（安全技术及工程专业论文）结构抗火的性能化设计及评估.pdf

a b s t r a c t p r e s e n t l y , t h ef i r ep r o t e c t i o nd e s i g nc o d eo fm o s tc o u n t r i e sa n do u rc o u n t r ya r e r e c i p e l i k e ，t h er e c i p e - l i k e f i r e p r o t e c t i o n m e t h o d a l w a y s e n c o u n t e r ss o m e i n e x t r i c a b l ep r o b l e m s i n c et h e1 9 7 0 s s o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v eb e g u nt o s y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h ep e r f o r m a n c eb a s e df i r ed e s i g nm e t h o do ft h eb u i l d i n g a f t e r o u rc o u n t r yj o i n e dw t o , t h ef i r ep r o t e c t i o nc o d es h o u l db el i n kw i t ht h ew o r l d ， a b s t r a c tt h ea d v a n c e de x p e r i e n c ef r o ma b r o a da n dm a k ea l le f f e c t i v es e a r c ht o p e r f o r m a n c e b a s e dm e t h o db a s e do nt h el o c a lc o n d i t i o n s , t h a ti ss i g n i f i c a n t f o r e s t a b l i s h i n go u ro w nc o u n t r y sp e r f o r m a n c eb a s e df i r ed e s i g nc o d ee a r l y s t r u c t u r e f i r er e s i s t a n c ei sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fp e r f o r m a n c eb a s e df i r e d e s i g n , i n v e s t i g a t i n gt h ep e r f o r m a n c e - b a s e df i r er e s i s t a n c ed e s i g no fs t r u c t u r ei sb e n e f i c i a lt o d e v e l o po u rc o u n t r y sp e r f o r m a n c e - b a s e dm e t h o d , r e d u c et h ef i r ep r o t e c t i o nc o s t ， r e d u c ef i r ec a u s e dd i r e c ta n du n d i r e c tl o s sa n dp r o t e c tp e o p l e sl i f ep r o p e r t ys a f e t y t h i sp a p e rm a k e sa ni n i t i a ls t u d ya n dd i s c u s so fp e r f o r m a n c eb a s e df i r ed e s i g n m e t h o da n dt h ep a r to fs t r u c t u r ef i r er e s i s t a n c ed e s i g n ( 1 ) s u m m a r i z e st h e m e t h o d o l o g yb a s e o fp 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 nd e s i g n ，t h ed e v e l o po f p 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 nd e s i g nd e p e n d so nt h ed e v e l o po fi f r eb a s i c t h e o r i e s ，f i r ea p p l y i n gb a s i ct h e o r i e sa n df i r e 印p