一、引言
  目前,我國建筑防火設(shè)計是依據(jù)有關(guān)《規(guī)范》進行的,這種設(shè)計被稱為“規(guī)范化設(shè)計”。隨著社會的進步,這種設(shè)計方法越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代建筑所表現(xiàn)出的“形式多樣、功能復(fù)雜”的特點。從80年代開始,國際建筑界和火災(zāi)科研界已有許多學者在倡導(dǎo)“性能化防火設(shè)計”也可稱之為“火災(zāi)安全工程設(shè)計法”。這種設(shè)計方法不僅可使建筑物的防火設(shè)計更合理,而且,能夠節(jié)約大量的消防投資費用,使火災(zāi)防治方案更為科學、經(jīng)濟。
  二、性能化設(shè)計方法的必要性和步驟
  經(jīng)濟不斷發(fā)展,火災(zāi)是難免的。減少火災(zāi)及其損失每一項的設(shè)計方案都不是完美無缺的。我們只是在尋找一個更科學,更合理的方案。實踐證明,性能化設(shè)計在現(xiàn)階段是比較靈活合理的一種設(shè)計方法,更適應(yīng)現(xiàn)代建筑發(fā)展的需要。
  (一)現(xiàn)代建筑的發(fā)展趨勢的特點:
  外觀體量的龐大化、摩天化,顯示了現(xiàn)代建筑的雄偉和神奇,各類功能場所在一起,共同組成一個建筑群,甚至一個超大規(guī)模的建筑物,建筑高度不斷增高,這給消防滅火的登高作業(yè)、內(nèi)攻偵察、火場供水等都帶來了不少困難。結(jié)構(gòu)外殼的輕靈化、通透化,創(chuàng)新了現(xiàn)代建筑的風格與形象;新穎的鋼結(jié)構(gòu)使建筑的跨度增大,荷載減少;玻璃或金屬的幕墻的運用使建筑外形日趨明快。但這些卻都造成建筑的耐火等級的降低,建筑構(gòu)件的耐火極限的縮短,也造成豎向防火分隔難以實施。內(nèi)部環(huán)境的互融化,智能化,豐富了現(xiàn)代建筑的情趣和內(nèi)涵,花園式室內(nèi)庭院;集中控制的樓宇設(shè)施,將整個建筑融為一體,相映生輝,產(chǎn)生充滿韻味的空間組合,給人以舒適和貫通的感覺。但是傳統(tǒng)的建筑防火分區(qū)的措施難以落實,火災(zāi)的排煙更加困難。
  現(xiàn)代建筑發(fā)展的趨勢迫切要求有與之相適應(yīng)設(shè)計方法的出現(xiàn)。
 。ǘ┬阅芑O(shè)計的幾個步驟
  “性能化設(shè)計”的主要目的在于解決某些現(xiàn)代建筑設(shè)計方案超過《規(guī)范》設(shè)定要求的問題。主要步驟有:
  1.防火安全目標
  防火安全目標是安全系統(tǒng)最終應(yīng)達到的總體效果,安全目標中還包括兩個較為具體的項目“性能目標和性能標準。性能目標是消防系統(tǒng)必須滿足的建筑物在防火、滅火等方面的具體要求。性能標準更加量化,它是指單個消防設(shè)備或整個系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)指標,性能標準所提供的臨界值可以在設(shè)計方案中作為計算數(shù)據(jù)使用。
  2.建筑物內(nèi)部的可燃物、人員等的具體特征,并確定設(shè)計指標。
  3.建立火災(zāi)場景模型。
  該過程涉及到防火設(shè)計中一些十分關(guān)鍵的問題,如點火源性狀、起火點位置、可燃物種類、火災(zāi)荷載、建筑布局等,該過程同時應(yīng)該給出火災(zāi)試驗及計算過程需要的技術(shù)條件。
  4.選擇分析計算方法
  5.制定設(shè)計方案并進行評估
  6.對設(shè)計方案進行審核,并最終確定設(shè)計方案
