（安全技术及工程专业论文）建筑性能化防火设计及场模拟软件的适用性研究.pdf

a b s t r a c t b u i l d i n gp e r f o r m a n c e - b a s e df i r ep r o t e c t i o ud e s i g ni st h em o s tp o p a n df a s t e s td e v e l o p e d r e s e a r c hf i e l di no v e r s e a sf i r es c i e n c er e s e a r c h , i ti sb a s e do nt h et h e o r yo ff i r es a f e t ya n d r e l a t e da p p l i e dt e c h n i q u e s ，a n di ti st h ei n e v i t a b l ec u r r e n ta n ds u b s e q u e n c eo fd e v e l o p i n go f f i r es a f e t yt e c h n o l o g y a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y , t h ep b d m e t h o dc o m e si n t oc h i n a , b u tt h ef i r es a f e t ye n g i n e e r sa n dt h ea u t h o r i t yh a v i n gj u r i s d i c t i o n h a v ed i f f e r e n tc a p a b i l i t y , i no r d e rt ou n i f yt h ed e s i g na n da u d i t i n ga c t i o n , i ti sn e c e s s a r yf o ru s t od ot h ew o r ko fc o m p i l i n ge n # n e e r i n gg u i d et op e r f o r m a n c e - b a s e df i r ep r o t e c t i o na n a l y s i s a n dd e s i g no fb u i l d i n g sa n dv a l i d a t i n gt h ea v a i l a b i l i t yo fa n a l y s i st o o l s b a s e do nt h ep e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g nm e t h o do fo t h e rc o u n t r i e s ，t h i sp a p e r 仃yt ob r i n g f o r w a r dt h ed e t a i l so fp e r f o r m a n c o - b a s e dd e s i g nm e t h o d i td i s c u s s e dt h eu s a g ea n d a v a i l a b i l i t yi s s u eo ft h ef i e l ds i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n dp r o m p t st h es o l u t i o n t h em a i n c o n t e n t o ft h ep a p e ri n c l u d e ： 1 a n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g nm e t h o da n di t sn o ws i t u a t i o ni no t h e r c o u n t r i e s ，b r o u g h tf o r w a r dt h ed e t a i l so f p e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g nm e t h o d 2 f o u n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nb u i l d i n gf i r eh a z a r da n do c c u p a n te v a c u a t i o nu s i n gt h e g r a ys y n t h e t i ca s s e s s m e n t 3 u s et h eb pn e u r a ln e t w o r k , e s t a b l i s h e dt h em e t h o dt om o d e lt h er e l a t i o n sb e t w e e n b u i l d i n gf i r eh a