l i c a t i o nt e c l m i q u e ；( 2 ) e s t a b l i s h e s a p p r o a c ho fp 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 nd e s i g nt h a to u rc o u n t r ys h o u l db c f o l l o w e di np r i n c i p l e e s t a b l i s h e sc h i e fm o d eo fp e r f o r m a n c e - b a s e df i r er e s i s t a n c e d e s i g no fs t r u c t u r e t h ec h i e fm o d ei n c l u d e sp r e v e n t i n gf i r ea n df i r es p r e a d , p e o p l e s s a f ee g r e s sa n df i r er e s i s t a n c eo fs t r u c t u r e ；( 3 ) a i ma tt y p i c a ls t o r e df l a m m a b l es o l i d w a r e h o u s et h a td e v e l o p ss o m ec o l l i s i o n sw i t ht h ef i r e p r o t e c t i o nc o d eb e c a u s eo f c h a n g i n go ft h es t o r e dg o o d sm a d eaw a r e h o u s e , w em a k eap e r f o r m a n c e b a s e df i r e p r o t e c t i o nd e s i g n w eu t i l i z e dt h em e t h o do fd y n a m i c a lc o m p a r t m e n t a l i z a t i o nt os o l v e t h ep r o b l e mo fc o h i d e dw i t ht h ef i r ep r o t e c t i o nc o d ea n de s t a b l i s h et h ec r i t i c a l c o n d i t i o no fp r e v e n t i n gf i r es p r e a d , i ti sn o tn e c e s s a r yt oo o m p a r tt h es p a c eo ft h e w a r e h o u s eb ye n t i t y ；( 4 ) w em a k eap e r f o r m a n c e - b a s e df i r er e s i s t a n c ed e s i g no f s t r u c t u r eo nt h ew a r e h o u s e ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw i t h o u tf i r e - p r o o f i n gc o a t i n g ，t h e w a r e h o u s e s t m c u t r ec a na l s ob ei ns a f ei n3 0 r a i n i tr e d u c e st h ec o s to ff i r er e s i s t a n c e o fs t r u c t u r e ，m e e t st h es a f e t ya n de c o n o m yo b j e c t i v ea tt h eg a m et i m e k e y w o r d s ：s t r u c t u r ef i r er e s i s t a n c e ；b u i l d i n gf i r ep r o t e c t i o n ；p e r f o r m a n c e b a s e d d e s i g n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；w a r e h o u s e i l 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，也不包含为获得墨盗墨墨盘望 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2 咄节签字帆1 年月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗堡苎太堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权墨盗墨墨盘至 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：1 带 签字日期：硼年1 月哆日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 建筑火灾是对人类生命和财产造成危害最大的灾害之一，因为各种类型的建筑物是 人们生活和生产的主要场所，也是财产高度集中的场所，而保证建筑物内人员和财产的 安全是设计建筑物时应当考虑的最重要的内容之一。