第四章建筑性能化防火設計評估

第一節概述

本節介紹了什么是性能化防火設計方法，該方法的發展過程及與傳統的防火設計方法的區別，建筑性能化防火設計方法能夠解決的問題及所運用的手段和工具，及該方法的局限性。

一、性能化防火設計產生的背景

隨著生產力的發展和社會財富的積累，火災發生的頻率和造成的損失越來越大，火災的防治技術也越來越受到人們的重視。1666年9月英國倫敦發生火災，大火持續了4天，約80%的城市被燒毀。為了防止建筑物之間火災的蔓延，英國制定了第一部有關消防的建筑規范，規定了建筑物之間的最小間距，并對建筑材料的使用進行了限制性規定。同樣，世界各國的建筑防火設計規范都是長期以來人們與火災斗爭過程中總結出來的防火滅火經驗的體現，同時綜合考慮了當時的社會經濟水平、科技水平以及其他國家的相關經驗。這些規范中大多數規定是依照建筑物的用途、規模和結構形式等提出的，并且詳細地規定了防火設計必須滿足的各項設計指標或參數，設計人員不需要復雜的計算和分析過程，容易理解和掌握。

由于每座建筑的結構、用途及內部可燃物的數量和分布情況千差萬別，因此按照規范統一給定的設計參數得到的設計方案，不一定是最合理和最有效的。特別是隨著科學技術和經濟的發展，各種復雜的、多功能的建筑迅速增多，新材料、新工藝、新技術和新的建筑結構形式不斷涌現，這些都對建筑的消防設計提出了新的要求，出現了許多規范難以解決的消防設計問題。在這種形勢下，上世紀70年代出現了性能化防火設計的概念，到現在為止，已被10多個國家所接受，并成為當前國際建筑防火設計領域研究的重點。

所謂性能化防火設計，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設計參數、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。

雖然性能化防火設計是社會經濟發展的必然趨勢，但性能化防火設計的出現與火災科學和消防安全工程學的發展是分不開的。從19世紀末英國出現了利用金屬受熱膨脹原理制成的感溫火災自動探測裝置以來，消防工程技術的發展已有100多年的歷史。1946年第一臺電子管計算機在美國研制成功，半導體和微電子技術發展迅速，計算機技術在社會各領域得到了充分的應用，消防工程技術也得到快速提升，各種智能化的火災探測和自動滅火系統不斷涌現。特別是大容量高性能計算工作站的出現，科學計算的能力越來越強大，使得大量復雜的火災數據分析和處理成為現實，這些都為性能化防火設計的發展提供了基礎。

火災科學與消防工程是一門以火災發生與發展規律和火災預防與撲救技術為研究對象的新興綜合性學科，是綜合反映火災防治科學技術的知識體系。火災科學是反應火災發生與發展規律的知識，如物質的燃燒與爆炸機理、火焰的化學反應機理、燃燒抑制與滅火機理、煙氣的生成及其毒性，以及火災的發展、蔓延與控制等基礎理論內容。消防工程是反映應用科學與工程原理防治火災的知識，如對火災危險性和危害性的分析評估、火災模化、建筑防火技術、火災探測報警技術、自動滅火技術、阻燃與耐火技術、火災原因鑒定技術、火場通信指揮技術，以及人在火災中的行為和反應，包括體能、心理和生理等，是應用基礎理論和應用技術部分。可見，性能化防火設計是建立在火災科學和消防工程學基礎之上的一門應用技術，它的出現是火災科學和消防工程學發展到一定階段的必然結果。

美國、英國、日本、澳大利亞等國從20世紀70年代起就開展了性能化防火設計的相關研究，如火災增長分析、煙氣運動分析、人員安全疏散分析、建筑結構耐火分析和火災風險評估等，并取得了一些比較實用化的成果，各國紛紛制定各自的性能化防火設計規范和指南等文件。

