淺談建筑性能化防火設計的發展及應用

陳思帆

(公安消防部隊公安高等專科學校，云南 昆明 650208)

近年來，隨著經濟和科技的快速發展，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，建筑外保溫新材料的不斷投入使用，使得現代建筑逐漸向大型化，復雜化，功能化的趨勢發展。這些建筑往往體量大，使用功能復雜，人口密度大，建筑形式及結構多種多樣，同時也存在更多的著火源和可燃物，為消防安全帶來諸多問題[1]。一旦發生火災， 建筑物內部燃燒速度快，火災蔓延途徑多，疏散和撲救都極為困難，易造成極大的損失和傷亡，威脅人民群眾的財產安全。因此，如何能夠有效利用現有的防火技術進行設計并最大化的保障建筑消防安全是新時期下賦予我們的一個新課題[2]。

目前，在我國建筑防火設計中，最傳統的方法即“規格式設計”，也就是業內所稱的“處方法”，顧名思義它是一種基于場所的類型，對照國家最新的技術規范和行業標準所進行的設計[3]。雖然依照"規格式設計"方法對建筑進行防火設計具有一定的科學性和合理性，但對于現代建筑而言，每棟建筑物的結構和用途以及可燃物的數量和種類都不同。所以根據規范所作出的建筑防火設計方案，并不一定是最完美的解決方案。可見"規格式設計"方法所設計的方案存在著相當大的局限性。因此對于當今的建筑防火設計，非常需要建立一種更加科學合理，并可以達到本質安全的設計方法，建筑性能化防火設計方法就是在這種條件下產生的[4]。

1 性能化防火設計簡介

性能化防火設計依據《關于印發< 建設工程消防性能化設計評估應用管理暫行規定> 的通知》(公消[2009]52號)第二條，建設工程消防性能化設計評估(以下簡稱性能化設計評估)，是指根據建設工程使用功能和消防安全要求，運用消防安全工程學原理，采用先進適用的計算分析工具和方法，為建設工程消防設計提供針對性的防火設計參數和方案，或對建設工程消防設計方案進行綜合分析評估，完成相關技術文件的工作過程。

建筑性能化防火設計的主體思想是在做建筑整體防火設計時提出本質消防安全所需要的性能要求或技術指標，而不是直接要求設計者為達到此目的必須采用規定的設計方法。如何達到這一指標要求，采取什么樣的工程措施則由設計者自身決定，但最終設計者要向建筑防火設計審核者證明其所設計的建筑防火方案是滿足要求的，審核者則需使用相應的評估工具檢驗方案設計是否符合消防安全的總體目標。

性能化防火設計相較于 "規格式設計"具有以下四點優點：

(1)有利于實現防火設計的科學合理化和成本效益最大化。因為性能化防火設計是統籌考慮建筑物整體的防火設計，綜合考慮防火設計因素，并不按照其中某個部分孤立研究。

(2)有利于設計者發揮其創造性。因為傳統的規格式防火設計依規行事，必須按照現行設計標準和規范，將每一個技術因素考慮的仔細周全，局限了設計者的思路。而性能化防火設計只需要考慮建筑物整體的消防安全目標是否達到，能否滿足消防安全要求，至于選擇什么方法進行設計則完全取決于設計者。

(3)有利于新技術和新材料的使用和推廣。性能化防火設計在使用和推廣新材料和新技術上有其得天獨厚的優勢，因為其設計方法靈活多變，更能滿足現代高層建筑及大型綜合體的建筑設計要求。

(4)有利于制定防火預案。因為在性能化防火設計過程中，已經就預設火災類型和火災場景進行仿真模擬，對于科學合理的制定防火預案和逃生方案有所幫助。

2 性能化防火設計的研究現狀

2.1 國外研究現狀

相對于我國而言，國外的性能化防火起步較早，累積的經驗也較豐富，相關技術手段和算法也較成熟。國外的性能化防火設計起源于20世紀70年代，在此期間歐美發達國家陸續建設了一大批超高、超大、設計新穎、風格獨特的標志性建筑。在這些建筑的防火設計過程中經常遇到無法滿足防火規范要求的問題。既而許多國家開始對這一類建筑逐步采取性能化防火設計的新方法。還有的國家著手對現行防火設計規范進行修編和完善，并嘗試制定一套滿足性能化防火設計的規范。