z a r da n do c c u p a n te v a c u a t i o n , m o d e l e dt h er e l a t i o nu s i n gm a t l a b 4 t h ea u t h o rs i m u l a t e dt h ee x a m p l eu s i n gf i r ed y n a m i cs i m u l a t o ra n da n a l y z e dt h e o c c u p a n t se v a c u a t i o ni nt h eb u i l d i n gu s i n gt h ee s t a b l i s h e dm o d e l v a l i d a t e dt h ea v a i l a b i l i t yo f t h ef i e l ds i m u l a t i o ns o f t w a r ec o m p a r i n gt h eo u t c o m e s k e yw o r d s ：p e r f o n m n c e - b a s e dd e s i g n ；g r a ys y n t h e t i ca s s e s s m e n t ；b pn e u r a ln e t w o r k ；f d s ； a v a i l a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞 洼理工太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蕊而签字日期锄一年稠 学位论文版权使用授权书 1 7 日 本学位论文作者完全了解云洼堡王太堂有关保留、使用学位 论文的规定。特授权云洼理王太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：讯_ _ n 、 菩字日期啊年i ，月i j 日 b 月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 众所周知，火在人类文明的历史进程中所起的作用是不可估量的。然而，它给人类 造福的同时，也给人类带来了灾害。人类在利用火的同时，也在不停地与火灾进行斗争。 可以说，人类的历史有多久，人类与火灾进行斗争的历史就有多久。 火灾是火失去控制蔓延的一种灾害性燃烧现象，通常包括森林、建筑、油类等火灾 和可燃气体及粉尘爆炸。发生条件：可燃物、空气和火源。 火灾是各种灾害中发生最频繁且极具毁灭性的灾害之一，其直接经济损失约为地震 的5 倍，仅次于干早和洪涝，而发生的频率则居各种灾害之首。同时还具有“自然”和 。人为”的双重性。 火灾对国民经济和生态环境的危害是严重的，根据世界火灾统计中心的结果，发达 国家每年火灾直接损失占国民经济总值2 ，火灾代价占国民经济总产值的1 。火灾代 价是指：直接、间接经济损失，人员伤亡损失，灭火消防费用、保险管理费、以及投入 的火灾防护工程费用。火灾对环境和生态系统造成不同的破坏，此外，也给社会带来不 安定因素“”。 近年来商场、歌舞厅、宾馆、饭店等公共场所的火灾有大幅度的增加，一些沿海省 市的数据表明，有5 4 的特大火灾发生在这类场所一般认为，造成这种局面的客观原因 主要是建筑物的结构形式和可燃物的组成形式发生了较大的变化，同时也与人们火灾安 全知识缺乏、薄弱，对火灾防治工作不重视，少数单位和部门消防管理工作和消防管理 制度根本不完善有关。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国火灾次数和损失总体上呈现快速增长的趋势。1 9 9 4 年， 唐山市林西百货大楼因施工人员无证上岗进行点焊作业，点焊熔珠落在家具厅内可燃物 上引发火灾，烧死8 1 人，烧伤5 4 人，损失4 0 1 2 万元，1 9 9 3 年5 月1 3 日江西南昌市 万寿宫商城二区二楼发生火灾，烧毁( 损) 、倒塌房屋面积1 2 6 4 7 平方米，造成1 2 3 户的 6 0 3 位居民和2 0 9 个集体、个体商业户受灾，5 6 8 个摊位和部分机电设备被烧毁，直接 经济损失5 8 6 万元，间接经济损失2 6 1 万元。如何防止建筑火灾的发生、减少建筑火灾 损失已成为目前迫切需要认真研究的重大课题“” 1 2 当前火灾科学研究的发展趋势 人们对火灾现象及其规律研究的不断深入，在一定程度上实现了对火灾过程的定量 描述和分析，由此产生了- i 7 新兴工程学科消防安全工程学。消防安全工程学原理 和方法在建筑防火设计中的应用，便产生了一种新的建筑防火设计方法一以性能为基 础的消防安全设计方法( 性能化设计方法) 。传统沿用的建筑防火规范和设计方法，仅仅 规定了防火设计必须满足的各项设计参数指标，而对具体建筑要达到的总的安全目标则 不予要求，也不进行评估，现在人们一般称这种规范为“处方式”设计规范，也有人称 之为“规格式”规范，或。指令式”规范”1 。建筑设计规范和建筑防火设计规范都是由 国家认可或授权的权威机构组织专家编写的陬”。