二、我國性能化防火設計發展

我國從1980年代初期就開始了火災模化方面的研究，此后在火災科學、火災動力學演化、建筑火災煙氣運動等方面也開展了大量工作。但直到1995年國家“九五”科技攻關項目“地下大型商場火災研究”，我國還只有少數從事此方面研究的人員對建筑物性能化防火設計有所認識。1996年，特別是1997年FORUM會議(天津)以后，我國開始組織人員比較系統地搜集整理和分析研究國內外有關建筑物性能化設計與標準方面的成果與信息。

“十五”期間開始針對建筑性能化防火設計技術進行深入研究，在國家“十五”科技攻關課題《城市火災與重大化學災害事故防范與控制技術的研究》中分別開展了建筑物性能化防火設計技術導則的研究、高層建筑性能化防火設計評估技術研究、中庭式建筑性能化防火設計方法及其應用的研究和人員密集大空間公共建筑性能化防火設計應用研究等。

在這些研究工作的基礎上，相關機構同時開展了工程應用。公安部天津消防研究所在“十一五”國家科技攻關項目中，開展了建筑物性能化防火設計規范研究項目，以保障我國建筑工程的消防安全水平，規范建筑消防安全工程技術在實際工程中的應用。

三、性能化防火設計與傳統的規范做法對比

傳統規范的技術要求是建立在部分火災案例的經驗和火災模擬實驗等研究基礎之上。歷史上防火規范的出現和發展有著其相關的社會背景。當時人們掌握的科學技術水平尚無法透徹、系統地認識所處的客觀社會，因此人類的技術行為難免呈現出多樣性和不確定性。而為了保證工程最基本的安全度，有關的社會組織便通過一些成功的經驗和理論描述，制定出了一些規范條文去約束相應人員的技術行為。

傳統的規范對設計過程的各個方面做了具體規定，但難以定量確定設計方案所能達到的安全水平。傳統規范具有以下的特點：

(1)沒有細化的設計目標;

(2)所使用的方法是確定的;

(3)不需要再對設計的結果進行評估確認。

應該說，傳統的防火設計規范為社會的發展和進步做出了巨大的貢獻，但從社會進步的角度看，也存在著一些不足之處：

(1)無法給出一個統一、清晰的整體安全度水準。現行規范適用于各類建筑，而各種建筑風格、類型和使用功能的差異，則無法在現行規范中給予明確的區別。因此，現行規范給出的設計結果無法告訴人們各建筑所達到的安全水準是否一致，當然也無法回答一幢建筑內各種安全設施之間是否能協調工作以及綜合作用的安全程度如何。

(2)是經驗及科研技術的總結，難以跟上新技術、新工藝和新材料的發展。規范嚴格的定量規定妨礙設計人員使用新的研究成果進行設計，盡管這樣的設計可能導致系統安全程度的提高和投入的減少，但很可能會與規范不符。大多數的規范條款來源于對歷次火災經驗教訓的總結，這種經驗總結不可能涵蓋所有的影響因素，尤其是隨著建筑形式的發展而出現的新問題，更不可能是規范編寫者在幾年，甚至十幾年前編寫規范時就能全部考慮到的。

(3)限制了設計人員主觀創造力的發展。非靈活的、太過具體的規范條文，常常桎梏設計人員的想象力，無形中僵化了人們的思維。與此同時設計者對規范中未規定或規定不具體的地方，也會因盲目性而導致設計結果的失誤。比如人們可以這樣認為：符合規范條文要求的設計就是合格的，而對于規范沒有規定的因素，設計人員就無從著手了。因此對任何小的細節考慮不周都可能導致系統失效，完全背離設計的宗旨。

(4)無法充分體現人的因素對整體安全度的影響。建筑是為人類的生產和生活服務的，人的素質無疑在很大程度上影響著建筑防火安全的水平。比如人的生產、生活習慣，樓宇物業管理水平，人在火災中的心理狀態等都在事實上成為安全設計的主要考慮因素之一。然而，現行規范中無法充分體現該類因素的作用。

