建筑性能化防火设计

1 建筑性能化 防火 设计与评估及其科学与技术基础 2 提 纲 一、性能化防火设计的时代背景 二、性能化防火设计的方法与步骤 三、性能化防火设计的科学与技术基础 四、性能化防火设计举例 五、结束语 3 一、性能化防火设计的时代背景 3 建筑与科技发展对防火设计的新要求 2 处方式建筑防火设计 4 性能化防火设计的兴起 1 建筑防火的目的与措施 5 性能化设计和处方式设计的关系 4 建筑防火目的： (1) 保护建筑物内及其周围人员生命安全和健康； (2) 保护建筑物内及其周围财产并限制火灾损失； (3) 保护消防人员的安全并能够开展有效的灭火工作； (4) 保护环境（大气、水和土壤）。 1. 建筑防火的目的与措施 5 保护人员安全措施： 预防火灾 疏散通道 限制火灾蔓延 尽早发现火灾并进行有效灭火 避免发生轰燃 通过限制疏散通道的长度、防烟、排烟、排热以及防止建筑物倒塌等措施减少人员的危险性 实现防火的技术措施 6 保护财产安全的措施： 预防火灾 减少财产密度 尽早发现火灾并进行有效灭火 限制火灾蔓延 避免发生轰燃 通过排烟、排热、避免水造成的损失以及防止建筑物倒塌等措施减少财产的损失 实现火灾防护目的的技术措施 7 2 处方式建筑防火设计 定义： 处方式建筑防火设计：按照传统建筑防火设计规范对建筑物防火分类及其对防火设计的明确要求，对建筑防火系统进行设计的工程。 处方式防火设计评估：按照按照传统建筑防火设计规范对建筑物防火分类及其对防火设计的明确要求，对建筑防火系统设计进行评估。 8 特点： 一般是指根据火灾事故的发生、发展和扑救等经验教训和火灾科学研究试验等消防实践总结出来的，并经不断修改完善的一套有明确防火设计措施和各种具体的设计参数要求的规定。 优点是清楚明了、简单易行，对设计和验收评估人员的要求不高，能够满足大多数规模或功能等要求较简单建筑的设计与设计监督需要。 缺点是它使建筑设计千篇一律，不利于新消防技术和产品的采用、很难满足技术进步的要求，并且无法确切地知道人们认为安全的具体指标到底是多少、为满足这种安全的建设投入与所能达到的安全性能水平之间具有多高的投资效益比。 9 3 建筑和科技发展对防火设计的新要求 现代建筑的特点：攀高比阔，争奇斗艳，彰显时尚，各领风骚 10 火灾科学方兴未艾： 1. 火灾机理日见清晰 2. 现象描述逐渐量化 3. 数值模拟日臻完善 4. 研究群体日益强大 火灾科学和消防技术的发展为 消防工程的变革提供了可能 11 消防技术层出不穷： 1. 火灾探测智能化 2. 火灾扑救自动化 3. 成套设备系列化 4. 消防管理信息化 火灾科学和消防技术的发展为 消防工程的变革提供了可能 细水雾灭火 遥控水炮 12 定义： 性能化设计：针对特定建筑对象的消防安全目标 ， 运用消防安全工程学原理 ， 采取计算机模化或数理推算的方法 ， 并结合实验方法 ，确定合理的消防安全设计 。 性能化评估：采用确定性或概率方法 ， 基于消防安全工程学的逻辑关系 ， 对已设计或现有的建筑对象 ， 结合其消防工程体系的合理性 、 实用性 ， 数值化地分析论证其火灾危害与风险 。 4 性能化防火设计的兴起 13 特点： 只确定建筑要达到的总体目标要求或设计性能水平，规定一系列性能目标和可以量化的性能准则和设计准则，一般附有一个指导设计的技术文件。设计人员或其他规范执行者根据设计对象特点，按规范要求，采用 “ 处方式 ” 规范或以性能为基础的设计和评估方法来完成认为可以接受或能够取得最低规定安全水平的设计。在大多数情况下，规范不明确规定某项解决方案，而是确定能达到规范要求的可接受的方法。 14 可以针对不同的建筑物确定不同的安全水平，能使设计者或监督者具有自由发挥的较大余地，解决 “ 处方式 ” 规范中存在的大部分问题，但对于规范使用者而言则要求经过专门的严格训练，并要有不同建筑物的火灾大小数据以及大量建筑材料的燃烧特性数据、专门的设计和评估工具等作为支撑。 15 5. 