由于现代建筑形式的多样化、建筑物 综合功能要求的复杂化、建筑物运行管理智能化，以及超高建筑、群体建筑的发展，按 照指令性规范统一规定的设计参数所做出的设计方案并不一定是最科学合理的，难免出 第一章绪论 现达不到预期的消防安全水平，或者因提供不必要的保护措施而增加建筑成本等情况。 因此传统规范和设计方法在客观上存在着相当大的局限性。性能化设计方法是建立在消 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，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，为建筑物提供最合理 的防火保护，因而性能化设计方法更有利于建筑防火设计中达到明确的防火安全目标， 建立性能化的防火规范体系己成为世界各国防火规范发展的基本趋势。 国外开展“性能化”研究的情况英国在1 9 8 5 年颁布了第一部性能化防火规范后， 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 费积极开展了消防安全工程学和性能化安全设计方法理论及技术的研究。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。目前有不少于1 3 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) 以及两个国际组织国际标准组织( i s o ) 和国际建筑研究与文献委员会( c i b ) 采用积 极发展性能化规范和基于规范结构形式下防火建筑所要求的工程工具和方法，并取得了 一定成果。英国于1 9 8 5 年完成了建筑规范，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”，但不详细规定应如何实现这一丑标。澳大利亚于1 9 8 9 年成立了建筑规范审查工作组，起草性能化的国家建筑防火安全系统规范，并于1 9 9 6 年颁布了性能化澳大利亚建筑规范- 1 9 9 6 ) ( b c a 9 6 ) ，并自1 9 9 7 年陆续被各州政府采 用。新西兰1 9 9 2 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；1 9 9 3 1 9 9 8 年，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蔓延5 部分。美国已完成性能目标和 基本完成性能级别分级的确定，并于2 0 0 1 年发布了国际建筑性能规范和国际防 火性能规范。加拿大于2 0 0 1 年发布其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。 火灾模化技术是定量研究火灾发展规律、发展防灭火新技术的一种新的基本手段， 也是消防安全工程学的重要组成部分一般说，模化可分为物理模化和数学模化两种基本 形式。近十几年来，火灾过程的计算机模化一直是火灾科学基础研究的前沿，并逐渐成为 定量分析建筑物火灾发展特征的重要工具“。 1 3 目前国内外研究所存在的问题 建筑物性能化防火设计方法是目前国外消防科学研究中发展最快的一个前沿的热 门研究领域，也是消防安全工程技术发展的必然趋势与结果。在目前国内外的研究中存 在以下问题： ( 1 ) 为了使性能化设计能够按照正确的轨道前进，许多国家在着手制定性能化规范 的同时，制定了性能化设计指南或导则。如，美国消防工程师协会制定的 s f p e 性能化 消防设计指南、澳大利亚建筑规范委员会的消防安全工程指南及英国的b sd d 2 4 0 建筑中的消防安全工程学等等。 虽然我国于上个世纪9 0 年代中期开始了性能化设计方面的研究，但是由于性能化 2 第一章绪论 设计规范和指南的编制需要开展大量的相关基础性研究，如从基础性的火灾实验( 如全 尺寸火灾实验，大规模火灾实验，墙角火实验等) 中得到相关的火灾统计数据，及以我 们现有的建筑材料为基础建立的适合我国国情火灾实验数据库，开展社会可接受安全目 标的调查等，而我们国家在这方面研究工作的投资远不及发达国家，所以大量工作仍然 是空白，目前尚没有出台自己的性能化设计规范及指南，且没有专门的培训机构用于培 训性能化防火设计的专业人才；由于消防设计工程师的经验不同导致设计水平的参差不 齐，在实际运用中有部分人单单将性能化设计看作节省建筑消防设计成本的法宝，错误 的理解了性能化设计的概念及步骤，错误的运用性能化的设计方法导致达不到合理的建 筑安全目标；在国内没有诸如a n j 这种的专业的审核监督机构，或者现有的审核监督机 构没有现成的规范可以参照来进行审核且本身的业务水平不够高，导致错误的性能化设 计方案顺利的通过设计审核，所有这些问题都与规范及指南的缺乏密切相关。 ( 2 ) 在性能化防火设计的试设计评估过程中经常会使用到计算机模型和模拟软件， 由于我国尚没有自主开发成型的评估和模拟软件，故在性能化设计过程中的对试设计进 行评估阶段往往只有利用国外已有的软件来进行评估，而国外所开发的软件，其适用性 虽然在国外消防工程师的实际工程中已经不断的得到验证，但这些专业大部分都是建立 在自己国家的火灾数据库系统( 如建筑装修材料的热特性数据库) 之上，直接拿到我国 来进行性能化设计的评估将很有可能产生较大的误差，但这个问题尚未得到设计及审核 人员的重视，因此需要开展国外软件的适用性的研究工作。 