關于在性能化防火設計規范中火災模型的重要性

摘要：由于現在城市化的迅速發展，在我國和一些發展中國家人口密集度相對增加，使得人們需要建造大量大型高層建筑。但近年發生在綜合商廈和人群密集的交通樞紐的火災悲劇，警醒著人們要對消防安全設計的重視，尤其是超高層復雜建筑物。本文主要闡述了涉及在世界范圍內掀起的從處方式防火設計規范到性能化防火設計規范的轉變。在性能化防火設計規范的應用中，要求聯合使用基本的和創新的工程設計工具，通過分析某一特定的潛在火災場景來評估相應的火災危險性。火災模型就是這種創新的設計工具之一，特別是火災場模型在建筑消防安全設計中的應用將不斷地增加。

關鍵詞：性能化；防火設計；火災模型；區域模型；渦流燃燒模型

引言

隨著城市的加快發展和防火災科技的進步，在歐洲國家中消防規范中已經將建筑物性能化防火設計規范替換了原有的處方式防火設計。性能化防火設計規范是專門致力于解決傳統的處方式防火設計規范的缺陷的。傳統的防火設計規范詳細地給出了關于消防安全建筑設計各方面的具體說明，但是，該規范無法適用于新的和具有創新意義的消防安全解決方法，也很難推動和適應防火保護領域的新技術發展。本文主要講述了火災場模型作為性能化防火設計規范中的新型設計工具及它的工程應用性和缺點，并確定了必要的改進步驟。

一、性能化防火設計規范的概念

性能化防火設計規范是新型的消防安全設計思路，然而，傳統的處方式防火設計規范是依據建筑和消防專家對一般的建筑防火設計的經驗而設定，把經驗為主的規范作為設計復雜建筑的依據，不能靈活的運用在復雜新穎的設計中，另一方面，性能化防火設計規范的基本概念強調應滿足某種防火保護性能要求，至于如何符合這些性能要求，并不要求建筑設計師采用任何特殊的解決方法。然而，設計師必須向規范執行者證明所選擇的工程方法是可靠的和合理的。

二、性能化防火設計規范的應用

在性能化防火設計規范的應用中，最困難的是要弄清楚規定了怎樣的性能要求。這些要求都與特定的火災場景有關，包括火源以及火勢和煙氣的蔓延，有許多火災場景在一個建筑中都有可能發生。一種可以用來分析消防安全措施的可靠性和有效性的工程設計工具是火災模型的應用，這些模型在世界防火設計研究界中不斷地得到了巨大的發展。

三、火災模型對性能化防火設計的應用及其分析

1.一個火災模型提供了一個關于火災初期的定量物理（和化學）描述，即從某個位置開始點火，緊跟著是火勢的發展和蔓延，并伴隨著煙和其它有毒氣體向下一個鄰近的位置傳播；火災模型是可燃物的材質和幾何形狀，以及主要溫度、流速和壓力條件的函數。一旦指定了一個設定的火災場景，通常利用這樣一個火災模型來為火勢蔓延的動態發展提供定量的信息是可靠的，因此可以確定這種特定火災場景的消防安全設計方案。

2.火災模型可以分為兩大類，稱之為區域模型和場模型。區域模型，將具有不同特征和均一特性的各流層當作一個區域對待。每個區域都可以通過它本身的全部質量、動量、反應生成物和能量守恒，與由經驗關系得出的物理子模型一起來描述，主要以單獨的試驗為基礎，每個區域都將作為強制函數或近似恒等式的函數。結果正是一系列相關的一階非線性常微分方程，可以在個人計算機上很方便地得到數值求解。另一方面，火災場模型以數值求解一系列與質量、動量、能量和反應生成物守恒有關的偏微分方程為基礎。火災場模型及其在建筑火災場景分析應用中的唯一優點是能在時間和空間上準確無誤地模擬動態火災煙氣運動，就象真正火災發生那樣。這些火災模型本身就是更基本、更一般的模型，因為它們并不特別限制于任一特定的火災場景。隨著高能、快速CPU計算機資源的不斷增加，用火災場模型來模擬真實火災場景越來越受到重視。

3.許多消防安全的火災場景與煙氣流、煙粒子、有毒氣體的傳播速度及高溫有關，由于火源和環境的影響，它們會隨時間和空間的不同而變化。盡管當代火災場模型有一些缺陷，但考慮到實際火災現象中一切復雜的綜合效應，火災場模型就特別適合于分析和計算熱氣流中這些有毒物質的增長和蔓延。然而，建筑設計師在實際中會遇到許多可能的設計方案，因此，必須通過研究分析出一組最有可能發生災難的火災場景設計，為適合所有火災場景的性能化防火設計規范提供依據。此外，這些設計的火災場景的選定要依靠與相似建筑有關的風險評估和過去的經驗，以滿足與這種火災相關的參數，如防火、擋煙簾、煙層厚度、防止轟燃、實際防火分區、逃生路線設計等的性能化防火設計規范。