當前，建筑防火相關領域新成果的不斷涌現和現代信息處理技術，在不斷充實現行的規范體系。與傳統的防火設計規范相對比，性能化的防火設計規范具有以下特點：

(1)加速技術革新。在性能化的規范的體系中，對設計方案不做具體規定，只要能夠達到性能目標，任何方法都可以使用，這樣就加快了新技術在實際設計中的應用，不必考慮應用新設計方法可能導致與規范的沖突。性能化的規范給防火領域的新思想、新技術提供了廣闊的應用空間。

(2)提高設計的經濟性。性能化設計的靈活性和技術的多樣化給設計人員提供更多的選擇，在保證安全性能的前提下，通過設計方案的選擇可以采用投入效益比更優化的系統。

(3)加強設計人員的責任感。性能設計以系統的實際工作效果為目標，要求設計人員通盤考慮系統的各個環節，減小對規范的依賴，不能以規范規定不足為理由忽視一些重要因素。這對于提高建筑防火系統的可靠性和提高設計人員技術水平都是很重要的。

由于是一種新的設計方法，工程應用范圍并不廣泛，許多性能化防火設計案例尚缺乏火災驗證。目前使用的性能化方法還存在以下一些技術問題：

(1)性能評判標準尚未得到一致認可。

(2)設計火災的選擇過程確定性不夠。

(3)對火災中人員的行為假設的成分過多。

(4)預測性火災模型中存在未得到很好證明或者沒有被廣泛理解的局限性。

(5)火災模型的結果是點值，沒有將不確定性因素考慮進去。

(6)設計過程常常要求工程師在超出他們專業之外的領域工作。

需要注意的是，傳統的防火設計規范與性能化的防火設計規范并不是對立的關系，恰恰相反，建筑設計既可以完全按照性能化消防規范進行或與現行規格式規范一起使用，也可以獨立按照消防安全工程的性能化判據與要求進行。在實際工程設計中，并不是所有的建筑物都應該或有必要按照性能化的工程方法進行設計。事實上，目前在一些開展這方面工作較早的國家也只有1%～5%的建筑項目需要采用性能化的方式進行設計，如美國，約1%;新西蘭和澳大利亞，約3%～5%;德國，約1.5%。在我國，部分地區可能達到3%～5%，但總體應不會超過0.5%。

建筑物的消防設計必須依據國家現行的防火規范及相關的工程建設規范進行。只有現行規范中未明確規定、按照現行規范比照施行有困難或雖有明確規定但執行該規定確有困難的問題，才采用性能化防火設計方法。即使如此，所設計的建筑物的消防安全性能仍不應低于現行規范規定的安全水平。

任何建筑的消防安全都是一個復雜的系統工程，要實現其消防安全性能能夠達到一定安全水平，必須根據采用性能化設計的部分出發，從整體設計進行系統的分析研究。即使這樣，也只能通過改善建筑環境來控制和降低其發生火災的可能性及其火災危害，而無法完全消除其火災危險。不同功能的建筑物，需要采用性能化方式進行設計的問題略有差異，但從總體上看，主要有人員安全疏散設施、防火分區面積、鋼結構耐火保護以及建筑防排煙幾個方面的問題。對于設計者提出需要進行性能化防火設計的問題，還必須由省級公安機關消防機構批準。必要時，如某些重大或較復雜的工程建設項目，還應組織相關國家標準管理機構共同復審確定。