1 4 研究意义及目的 随着我国经济建设和建筑艺术的发展，一些大型的商场建筑不断涌现。这些建筑与 以往的商业性建筑相比在体型大小、空间高度、使用功能、装修标准等方面都更具现代 化、大型化、非标准化，现代商厦已经摆脱那种只为购物而购物的传统使用功能，而是趋 向多功能性和综合性，成为城市居民休闲、娱乐的场所。商场包括百货公司( 商店) 、商 业街、商业批发市场( 店) 、商城( 厦) 、购物中心和地下商场等，这类场所大多设置在闹 市中心和繁华地段，而且商场的营业场所多采用共享空间和自动扶梯，使各层平面出现 大面积开口部位，因此火灾危险性也随之增加。一旦发生火灾，将会造成重大的经济损 失和严重的人员伤亡，如1 9 9 5 年江西省九江市大中大商厦发生火灾，烧死9 名商场值 班员和装修工，摔死1 人，直接财产损失5 3 6 2 万元。 开展建筑防火性能的综合评价及基础技术指标体系的研究，将有助于提高建筑的安 全性，有助于火灾隐患的确定和消除，为建筑的设计、施工、审核和防火监督检查提供 技术手段，为性能化设计和性能化规范的发展奠定基础，更有效地保证了人民的生命和 财产的安全。 广泛开展火灾模拟软件适用性研究工作，加快国外软件的中国化进程，自主开发适 合我国国情的相关火灾模拟软件必定对完善性能化防火设计体系，促进性能化防火设计 工作的稳步发展起到较好的推动作用。 1 5 本文的研究内容 ( 1 ) 以国外现有的性能化设计规范及指南参照，分析国外现行的性能化设计思路， 结合国内性能化设计中出现的问题，建立本文开展性能化防火设计的具体步骤，建立性 3 第一章绪论 能化防火设计模式，并建立场模拟适用性评价模型。 ( 2 ) 以场模拟软件f d s 为研究对象，分析软件自身特点。以此为基础建立评价场 模拟软件适用性的指标体系的原则，并依据该原则建立场模拟软件的适用性指标体系。 ( 3 ) 以数值分析软件m a t l a b7 0 作为软件基础，b p 神经网络为框架，对场模拟软 件适用性评价指标体系进行建模。 ( 4 ) 建立基于b p 神经网络的人员安全疏散模型，并对某商场中的人员疏散问题进 行分析，将以上的研究成果运用到这个案例中去。 1 6 技术线路 本文所采用的技术线路如图1 - 1 所示： 图1 - 1 本文技术路线和工作流程 4 第二章性能化防火设计方法的研究进展 第二章性能化防火设计方法的研究进展 2 1 国外性能化防火方法的研究现状 自2 0 世纪7 0 年代起，一些发达国家就开始系统研究以火灾性能为基础的建筑防火 设计的新方法。目前，性能化防火设计已经成为国际上火灾科学研究领域的一个热点 “”。许多国家在开发性能化防火设计方法及建立性能化规范方面已有了相当的进展， 英国早在1 9 8 5 年修订其建筑规范时，就己将性能化设计作为一种可供选择的防火设计 方法，日本和澳大利亚分别投入大量资金，在消防安全工程学领域开展研究，并在此基 础上制定了性能化设计规范。加拿大、新西兰、法国、芬兰、瑞典等都在积极开展性能 化设计方面的研究，朝着建立性能化规范体系的目标努力，如：加拿大计划在2 0 0 1 年引 入性能规范。 一，美国 美国在性能化设计方法研究方面做了大量工作，而且也是建造“超规范”建筑最多 的国家。美国是开展性能化防火设计研究最早的国家之一，从2 0 世纪7 0 年代起，他们 就开始了较系统的研究，但当时并没有提出以火灾性能为基础。 1 9 7 1 年，美国通用事务管理局( g e n e r a ls e r v i c e sa d m i n i s t r a t i o n ，g s a ) 召开两次 高层建筑防火安全国际会议，提出在建筑火灾分析中需要采用系统方法。在此基础上发 展出了事件逻辑图示法，也即是一种事件树。后来经过系统改进，形成了g s a 的建筑 火灾安全判据的附录d “以目的为基准的建筑防火系统方法指南” 此后美国在这方面又进行了一系列的研究，一个重要的成果是形成了美国国家防火 协会( n a t i o n a lf i r ep r o t e c t i o na s s o c i a t i o n ，n f p a ) n f p a 5 5 0 标准防火系统概念树 指南，它成为分析建筑物火灾安全的重要工具之一。由g s a 建筑火灾安全判据附 录d 产生的另一成果是n f p a i o i a 保证人员安全的替代性方法指南，其中建立的防火 安全评估系统己明显体现了以火灾性能为基础的思想。 2 0 世纪8 0 年代，在美国火灾研究基金会的组织下，实施了一个国家级的火灾风险 评估项目。有美国国家标准与技术研究院( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ，n i s t ) 、n f p a 等多个机构参加，结果形成了f r a 栅o r k s 模型。该模型可将特 定火灾场景下评估特定产品的量化方法与给定火灾场景下相关的火灾死亡人数的统计 方法相结合，这样新的或替代产品的影响也可以按照准场景进行评估，从而决定有关新 产品的改变对风险相对值变化的影响。 