可以说，建筑火灾一直是火灾防治 的主要方面，在各个国家、各个历史时期都是如此。 造成当前建筑火灾比较突出的因素是多方面的。应当注意，其中有不少因素与目前 我国经济快速发展的状况有着密切关系。随着我国城市化水平迅速地提高，建筑业得到 了突飞猛进的发展，不仅各种建筑物的数量大大增加，而且出现了许多新型的、大型、 高层和特殊类型的建筑。这些建筑的使用功能和所使用的建筑材料也发生了巨大的变 化，从而使其火灾危险程度发生了很大的变化。 为对付这种火灾，世界各国政府和民间社团先后在大小城镇建立了数量众多的专职 和业余( 义务) 的消防队伍，还制定和发布了各种消防标准、法规和条令。起初，在民间 建筑业中形成有关建筑安全的约定或标准，逐渐发展成为一种政府的执法行为，并以国 家法令、法规的形式发布，成为了全国建筑物的安全设计标准，这已成为保证整个国家 或某些大区范围内的建筑物达到预定安全水平的重要措施。现行的这些规定或要求一般 称之为建筑设计规范，还常称为指南、规程或标准等，他们均具有法规效力。世界各国 正在使用的建筑设计防火规范，主要是依据火灾案例中获得的经验教训和实验室中进行 的实验结果而制定和修订的。这种现行的建筑设计防火规范是按建筑物的用途、规模、 结构等的类型，由非常详细的条目规定构成。设计人员根据建筑物的情况“照方抓药”， 从规范中直接选定设计参数和指标。我们将这种对具体设计参数和指标进行详细规定的 规范称为“处方式规范”或。规格式规范”，并将依据处方式规范进行设计的方法称为 “处方式设计方法”。 但由于每座建筑的结构、用途及内部可燃物的种类、数量和分布情况均不一样，以 及居住使用者的条件差异，按照规范统一规定的设计参数所作出的设计方案，并不一定 是最科学合理的方案，难免出现达不到预期的消防安全水平，或因提供不必要的过度保 护措施而增加建筑成本等情况。而且随着经济的发展，出现了许多新型的特殊建筑以及 超高层、超大建筑，这类场所的防火设计问题，原有的处方式防火设计规范无法合理解 决。因此，“处方式设计方法”不具有科学性和严谨性，有其固有的缺陷和不足，主要 表现在：( 1 ) 具体规定的技术数据与日益扩大的建筑规模的不相适应；( 2 ) 缺乏系统 的综合考虑；( 3 ) 未能很好地考虑建筑物的环境条件和社会因素影响；( 4 ) 不利于调动 设计人员的主动性、积极性；( 5 ) 不利于新技术、新材料、新产品的发展。而性能化的 防火设计方法能弥补以上不足，所以，自2 0 世纪7 0 年代起，一些发达国家就开始系统 地研究以性能为基础的建筑防火设计方法，性能化防火设计越来越成为一种趋势。 随着火灾科学理论、消防工程技术和计算机技术的发展，特别是火灾数学模型的开 发应用，使得原本非常复杂的对建筑的消防安全评估，变得较为方便易行。于是，一些 西方发达国家在2 0 世纪八九十年代提出了一种全新的革命性的建筑防火设计方法一性 能化设计方法，它是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 第一章绪论 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。比较处方式防火设计方法和性能化防火设计方法，我们 发现依据处方式的方法，设计人员只需按照规范的要求按部就班地进行设计，不用考虑 具体的安全水平，而性能化的设计方法是基于目标的综合、合理的设计方法。 建筑结构抗火就是建筑主要承重构件的抗火，是在进行结构设计时保证建筑构件和 结构具有足够的抗火时间，防止火灾时出现局部倒塌甚至整体倒塌的现象而进行的相关 设计，建筑火灾发展到轰然阶段后，合理进行结构抗火设计可以减少疏散困难和人员伤 亡，缩短火灾后的结构功能恢复周期。结构抗火设计随着建筑防火设计的发展也正从结 构处方式抗火设计方法向结构性能化抗火设计方法转变。 结构抗火设计是性能化防火设计体系中不可或缺的一环。依据火灾发展的特点，分 析建筑构件的耐火性能，选择适当的构件耐火保护措施是性能化建筑防火设计与评估的 又一重要方面。 当前国内外建筑结构抗火设计规范所采用的方法即处方式设计方法是根据建筑物类 别定出耐火等级，然后根据耐火等级规定结构构件的耐火极限。结构设计者则根据结构 的极限状态。计算火灾下结构的耐火时间是否符合规范规定的耐火极限要求。用处方式 的设计方法进行设计会出现两种问题：( 1 ) 设计不足。设计不足导致建筑物提前出现 坍塌现象，造成危险( 2 ) 设计过度。过度设计造成了经济上的不合理，造成浪费。 而结构抗火的性能化设计不明确规定某项解决方案，而是确定设计目标及能达到要 求的可接受的方法。