年中，要實現對火災的定量評估，至少要建立下述6個分析子系統：

(1)起火空間內火災發生與發展的過程模擬；

(2)煙及有毒氣體蔓延規律的模擬；

(3)火勢沿起火間之外空間的蔓延：

(4)火災報警、滅火及防排煙系統綜合工況的模擬：

(5)消防救援行為介入狀況的模擬；

(6]人員安全疏散的路徑與行為的模擬。

為了正確地給定性能規范的安全原則，最基礎的一項工作是建立科學系統的火災發生及損失的概率統計方法，包括：

(1)對建筑物進行合理的類別劃分，并統計各類建筑物實際存在的平方米數量和火災發生時損失的數量。

(2)確定火災損失率的概率分布模型，并確定火災損失率的數學期望和方差值。

(3)從概率的角度，對同型和非同型的火災事件進行計算處理，并最終給出各類建筑火災危險性的概率度。

建立各類建筑物的火災荷載數據庫

在從事性能化設計時，最重要的一步是確立火災載荷的大小與位置，一個錯誤的火源設計可能導致整個性能設計的失敗。

火災載荷密度與設計火災發展過程密切相關，而后者正是防火設計中最基本的輸入參數之一，因而火災載荷數據確定對防火系統性能設計具有至關重要的影響。我國目前基本上沒有火災載荷的相關統計方法和確定的數值。因此，應通過試驗和統計的方法盡快建立適合中國國情的火災荷載密度數據庫。同時，應考慮國際通用的方式和計算單位，以便信息交流和共享。具體工作包括：

(1)通過實際調查和實驗確定各類建筑材料和設施的燃燒熱值。

(2)用概率統計的方法處理火災荷載的分布型式。統計表明火災荷載的分布不服從正態分布，而表現為極值I型分布。因此將樓層火災荷載作為隨機現象，將其概型化、抽象化為統計數學模型，并根據調查數據尋其統計規律，應該是可行的途徑之一。

(3)鑒于建筑結構的可變荷載與火災荷載的統計分布均服從極值I型分布，因此可以探討在這兩者之間建立某種邏輯聯系，進而確定兩者間的比值關系。這將會使規范編制和設計選用工作大大簡化。

性能計算方式的選擇

在以往，所謂的性能化設計似乎只是空談，要真正落實幾乎是一項不可能的任務。但近年來世界上許多發達國家實現了這個夢想，并將其應用在現實社會當中。我國也感受到性能化設計的發展確實有其必要性。

性能設計的關鍵是如何建立計算模型和采用適合的計算方法。目前流行的做法有兩類，一是以日本為主的簡算預測法，二是以歐美為主的電算模擬法。

在日本，目前性能化防火設計尚未單獨立法，而且其偏好使用火災預測簡單公式進行計算，所以在個別火災項目中有大量簡單公式完整的介紹。其中當然也還有可以加強之處，比如關于火災進程、閃燃現象的發生以及火災探測與抑制方面的預測公式尚未出現，當此部分也完成的時候，日本簡算公式將會成為相當好的整體火災預測模式。而且，其簡算公式中每一個參數的選擇都是非常嚴謹的。

在英、美、澳三國(澳大利亞的法規源自于英國)，計算體系中的同質性相當高，目前已經有完整詳細的規范提供給防火設計人員參考。歐美國家普遍習慣采用計算機模擬軟件進行火災預測與火場重建工作，因此對于火災預測公式的發展不像日本那樣完善。但是他們對于計算機模擬軟件的開發不遺余力，模式也發展得越來越成熟，同時由于目前計算機的效能越來越高，進行火災模擬的時間與精確度都大幅提升，因此采用計算機進行模擬也是性能法規驗證的方法之一。