同时，美国防火工程师协会( s o c i e t yo f f i r ep r o t e c t i o ne n g i n e e r s ，s f p e ) 于1 9 8 8 年编辑出版了综合性和实用性均很强的大型工具书s f p e 防火工程手册( h a n d b o o ko f f i r ep r o t e c t i o ne n g i n e e r i n g ) 。人们普遍认为本手册是支持性能化防火安全设计的重 要文献，后来又经过再版、修增，并收录了近年的研究成果。 自1 9 9 0 年起，国际化标准组织( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ， i s o ) 和国际建筑协会也积极参与了性能化设计方法的研究“”。 1 9 9 1 年在伍赛斯特理工学院( w o r c e s t e rp o l y t e c h n i ci n s t i t u t e ，w p i ) 召开了一次 关于2 1 世纪防火安全设计研讨会。这次会议对推动美国的性能化防火设计研究起了重 要作用。此后，卡斯特( c a s t e r ) 和米切姆( m e a c h a m ) 等人开始研究性能化分析与设计 5 第二章性能化防火设计方法的研究进展 的步骤，将新的设计观念转变为实际的设计过程。1 9 9 7 年，他们合著的以性能化为基 础的火灾安全导论( i n t r o d u c t i o nt op e r f o r m a n c e b a s e df i r es a f e t y ) 出版这是性 能化方法研究的一个重要阶段成果。2 0 0 0 年，s f p e 又在卡斯特等人的研究基础上编写 了建筑物性能化防火分析与设计工程指南( 草案) ( t h es f p eg u i d et op e r f o r m a n c e b a s e df i r ep r o t e c t i o na n a l y s i sa n dd e s i g n d r a f tf o rc o m e n t s ) ，该书对美国推 荐的性能化防火设计步骤作了更清楚的概括，现在已成为各国开展性能化防火方法研究 的重要参考资料。 二、日本“1 ” 日本也是较早研究性能化防火设计方法的国家之一。自2 0 世纪5 0 年代起，日本就 开始采用高度指令性的建筑规范体系。与其他发达国家一样，到了7 0 年代末，日本政 府也认识到这种规范的不足，于是在1 9 8 2 年日本建设省制订了发展性能化防火设计的 五年研究计划。该计划的目标是发展一个建筑火灾安全方面的国家级评价方法。该方法 以日本建筑基准法第3 8 条的等效条款为基础，通过建设省的特殊审批体系而广泛应用 于建筑防火设计中。 这一项目的研究成果形成了一套内容广泛、全面的文件汇编。它包括综合防火安全、 预防火灾的发展和蔓延、烟气的控制、人员疏散和结构的耐火设计5 个子系统。每个子 系统包括基本要求、工程评估的技术标准、相关火灾现象的计算方法和测试方法4 个部 分，而且均提供了用计算评估、防火安全的判据是由一些具有工程概念的参数组成。如 温度、气体组分和烟气浓度等。 1 9 9 8 年，日本吸取了国外关于性能化设计研究的新进展，对建筑防火设计的规范体 系作了进一步的改进。新体系更重视以下几个方面： 1 烟气控制和人员安全疏散； 2 火灾发生与发展的预防； 3 建筑结构的耐火； 4 火灾向其他建筑蔓延的预防。 三、英国”。黜1 1 9 7 3 年英国对大部分建筑法规进行了统一化的工作，形成了国家级的防火设计法 案，该法案基本上还是处方式设计规范。规范中某些细节内容是通过法规的形式来加以 确定的，在采用“放宽规范”合理程序的基础上，可以通过改进“替代方案”来满足规 范的要求，这实际上已经开始体现出性能化设计的初期思想。 1 9 8 5 年和1 9 9 1 年，英国又先后两次对建筑规范进行了修订，明确提出可以将性能 化设计方法作为一种可选的防火设计方法，率先实现了建筑防火设计规范由处方式设计 规范向性能化设计规范的转变。 在1 9 9 4 年至1 9 9 5 年间，英国政府的有关部门还组织多位火灾科学方面的学者专家 对如何指导性能化设计进行了研讨。一致认为，为了稳妥地推行性能化防火设计，必须 建立一种为大家共同认可的性能化设计说明。于是在1 9 9 7 年，正式发布了英国标准b s d d 2 4 0 ( 建筑火灾安全工程) ( f i r es a f e t ye n g i n e e r i n gi nb u i l d i n g s ) ( 草案) 。它包括 两个部分，第一部分为火灾安全工程学原理的应用指南，第二部分为对第一部分 6 第二章性能化防火设计方法的研究进展 中所列方程的评注。第一部分是主体，它将性能化设计过程概括为四个基本步骤，即： 定性设计审查、定量分析、与性能化判据的比较和编制设计报告。 目前，在英国性能化防火设计与处方式防火设计是并行使用的。性能化设计应按照 b sd d 2 4 0 建筑火灾安全工程进行，处方式设计按照被批准文件进行。在这一体系中， 仅建筑规范本身是强制性的，对具体的设计方法不作强行规定，可由设计者选择。 