  總之,“性能化防火設(shè)計”和“性能化防火規(guī)范”是建筑消防設(shè)計的發(fā)展趨勢,要大力開展對“火災(zāi)安全工程學”的研究,研究適用于建筑工程設(shè)計的消防評估方法和評估模型,開發(fā)計算機設(shè)計軟件,為逐步建立和完善“性能化防火設(shè)計”創(chuàng)造條件。
  三、性能化設(shè)計的火災(zāi)安全工程理論基礎(chǔ)
  建筑工程消防設(shè)計包括:總平面設(shè)計、防火分隔和建筑構(gòu)造、安全疏散、消防給水和固定滅火系統(tǒng)、采暖通風和防排煙及電氣等內(nèi)容。
  要建立火災(zāi)場模型,也是必須基于火災(zāi)燃燒理論及火災(zāi)中煙氣的流動理論。下面僅以安全疏散的“火災(zāi)安全工程理論”為代表,對“火災(zāi)安全工程理論”加以簡要說明。
 。ㄒ唬┗馂(zāi)中的釋熱速率
  釋熱速率時表示火災(zāi)發(fā)展的一個主要參數(shù)。
  Q = φ×m×ΔH(Kj/s)
  式中 :φ燃燒速率因子
  m 可燃物質(zhì)量燃燒速率(Kg/s)
  ΔH該可燃物的熱值(Kj/Kg)
  一般認為,應(yīng)當通過實驗來認識典型物品的火災(zāi)燃燒特性,據(jù)此估計特定火災(zāi)中的釋熱速率。因此盡可能以全尺寸火災(zāi)試驗來對這些參數(shù)進行研究。
  (二)火災(zāi)煙氣產(chǎn)生的特性
  火災(zāi)煙氣是一種混合物,由于它的減光性、毒性和高溫的影響,使得煙氣對火災(zāi)中被困人員生命的威脅最大。
  1.火災(zāi)煙氣的來源
  火災(zāi)煙氣一般來源于:
  1)可燃物熱解或燃燒產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物
  2)由于卷吸而進入的空氣
  3)多種微小固體顆粒和液滴
  2.煙氣的減光性
  煙氣的減光性一般根據(jù)測量一定光束穿過煙場后的強度衰落值來確定。設(shè)I0位易光遠射入長度給定的空間的強度,I為射出強度,其比值I/IO成為該空間的透射率。透射慮倒數(shù)的常用對數(shù)成為煙氣的光學密度。即:
  D = lg(I0/I)
  而單位長度光學密度:D0 = lg(I0/I)
  根據(jù)BeerLambert定律:

  I = I0×exp(- KC)
  式中:KC—減光系數(shù)
  KC = - ln(I/IO)/L
  KC = 2.303D0
  由于煙氣的減光性的作用,人們在有煙場合下的能見度必然下降。煙氣的減光性對人員的安全疏散構(gòu)成嚴重威脅。
  3.煙氣的毒性
  火災(zāi)中具有毒性的煙氣,最普遍的是CO;馂(zāi)中死亡人員一般是CO中毒。還有許多高分子聚合物的燃燒釋放出有毒氣體;馂(zāi)中缺氧僅是一種特殊情況,并不常見。煙氣的毒性不僅來自氣體,也來自懸浮固體顆粒和吸附煙塵粒子上的物質(zhì)。
  4.煙氣的高溫
  一般煙氣具有較高的溫度。人在高溫下個人承受極限時間:5-10分鐘。但目前火災(zāi)危險評估數(shù)據(jù)為:一段時間內(nèi)連續(xù)暴露的安全溫度為:65100℃。
  (三)煙氣的流動
  根據(jù)流體的特性,流動煙氣的寬度一般等于空間的寬度。由煙氣流動的質(zhì)量守恒可得:
  Q = B × hy × wsy (m3/s)
  式中:Q空間流動煙氣的體積流量
  B—空間寬度(m)
  hy — 煙層厚度(m)
  wsy—煙氣水平流動速度(m/s)
  ∴wsy = Q / B × hy
  由力學平衡式得:
 。ρk ρy)ghy = ζ(ρywsy)/2
  式中:ρk —空間的冷空氣密度
  ρy—空間的煙氣層的平均密度
  ζ—折算系數(shù)
