基于韌性的建筑設計防火技術的探討

楊琦

引言

伴隨著經濟和技術的發展，建筑的規模和數量不斷增加，建筑設計防火的技術也面臨著新的挑戰。作為事故災難類突發公共事件，火災事故是一個風險事件，同時也會造成一定的社會和經濟損失。從韌性的角度思考，探討建筑設計防火技術，引入韌性防火的新概念，有助于控制風險和災害損失，有助于協調建筑設計防火各系統之間耦合和關聯的關系。韌性防火可以擴展到韌性消防的全過程綜合治理之中，避免了傳統防火思維將各種各樣的不確定性拒之于外的弊端，提高防火的效率。堅持主體自主能動性基礎上，讓防火系統有多樣性和自治性，形成足夠的冗余讓建筑設計防火的韌性變得越來越強，為韌性城市提供城市安全運行的保障。在此基礎上，構建韌性防火的評價指標，對評判建筑設計防火的能力具有積極的意義。

韌性的概念

（一）韌性

韌性（Resilience）較早出現在材料力學中，它表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。在材料試驗中有三個階段，即彈性階段、屈服階段、破壞階段（圖1），其中破壞階段又分為強化階段和局部變形階段。彈性階段遵循胡克定律，即拉伸彈性模量E＝σ（應力）/ε（應變）。材料分為脆性材料、塑性材料，超過a點（比例極限荷載）后就有失效風險。b點為最大屈服強度，c點為極限荷載處。其性能的判定有強度要求、剛度要求、穩定性要求。

圖1 材料試驗中應力與應變之間的不同階段

要判斷材料的韌性，只要看屈服階段。在屈服階段，如果從開始進入屈服點，到徹底破壞，這個延長階段比較長，證明材料的韌性比較好，反之為脆性材料。韌性越好，則發生脆性斷裂的可能性越小。

彈性（Elasticity）則是描述一個物體在外力的作用下如何運動或發生形變，在除去使其變形的外力作用后即刻恢復原狀的能力。兩者均為運動或發生形變的屬性描述，具有吸收屬性和恢復屬性。

（二）韌性城市與韌性防災

在《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》中，提出了“韌性城市”的概念。 韌性城市（Resilient City）通常指城市對災害的承受能力、應對和恢復能力以及對未來風險的適應能力。聯合國國際減災署（UNDRR）在2013年3月提出，城市必須在制定低碳可持續發展路線的同時，采取提高其韌性應對災害能力的措施。這也是聯合國提出的可持續發展目標之一。韌性城市包括生態韌性、經濟韌性、社會韌性和工程韌性。它可以建立災害模型，對防災系統的韌性進行評估與規劃，提出韌性決策模型和措施的評價。

從剛性到彈性、韌性，針對的是易損性到恢復性、適應性。工程韌性在于響應和恢復的彈性，其目標是恢復到原狀態中的一個運行狀態能力，重點是效率穩定性和可預測性，其注重低頻率高影響的干擾分析，韌性（彈性）防災與脆弱性和適應性是相互聯系又有區別的。

韌性防災正是基于韌性的理論在應對災害中采用的對策，其評價可采用不同的維度、目標和指標。韌性防災的主要特征和維度有：魯棒性（抵御災害和減輕損失的能力）、冗余性（備用設施和資源的補充能力）、包容性（功能、產業、文化和社會的多樣性）、恢復性（受災后盡快恢復的能力）和適應性（從以往災害中獲得的災害適應能力）。火災災害也是城市災害的維度之一，韌性防火有利于保障城市的可持續發展，有利于應對各種變化或沖擊，減少城市發展過程中防火的不確定性和脆弱性，該理念可以應用于建筑的防火設計。

韌性防火與建筑設計

（一）韌性防火

韌性防火就是提高防火功能的韌性，在應對火災災害中有更強的適應性、安全可靠性，可以及時得到功能恢復。韌性防火主要包括以下三個能力：各防火系統吸收災害并維持建筑基本運轉的能力、各防火系統能自我適應并抵御災害的能力、消防系統從災害中恢復并提升抵御未來更嚴重災害的能力。

1.韌性防火的設計目標

通過韌性防火的設計，需要達到以下四個目標：發生火災時能夠最大限度地保障人民生命安全；保障城市或建筑機能承受巨災沖擊，并維持整個系統的相對穩定性；最大限度地保障公共設施安全，最大可能地減少災害損失；盡可能快速實現災后恢復重建。這就要求從防火設計到設計防火的觀點轉變。

2.韌性防火的特征

韌性防火應具有靈活性（flexible）、冗余性（redundant）、魯棒性（robust）、機敏性（resourceful）、反射性（reflective）、包容性（inclusive）、集成性（integrated）的特征。如在消防設施上，強調可維護性；在滅火劑的選擇上，需要有可恢復性。

韌性防火與傳統防火是有區別的。在防火系統上，從分離元素到功能關聯，從獨立系統到耦合系統。在防火層次上，從安全控制到功能控制，從工程領域到社科政經。在防火體系上，從被動抗火到主動防火，從各自為政到協同聯動。在防火教育上，從重點領域到全面防火，從被動學習到智慧學習。