结构抗火的性能化设计根据其内在特有的内容按性能化设计的步骤 进行设计。因此，研究结构抗火的性能化设计应首先研究性能化设计体系的步骤，然后 再深入研究结构抗火性能化设计的具体内容。但同时不应把结构抗火看作孤立的一部 分，而应把结构抗火看作是防火设计中重要且不可或缺的一部分”。 1 2 国内外消防性能化设计研究的现状 在结构抗火性能化设计中，不应把结构抗火看作孤立的一部分，而应把结构抗火看 作是防火设计中重要且不可或缺的一部分。结构抗火首先应从结构防火开始，通过防火 分区、防排烟系统、报警系统、灭火系统、外界的救援等各种措施控制火灾的发生发展， 然后再考虑火势发展到不可控制下的抗火设计。 ( 一) 结构防火 在结构防火阶段，国外主要侧重火灾过程的计算机模化、火灾风险评估方法等方面 的研究，并取得了一批成果。 在计算机摸化方面，从单一的区域火灾模型( 见表1 - 1 ) 、场模型( 见表1 - 2 ) 到组合 式模型( 见表卜3 ) 可以说一应俱全。其他还有如e l v a c ( 估计建筑内人员采用电梯及楼 梯疏散所需时间) 、e v a c n e t + ( 一个交互式计算程序，模拟紧急情况下的建筑疏散) 、 s i m u l e x ( 模拟大量人员在多层建筑物中的疏散) 、e x i t 8 9 ( 针对大型建筑物的疏散) 等疏 散模型。 2 第一章绪论 表卜1 一些被广泛应用的区域火灾模型 模型名称模型特征 a s e t单室 c c f m v e n t s多室、多层 c f a s t最多能模拟3 0 个房间，3 0 条风管，5 台风机的情况 c o m p b r n 单室，应用与核能设施 c o m p f 2单室，适用于轰然后 f i r s t单室 w p i单室、顶棚、通风 表卜2 一些被广泛应用的场火灾模型 模型名称 模型特征 b f 3 d单室 f l o 霄一3 d通过c f d 程序 f d s通过c f d 程序 k o b r a 一3 d= 维火灾模型。确定单室内的水力流动 p h o e n i c s 诵用= 绋瞬时流体力学捍序 r m f i r e 进行房间内火烟气流动的瞬时计算 s p l a s h描述自动喷水与火灾气体相互影响的场模型 表1 - 3 一些被广泛应用的特定目的火灾模型 模型名称模型类型特定特征 分析烟控系统的稳态网络分流模型，无火灾条 a s c o s 烟气控制 件 b r e a k i玻璃破碎 计算暴露于火灾下的玻璃的破碎 d e t a c t q s 热感应启动计算热探头及喷头的启动时间、用户定义火灾 f i r e s - t结构传热 = 维结构组件侍撼 l a v e n t 热感装置启动计算喷头及热熔元件启动的通风启动时间 从国外火灾模拟的研究历史看，研究和开发起步较早，模型的开发具有一定的连续 性，且大多数模型都经过了实体火灾及实际应用的检验，并在此基础上不断加以改进。 另外，随着对火灾现象本身研究的深入，一些新的研究成果也进一步引入到火灾模型中， 使原来以经验性为主的火灾模型逐渐趋于科学合理。 在我国，我国在火灾模拟的研究方面尽管在1 9 8 7 年前后进行过一些研究，但总体 3 第一章绪论 上起步较晚，且较为盲目，缺乏系统性。有人曾做过火灾的盐水模拟方面的研究，进行 了宾馆客房及地下大型商场的火灾模拟和疏散人流的研究。但这些火灾模型大都停留在 实验阶段，没有经过实际应用，还不具备实用意义，仍需要继续在原有的基础上进行 更为深入的研究。公安部天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、网综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。 在火灾风险评估方面，对于这一方法及相关概念体系的逐步完善作出重要贡献的主 要包括：美国的建筑防火评估方法( b f s e m ：t h eb u i l d i n gf i r es a f e t ye v a l u a t i o nm e t h o d ) 。评估特定场所内所用产品火灾风险的f r a m ew o r k s 方法，火灾致损评估方法( f i v e ：f i r e - i n d u c e dv u l n e r a b i l i t ye v a l u a t i o n ) ；澳大利亚的风险评估模型( r a m ：r i s k a s s e s s m e n tm o d e l i n g ) ；加拿大的f i r e c a m 方法。 加拿大国家建筑研究院( n r c ) 正在研究并已开始应用的性能化设计工具：火灾风险 与成本评估模型( f i r b c a 卜f i r er i s ke v a l u a t i o na n dc o s tas s e s s m e n t m o d e l ) ，它 通过分析所有可能发生的火灾场景来评估火灾对建筑物内居民造成的预期风险，同时还 能评估消防费用( 基建及维修) 和预期火灾损失。