性能化设计和处方式规范的关系 1、两者的目标是一致的，可以相互验证； 2、两者各具特点： 指令性的简捷、明确，便于操作，可直观理解，运用成本低。性能化的演绎、推理，可以模化，需要理解力，运用成本高。 3、两者将长期互补共存。性能化适应于新型的、特殊的建筑设计与评估；指令性适用于一般的、普遍的建筑设计与评估。 4、两者可相互变化。性能化的归纳，总结成律可作为指令性。指令性的细化，数理表述可化为性能化。 16 二、性能化防火设计方法与步骤 （一）基本概念 1. 总体目标：保护生命、保护财产、保护使用功能、保护环境 2. 功能目标：对如何达到总体目标说明 3. 性能要求：材料、构件、系统、组件以及建筑方法满足性能水平要求，从而达到安全总体目标和功能目标 4. 性能指标 5. 设计指标 17 总体目标：建筑物在火灾条件下不垮塌 功能目标：保护钢构件不烧毁 性能目标：钢构件有 1小时耐火时间 性能指标：在 1小时内，温度不高于 530C 设计指标：保护层厚度不小于 3体目标：保护人员安全 功能目标：远离起火点的人员有足够的疏散时间 性能目标：限制火灾蔓延和控制烟气聚积与流动。 性能指标：燃烧速率小于 1040分钟内烟气层高度 3米以上。 设计指标：水喷淋 1套（水压 2个大气压）、机械通风 300m3/ 18 二、性能化防火设计方法与步骤 I. 确定分析对象的现场状况 弄清待评估建筑的结构特点 识别重大火灾危险源 设计火源功率 19 二、性能化防火设计方法与步骤 确定防火安全的目的和目标 保证人员安全 减少起火的可能性 防止火蔓延 防止火灾进一步扩大 20 二、性能化防火设计方法与步骤 选择合适的定量分析方法 定量分析是性能化分析的基本方法，需要根据分析的需要选择合适的定量方法； 火灾过程的计算机模拟是一种主要的方法（ 21 二、性能化防火设计方法与步骤 具体分析影响火灾安全的因素 建筑物的结构特点； 可燃物的燃烧特性与分布； 火灾与烟气蔓延的特点； 室内消防设施的配置状况； 建筑物使用者的特征； 消防救援状况 22 23 二、性能化防火设计方法与步骤 给出分析报告 风险分析结束后应当给出客观、全面的结论报告； 明确指出该建筑物是否符合有关规范的要求，原有设计是否需要进行任何修改等； 结论具有很强的时效性 24 二、性能化防火设计方法与步骤 基本的设计步骤： 三个阶段： A. 设计准备阶段； B. 定量评估阶段； C. 文件编制阶段； 八个步骤 25 二、性能化防火设计方法与步骤 性能化设计步骤示意图 第 1 步 评 估 建 筑 物 设 计 现 状第 2 步 确 定 防 火 目 标 和 损 失 目 标第 3 步 将 损 失 目 标 量 化 为 设 计 目 标第 4 a 步 设 定 火 灾 场 景 及 可 能 的 设 定 火 灾第 4 b 步 选 择 设 定 的 火 灾 场 景第 5 步 制 定 并 评 估 初 步 消 防 设 计 方 案第 6 步 选 择 最 佳 设 计 方 案第 7 步 编 写 所 选 设 计 方 案 的 技 术 文 件第 8 步 准 备 设 备 及 安 装 说 明火 灾 场 景 是 否超 过 性 能 判 据设计准备阶段定量评估阶段文件编制阶段是否26 in 定工程具体内容 建立性能判据 确定安全总体目标、功能目标、性能目标 设计目标：性能指标和设计指标 选择最终设计 建立火灾场景 试设计 试设计评估 准备设计文件 修改设计或目标 性能化设计报告 说明、图纸操作 与维护手册 a 设计是否满足 性能标准 否 是 D 27 二、性能化防火设计方法与步骤 （一）设计准备阶段 基本任务：确定一些基本参数，包括： 评估所设计建筑物的现场状况； 确定业主的损失目标（定性）； 把业主的损失目标定量为设计目标； 28 二、性能化防火设计方法与步骤 （一）设计准备阶段 确定建筑防火设计的基本目标 ： 保障生命安全，包括民众、工作人员和消防人员的安全； 保护财产安全，包括建筑结构、设备和物品； 提供连续的操作，例如保护系统可以继续运作； 限制火灾与火灾防治措施的不良影响。 