以性能为基础的建筑防火设计探讨思维导图

目前，我国建筑防火设计是依据有关《规范》进行的，这种设计被称为“规范化设计”。随着社会的进步，这种设计方法越来越难以适应现代建筑所表现出的“形式多样、功能复杂”的特点。从80年代开始，国际建筑界和火灾科研界已有许多学者在倡导“性能化防火设计”也可称之为“火灾安全工程设计法”。这种设计方法不仅可使建筑物的防火设计更合理，而且，能够节约大量的消防投资费用，使火灾防治方案更为科学、经济。

二、性能化设计方法的必要性和步骤

经济不断发展，火灾是难免的。减少火灾及其损失每一项的设计方案都不是完美无缺的。我们只是在寻找一个更科学，更合理的方案。实践证明，性能化设计在现阶段是比较灵活合理的一种设计方法，更适应现代建筑发展的需要。

(一)现代建筑的发展趋势的特点：

外观体量的庞大化、摩天化，显示了现代建筑的雄伟和神奇，各类功能场所在一起，共同组成一个建筑群，甚至一个超大规模的建筑物，建筑高度不断增高，这给消防灭火的登高作业、内攻侦察、火场供水等都带来了不少困难。结构外壳的轻灵化、通透化，创新了现代建筑的风格与形象；新颖的钢结构使建筑的跨度增大，荷载减少；玻璃或金属的幕墙的运用使建筑外形日趋明快。但这些却都造成建筑的耐火等级的降低，建筑构件的耐火极限的缩短，也造成竖向防火分隔难以实施。内部环境的互融化，智能化，丰富了现代建筑的情趣和内涵，花园式室内庭院；集中控制的楼宇设施，将整个建筑融为一体，相映生辉，产生充满韵味的空间组合，给人以舒适和贯通的感觉。但是传统的建筑防火分区的措施难以落实，火灾的排烟更加困难。

现代建筑发展的趋势迫切要求有与之相适应设计方法的出现。

(二)性能化设计的几个步骤

“性能化设计”的主要目的在于解决某些现代建筑设计方案超过《规范》设定要求的问题。主要步骤有：

1.防火安全目标

防火安全目标是安全系统最终应达到的总体效果，安全目标中还包括两个较为具体的项目“性能目标和性能标准。性能目标是消防系统必须满足的建筑物在防火、灭火等方面的具体要求。性能标准更加量化，它是指单个消防设备或整个系统的有关技术指标，性能标准所提供的临界值可以在设计方案中作为计算数据使用。

2.建筑物内部的可燃物、人员等的具体特征，并确定设计指标。

3.建立火灾场景模型。

该过程涉及到防火设计中一些十分关键的问题，如点火源性状、起火点位置、可燃物种类、火灾荷载、建筑布局等，该过程同时应该给出火灾试验及计算过程需要的技术条件。

4.选择分析计算方法

5.制定设计方案并进行评估

6.对设计方案进行审核，并最终确定设计方案

总之，“性能化防火设计”和“性能化防火规范”是建筑消防设计的发展趋势，要大力开展对“火灾安全工程学”的研究，研究适用于建筑工程设计的消防评估方法和评估模型，开发计算机设计软件，为逐步建立和完善“性能化防火设计”创造条件。

三、性能化设计的火灾安全工程理论基础

建筑工程消防设计包括：总平面设计、防火分隔和建筑构造、安全疏散、消防给水和固定灭火系统、采暖通风和防排烟及电气等内容。

要建立火灾场模型，也是必须基于火灾燃烧理论及火灾中烟气的流动理论。下面仅以安全疏散的“火灾安全工程理论”为代表，对“火灾安全工程理论”加以简要说明。

(一)火灾中的释热速率

释热速率时表示火灾发展的一个主要参数。

Q = φ×m×ΔH(Kj/s)

式中 :φ燃烧速率因子

m 可燃物质量燃烧速率(Kg/s)

ΔH该可燃物的热值(Kj/Kg)

一般认为，应当通过实验来认识典型物品的火灾燃烧特性，据此估计特定火灾中的释热速率。因此尽可能以全尺寸火灾试验来对这些参数进行研究。

(二)火灾烟气产生的特性

火灾烟气是一种混合物，由于它的减光性、毒性和高温的影响，使得烟气对火灾中被困人员生命的威胁最大。

1.火灾烟气的来源

火灾烟气一般来源于：

1)可燃物热解或燃烧产生的气相产物

2)由于卷吸而进入的空气

3)多种微小固体颗粒和液滴

2.烟气的减光性

D = lg(I0/I)