f i r e c a m 依靠两个主要参数来评估火灾 安全设计的火灾安全性能，即火灾对生命造成的预期风险( e r l ) 和预期火灾损失( f c e ) ： 运用统计数据来预测火灾场景发生的几率，比如可能发生的火灾类型或火灾探测器的 可靠性，同时还运用数学模型来预测火灾随时间的变化，比如火的发展和蔓延及居民 的撤离；f i r e c a m 利用火灾增长、火灾蔓延、烟气流动、居民反应和消防部门反应的动 态变化( 以时间为函数) 来计算e r l 和f c e 的数值。它包括：火灾增长模型、烟气流动 和居民逃生模型。f i r e c a m 对火灾蔓延的可能性及火灾后修复建筑物的费用采用的是保 守的评估模型，所以对财产损失的评估结果比实际的偏高。 澳大利亚消防规范改革中心( f c r c ) 正在开发一个用以量化建筑消防安全系统性能 的风险评价模型c e s a r e - - r i s k ，它采用多种火灾场景，其中考虑了火灾及对火灾的反应 的概率特性。采用确定性模型预测建筑内火灾环境随时问的变化。某些组成部分如下： 事件树与预期值模型、火灾发展与烟气流动模型、人员行为模型、消防队模型和工作人 员模型、分隔失效模型、经济模型”1 。 ( 二) 结构抗火 在结构抗火阶段。英国、美国喜欢通过计算机模拟软件进行预测分析。1 9 9 4 年以来， 英国谢菲尔德大学的h u a n g 等陆续开发了温度场分析程序f p r c b e 2 t 、钢结构抗火分析 程序、，u l c a n 、二维混凝土构件耐火分析程序f p 2 p r c m 2 s ，这几个程序联合起来，可以较 好地对钢筋混凝土梁、柱、连续梁，以及钢结构在火灾中的热反应及结构反应进行模拟 4 第一章绪论 删。1 9 9 8 年，英国帝国大学的t e r r o 在伦敦大学的应力分析软件l u s a s 的基础上，开发 了钢筋混凝土结构在火灾中反应分析软件s t r u c t 。据t e r r o 称，这是能进行火灾下三维 结构非线性有限元分析的第一个软件。此外还有b o f i r e ，它是基于有限元方法的瞬变、 非线性、增量法的计算程序。此程序包括两个主要的计算模块：一个用于计算构件的温 度发展和分布( 温度反应模型) ，另一个用来分析考虑高温下材料性能变化的结构力学性 能( 力学反应模型) 1 0 o 美国也开发了各种模拟软件，比如美国尤他大学在能源部的资助 下，计划从2 0 0 0 年开始，用5 年时间，在超级计算机上开发一套火灾及爆炸模拟软件， 预计该软件可以模拟出火灾过程中燃烧过程、热与结构的相互作用、结构内部的应力变 化等，并可以通过可视化技术演示出来，如果开发成功，必将大大推进结构抗火性能化 设计的进程“。美国出版的关于建筑结构抗火设计的著作 s t r u c t u r a ld e s i g nf o rf i r e s a f e t y 、( f i r es a f e t ye n g i n e e r i n gd e s i g no fs t r u c t u r e s ，这两本著作里面包含 了手算公式和计算机模拟两种方法，首先给出自然火灾情况下的温度曲线，然后计算混 凝土、钢、木、砖结构在上述火灾温度曲线下的构件和结构材料的力学性质。书中还包 含了一些已经应用的实际例子。 不同于英国、美国，日本更倾向于简单预测模型的研究“4 。日本在5 0 年代后期，许 多大型的钢结构建筑( 尤其是仓库) 燃烧而倒塌。考虑到社会对此问题的关注，b s l 包 含了防止大型建筑物倒塌的内容且满足规范要求的两种方法，标准中结构抗火的基本原 则是控制承重构件的强度，保证在火灾过程中抗力r 必须大于工作荷载s ，即r ( t ) s ( t ) ， 标准中还提供了火灾严重性和持续时间的计算，结构构件破坏临界时间的计算。在火灾 严重性计算中，每个房间考虑两种火灾：平均火灾和局部火灾。在结构构件破坏临界时 间的计算中，首先计算常温条件下结构内力，计算一步步进行下去，结合结构破坏模式 ( 整体屈曲、局部屈曲、过大变形、节点破坏) ，计算最终钢结构的温度，最后计算耐 火极限时间。 通过计算机模拟软件进行预测要比通过进行预测精确度要高点，所得的评估结果也 更接近实际，但简单预测模型方法简单易行容易推广，通过计算机模拟软件进行预测还 需要有较高的训练和教育程度，且更加昂贵。 国内，同济大学李国强“”对钢结构性能化抗火设计提出了初步的设想。他以结构耐 火时间作为性能指标外，还提出了另外一个性能指标：经济最优指标。结构某些部位的 构件和子构件的耐火时间应大于建筑物内人员逃离这一区域所需时间，整体结构的耐火 时间应大于建筑物内全部人员逃生所需时间和消防人员到达现场并控制火势所需时间， 结构防火成本、结构破坏修复成本和火灾引起的间接损失三者的经济应达到最优，所以 需要解决人员逃生模型、消防接警、出动、灭火模型。此外，李国强还认为需解决各种 功能建筑失火概率模型，各种情况建筑失火成灾概率模型，应考虑建筑布置、火灾荷载、 喷淋装置等影响：建筑失火成灾后，实际火灾升温、降温模型，应考虑喷淋、消防灭火、 建筑布置等影响。 