除了為設定的火災場景提供分析方法外，同樣的火災場模型也可以用來為收集火情分析資料提供定量數據的數據庫，以有助于未來建筑的設計。當使用了更好、更新的子模型，處理復雜綜合物理現象的子模型也會不斷地得到更新。

4.在任何火災場模型中，最重要、也最難的子模型是渦流燃燒模型，它需要提供一個給定火災場景的火災熱荷載。盡管我們對渦流燃燒機理在很大程度上已有所了解，但對于如何定量描述該現象仍有相當大的爭論，甚至更大的不確定性是子模型需要的基本內在參數，如反應動力和熱解，而事實上在住宅建筑中通常都缺乏可燃性物質。因此，只需要從一個設定了火災場景的火災中估計出火災荷載（或火災熱釋放速率），即使不使用燃燒子模型，也可以進行火災場模型分析。至今為止，這已在性能化防火設計規范應用領域中達成了一致意見。將一個給定火災場景的火災荷載作為一個設定的參數，稱之為設定火災荷載，它是一個燃料函數，通常接近于一個已知火源或火源本身的特性。在分析一個設定的火災場景時，火災荷載將被賦予一個很可能發生火災的典型值，也可能接近于所估計上限或邊界范圍的值。采用這樣的設定后，火災場模型在應用時就變得非常地簡化了。

四、如何正確使用火災模型

當代火災場模型，特別是在相應的計算機程序的驗證和模型的確認方面仍有一些缺陷和不確定性。計算機程序的驗證只要求部分火災模型的開發者對程序本身進行一些調試，并對他們的計算機程序分析的正確性、連續性和解算收斂等，全部結果都只證明和顯示一次，也可能顯示一些相關問題的近似結果。這樣，解算方案的正確性就可以得到證明。另一方面，火災場模型的確認將給模型開發者帶來更多額外的壓力，因為這要求不斷努力去尋找更有用的數據來擴展對火災場模型有效性的限制，以及改進子模型，使其隨著新研究發明的出現能包含更多參數的應用。只有這樣，火災場模型才能被作為性能化防火設計規范應用的最新設計工具，并有利于它的應用。

同時，應對當代火災場模型的應用給予一定的重視。要求建筑設計師或其使用者不盲目地使用這些火災模型是絕對重要的。設計師必須清楚地了解模型開發的所有條件、假設和以前的驗證與確認，并保證在準備設計的建筑中會遇到這些限制條件。不確定度和靈敏度分析應該是火災模型應用到性能化防火設計規范條例的一個完整部分。需要利用這些結果向建筑設計師、規范的執行者和其他有關人員提供數據來估計消防安全的設計誤差。意識到建筑物中一切實際火災場景都是復雜的現象，并且相應的火災場模型分析必須與過去的經驗緊密結合是很重要的。即使是定性的，這些經驗對于確保計算機程序分析的正確性以保證其有效也是很珍貴的。由此可以看出，為以后參考和使用建立一個數據庫是很有必要的，這個數據庫包括建筑物中的一切實際消防安全和火災記錄的資料，也包括以專門設定了火災荷載的設定火災場景為基礎的火災模型分析的結果。

此外，火災模型不應用得太死板，而應作為一個靈活的工具，可以將基本火災模型進行合理地簡化，以適應特定火災場景的需要。

結語

在不同的國家發展的進度是不同的，不過可以確定的是，性能化防火設計規范在未來十至二十年內將成為大多數國家的標準。建筑設計的性能化防火設計規范應用需要基本的和創新的工程設計工具來滿足消防安全的性能化要求。必須對潛在火災場景的相關火災危害和風險評估進行鑒別和評價。考慮到消防安全因素，需要這樣一種工程設計工具，那就是應用火災模型來模擬多種火災場景，這樣，適當的消防安全措施就可以被設計出來并得以應用。更有前景的是，火災場模型在時間和空間上準確無誤地模擬了動態火災現象，在某種程度上與真實發生的火災類似。

要正確使用火災場模型，需要廣泛地在消防安全領域中對初級建筑設計師、規范執行者和其它專業人員進行專門的工程技術培訓和火災場模型的應用及其詳細理論知識的培訓。