日本在20世紀80年代初期制定了一步為期五年的發展計劃，專門用于研究性能化防火設計。1998年，日本借鑒了其他國家的研究進展，進一步完善建筑防火設計的規范體系。新體系更加重視以下幾個方面，包括火災煙氣控制，人員安全疏散，火災發生的預防，建筑結構的耐火等級，火災向毗鄰建筑蔓延的預防等等。

英國早在1973年就統一制定了大部分建筑的法律法規，并逐步形成了國家級的防火設計規范，但該規范仍然屬于規格式設計防火規范。在1985年和1991年，英國兩次修訂建筑防火設計規范，明確規定可以將性能化設計方法作為一種常備的防火設計方法。

美國從20世紀70年代以來，對建筑性能化防火設計進行系統研究，直到20世紀80年代，在美國火災研究基金會的領導下推行了國家火災風險評估項目。1997年，Caster和Meacham出版了《以性能為基礎的火災安全導論》這一性能化防火研究歷史上的重要著作，標志著性能化防火研究進入新階段。

澳大利亞在1989年起草頒布了《全國建筑防火系統規范草案》，這部規范草案對一些歐洲國家產生了極其深遠的影響，同時其中部分的章節也被國際標準化組織所采用。1996年，澳大利亞正式首次頒布實施了建筑性能化防火設計規范。

2.2 國內研究現狀

20世紀80年代，我國便已開展了建筑性能化防火設計規范的研究工作。直到1986年，天津消防科學研究所編譯了“火災模化方法的發展”的相關著作，對幾個仿真模擬計算軟件做了全面地介紹，并探討了FAST程序在我國的應用前景。1987年至1996年期間又連續多次舉辦了關于火災科學與消防技術的國際研討會，極大的推進了我國火災計算機模擬仿真和火災危險評估方面的研究。

21世紀初至今，我國又多次召開關于消防科學與技術的國際會議，其中一個非常重要的議題就是建筑性能化防火設計。截至目前，我國性能化防火設計研究工作已取得一系列成果，比如四川消防科學研究所研究的《大空間公共建筑火災疏散評估技術》和《高層建筑性能化防火設計安全評估技術》等，在建筑設計方面也有很多新建的大型綜合體和地標性高層建筑應用了性能化防火設計方法。然而，由于建筑防火設計涉及內容之廣，全面實現從規格式設計向性能化設計的轉變十分困難，因此未來還是要加強度建筑性能化防火設計的研究工作。

3 性能化防火設計的主要步驟

建筑性能化防火設計主要分為以下七個步驟，詳情見圖1。

圖1 建筑性能化防火設計主要步驟

3.1 確立消防總體安全目標

總目標包括性能化目標和性能化標準兩個方面。性能化目標是依據建筑物的社會目標、功能目標和社會期望，來制訂的相對應的性能要求。性能化標準是針對建筑內具體的消防設備或消防系統提出的防火技術指標和設計指標，比如消防設計中的一些臨界值的設定等等。

3.2 確立性能化指標和設計指標

對建筑物結構及內部可燃物、人員分布等特征進行詳細分析，確立性能化指標和設計指標。這些指標建筑防火設計的前提和基礎，如對安全通道和安全出口、防排煙系統、消防材料、自動報警系統、應急供電照明等方面的具體要求等等。

3.3 建立合理的火災場景

火災場景的搭建涉及到如著火源的設置、火災荷載的計算和可燃物種類等，要使建立的火災場景更加逼真，必須依靠龐大的數據庫系統。火災場景是對特定的火災類型從著火階段開始到火災成熟階段以及火災所造成的破壞的描述。建立火災場景時可以使用一些參數如熱釋放速率、火災增長速率、物質分解物和物質分解率等來表現其特征。