刘永军“”则开发了性能化设计抗火计算机分析软件钢筋混凝土结构火灾反应数值 模拟软件s t r u f i r e ，s t r u f i r e 通过t f i e l d 模块进行构件内温度场非线性有限元分析， 然后可进行结构的二维和三维的非线性分析，最后通过可视化技术显示节点的升温曲 5 第一章绪论 线、位移曲线、结构的变形图，破坏单元等，它已经基本具有了对钢筋混凝土结构在火 灾中反应进行数值模拟的能力。但目前我国开发大型结构抗火模拟软件还有一些困难， 首先，一些基础性的实验数据还比较缺乏，其次，开发火灾反应分析软件需要多个学科 的科研人员协作，开发周期长“”。 1 3 国内外消防性能化规范发展的现状 在积累了大量研究成果和工程实践经验的基础上，一些发达国家开始组织专门的专 家委员会研究性能化设计规范的编制工作。尽管不同国家采取的方式有所不同，但各国 都是以火灾安全工程学的思想为指导的，以建筑火灾危险性和经济性评估为手段，以达 到建筑物的总体防火安全为基本目的，并充分利用现代科技的成果来改进建筑物的防火 设计。 日本是研究性能化设计方法比较早的国家之一。1 9 8 2 年日本建设省制定了一个名为 “建筑物综合防火设计方法的开发”的五年计划，并在起研究成果的基础上，编辑了一 套体现以火灾性能为指导的设计方法。此后，英国、新西兰、瑞典、澳大利亚陆续颁布 了体现性能化设计思想的防火设计规范“。 ( 一) 英国 英国于1 9 8 5 年和1 9 9 1 年先后两次对建筑规范进行了修订，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目标。1 9 9 4 至1 9 9 5 年，英国政府的有 关部门还组织多位火灾科学方面的专家对如何进行性能化设计进行了探讨，一致认为应 该建立一种大家共同认可的性能化设计说明。于是在1 9 9 7 年，编制了一部实施标准规 范b sd d 2 4 0 火灾安全工程原理应用指南瞌1 1 。b sd d 2 4 0 为建筑消防安全设计提供了 一个工程解决方法的框架，主要包括以下4 个步骤：1 定性设计审查( q d r ) ；2 量化分 析；3 判定标准评估；4 编制设计报告。以前规范式条文被改成附录，被称之为被批准 的条文，仅供设计人员作为参考。定性设计审查是由防火安全工程师对建筑师提出的建 筑设计初步方案进行定量化的审查，包括对建筑物、环境和有关人员的特点进行定性化 的描述、建立防火安全目标及疏散总体方案、确定量化判据和火灾危险、提出初步的防 火设计方案等，并明确防火分析过程中应包括的人员。定量分析主要是运用火灾科学和 有关的工程学原理和方法，结合预设的火灾场景，讨论可采用的各种消防设施以及它们 的组合形式，而后对这些设施在火灾过程中的作用进行分析，从而对防火设计方案的合 理性和科学性做出定量的评价。为此，需要按照确定性和随机性的方法、建立定量化的 火灾场景、计算烟气的发展过程及轰燃时间、分析火灾对人的危害程度和烟气向外蔓延 的时间。然后将有关的方案进行比较，以确定最佳设计方案。目前，英国性能化防火设 计与处方式防火设计是并行使用的，性能化按照b sd d 2 4 0 进行，处方设计按照被批准 的文件进行。在这一体系中，仅仅建筑规范本身是强制性的，对具体的设计方法不做强 行规定，可又设计者选择。 ( 二) 日本 日本在1 9 8 2 年由日本建设省制定了发展性能化防火设计的5 年研究计划。该计划的 目标是发展一个建筑火灾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 6 第一章绪论 而广泛应用于建筑防火设计中。 该方法的法律目的是：预防火灾发生；保证火灾中的人员安全；预防财产损失；保 护公众及起火建筑外的公众利益。最后一个目的主要与防止火灾在建筑物之间的蔓延有 关。 这一项目的研究结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、人员疏散和结构耐火设计5 个子系统。 1 9 9 8 年，日本吸取了国外关于性能化设计研充的新进展，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) 美国 美国从2 0 世纪7 0 年代起，就开始了较系统的研究，只是当时没有提出性能化为基 础的概念。此后开展的一系列研究中，其中一个重要的研究成果是形成了n f p a 系列标 准，其中建立的防火安全评估系统已明显体现了以火灾性能为基础的思想。1 9 9 7 年，卡 斯特和米切姆等人合著的以性能为基础的火灾安全导论出版，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 e p 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 l m l e n t s ) ，并在2 0 0 5 年有了新的版本。 该书对美国推荐的性能化防火设计步骤作了更清晰的概括，现己成为各国开展性能化防 火方法研究的重要参考资料删。 此外，美国消防协会在制订标准方面也很有影响，n f p a 标准在很大程度上起到了权 威性规范的作用。