四、澳大利亚一 澳大利亚也是开展性能化设计研究较早的国家之一。在2 0 世纪7 0 年代末，该国就 开始进行建筑火灾危险评估模型的研究，以便进行建筑物的火灾安全功能和防火费用分 析。此后，澳大利亚主要研究单位维多利亚理工大学与加拿大国家研究院合作，进一步 开发了这一模型，最后形成了澳大利亚的c e s a r e r i s k 程序和加拿大的f i r e c a m 程序。 为了使建筑设计方案能采用风险评估方法，既在性能上符合规范要求，又经济合理， 澳大利亚于1 9 8 9 年成立了建筑规范审查工作组，起草了全国建筑防火系统规范草案 ( n b f s s c ) 。1 9 9 6 年颁布了第一都性能化建筑防火设计规范澳大利亚建筑规范一1 9 9 6 ) ( b u i l d i n gc o d eo fa u t r a l i a - 1 9 9 6 ) ，简称b c a9 6 ，并自1 9 9 7 年7 月1 日起陆续被各 州政府采用。 为推广实施性能化设计规范，澳大利亚的“建筑规范委员会”( a b c b ) 与工业及研 究部分联合会组成了一个新的机构一防火规范改革中心( f c r c ) ，其任务是为开展性能 化防火安全设计并改革现行规范开发一种经济有效的工程方法。1 9 9 6 年，该中心推出了 防火工程指南( f i r ee n g i n e e r i n gg u i d e l i n e s ) 。该指南以落实性能化设计规范为 中心，制订出一套三等级的防火工程系统评估方法。 虽然各国在发展性能化规范体系的进度和一些具体问题上不尽一致，但总体上具有 若干相同点。 ( 1 ) 在制定性能化规范的发展规时，首先必须考虑的一个方面就是发展性能化设计 方法。为此，必须开展对消防安全工程学的研究，建立火灾基础数据库，开发实用的消 防安全评估摸型和方法以及可靠的计算机设计软件等。只有在这些工作有了足够的基础 后，才能着手确立性能化设计方法和制定性能化规范。 ( 2 ) 除了制定性能化规范外，还需要制定与规范配套的技术法规，如设计指南、设 计方法的验证审核方法、设计工具的审查认可标准等。 ( 3 ) 在每个国家，性能化设计方法几乎都在性能化规范制定出来以前就已经在建筑 防火设计中发挥着重要的作用，性能化的设计分析方法和工具被开发出来以后，对于“超 规”的设计方案就往往采用这些分析方法和工具来计算和验证。另一方面，即使性能化 规范制定出来以后，性能化设计方法不可能、也没有必要完全取代“处方式”的设计方 法。 ( 4 ) 除了建立性能化建筑防火规范体系外，还需建立一些必要的条件，如建审的方 法与程序、相应的专业教育与专业人才培养等。 这些问题目前己引起许多国家的关注，并成为共同关心的研究课题。不少国家在己 有的研究成果基础上，初步建立起性能化设计体系和性能化设计规范。但是，国际上在 所有上述几个方面的研究都还只是处在初级阶段，在科研成果的科学性和实用性方面还 7 第二章性能化防火设计方法的研究进展 远远没有达到完善的程度，必须进行更加深人、广泛的研究。 2 2 国内性能化防火方法的研究现状 我国从2 0 世纪8 0 年代初期就开始了火灾模化方面的研究，此后在火灾科学、火 灾动力学演化、建筑火灾烟气运动等方面也开展了大量工作。我国于1 9 9 6 年开始了性 能化设计的相关研究，特别是1 9 9 7 年f o r u m 会议( 天律) 以后。我国开始组织人员比 较系统地搜集整理和分析研究国内外有大建筑物性能化设计与标准方面的成果与信息。 根据我国加入世贸组织的承诺，加入w t o 三年后，将向外资开放建筑设计的部分市场， 五年后，则允许外资独资在我国设建筑师事务所。届时，国外建筑师事务所和消防工程 设计咨询公司在性能化设计方面的技术和经验，将使我国建筑市场和消防机构、建审工 作面临严峻的挑战。 我国推行性能化设计需要解决如下问题：i ) 正确认识性能化防火设计；2 ) 制定建筑 物性能化消防设计导则或规范；3 ) 开展性能化防火设计的基础研究；4 ) 开发通用分析与 预测计算工具；5 ) 开展火灾风险评估技术研究；6 ) 提高消防安全工程学的学科地位，积 极开展专业人才培养和相关学历教育；7 ) 大力开展性能化设计方法的宣传提高建筑设计 人员的认识；8 ) 组织制定关于实行性能化设计的管理规定。 国际上对性能化建筑防火设计方法的研究与讨论，对我国的消防安全管理部门、建 筑设计部门和火灾科研机构已产生了重大影响。在火灾安全工程学和性能化设计方法提 出的初期，我国的一些火灾科研工作者便给予了密切关注。他们一方面对火灾过程的计 算机模化、火灾风险分析及性能化设计方法本身的研究进展及时地进行了介绍；另一方 面也认真研究与探索如何在我国发展性能化设计方法及制订相应的规范。 1 9 8 6 年，公安部关津消防科学研究所编写了“火灾模化方法的发展”译文集，较全 面地介绍了当时国际上几种有影响的火灾计算机程序，并对美国建筑与火灾研究所编制 的f a s t 程序在我国的应用作了一些探讨。在我国的“九五”期间，天津消防科学研究 所在分析国外有关程序的基础上，开发了主要针对大型地下商场人员疏散的模型 e g r e - s s ，该模型在考虑人流方面具有一些突出的特点。 