四、性能化防火設計核心內容

(一)整體評估

建筑物的性能化防火設計是通過采用至少與現行國家標準的規定等效的方法來實現建筑物的消防安全目標，以解決現行標準與實際需求不相適應或某些不完善的規定所帶來的問題。消防安全評估既是為了驗證其設計方法及其結果是否與現行規范的規定等效或者是否能達到與該建筑相適應的消防安全水平，也是為了便于進一步修改和完善現有設計方案。因此，任何一項性能化防火設計均必須在設計后經過相應的消防安全性能評估程序。此外，消防安全評估不僅局限于對新建建筑設計的安全性能進行評價，而且還可以單獨對現有建筑或新建筑設計中采用的新材料等的消防安全性能進行評估，以確定其是否需要改造以及如何改造。

建筑物的性能化防火設計應包括設計、消防安全性能評估和方案改進與完善，設計與消防安全性能評估是一個相互有機結合的整體。但建筑物的消防安全性能技術評估也可以由第三方中介技術組織獨立進行。在驗證其等效性時，不得從其他國家的規范中斷章取義引用條文，而應以我國國家標準的規定為基礎進行等效性驗證。

(二)專業人員

建筑物性能化防火設計是一門專業要求較高的技術性工作，是火災科學和消防安全工程涉及到的多門學科知識的綜合運用。從業人員不僅應該熟悉消防技術法規，能夠根據設計對象的功能與用途、高度和內部建筑特征確定其消防設計目標(如保證建筑物內使用人員的人身安全、結構穩定性等)以及相關的定量性能標準，而且能比較準確地確定和描述設計火災場景和設定火災，采用合適的方法(如選擇或建立建筑物內火災蔓延和煙氣運動等的物理模型和數學模型等)，選擇和使用適當的分析預測工具，對火災探測與報警系統、自動滅火系統、防排煙系統等消防系統有相當了解，能夠預測和分析、評價其可行性、有效性與可靠性。

此外，建筑物的消防安全水平的高低與建筑消防投資密切相關，合理確定該指標也是性能化防火設計的重要內容。

(三)程序控制

遵循一定的設計程序是保證設計質量的前提，特別是在進行性能化試設計和評估驗證階段。建筑物性能化設計一般在設計方案或擴初設計階段進行，由設計師、業主、消防工程咨詢專家等共同參與實施。建筑物性能化防火設計的一般程序為：

1.確定建筑物的使用功能、建筑設計的適用標準;

2.檢查為實現建筑師的設計思想與業主的要求，現行標準中哪些規定無法按規定要求實施，從而確定需要采用性能化設計方法進行設計的問題;

3.進行性能化試設計和評估驗證;

4.修改完善設計并進一步評估驗證確定是否滿足所確定的消防安全目標;

5.提交審查與批準。

因此，設計或評估人員應明白性能化防火設計的基本步驟、每一步驟中涉及的主要問題和內容以及各步驟之間的相互關系與影響。

五、性能化防火設計主要內容

(一)確定設計火災場景與設定火災

火災場景的特征必須包括對火災引燃、增長和熄滅的描述，同時伴隨煙和火蔓延的可能途徑以及任何滅火設施的作用。此外，還要考慮每一個火災場景的可能后果。

設定火災采用描述火災增長的模型。目前主要有火災模型的溫度描述和火災模型的熱釋放速率描述兩類。時間溫度曲線主要用于計算構件溫度，熱釋放速率模型主要用于計算煙氣溫度、構件溫度和運用區域模型進行火災模擬等。

在運用火災模擬模型進行性能化防火設計與評估時，主要依據火災的熱釋放速率模型。火災的熱釋放速率曲線能否代表火災的真實情況直接影響性能化防火設計與評估的可靠性及其應用。

熱釋放速率曲線可直接通過火災實驗獲得，但由于實尺寸火災實驗的費用較大，此類可用的實驗數據較少，而較多的是中型火災實驗與實驗室規模的火災實驗數據(如錐形量熱計、墻角實驗、單體燃燒實驗、大型錐形量熱計和基于質量損失速率的測試方法)。當無法找到有待考慮的可燃組件的實驗數據時，可以采用類似的火災實驗數據替代。