n f p a 标准也开始发展体现性能化防火分析与设计思想的标准。例如例 如n f p a7 2 美国火灾报警规范和n f p a9 b 购物中心、中庭及大面积建筑的烟气管 理系统指南娜它们均要求按火灾发展特性决定有关消防设施的设计。同时n f p a 也 在为正式制订性能化设计规范进行积极准备。1 9 9 5 午他们发布了 n f p a 性能化入门一 一规范与标准准备第一版；1 9 9 9 年又发初了该文件的第二版。该文件对性能化方法的 特点及应用进行了较深人们全面的论述，并对性能化规范的结构框架、设计所需要的输 入参数与验证、设计方案的采用与批准等问题作了讨论，有些观点很有参考意义。目前， n f p a 采用的基本上是处方式设计方法和性能化设计方法并存的双轨制，防火安全工程师 可以依据项目的特殊需要选择所依据的标准。 ( 四) 澳大利亚 澳大利亚也是开展性能化设计研究比较早的国家之一在2 0 世纪7 0 年代末，他们 就开始进行建筑火灾危险评估模型的研究，和加拿大合作并形成了澳大利亚的 c e s a r e - r i s k 程序和加拿大的r i r e c a m 程序。在1 9 9 6 年，澳大利亚颁布了本国第一部性 能化建筑防火设计规范( b u i i d i n gc o d eo fa u s t r a l i a - 1 9 9 6 ) ，并于1 9 9 7 年陆续被 各州政府采用。b c a 的结构体系包括a 至i 共九个部分，分别为：a 卷，总则：b 卷，建 筑结构部分：c 卷，耐火性能部分：d 卷，通道出口部分：e 卷，公共设施和装备部分： f 卷，健康和舒适部分：g 卷，辅助部分：h 卷，特殊用途建筑部分：i 卷，维护部分。 b c a9 6 基本上是按目标、功能说明、性能要求和解决方案等4 个方面设计的。 7 第一章绪论 经过一段时间的使用，人们发现b c a 9 6 也存在一些缺陷，主要有：该规范是从原 先的处方式设计规范b c a 9 0 修改而成的，有些部分没有进行评估，不同子系统的要 求不够一致；有些功能描述完全是定性的，这样对如何达到安全目标无法认可；对 特殊构件或组件有多种说明，致使有些地方相互冲突；为了显示设计方法与规范一致， 只规定了一种可接受的方法，而这样做的后果在一定程度上影响了设计的灵活性。 ( 五) 我国的情况 目前，我国颁布了一系列与各类建筑有关的防火设计规范，这些规范都是按照处方 的方式编写的。我国还停留在以处方式防火设计方法为主的阶段。我国的性能化规范与 设计研究工作其实在8 0 年代初就开始了，但后来一度中断。直到1 9 9 5 年的“九五”科 技共管项目“地下大行商场火灾研究”，人们才开始重视性能化防火设计，1 9 9 6 年，国 家开始组织有关的单位和人员系统开展研究。2 0 0 0 年的“十五”科技公关项目重大工 业事故与城市火灾防范及应急技术的研究，标志着我国建筑物性能化设计进入了全面 发展阶段。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制定嘲。 1 4 目前我国消防性能化设计发展过程中所存在的问题 在性能化防火设计已经越来越成为国际上火灾科学研究领域的一个热点的大环境 下，虽然我们现在仍旧还在实行处方式规范，但我国已经开始积极地发展性能化防火设 计，为性能化规范的早日制定而努力。在我国发展性能化防火设计的过程中，还存在以 下问题： ( 1 ) 我国尚无自己的性能化防火规范和技术导则，目前对国外已有的成果还停留在 学习、消化、吸收阶段，没有对适合我国实际情况的性能化设计模式进行过总结，没有 具有较强可操作性的设计规程和步骤。 ( 2 ) 注重结构耐火的研究，而忽视结构防火的研究。对结构抗火的研究往往只侧重 于研究构件的抗火保护、结构在火灾中的抗火分析和稳定性，而忽视了结构抗火性能化 设计是性能化防火设计是一个有机组成部分。 ( 3 ) 目前为止我国进行性能化防火设计的建筑所占比例太小，对性能化防火设计缺 少实践经验，在性能化设计方法和处方式设计方法之间的认识存在误区。应加强具体工 程案例的研究，从中积累经验推动我国性能化规范和技术导则的建立。 ( 4 ) 没有对适合性能化防火设计方法的各典型建筑、典型情况进行区分，对典型建 筑、典型情况各自性能化防火设计模式有其自身的特点，但现在缺少对此类问题的总结。 1 5 研究的目的和意义 性能化防火设计方法的产生有其历史背景，它能解决处方式的防火设计目前经常会 遇见一些无法解决的问题，随着火灾安全工程学的发展，研究性能化防火设计必将成为 今后发展的趋势。 世界上许多国家很早就开始了性能化设计方面的探索，并制订了性能化规范，但各 有其不同之处，而我国性能化防火设计方法的研究才刚刚起步，我国加入w t o 以后，防 火规范也应与国际接轨，吸收国外的先进经验并结合我国的具体情况，通过本文的研究， 总结出适合我国实际情况的性能化设计模式和有较强可操作性的设计规程及步骤，为符 8 第一章绪论 合我国国情的性能化设计规范的早日制订，能起到推动作用。 