3.4 選擇適當的計算模擬方法

根據前期建立的火災場景，選擇適合的計算公式和計算方法，選取符合建筑物火災特點的模擬仿真模型。同時按照火災科學的理論，模擬分析計算火災可能發生的地點或蔓延的途徑和范圍，火災煙氣的蔓延擴散方向，消防設施的工作情況，人員疏散和逃生行為等。合理的選擇火災模型和計算模擬方法可以準確衡量不同防火設計方案下火災危險程度，從而根據每個建筑物自身特點選定最為經濟合理的防火設計方案。

3.5 確定初步設計方案

通過模擬計算得出初步的設計思路進行性能化防火設計，同時可以參考一些同類型建筑的工程實例，這些技術方法都是經過大量科學實驗和工程實踐總結出來的。設計者可以以此作為參考，選擇相應的技術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。

3.6 提出和評估設計方案

提出和評估設計方案是對設計者所設計的方案進行全面分析和合理評價的過程。主要是為了證明擬采用的設計方案的有效性和合理性，確定是否能夠滿足建筑本質安全。目前常用的評估方法包括等式分析、相關性分析、實驗分析和計算機模擬分析等。通過這些方法分析建筑消防安全的可靠性，當所提供的防火設計方案不能滿足要求時，則必須修改完善。在此過程中，通常會提出多個性能化防火設計方案，并分別進行評估，以確定最佳的設計方案。

3.7 確定最終設計方案

確定最終的性能化防火設計方案，并對方案的評估分析整改過程進行詳細記錄，這是方案能否最終通過的關鍵因素。最終提交的分析報告和設計方案都要滿足審核部門和客戶的要求。

4 對于性能化防火設計的幾點建議

從當前的應用情況看，建筑性能化防火設計的研究和應用有效地降低了火災發生的風險，減小了火災發生的危害，但在很多方面還有所欠缺，國內的應用也不夠廣泛，因此提出以下幾點建議。

4.1 加強對火災基礎科學的研究

由于火災發生和發展的復雜性，對火災發展蔓延機理的研究還有待進一步深入和完善。性能化防火設計方法的好壞很大程度上取決于是否建立合理的火災模型。因此，應加強火災基礎科學方面的研究，這既可以為各種火災模型的建立提供堅實的理論依據，又可以在保障性能化防火設計時的準確性。

4.2 開展對火災模擬軟件的的研發

現階段我國主要應用的火災模擬軟件大都是國外開發的，在應用時有一定的局限性。例如最常用的火災模型有美國NIST開發的一種場模擬程序FDS；美國NIST開發的區域式計算多室火災與煙氣蔓延的程序CFAST；由英國火災研究站開發的專用于火災過程場模擬計算的模型JASMINE。可見國外在此方面的研究相對成熟，我國也應組織相關人員在對國外軟件深入研究的基礎上，取長補短，開發出適合的火災模擬軟件。

4.3 建立健全性能化防火設計相關法律法規

目前我國性能化防火設計相關法律法規還不健全，制訂符合我國自身情況的性能化設計的法規就顯得十分有必要。通過對發達國家的性能化防火設計總結經驗，制定相關法律法規不能一蹴而就，必須循序漸進，同時視各項前期基礎工作以及性能化防火設計的應用情況而定。

4.4 建立性能化設計的評估體系

與規格式設計方法相比，性能化設計的評估過程需要更多的時間，這對我國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計者所選用的方法及所選用計算方法的可行性，那么就有可能將方案駁回。因此評估體系的建立十分有必要，一是為了簡化審批人員的工作量，二是對設計人員提出了系統的要求，三是架起了審批人員與設計人員中間的一道橋梁。

5 結語

綜上所述，建筑性能化防火設計是一項復雜的系統工程，必須經過較長時間的努力，必須由政府有關部門牽頭組織，并投入較大的人力物力，需要各個方面協調配合，統籌規劃，從而盡快完善性能化防火設計方法，使之更好的服務于經濟社會的發展。