在一定種類可燃物分布和相應的通風條件下，火災發展的最大熱釋放速率主要受最大的火源面積控制。點火初期火源的面積對火災的增長將產生較大影響，可以將點火初期的火源面積理解為點火源的能量。

可燃物的火焰蔓延速度是指可燃物點火后沿水平和空間方向的蔓延速度，由于可燃物在空間上的蔓延速度及其對火災蔓延的影響十分復雜，目前多采用水平方向的蔓延速度描述火災發展的面積。

(二)不同類型建筑的火災荷載密度確定

火災荷載密度是可以比較準確地衡量建筑物室內所容納可燃物數量多少的一個參數，是研究火災全面發展階段性狀的基本要素。在建筑物發生火災時，火災荷載密度直接決定著火災持續時間的長短和室內溫度的變化情況。建筑物內的可燃物可分為固定可燃物和容載可燃物兩類。固定可燃物的數量很容易通過建筑物的設計圖紙準確地求得。容載可燃物數量很難準確計算，一般由調查統計確定。

目前國內尚無火災荷載密度方面的調查統計數據，國外發達國家如美國、加拿大、日本等有一些這方面的調查統計數據。

(三)煙氣運動的分析方法

在一定的建筑空間和火災規模條件下，煙氣的生成量主要取決于羽流的質量流量，它是進行火災模擬、火災及煙氣發展評價和防排煙設計的基礎。由于火災煙氣的復雜性，目前的羽流計算多采用基于實際火災實驗的半經驗公式，比較著名的有Zukoski模型、Thomas-Hinkley模型、McCaffrey模型等，但這些模型有著各自不同的實驗基礎和適用條件，對同一問題各模型得出的結果往往存在著差異，世界上幾個著名的建筑火災區域模擬軟件(如CFAST、MRFC等)都采用了不同的羽流模型，這給火災的煙氣運動分析帶來困難。

Zukoski(1)、Zukoski(2)和NFPA模型適用于小面積火源條件下的羽流質量流量計算，Thomas-Hinkley模型適用于大面積火源條件下的羽流質量流量計算，McCaffrey模型既適用于小面積火源也適用于大面積火源條件下的羽流質量流量計算。另外，各國還在積極開發新的煙氣運動分析模型，如場模型、場-區-網模型等。

(四)人員安全疏散分析

各國對于建筑物內消防安全疏散中人員的疏散時間的計算方法，在理論上基本一致，但具體時間確定和疏散指標方面存在一定差異。人員安全疏散設計與評估必須考慮我國的實際情況和分析影響人員疏散時間的主要因素，根據建筑物的內部特征、使用人員特性和建筑物內消防設施情況及其影響等，確定安全疏散設計原則和疏散的模擬計算方法，并在預測計算的基礎上與現行國家標準的規定進行比較，最后確定一個合理的人員疏散時間。

在該部分的設計與評估中，重點要解決疏散安全的評估(驗證)方法，根據模型的假設條件、不同建筑內人員在火災中的行為與心理特征，比較準確地考慮相關不確定性所帶來的影響。

(五)主動消防設施的對火反應特性分析

在很多建筑物中設有自動噴水滅火系統或其他自動滅火系統(如干粉、氣體、泡沫和細水霧等)，火災發生后一定時間內，這些滅火系統將動作并向可燃物噴灑滅火劑，可燃物的燃燒狀態將被改變，可燃物的熱釋放速率將減小，直到最終火災熄滅。不同的滅火劑、滅火系統和噴灑強度等均對可燃物的燃燒狀態產生不同的影響。可燃物在采取滅火措施后的燃燒狀態是評價滅火系統滅火有效性的基礎。

目前，已有一些描述采取滅火措施后可燃物燃燒狀態的模型，一些區域火災模擬軟件也能模擬采取滅火措施后的火災發展狀況，但效果不理想。

(六)火災危害和火災風險的分析與評估

火災風險與評估的主要目標是準確辨識系統中存在的火災危險因素，對這些因素的影響程度做出恰當的評價，并在此基礎上對火災的發生和發展過程及其危害做出預測，提出控制與處理事故的措施和方案。