  ∴(ρk ρy)ghy = ζρy /2*(Q/Bhy)2
  由實驗得ζ= 0.9
  ∴ hy = 0.9[(273+tk)/(tytk)]1/3*(Q/B)2/3
  式中:Q空間煙氣的平均流動速度(m/s)
  tk空間的冷空氣的溫度(℃)
  ty空間流動的煙層的平均溫度(℃)
  四、火災(zāi)模型在性能化設(shè)計中的應(yīng)用
  在火災(zāi)安全工程理論的基礎(chǔ)上,我們可以結(jié)合實際的建筑物,建立火災(zāi)模型,用工程學的方法加以解析,得到科學合理的設(shè)計參數(shù)。
  近年來已經(jīng)開發(fā)的火災(zāi)模型有許多中,但設(shè)計方向大致有兩個。一是采取既定的設(shè)計方案,按一定的程序進行設(shè)計,然后對計算結(jié)果進行評價。二是調(diào)用“人員及建筑物”在火災(zāi)時的反應(yīng)狀況,對設(shè)計結(jié)果進行估算。后者的設(shè)計方向較為理想化,但因為火災(zāi)場景的設(shè)定數(shù)據(jù)比較難以確定,現(xiàn)有數(shù)據(jù)的數(shù)量也相對較少,而且現(xiàn)階段已確定的數(shù)據(jù),可靠性沒有保證。建筑火災(zāi)的實際情況也不盡相同,所以在現(xiàn)階段,這種設(shè)計方法較難實現(xiàn)。因此,就其可行性而言,一般選用既定的工程學設(shè)計方法,根據(jù)建筑物的實際情況加以計算,并對結(jié)果的安全性進行評價。
  五、我國性能化設(shè)計的現(xiàn)狀及前景
  《高規(guī)》第1.0.5條:當高層建筑的建筑高度超過250m時,建筑設(shè)計防火應(yīng)對特殊的防火設(shè)施進行專題研究,并應(yīng)提交國家消防主管部門組織專題研究論證。就是針對現(xiàn)代建筑“摩天化”的特點而提出的。而專家論證的本質(zhì)就是一種性能化設(shè)計。我國自90年代以來,摩天大樓在各大城市如雨后春筍般悄然升起;火車站、飛機場和大型集貿(mào)市場等大空間建筑層出不窮;智能建筑也在一些發(fā)達地區(qū)不斷興起。但消防法規(guī)的建設(shè)卻顯得滯后。所以現(xiàn)階段我國的建筑行業(yè)迫切地呼喚消防設(shè)計的改革。在我國,此項工作大致可分為以下三個步驟推進:
  用現(xiàn)有的規(guī)范對給定的建筑作出符合規(guī)范的消防設(shè)計,而后,在“規(guī)范化設(shè)計”的基礎(chǔ)之上,對既定的設(shè)計參數(shù)和設(shè)計方案,運用工程學理論加以確證。所以第一步驟可以稱之為“規(guī)范化設(shè)計”和“性能化設(shè)計”的結(jié)合。
  以工程學理論為指導(dǎo),對指令性規(guī)范作出合理的修改,制定“性能化規(guī)范”。如前所述,對火災(zāi)場景的設(shè)定在現(xiàn)階段還不能實現(xiàn),對于模型的建立只能是向“按部就班”的方向發(fā)展,制定一部以性能為基礎(chǔ)的規(guī)范還是有必要的。
  通過計算機這一工具,建立火災(zāi)場景模型。要建立火災(zāi)場景模型,其工作量十分繁重。所以必須有數(shù)據(jù)庫來支持,而且,其中的數(shù)據(jù)也必須具有一定的可靠性。
  六、結(jié)束語
  本文中所提到的“性能化設(shè)計”,也僅限于民用建筑,避免了建筑防火設(shè)計的先天不足,減輕了日后防火工作的壓力;火災(zāi)場景模型的建立,為將來的火災(zāi)調(diào)查工作奠定了基礎(chǔ);火災(zāi)蔓延的場景預(yù)想,也為滅火預(yù)案的制定提供了參考。性能化設(shè)計將消防工作一體化,真正的做到:“以防為主,防消結(jié)合!”