高層公寓建筑的耐火預期的探究

摘 要：針對最常見的建筑情況，規定性消防安全指南提供了一種簡單的方法，以滿足法定建筑法規要求。在規定結構耐火的情況下，建筑物根據其高度和用途，可提供耐火期。這種耐火預期要么是通過結構元件內在實現的，要么通過對其進行保護來實現。這種規定性指導的廣泛目的是在所有建筑類型中提供一致的風險水平。為了實現這一目標，隨著火災頻率和失效后果的增加，耐火系統的可靠性必須提高。這通常表現在建筑的耐火期望值隨著高度的增加而增加。盡管有這種普遍的做法，本文從根本上回顧了耐火作為住宅建筑高度相關指標的概念，確定了這種方法的局限性，并以單樓梯公寓樓為基礎進行論證和進一步調查。提出了一種風險相關性，該模型旨在明確將結構防火設計目標（耐火系統的可靠性）定義為高度和，那么在高層住宅建筑中，噴水滅火系統的可靠性/效能就變得越來越重要。最后，對所提出的方法的局限性作了簡要的討論。

關鍵詞：高層建筑;耐火性;可靠性;

一、現狀與背景

建造更高的住宅樓的趨勢不僅限于商業部門，世界各地都有越來越多的高層住宅樓被提出。通常，高度的增加也與建筑和結構形式的復雜性增加有關。這種復雜性的增加意味著消防工程投入在現代建筑交付中將變得越來越重要，而不是依賴規定性的建議，這些建議旨在滿足更直接的情況。

在結構防火方面，根據建筑物的高度和用途，為建筑物提供耐火期。要求是在適當的時間內保持穩定性。此類規定性指導[1，2]的總體目標是在所有建筑類型和高度上提供一致的風險水平。為了實現這一點，隨著火災頻率和故障后果的增加，耐火系統的可靠性必須提高。這體現在亞洲開發銀行等的表格數據中，其耐火性隨著高度的增加而增加。在數學形式中，該概念可以表示為等式1：

Risk=f*p（f）*c

其中f是火災發生的頻率，P（f）是給定火災導致故障的概率，C是故障的后果。根據[3]中所述的兩種原始替代物，預測了作為高度函數增加耐火性的概念：

（i）火災發生的概率一般來說，火災的概率與建筑物的面積成正比[4]，這是公認的。然而，通常規定性指導的前提是建筑面積與層數成比例，為了便于應用，這只是以建筑總高度表示。也就是說，假設兩棟具有相同用途和高度的建筑，無論其規劃面積或樓層之間的高度（以及層數），每年發生火災的可能性相同。

（ii）由于建筑物高度與層數以及面積相關，故障替代的后果，通常是規定性的指導，受結構故障影響的人數也與建筑物高度成正比。在實踐中，與建筑物居住者相關的故障后果取決于當時該建筑物內的人數。這可以通過面積和層數來更好地描述-層數（而非高度）。如果發生故障，則與不在原建筑物內（或在處理火災過程中進入建筑物的人員）相關的故障后果在很大程度上取決于建筑物的大小。也就是說，建筑越大，對周圍區域、公共空間以及人的影響就越大。在這方面，高度是一個合理的衡量標準，用于評估必須解決的“故障后果”的兩個方面之一。

從上面可以清楚地看出，僅基于高度的耐火性規范并不能從根本上解決提供一致風險水平的概念，因為所確定的替代物比較粗糙。它也不適用于與規定性指導的起源有關的更不尋常或不尋常的情況[5]。具體地說，在住宅建筑的背景下，它并沒有解決住宅建筑可能表現出來的一系列不同的偽裝。鑒于已確定的粗略替代，更合理的風險表達要求故障后果必須考慮包括兩個部分：（i）在起源建筑物（Ci）中的故障后果，（ii）在建筑物附近或外部的故障后果（Ce）。這導致了公式2中風險表達式的一般形式：

Risk=f*p（f）*（Ci+Ce）

防火和住宅建筑與任何其他建筑一樣，住宅建筑僅根據高度提供防火性能。如果最頂層的合格樓層超出某些通用高度帶，則耐火性會發生階躍變化，如表1所示。

公寓樓火災發生的頻率受建筑面積的影響較小，受其中包含的住宅數量的影響較大[4]。這是因為所有住宅火災中有很大一部分起源于客廳和廚房，而臥室的火災通常發生在所有類型的住宅中。因此，幾乎所有類型的公寓都存在最大的著火風險。因此，通常將住宅樓火災發生的頻率表示為與住宅數量成正比[4]。火災中結構失效的后果（就對建筑物居住者的影響而言）將是直接受影響人數的函數。簡單來說，這可能與給定公寓樓中包含的住宅數量有關。與許多其他建筑類型類似，住宅建筑的大小（高度）將影響與其故障相關的損壞區域，從而影響附近居民的后果。此外，建筑高度將對FRS進入并最終應對火災所需的時間產生重大影響。

住宅建筑中的風險表達在公寓建筑中，建議火災發生頻率與住宅數量（N）成正比。失效概率僅涉及超過整個防火系統設計置信度的火災（R，包括主動措施的貢獻，如灑水器），并以可能導致倒塌的火災表示。因此，由此產生的風險相關性如式3所示：

Risk=N*（1-R）*（Ci+Ce）

任何風險相關性都必須以任何特定社會所能容忍的最低績效水平為背景。根據亞洲開發銀行的建議設計的公共建筑（隨后適當建造）可達到可接受的健康和安全標準，這一點是可以接受的。也就是說，在當前環境下，社會（以及政府）對與火災死亡相關的統計數據感到滿意。因此，所呈現的風險相關性可與公共建筑的“可接受”設計相關聯，該設計可提供可接受的風險水平。然后，在評估不太常見（或不尋常）的建筑情況時，該風險水平（或風險分數）被視為一個常數，從而得出描述任何公寓建筑變體的耐火系統所需可靠性的相關性。

