建筑物性能化消防设计方法及其应用情况

                       
    摘要：从性能化设计与“处方式”设计比较出发，介绍了性能化消防设计方法的概念和流程、建筑物性能化消防设计的内容，以及国内外性能化设计的应用概况，指出了在性能化设计方法的推行中所遇到的一些困难，并提出了对性能化设计方法在消防设计中应用的展望和我国如何发展性能化规范及其配套技术的建议。

     关键词：性能化设计；处方式设计；消防设计；火灾模型   

1  前言
    如果说纳米技术使新材料的研究起到了革命性飞跃，那么也可以说性能化设计方法将开创消防科技的新局面。   
               
    消防设计目前有两种设计思想，一种是传统的“处方式设计方法”，其基于场所类型进行设计考虑；另一种是“性能化设计方法”，它立足于危害分析及火灾假想，对于解决超越法规或现行法规无法解决的复杂建筑的消防设计具有很大意义。
               
    由于性能化防火设计的方法与传统的设计方法相比具有许多优越性，所以很快成为建筑防火的一种新理念，并将发展成为建筑防火技术领域里一个全球性发展潮流，受到许多发达国家和发展中国家的高度重视，得到越来越广泛的应用。
2  性能化消防设计的概念
    性能化消防设计是建立在消防安全工程学基础上的一种新的建筑防火设计方法，它运用消防安全工程学的原理与方法，根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等方面的具体情况，由设计者根据建筑的各个不同空间条件、功能条件及其它相关条件，自由选择为达到消防安全目的而应采取的各种防火措施，并将其有机地组合起来，构成该建筑物的总体防火安全设计方案，然后用已开发出的工程学方法，对建筑的火灾危险性和危害性进行定量的预测和评估，从而得到最优化的防火设计方案，为建筑结构提供最合理的防火保护。
    与“处方式”设计相比较，性能化设计方案更关注是否能够实现“保证人员疏散和灭火救援不受火灾烟气影响”这一“目的”，而不是拘泥于满足规范要求的最低排烟量。性能化的消防设计方案通过科学的论证，能够提供比之处方式的消防规范更为安全的设计表现效果，比较起来，性能化设计方案具有设计成本有效性，设计选择多样性及设计效果更为优化性的特点。
               
    性能化消防设计的两个关键点，第一是确认危害，第二是明确设计目标。具体来说，它针对建筑物的特点，建筑物内人员特点，建筑物内部操作方式，建筑物外部特征，消防灭火组织特点等。从而针对每种危害或者每个设计区域选择设计方法及评估方法。这种设计方法突破了传统设计针对建筑物结构类型、相应的层高及面积的限制，同时提供了更加灵活而有效的设计选择性。
               
    性能化消防设计包括确立消防安全目标，建立可量化的性能要求，分析建筑物及内部情况，设定性能设计指标，建立火灾场景和设计火灾，选择工程分析计算方法和工具，对设计方案进行安全评估，制定设计方案并编写设计报告等步骤。在设计过程中，需要对建筑物可能发生的火灾进行量化分析，并对典型火灾场景下火灾及烟气的发展蔓延过程进行模拟计算，因此计算的工作量以及各类基础数据的需要量非常大，往往需要采用计算机火灾模拟软件等分析和计算工具。
3  性能化消防设计的流程
                              
    性能化设计利用火灾科学和消防安全工程建立设计指标，评估设计方案；并利用火灾危害分析和火灾风险评估建立从总体目标和功能目标到火灾场景等领域内所需要的参数。性能化的消防安全设计是一种可以对诸如非工程参数(如人在火灾中的行为和反应)进行定义的工程过程。
4  建筑物性能化消防设计的内容
    建筑物的性能化消防设计主要包括两个方面的设计内容：一是保证建筑内人员安全疏散的性能设计，二是保证建筑构件耐火的性能设计。
                      
    人员安全疏散的性能设计是从建筑内人员安全方面进行考虑的，通过综合考虑各种火灾因素对人员逃生的影响，采用性能化的设计方法来保证建筑物内人员的火灾安全性，从而防止人员伤亡。其性能化的设计准则是：烟层下降高度和烟气浓度达到人不能忍耐的时间大于人员安全疏散所需的时间。
             
            构件耐火的性能化设计是从建筑物的稳定性方面进行考虑的，通过分析建筑构件在火灾中的反应，采用性能化的设计方法来保证建筑物结构的火灾稳定性，从而防止建筑物的倒塌。其性能化设计准则是：火灾持续时间小于构件的耐火时间。

             5  国内外性能化设计应用概况 
              自20世纪80年代英国提出了“以性能为基础的消防安全设计方法”(performance——based fire safety
            design
            method，以下简称性能化防火设计)的概念以来，日本、澳大利亚、美国、加拿大、新西兰以及北欧等发达国家政府先后投入大量研究经费积极开展了消防性能化设计技术和方法的研究，南非、埃及、巴西等发展中国家也都纷纷开展了这方面研究工作。世界各国都在积极推行性能化设计方法的应用，并取得了巨大成就。
             