韌性防火的要素包括主體性、多樣性、自治性、冗余、慢變量管理、標識幾個方面。其中，慢變量管理需要通過微計量和智慧防火的方法，通過物聯網的手段建立模型，大數據來預測火災的風險發展。標識系統可以在火災發生后引導人員的疏散、減少火災造成的次生災害損失。韌性防火有利于預防“黑天鵝”事件（極不可能發生但實際上又發生的重大影響事件），也可以預防“灰犀牛”事件（大概率且影響巨大的潛在危機事件）。

（二） 防火設計

防火設計包括建筑防火、結構抗火和消防設施，共同組成相互關聯的關系。它與建筑特征、使用的人與設備運行狀況、外部環節、救援能力密切相關（圖2）。韌性防火的設計就是在防火設計中提升能夠應對、吸收、適應火災風險并及時有效地從火災災害影響中得到恢復的能力。

圖2 防火設計中防火內部系統與外部因素的關系

根據曾杰先生的研究表明，在建筑防火的耦合性方面，從消防科學、消防技術、消防工程，以“合”的法則構劃建筑防火的層面與角度；從績效的建筑防火目標設置、關聯的建筑防火技術合成、冗余的建筑防火策略優化，以“和”的法則追求建筑防火的整合與控制；從性能化評估是化解突破與規定矛盾的明智稀釋劑、市場化服務是化解落實與執行矛盾的理想黏合劑、第三方公正是化解運營與監督矛盾方面，以“中”的法則凸顯建筑防火的化解與過渡。

在建筑消防設施的關聯性方面，滅火系統、報警系統、排煙系統之間是相互關聯的，報警系統控制模式的啟動時間、部位與排煙系統密切相關，排煙系統的熱量、溫度、煙氣層的高度直接影響到自動噴水滅火系統灑水噴頭的啟動，自動噴水滅火系統的預作用系統需要由報警系統聯動以保護財產防止誤噴和水漬。

在滅火的系統選擇方面，需要結合建筑、火災和水滅火的特點，考慮系統的安全性、適用性、經濟性和水消防節能減排、環保的原則。在滅火救援中，韌性的防火設計要確保火災中不產生結構的連續性倒塌。

韌性防火的評價指標與展望

（一）韌性防火的評價指標

1.韌性防火的評估指標體系

韌性防火是防災體系的一部分，火災的風險無處無時不在。防火要轉向具有韌性的火災防御、減少火災損失，提升火災的免疫力。韌性的防火措施可分為工程措施和非工程措施，工程措施中又可分為建筑防火、結構抗火、消防設施幾個方面。

韌性防火需要評估以判斷其不同的能力。評估指標選取原則考慮層次完整性、典型代表性、可行可獲性和客觀可量化。現提出韌性防火的指標體系，根據韌性的特征，建議分為一級指標和二級指標，對韌性防火評估指標按重要性排序、一致性檢驗賦予權重，構建完整的評估模型，具體見表1。

表1 韌性防火的評價指標

2.可靠性與可靠度

建筑需要從全生命周期保障其防火的安全性、可靠性，從延長其正常工作時間來提高產品可用性，而消防設施的維修性是從縮短其停機時間來提高可用性。可靠性可以對防火的不確定性進行預測，消防設施可靠性指標主要有無故障性、宜修性和耐久性。可靠性的定性分析需要可靠度的定量體現，按其邏輯關系量化出可靠性，采用可靠度進行定量評價。

消防設施的冗余性上對關鍵的功能設施應具有一定的備用模塊。例如，在消防給水系統中，消防給水管網可能同時有市政給水或消防水池經消防水泵向管網供水、高位消防水箱向管網供水、消防水泵接合器向管網供水，備用模塊宜采用不同的類型作為補充。

（二）韌性防火的展望

安全是人類永遠的話題，防火安全是生活、城市運行的底線之一。根據馬斯洛需求層次理論，安全需求處于生存的功能性層面。在面臨著越來越多的不確定性中，如何讓建筑防火安全。韌性防火作為一種新的發展理念，有助于應對城市、建筑危機的新模式和可持續發展的新方向。

在宏觀面上，構建基于韌性的城市與建筑防火基本理論框架與分析方法，創建多元參與和消防救援的新模式（圖3），將韌性防火應用到消防的全生命周期工作中。在中觀面上，開展建筑防火承載力評估適應城市更新與既有建筑改造的需求，分析結構抗火性能及安全性，研究消防設施可靠性及維護管理策略，引入復雜適應系統（CAS）新方法對外界的干擾做出自適應反應以提高建筑韌性，探討防火功能退化模型與時變可靠度，形成消防設施的耐久性評估與設計。在微觀面上，提倡建筑防火的智慧韌性，利用建筑消防安全的物聯網開展防火大數據深度的計算和分析、風險評估與預測預警、決策分析服務、監測薄弱環節、防護處置救援，建立建筑防火設計的方法，完善設計原則、規范標準、性能化、設計導則、設計指南與手冊，研究加強消防設施系統設計的技術措施。

圖3 韌性防火的多元參與和消防救援模式示意圖

結語

建筑設計的不斷變化，給建筑設計防火帶來新的挑戰、提出了新的要求。這種外部不確定性的增加需要我們深入思考，如何讓建筑防火在應對沖擊時做出積極響應、實現自我的快速恢復。

韌性防火可以提高抵御火災災害的能力，通過建立評估指標體系、模型，規劃、設計防火的韌性，從而使城市在面對沖擊和壓力時仍然能夠保持基本的功能、結構、系統和特征不變，讓城市和建筑基于安全韌性，追求活力宜居、綠色可持續，營造安全、高效、宜居的生活環境。