二、風險相關性校準

重新審視風險相關性——單樓梯公寓樓（每層七套公寓樓）的基線情況被用作校準第節中提出的風險相關性的基礎。

根據ADB設計的公共建筑被視為為為建筑內部和附近的人提供適當水平的健康和安全。因此，它們符合英國可接受的社會風險水平。如果將多個基準樓層堆疊起來形成一棟建筑，則建議將其視為“普通建筑”的代表，前提是它是符合規范的建筑的同義詞，其公寓類型和大小符合近期和歷史國家統計趨勢。根據由此產生的樓層倍增高度，該建筑預計將達到相關耐火性能。如果它是根據該文件設計的。考慮到火災發生的頻率，重新審視相關關系，公寓樓每年的火災數量將與其中包含的住宅數量成正比。在后果的背景下審查相關性，并確保尺寸一致性：（i）建筑物起源的居住者的后果（Ci）可以表示為“典型居住者樓層的有效數量”，這是相對于基線情況測量的。也就是說，建筑物中的公寓總數（N）除以基準樓層公寓數量。（ii）外部受火災影響的后果（Ce）可表示為“典型高度相關樓層的有效數量”。在這種情況下，任何建筑的高度都是相對于基準情況的層間高度進行標準化的。結果是一個以有效層數表示的組合結果度量（Ci+Ce）。更新后的風險相關性如公式4所示，風險單位為（公寓樓）：

Risk=N*（1-R）*（N/7-H/3）

四座示范建筑由統計上典型的公寓組成，與之前確定的類型和面積分布相對應。耐火要求可參考確定。最初的結果是在沒有灑水保護的前提下給出的。也就是說，結構是實現耐火性的唯一途徑（無論是內在的還是通過保護）。如果將該方法應用于特定項目，則考慮到所討論的特定建筑的細微差別。所有情況下，由于其高度，都會落在結構耐火預期分布的嚴重端。然而，盡管如此，從最低耐火預期到最高耐火預期仍有大約20分鐘的時間范圍。

典型的做法是為所有高度超過30米的公寓樓提供灑水保護。因此，考慮到這一點，給出的結構耐火性數據將有所緩和。灑水保護的影響可以通過多種方式考慮。在相關指南的情況下，火災荷載密度可降低39%。這會導致產生的火災動態發生扭曲，因為該原則適用于閃絡后火災模型，在實踐中，如果噴頭成功運行，該模型不會達到如此嚴重的程度。或者，更現代的方法如試圖通過考慮噴頭的可靠性，將結構可靠性與耐火系統的整體可靠性區分開來。

三、結語

制定了一種新的方法，其中高層單樓梯住宅建筑的設計目標是在火災發生頻率、失效概率和失效后果的背景下表達的。該方法與統計數據有關，這些數據可能構成典型的“普通”、單樓梯、公寓樓，以及相關的耐火預期。雖然與英國統計數據和社會風險容忍度有關，但該方法適用于其他國家，需要重新校準。研究結果表明，同一高度的不同公寓樓所呈現的風險水平差異很大。因此，如果要達到一致的風險水平，則必須考慮建筑高度以外的變量來指定耐火性。擬建公寓的總數會影響火災發生的可能性和后果。故障的后果既要考慮對建筑物居住者的影響，也要考慮對附近或隨后進入建筑物的人（如消防隊）的影響。結果是一種相關性，明確地將生命安全目標定義為公寓數量和建筑高度的函數。該方法是在考慮到高層單樓梯住宅建筑的情況下臨時制定的（這在建筑中越來越常見）。在高層多樓梯住宅建筑的情況下，出現了其他尚未考慮的復雜性。也就是說，有限數量的結構構件（即僅限于火源所在單位的構件）的失效會對建筑物整體的穩定性產生什么影響（如有）（以及由此對失效后果產生的相關影響）。該方法以單一居住建筑為前提，不考慮混合使用租賃的影響。如果不超過高層單樓梯公寓樓的常規結構耐火極限（通常限制為120分鐘），那么在高層住宅樓中，灑水系統的可靠性變得越來越重要，可能需要額外的彈性。

參考文獻：

1. Communities and Local Government （2007） Approved Document B （fire safety）—buildings other than dwellinghouses. The Building Regulations 2010. CLG， London

2. British Standards Institution （2008） Code of practice for fire safety in the design， management and use of buildings. BS 9999. BSI， London

3. Kirby BR et al （2004） A new approach to specifying fire resistance periods. Struct Eng 84（19）：34–37

4. British Standards Institution （2003） Application of fire safety engineering principles to the design of buildings. Probabilistic risk assessment. PD 7974-7. BSI， London

5. Ministry of Works （1952） Fire grading of buildings. Post-war building studies No 20： Part I： general principles and structural precautions， Her Majesty’s Stationery Office， London

6. Ramachandran G， Charters D （2011） Quantitative risk assessment in fire safety， 1stedn. Spon Press， London

7. London Fire Brigade （2015） Fire facts—fires in greater London. LFB， London

8. Department for Communities and Local Government， （2015） Statistical data set Live tables on house building.

鄭學高，澠池縣消防救援大隊，1984年4月出生，河南科技大學，計算機科學與技術專業，本科學士，現任澠池縣消防救援大隊大隊長，主要負責防火和戰訓工作。