29 二、性能化防火设计方法与步骤 （一）设计准备阶段 应当确定防火设计目标的优先顺序 ： 多数情况下，应优先考虑人员生命安全； 特殊情况下，也可优先考虑其它目标。如人员少，容易疏散，或存储高价值物品； 应当兼顾多个防火目标。 30 二、性能化防火设计方法与步骤 （二）定量评估阶段 1. 选择火灾场景和设定火灾曲线 ： 选择火灾场景； 设定火灾曲线 31 二、性能化防火设计方法与步骤 选择火灾场景 火灾场景：对火灾发展过程的一种语言描述，包括对起火、增长、发展到最大程度（轰燃）以及熄灭过程的说明。 需要确定的内容： 历史资料； 实际火灾过程的数据； 火灾实验数据 32 二、性能化防火设计方法与步骤 选择火灾场景 主要涉及以下具体内容： 起火前的状况 点火源 初始可燃物 二次可燃物 火蔓延的可能性 物体的摆放位置 室内人员状况 统计数据 33 二、性能化防火设计方法与步骤 设定火灾曲线 火灾的热释放速率是决定火灾发展的基本参数之一； 性能化分析中所用的 定的越合理，计算结果越可靠； 火灾发展可分为三种基本形式： 不断增长； 稳定燃烧； 逐渐衰弱 34 二、性能化防火设计方法与步骤 时间 (s) 热释放速率 稳定阶段 增长阶段 减弱阶段 设定火灾曲线示意图 35 二、性能化防火设计方法与步骤 （二） 定量评估阶段 2. 发展与评估初步防火设计 ： 按照确定的火灾场景，依据设定的火灾曲线，发展初步设计方案； 通常有多个方案； 评估、比较这些方案时，应灵活区分新建建筑和已有建筑。 36 二、性能化防火设计方法与步骤 （三）文件编制阶段 分析和设计过程的参与者 分析或设计的理由 设计方法的说明（方法、假设和工具） 设计的背景资料 业主的目标说明 性能判据 火灾场景 设定火灾 设计替代方案 其它资料 37 三、性能化防火设计的科学与技术基础 2 热释放速率模型及其实验测试方法 3 羽流模型 1 火灾过程模拟 4 人员疏散模型 5 自动报警与灭火系统 6 烟气流动与控制系统 7 建筑构件耐火保护 38 1 火灾过程（烟气流动）模拟 方法分类 火灾防护的工程方法 分析方法 模拟方法 区域模拟方法 场模拟方法 39 火灾模拟方法及其对比 分析方法与模拟方法对比 性质 分析方法 模拟方法时间过程 否 是错误评价 简单 复杂消耗 小 中等，较大论述 单一 系统分析方法：运用工程基本原理、经验和规范给出具体工程问题的解决方案。 模拟方法：建立火灾过程数学模型，真实近似地再现火灾过程，并根据具体工程问题的给出解决方案。 40 火灾模拟方法及其对比 区域模拟与场模拟方法 区域模拟方法：通常将火灾房间分为上下两个区域，即上部的热烟气区和下部的冷空气区，并且假设两个区域内的参数是均匀的。针对两个区域分别列出质量守恒和能量守恒方程，区域之间的质量交换主要由羽流和通风口的掺混作用造成，能量交换除了由质量交换带来的能量传递外，还考虑辐射和导热损失 场模拟方法：根据质量守恒、动量守恒（ 能量守恒和化学反应定律建立描述火灾过程的控制方程组。为了能够从整体上求解火灾过程必须建立火灾各主要分过程的理论模型，如受浮力影响的湍流模型、湍流燃烧模型、辐射换热模型和碳黑模型，从而使场模拟的方程组封闭。 41 火灾模拟方法及其对比 区域模拟与场模拟方法对比 性质 区域模型 场模型几何描述 近视 准确通风描述 准确 准确火源 近视 近视模拟投入 小 很大描述 （论述） 粗 细校验 工作量大 高质量很大无量纲关系 不能给出 很高局部描述的准确性 给出准确的分析结果 区域划分大时结果近 视费用投入 小 很大42 火灾模拟方法及其对比 区域模拟与场模拟方法对比 问题 区域模型 场模型羽流范围内的局部温 度 能 能，一般火灾范围内的局部温 度 只在羽流、顶棚射流 和建 筑 构件 能，一般烟气层的温度 能 能，费时排烟问题 能 能，费时局部流场 在羽流范围和开口部 位 能，一般多房间模型 能 有条件，费时建筑构件温度计算 能 能，部分是近视的参数研究 容易 很难43 室内火灾及热烟气发展过程 可燃物烟气羽流区间断火焰区稳定火焰区热烟气层44 2 火源热释放速率模型 引言 火灾过程中火源的热释放速率是评价火灾危险性的重要参数，也是进行火灾模拟研究的基础参数。