鑒于我國目前的實際情況，筆者認為可以采取簡算預測與計算機模擬相結合的方法。

安全疏散模擬

消防安全系統的目的不外乎是確保人身安全和減少財產損失兩個方面。人身安全有賴于安全疏散系統的可靠，因此，在各國的性能法規中，安全疏散設計都占有重要的地位。

避難安全設計的最終要求為驗證實際所需的避難時間應低于避難容許時間。所以避難安全設計時，需先分析建筑物特性(樓板面積、走道、步行距離、出口寬度、樓梯寬度、數量及分布、建筑物高度、排煙設備等)及人員特性(人數、步行速度、反應能力、分布情形、環境熟悉度等)資料后，再設計火源及火災場景，推算避難所需時間和避難容許時間，驗算合理后，完成設計。

避難安全性能設計主要目的為確保人身安全，然而人的屬性卻是非常復雜的，如年齡、身高、體重、反應能力、敏捷度、耐心、行動能力等個人的特質因人而異，因此對于人口密度高、人數多的場所，在避難評估時若針對每一個人去評估避難結果，則相當費時費力，非人力采用公式驗算所能及。因此，許多國家紛紛建立計算機模擬模式，以驗算公式及相關觀察實驗結果為基礎，評估分析各種建筑的模擬結果，以驗證設計結果是否可以確保人的生命安全。

隨著性能法規發展，英國、美國、日本、澳洲、新西蘭等發達國家已提出許多計算機模式、驗算模式、概率模式等避難安全檢驗方法。這些驗算模式是以長時間的觀察、實驗結果為基礎，再結合工程方法，進而編寫成復雜的計算機軟件，其花費是巨大的。在我國，到目前為止尚未自行研發相關避難驗算模式，因此建立避難安全設計法時，建議采用現有已成熟的評估模式，分析評估各項檢驗模式理論框架，探討其輸入、輸出的諸多使用參數，分析其假設條件及使用特性，判斷其對我國國情特色(建筑物空間規劃、使用特性、人員活動)是否適用可行等，并進而以引用國外技術為主，而不需再重復花費巨大的人力、物力重新建立避難安全檢驗模式。

煙氣控制系統

在火場中，由于能見度低所引起的人們心理恐慌會加大安全疏散的難度，而煙氣中所包含的煙粒子、刺激物及毒性物質可以快速地令人窒息。因此，防排煙系統的設計與評估是性能設計的另一支柱。對煙氣蔓延過程評估時，常常綜合考慮煙氣固有的浮力特性、體積變化、夾帶作用及天花板噴流等效應。對煙氣蔓延規律模擬的目的在于從設計上提高煙層的流動高度，稀釋煙團的濃度，降低煙流的溫度和阻止煙氣進入特定的區域空間。煙氣模擬要設定火源模式，即考慮燃燒的狀態與火勢的發展、質量容積的流速等，繼而要估算煙流量值、溫度值、煙層沉降速度等，要確定排煙系統的工作時機(同時考慮風機、通風口、閥門等)，綜合考慮自動滅火系統開始工作后對煙氣過程的影響等。國外在煙氣模擬計算程序開發方面進展得最快、最成熟。一些商業軟件已可在特定的工程中應用。

目前流行的模擬計算有區域模擬和場模擬兩種，二者都出發于連續介質流動、傳熱傳質和化學反應動力學的基本方程。場模擬能夠以足夠的空間分辨率揭示物理過程的細節，但計算量大，對火焰區的湍流和化學反應的處理較為困難，因此，場模擬主要用于咨詢和評估過程的計算模擬。區域模擬注重整體效果，以適當的工程近似描述各個物理過程，簡化了方程組，大幅度地減小了計算的復雜程度并減少了計算時間，是工程設計主要采用的計算方法。

我國目前已具備深入開展用區域模擬計算方法進行設計計算的設計方法研究的基礎。建立一個好的評估方法體系才能保證性能設計的安全性，并給人們一個比較完整的系統安全概念，因此這是一項非常重要的基礎性工作。

上述為建立性能規范所必須的最基本的條件，除此以外還有許多工作要做。只要我們有一個好的開端，打實基礎，就一定會開創出性能設計的全新時代。