而单位长度光学密度：D0 = lg(I0/I)

根据BeerLambert定律：

I = I0×exp(- KC)

3.烟气的毒性

火灾中具有毒性的烟气，最普遍的是CO。火灾中死亡人员一般是CO中毒。还有许多高分子聚合物的燃烧释放出有毒气体。火灾中缺氧仅是一种特殊情况，并不常见。烟气的毒性不仅来自气体，也来自悬浮固体颗粒和吸附烟尘粒子上的物质。

4.烟气的高温

一般烟气具有较高的温度。人在高温下个人承受极限时间：5-10分钟。但目前火灾危险评估数据为：一段时间内连续暴露的安全温度为：65100℃

(三)烟气的流动

式中：KC—减光系数

KC = - ln(I/IO)/L

KC = 2.303D0

由于烟气的减光性的作用，人们在有烟场合下的能见度必然下降。烟气的减光性对人员的安全疏散构成严重威胁。

根据流体的特性，流动烟气的宽度一般等于空间的宽度。由烟气流动的质量守恒可得：

Q = B × hy × wsy (m3/s)

式中：Q空间流动烟气的体积流量

B—空间宽度(m)

hy — 烟层厚度(m)

wsy—烟气水平流动速度(m/s)

∴wsy = Q / B × hy

由力学平衡式得：

(ρk ρy)ghy = ζ(ρywsy)/2

式中：ρk —空间的冷空气密度

ρy—空间的烟气层的平均密度

ζ—折算系数

∴(ρk ρy)ghy = ζρy /2*(Q/Bhy)2

由实验得ζ= 0.9

∴ hy = 0.9(273+tk)/(tytk)1/3*(Q/B)2/3

式中：Q空间烟气的平均流动速度(m/s)

tk空间的冷空气的温度(℃)

ty空间流动的烟层的平均温度(℃)

四、火灾模型在性能化设计中的应用

在火灾安全工程理论的基础上，我们可以结合实际的建筑物，建立火灾模型，用工程学的方法加以解析，得到科学合理的设计参数。

近年来已经开发的火灾模型有许多中，但设计方向大致有两个。一是采取既定的设计方案，按一定的程序进行设计，然后对计算结果进行评价。二是调用“人员及建筑物”在火灾时的反应状况，对设计结果进行估算。后者的设计方向较为理想化，但因为火灾场景的设定数据比较难以确定，现有数据的数量也相对较少，而且现阶段已确定的数据，可靠性没有保证。建筑火灾的实际情况也不尽相同，所以在现阶段，这种设计方法较难实现。因此，就其可行性而言，一般选用既定的工程学设计方法，根据建筑物的实际情况加以计算，并对结果的安全性进行评价。

五、我国性能化设计的现状及前景

《高规》第1.0.5条：当高层建筑的建筑高度超过250m时，建筑设计防火应对特殊的防火设施进行专题研究，并应提交国家消防主管部门组织专题研究论证。就是针对现代建筑“摩天化”的特点而提出的。而专家论证的本质就是一种性能化设计。我国自90年代以来，摩天大楼在各大城市如雨后春笋般悄然升起；火车站、飞机场和大型集贸市场等大空间建筑层出不穷；智能建筑也在一些发达地区不断兴起。但消防法规的建设却显得滞后。所以现阶段我国的建筑行业迫切地呼唤消防设计的改革。在我国，此项工作大致可分为以下三个步骤推进：

用现有的规范对给定的建筑作出符合规范的消防设计，而后，在“规范化设计”的基础之上，对既定的设计参数和设计方案，运用工程学理论加以确证。所以第一步骤可以称之为“规范化设计”和“性能化设计”的结合。

以工程学理论为指导，对指令性规范作出合理的修改，制定“性能化规范”。如前所述，对火灾场景的设定在现阶段还不能实现，对于模型的建立只能是向“按部就班”的方向发展，制定一部以性能为基础的规范还是有必要的。

通过计算机这一工具，建立火灾场景模型。要建立火灾场景模型，其工作量十分繁重。所以必须有数据库来支持，而且，其中的数据也必须具有一定的可靠性。