            英国于1985年颁布了第一部性能化防火规范，包括防火规范的性能化修改，新规范规定“必须建造一座安全的建筑”，但不详细确定应如何实现这一目标。
            
            新西兰1991年的建筑法案对建筑监督立法体系进了彻底调整，于1992年发布了性能化的《新西兰建筑规范》，新规范中保留了处方式的要求，并作为可接受的设计方法，于1993年强制执行。1993～1998年，继续开展了“消防安全性能评估方法的研究”，制定了性能化建筑消防安全框架；其中功能要求包括防止火灾的发生、安全疏散措施、防止倒塌、消防基础设施和通道要求以及防止火灾相互蔓延五部分。
              瑞典于1994年发布了新的包含有性能化设计内容的建筑防火设计规范。
              澳大利亚于1996年颁布了性能化防火设计规范的《澳大利亚建筑设计规范》(《Building Code of
            Australia》，简称"BCA")，并自1997年7月1日起，在各州政府陆续推行。
             
            巴西于1999年颁布了新的《钢结构防火设计》和《对建筑构件耐火极限的要求》两部标准。这是南美首次制定的建筑标准，由SaoPaulo大学、Mi—nasGerais大学和OuroPreto大学编制。标准中引入了如时间计算方法与风险评估方法以及其他消防安全工程设计方法等性能化的新概念，允许建筑物的火灾安全根据其火灾荷载、建筑物高度、建筑总面积以及灭火设备的安装与否等条件确定，而对建筑物的耐火等级不做要求。
             
            日本政府于1998年6月对《建筑基准法》进行了修订，引入了一些有关性能化设计的内容，并于2000年6月施行；另外，还于2003年8月开始对《消防法》进行修订，计划于2005年施行。
              加拿大于2001年发布了性能化的建筑规范和防火规范，其要求将以不同层次的目标形式表述。
             美国也于2001年发布了《国际建筑性能规范》和《国际防火性能规范》。
               
            目前，已有不少于13个国家(澳大利亚、加拿大、芬兰、法国、英国、日本、荷兰、新西兰、挪威、波兰、西班牙、瑞典和美国)采用或积极发展性能化规范和基于规范结构形式下建筑防火设计方法，并取得了一定成果。中国也正在加紧性能化设计方法的研究和性能化设计规范的制定。公安部所属消防研究所承担了几项有关性能化设计的国家十五科技攻关课题，如公安部天津消防研究所承担的“建筑物性能化防火设计技术导则”的研究和制定，公安部四川消防研究所承担的“高层建筑性能化防火设计安全评估技术研究”等。

            6  推行性能化设计方法是一个逐步过程
            
            尽管建筑物消防性能化设计方法有很多优点，作为性能化设计技术的基础一“火灾模型”在性能化设计中起着举足轻重的作用，但它们作为一种新生事物，还不为人们所理解和接受，特别是建筑设计师和建筑管理部门的人员都不太了解这种新的设计方法。
            
            有人曾对美国、中国香港和澳大利亚的建筑管理人员在对待性能化设计和处方式设计在能否保证建筑消防安全，以及火灾模型是否足以支持性能化设计的态度进行了一个调查，并进行了比较。发现半数以上的管理人员认为性能化设计不能保证建筑的安全，三分之二以上的管理人员认为处方式设计能保证建筑的安全，以及三分之二以上的人认为火灾模型不足以支持性能化设计。调查结果参见表1。
              

            世界各国几乎都存在着类似这样的情况。在很长一段时期内，建筑设计师和建筑管理人员对性能化设计技术还存在一个从初步认识、深入了解到最终肯定的意识转变过程。
              
             另外，对于采用性能化方法设计的建筑，如何正确地评估其消防安全性方面也存在很多技术上的难题有待解决。

            7  展望
            
            性能化消防设计已成为世界性建筑消防设计发展的必然趋势，它的发展将大大促进消防安全设计的科学化、合理化和成本效益的最优化，并将产生十分重大的社会效益和经济效益。尽管目前还有许多人不太理解和排斥使用它，但我们坚信随着时间的推移，将会有
               越来越多的人加入到肯定性能化设计方法的行列中来。据日本方面的统计，采用性能化方法进行消防设计的建筑正在逐年增加。
             我国也应该加快性能化规范及配套技术的研究步伐，充分发挥性能设计的优越性。今后应从以下几个方面人手，促进性能化设计技术的发展：
              (1)加强各种火灾预测模型和火灾风险评估模型的研究，拓展性能化设计方法的应用空间。
             (2)加强新材料、新技术研究，规范材料性能参数，建立和完善消防数据库，提供准确的性能化指标，为性能化应用积累基础性数据。
            
            (3)深入研究火灾规律、火灾情况下建筑内人员逃生规律和构件变化规律，为各种火灾模型的建立提供坚实的理论依据，并拓展计算机技术在消防中的应用。
             (4)积极向建筑设计师和建筑管理人员介绍性能化设计方法，使他们从认识、理解并自觉接受性能化设计方法。   
             (5)出台可操作性强的性能化设计指南，使建筑设计师能尽快地掌握性能化设计方法的使用。   
             (6)制定性能化消防设计规范，为性能化设计方法的应用提供法律依据。