结构抗火性能化设计作为是性能化防火设计中重要的组成部分，对结构进行性能化 抗火方面的探索有利于我国性能化防火设计的发展，有利于结构在满足安全目标的情况 下降低防火费用，减少火灾造成的直接和间接损失，保护人民的生命财产安全。 1 6 本文的研究内容 ( 1 ) 研究我国性能化设计所需的方法学基础。 ( 2 ) 总结研究结构抗火性能化设计的模式。包括性能化设计的步骤，性能化设计的 总体模式，并对一类由于储存物质危险类别的变更而导致防火分区与规范冲 突的储存易燃固体的典型仓库进行性能化设计的模式的研究。 ( 3 ) 根据所确定的模式对一实际仓库进行具体的案例分析，包括基于性能化的仓库 建筑防火研究和仓库建筑抗火研究，并得出结论。 1 7 技术路线 本文采用的技术路线如图1 - 1 所示： 国内外性能化 设计研究现状 国内外性能化 规范发展现状 我国性能化设 计方法学基础 结构抗火性能化 设计模式的研究 典型仓库的 案例分析 基于性能化设计 的典型仓库的结 构防火研究 性能化设计的步骤 性能化设计的总体模式 本文研究的一类典型仓 库的性能化设计模式 基于性能化设计 的典型仓库的结 构抗火研究 图1 - 1 技术路线图 9 第二章性能化防火设计的方法学基础 第二章性能化防火设计的方法学基础 性能化设计是一个非常复杂的体系，它的实现需要各种技术条件和社会环境的支撑， 它不仅涉及物理学、化学、数学、机械、电子、建筑、信息、心理、生理等多种自然科 学学科，还涉及法学、经济学、哲学、管理学、教育学、灾害学等多种社会科学的学科。 它是随着消防安全工程学的建立和发展而出现的。它的发展离不开火灾基础理论、应用 基础理论、应用技术三大框架的支撑。只有发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模型和方法以及可靠的计算机设计软件等，才能建 立起性能化设计方法和性能化规范。 2 1 性能化设计的基础理论 性能化设计的基础理论火灾学是以火灾特性、火灾的规律为基本研究对象，其研究 目的是为减少火灾对人类的危害提供科学的理论与知识，火灾科学所研究的主要内容可 以大体按火灾发展的过程展开说明。围绕着阻止起火，需要研究各类可燃物的热解、燃 烧与爆炸特性，研究材料的阻燃机理与阻燃技术原理，并引导到研究工程燃烧中对不同 种类可燃物燃烧性质的分析与测量方法和技术上来；围绕限制火灾的发展，研究不同可 燃物起火的规律与待点；围绕火灾的发展与蔓延过程，研究不同场合下火灾探测、灭火 和控烟的原理及方法；围绕火灾中的人员安全，研究烟气的生成、毒性和危害，并讨论 火灾时烟气对人员安全疏散的影响：围绕建筑物的安全使用，研究各种建筑材料与构件 在火灾中的性能变化等。由于火灾问题的复杂其研究的基本内容包括物质燃烧与爆炸、 烟气的生成与性质、烟气的流动特性与蔓延、烟气的控制与消除机理、火焰的化学反应 机理、火灾的发展与蔓延、火灾的控制机理、灭火机理等。这些研究内容涉及到化学、 物理学、数学、空气动力学、流动力学、气象学、建筑学、传热学、燃烧学等多个学科 领域。 物质燃烧与爆炸。物质燃烧与爆炸主要研究气相、液相和固相三种物态的燃烧和爆 炸特性，三种物态的可燃物与氧化剂f 在火灾中主要是空气) 相互混合的难易程度不同， 因而其燃烧状况存在较大差别。火灾中的可燃气体主要有两类：一类是火灾前就存在的 可燃气体；另一类是燃烧中生成的可燃烟气，由于燃烧不完全，这类烟气中大都含有多 种可燃组分可燃气体的燃烧有预混燃烧和扩散燃烧两种基本形式。可燃气体与氧化剂 先混合再燃烧，称为气相预混燃烧；两者边混合边燃烧，称为气相扩散燃烧。在实际火 灾中，还经常出现非均匀的预混燃烧，其部分区域显示预混燃烧特征，部分区域呈现扩 散燃烧特征。可燃液体的燃烧过程基本上是先挥发再以气态形式与空气混合，进而发 生燃烧。对于重质液体燃料。其燃烧后期通常还有一个热分解过程即燃料由于受热而 裂解成气态的轻质碳氢化合物和碳黑在气相燃烧之后还有固相燃烧阶段。可燃固体的 燃烧在工程燃烧中通常以煤为固体燃料的代表，但是在火灾中，可燃固体不仅包括煤、 木材、草而且还包括各种可燃建筑构件、工业原材料及生活物品等，与可燃固体火灾 危险性相关的另一个问题是粉尘爆炸。此外，还需要研究建筑构件受火后的性能变化和 火灾固体残剩物的性能变化，研究物品受火后的性能变化具有重要意义。 火灾的发展与蔓延。可燃物的种类是影响火灾发展和蔓延的基本围素，起火点所在 的环境状况对火灾的发展和蔓延也是一个重要影响因素，其中燃烧空间是否受限更是一 1 0 第二章性能化防火设计的方法学基础 个重要方面。受限空间火灾的发展和蔓延受到限制，如建筑火灾。非受限空间火灾，火 势可以更自由地发展，如森林火灾。可燃物的性能和存在数量是影响火灾强度的主要因 素，但在不少场合下，向燃烧区供应空气的状况也具有重要影响，尤其是对受限空间火 灾来说打时还有决定性的影响。在有固体壁面存在的特殊条件下，某种可燃物的燃烧速 率甚至可以超过该可燃物在敞开环境下的燃烧速率。进行火灾防治时必须考虑它们的具 体情况。此外，还需考虑轰然和回燃。 火灾烟气的生成与性质。火灾中产生的气相燃烧产物一般称为烟气( s m o k e ) 。烟气是 一种复杂的混合物，其中包括：可燃物热解或燃烧产生的气相