火災風險評估的判定標準是社會或者決策者的價值表述，它可以是一個極限值、極限值范圍或者一個數值分布，每個風險評估對象都有屬于自己的風險評估判定標準。風險評估判定標準的確定與風險承擔者的可接受風險水平有關。因此，在確定火災風險評估判定標準之前，應知曉對風險承擔者可接受的損害和傷亡水。

風險評估一般應確定火災危害并對火災危害的概率和危害后果進行量化、確定危害控制方案，進而量化火災風險和選擇合適的保護措施。

(七)性能化設計與評估中所用方法的有效性分析

設計者之間的知識和經驗水平有很大差別，應注對所用分析方法的準確性和有效性進行科學的分析和驗證。

六、性能化防火設計問題

實際建筑工程的情況千差萬別，應積極分析研究國外的相關火災發展與蔓延、煙氣運動、人員安全疏散和結構耐火分析方面的模型與方法，開發具有自主知識產權的分析與計算工具。廣泛進行各類場所內火災荷載調查和各種典型火災場景的火災實驗，豐富補充目前的火災實驗數據庫。

(一)研究各類常見公共建筑內的人員荷載和人在火災中的行為特征與心理，研究人員的疏散過程

商場、會展建筑、復雜的高層建筑、體育館等公眾聚集場所是消防安全管理的重點。由于地域差異對人員密度的影響、人員個體之間的行為和心理、社會背景以及建筑火災本身等給人員疏散所帶來的不確定性，使得這一過程變得復雜。這也是導致當前疏散模型較多的主要因素。當前急需研究開發與我國人體特征和行為習慣相適應的分析模型。

(二)研究滅火系統對火災蔓延、煙氣運動的影響，建立定量分析滅火系統對火反應模型

目前，主動消防設施對火反應的分析僅限于其響應時間的計算和對火災發展的定性描述。事實上，不同環境和不同類型的火災在不同滅火設施的作用下，其效果具有顯著的差異。只有定量地分析和評價滅火系統對火災發展的影響，才能準確分析火災的蔓延與煙氣生成量、煙氣運動情況、合理地選擇需要設置的滅火系統類型。

(三)研究結構耐火性能化設計的方法

根據建筑物的高度、使用性質和規模、體量、火災場景等考慮其耐火等級并進行相應的建筑構件耐火設計是實現安全與經濟統一的途徑之一。但目前建筑結構耐火性能方面的研究主要集中于材料在受火高溫作用下的性能和構件耐火性能的研究。國際標準化組織等機構的相關工作也仍在進行中。在這方面，既要進一步開展系統的結構耐火性能研究，又要重視其設計方法的開發。

(四)培訓專業技術人員，規范性能化防火設計與評估人員的資質和職業道德

從事性能化防火設計與評估的技術人員應當系統地學習火災科學、火災安全工程、消防法規等專業課程，具有火災燃燒方面的知識和火災危險分析能力，具有良好的職業操守。建議政府的消防主管部門充分發揮消防研究所、高等院校的力量，組織開展相關教育和培訓，制定相關資質認證要求和程序，進行資質審查與監督管理。

隨著消防安全工程的快速發展，消防安全工程學已隨著其潛力、復雜性以及應用性而在基礎理論、方法學和實用工具領域得到較大的發展，性能化的防火設計方法也會越來越完善。

建筑物性能化防火設計與評估為實現建筑設計的多樣化，更好地滿足建筑功能需要提供了一條新的途徑。但我國要推廣建筑物性能化防火設計與評估技術還需要開展大量工作，既要循序漸進、積極探索、發展和完善這一技術，也要充分認識到現行建筑防火設計方法的重要性。

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（責任編輯：）

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