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室充分发挥了高校的特点，在火灾科学的 基础理论和防治原理方面开展了深入研究，将计算燃烧学的思想应用于火灾过程的模拟 研究，在建筑火灾的计算机模拟方面，率先提出了场、区、网络合模拟新方法，并成功 编制出场一区模拟方法相结合的综合模型。 武汉大学和香港城市大学联合开发了人员疏散模拟软件s g e m ，此软件在分析国内外 已有的安全疏散模拟模型的基础上，针对这些模型的不足，结合大型公共建筑火灾特性 和人员疏散的行为特点，以a u t o c a d 为开发平台，建立了更为完善的安全疏散预测模型， 提出了计算建筑火灾中人员安全疏散时间的一种更合理的方法，较准确的计算出高层建 筑人员安全疏散所需时间。 1 9 9 6 年，“重大工业事故和特殊建筑火灾预防与控制技术研究”列入国家“九五” 科技攻关项目计划，对于其中的火灾防治部分，公安部消防局组织了我国的火灾安全研 究重点单位围绕地下建筑与大空间建筑火灾特性与控制技术研究、消防工程新产品新技 术的开发及其在实际工程中的综合应用等课题进行联合攻关，这推进了我国性能化防火 8 第二章性能化防火设计方法的研究进展 设计方法的发展。 1 9 9 7 年公安部为了解决“超规”建筑的消防问题，发布了建筑工程消防监督审核 管理规定。其中规定：“对于我国消防技术标准尚未规定的消防设计内容和新材料、 新技术带来的有关消防安全问题，应当由省一级消防监督机构或公安消防局会同同级建 设主管部门组织设计、施工、科研等部门的专家论证，提出意见，作为消防设计审核的 依据。”这为我国采用性能化分析与设计方法创造了条件。 2 0 0 0 年，为了跟踪该领域的国际发展动态、及时制订我国的对策，成立了全国性的 “消防安全工程学”工作组。该组的任务主要是：搜集、整理、分析国外相关资料；研 究、提出我国消防安全工程标准的发展规划；推进相关的火灾基础科学研究，开发建筑 物消防安全性能评估方法，建立基础数据库；研究制定性能化设计方法及相关标准。这 种协调机制使我国性能化防火设计方法的研究又大大前进一步。 国家“十五”科技攻关项目亦对大型复杂建筑性能化设计方法的研究给予强有力的 支持。另外，我国的加入w t o 和申奥成功也必将促进我国性能化防火设计方法的发展。 英国、澳大利亚、新西兰、日本、美国、加拿大、瑞典、芬兰等国家从2 0 世纪8 0 年代开始相继开展了这方面的研究工作，并取得了一些比较实用化的阶段性成果。目前 美国、英国、加拿大、澳大利亚、日本等都已经出台了相应的性能化防火设计规范及指 南或者将性能化设计的理念引入到本国的建筑防火规范中，且在美国、英国等国家的一 些地方的实验室早在2 0 世纪7 0 年代就已经开始了火灾模拟、风险评估软件的开发工作， 到目前已经开发出许多适用于其本国国情的用于进行试设计评估的相应软件，如 f l u e n t ，c f a s t ，f d s ，d e t e c t q s 等，这些软件的适用性及可靠度不断的在消防工程师 的实际设计中得到验证。 我国从2 0 世纪8 0 年初期就开始了火灾模化方面的研究，此后在火灾科学、火灾动 力学演化、建筑火灾烟气流动等方面也开展了大量工作，但直到1 9 9 5 年国家“九五” 科技攻关项目“地下大型商场火灾研究”，我国还只有少数从事此方面研究的人员对建 筑物性能化设计有所认识。1 9 9 6 年，特别是从1 9 9 7 年f o r u m 会议以后，我国开始组织 人员比较系统地搜集整理和分析研究国内外有关建筑性能化设计与规范方面的成果与 信息。目前在国内由公安部天津消防研究所负责性能化防火设计规范和设计指南的编 制，国内也有少数高校及实验室开始了性能化方面的研究，并且在国内已有少数建筑采 用了性能化设计的理念进行设计，但在评估模型的建立及其模拟软件的自主开发方面的 研究几乎是空白。 2 3 我国建立性能化建筑防火规范的必要性和发展途径 2 3 1 建立性能化建筑防火规范体系的必要性 我国现行的建筑防火设计技术法规体系是我国多年来建筑防火设计经验的总结，它 在我国目前的建筑防火设计中发挥着重要的作用，但这一体系是建立在典型的“处方式” 规范基础上的。随着我国经济和科学技术的发展，着手建立我国的性能化建筑防火设计 技术法规体系，己成为迎接新世纪消防现代化的十分重要的战略任务之一。 我国在近二十年来，随着建筑技术及艺术的发展，高层建筑和超高层建筑大量涌现， 建筑结构、造型上对传统模式的不断突破和创新以及功能上越来越来复杂化和综合化， 9 第二章性能化防火设计方法的研究进展 同时，地下建筑和内部“大空间结构”建筑越来越多，这些无疑加大了火灾危险性和危 害性，从而对建筑防火设计提出新的要求。消防技术的发展，为现代建筑设计提供了新 的防火手段。新型防火建筑材料、构件以及消防设备和系统的出现，为建筑防火设计提 供了新思路，增加了建筑防火设计方案选择的灵活性和多样性，计算机火灾模化和消防 安全评估技术使设计人员对建筑物的火灾危害性和风险性进行量化分析成为可能。在这 种情况下，传统的“处方式”的设计规范己较难满足安全防火的设计需要。可以预计， 在我国推行性能化设计方法后，不仅能够保证建筑防火设计更优化，更好地满足消防安 全的要求，还能使建筑防火设施的经济投入趋于更加合理。 虽然目前在我国采用性能化设计方法进行建筑防火设计的方案还较少见，但是随着 国家投资的增加和国内有关研究机构的大力开展消防安全工程学的研究工作，可望取得 一批实用性成果。今后在各类现代化高层、地下和大空间建筑的防火设计中，特别是在 一些“超规”建筑的设计中，性能化设计方法的运用必将越来越多。 2 3 2 性能化建筑防火规范体系的发展途径 制定性能化规范的首要任务就是将建筑物的消防安全目标明确地排列出来。为了表 明这些消防安全目标之间的相互关系，并使其具有可操作性，可以对它们先进行“由上 至下”的分解。例如，消防安全的目标之一是。保护人的安全”，这一目标又可分解为 “保护建筑物内人员的安全”、“保护建筑物外人员的安全”、“保护消防人员的安全”， 对于“保护建筑物内人员的安全”又可进而分解为“从安全疏散通道撤离建筑物，和“撤 到避难点等待救援”这些分解所得的消防安全目标并不能直接指导设计，因此，性能化 规范必须提出性能要求，即建筑物哪些部位的建筑材料、构件、系统等应该满足什么样 的性能要求。例如，为保证建筑物内人员安全疏散，建筑物必须“提供安全可靠的疏散 通道”、“及则报警”、“在人员撤离之前将火和烟气控制在某一指定范围之内”等。 设计人员在设计时根据建筑物的实际情况，将这些性能要求转换成量化的性能指标。例 如，疏散通道的长度、疏散出口的宽度、疏散通道防排烟系统进风和排风的空气流量和 压力等。这些具体的量化指标由设计人员根据建筑物自身的具体特点来确定，而不是按 照规范中的“死”规定来执行，这样就给防火设计提供了很大的灵活性。 除给出消防安全目标和性能要求外，性能化规范还应提供设计方法方面的指导。例 如，确定性能指标、如何制定和评估设计方案、如何对建筑物的火灾危险性和风险性进 行量化分析等。这些指导性的规定有的可能是比较原则性的，有的也可能是比较具体的。 仅仅制定性能化规范，还是不能适应性能基础设计的需要。还应该建立以性能化规范为 核心的建筑防火设计技术法规体系，这个体系包括专门化的设计防火规范和系统规范、 材料与产品的消防性能和试验标准，以及性能基础设计的分析方法和设计工具等。 2 4 小结 通过本章节的分析，可以得出以下结论： ( 1 ) 国外在性能化防火设计方面已经取得了许多研究成果和实践经验。性能化防 火设计方法在不少国家已经得到成功的应用、并被证明是一种先进、有效、科学合理的 设计方法，特别是在解决大型复杂建筑的防火设计问题方面，弥补了传统的“处方式” 设计方法的不足。国外对性能化建筑防火设计技术法规体系及其相关联的问题的研究相 1 0 第二章性能化防火设计方法的研究进展 当活跃，研究进程也相当迅速，新成果、新信息不断涌现。 ( 2 ) 国内性能化防火设计方法己受到越来越多的人们的重视，发展与采用性能化 防火设计已成为人们的共识，制定性能化防火设计规范也成为许多学者和设计人员谈论 的重要话题。在这种情况下。我国必须及时跟踪和了解国外的最新进展和动态，并从国 外的新成果、新信息中借鉴其宝贵的经验。 l l 第三章建筑性能化防火设计模式的建立 第三章建筑性能化防火设计模式的建立 3 1 性能化防火设计的适用范围 性能化防火设计方法作为一种新的防火设计理念由于其自身的优点，在国内外的工 程实践中得到了广泛的运用，但由于设计人员水平参差不齐，部分消防工程设计人员对 这一概念的理解存在误区，例如有些人认为性能化的方法可以完全替代传统的“处方式” 防火设计方法，只要是超规的建筑就一定可以运用性能化的方法来解决实际的矛盾，甚 至有部分人员借性能化防火设计的名行突破强规之实。那么在什么地方可以应用性能防 火设计的方法呢? 性能化防火设计方法的应用范围如下： ( 1 ) 国家和本地现行的消防技术规范和和标准所未能涵盖、按规范和标准实施确 有困难或影响建筑物使用功能的建筑工程。 ( 2 ) 由于采用新技术、新材料厂和新施工方法，在实际应用中有可能产生消防安 全问题的建筑工程。 ( 3 ) 性质极其重要、安全目标超出一般要求、政治敏感度高、一旦发生器火灾危 害大、影响大的工程。 ( 4 ) 特殊工程如：地铁、隧道、地下建筑工程、超大型体育场馆或购物中庭等。 ( 5 ) 在具体实施中整座建筑物、建筑中的某些部分或建筑物的某一特定系统有特 殊使用需求的工程。 在实际的工程实践所面临的问题中最常见的便是设计建筑不符合“处方式”规范中 的某条规定，如防火分区面积过大、疏散距离过长等，对于实际工程中的某一类问题可 以尝试建立一个固定的性能化设计模式来解决它。 3 2 “处方式”防火设计规范中的性能化消防安全目标 3 2 1 “处方式”建筑防火规范的特点 “处方式”防火设计规范与性能化防火设计方法有着密不可分的联系。传统的建筑 防火设计规范规定了建筑的防火设计必须满足的各项设计参数指标，而对防火安全总目 标没有规定，也不进行评估。设计人员基本上不需要消防安全工程所要求的特殊技术能 力，都是按照详细的规范进行了设计，且必须符合规范的详细要求，对规范不得有任何 的偏离，消防监督人员也只是对照标准逐项进行审核，不考虑建筑防火设计具体能达到 的安全水平。从性能化防火设计的角度出发，在任何的“处方式”建筑防火规范的中均 没有明确的提出该规范所能达到的预期的安全目标，但正是处方式规范正是以强制性条 款的共同协作的