在过去的 20多年时间里，火灾过程中热释放速率的测试方法法较大的发展，出现了基于氧消耗原理的热释放速率测试方法，如小尺寸热释放速率实验的 尺寸墙角实验的 些火灾实验室还发展了基于氧消耗原理的大型热释放速率测试方法。此外，基于质量损失速率的热释放速率测试方法可以作为基于氧消耗原理测试方法的补充。 与此同时，基于区域模型（ 火灾模拟方法也得到了长足发展，目前比较著名的火灾模拟软件有 分软件已经可以在 述火灾模拟软件已经成为建筑火灾研究和火灾危险性评价的重要工具，部分软件已被成功地运用于隧道火灾的研究和评价。但区域模型的核心是如何构造接近于实际情况的火源热释放速率模型。 45 几种常用的热释放速率模型 2 200 / 火 焰 水 平 蔓 延 速 度 参 数 值可 燃 材 料火 焰 蔓 延分级b / k J / 的 时 间/ 注 明 缓慢 0 . 0 0 2 9 58 4无 棉 制 品聚 酯 床 垫中等 0 . 0 1 1 7 292塑 料 泡 沫堆 积 的 木 板装 满 邮 件 的 邮 袋快速 0 . 0 4 6 9 146甲醇快 速 燃 烧 的 软 垫 座 椅极快 0 . 1 8 7 6 7346 几种常用的热释放速率模型 02000400060008000100000 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600时间/速 中等 缓慢47 几种常用的热释放速率模型 322321m a . .)(. . . . . . . . 232m a x )/( 48 几种常用的热释放速率模型 49 几种常用的热释放速率模型 f 0 02 050 几种常用的热释放速率模型 02000400060008000100000 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600时间/材 原木 纸卷51 几种常用的热释放速率模型 可燃物燃烧参数表可 燃 材 料 热值 / M J / k 面 积 上 的 质 量损 失 速 率 / k g / ( m i n )蔓 延 速 度/ m m / 3 . 6 8 0 . 4 5 4 . 5原木 1 5 . 4 8 0 . 9 0 8板材 1 5 . 4 8 0 . 9 0 16甲醇 2 7 . 0 0 0 . 9 3 40火 灾 蔓 延 速 度 / m m / 慢 中等 快速 极快 轰燃时0 1 2 . 5 15M R F C 模型 5 8 1 2 - 2 0 3 0 - 5 0 8 0 - 1 2 052 几种常用的热释放速率模型 0 0 5 53 几种常用的热释放速率模型 02000400060008000100000 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600时间/0=0= 热释放速率的实验测试方法 基于氧消耗原理的测试方法 氧消耗原理是指大多数 固体材料完全燃烧每消耗一单位质量的氧气所释放的热量基本相同（ J/2） 55 热释放速率的实验测试方法 锥形量热计 56 热释放速率的实验测试方法 锥形量热计实验原理 锥形加热器打印机计算机排气流量计激光测烟系统烟灰测量系统排气扇气体取样系统C O / C O 2 分析仪集气罩氧分析仪网络电打火器试样电子秤数据控制、采集和输出系统垂直方向57 热释放速率的实验测试方法 大型基于氧消耗原理的测试装置 58 热释放速率的实验测试方法 小汽车火灾热释放速率测试结果 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60时间/kg/量损失速率59 热释放速率的实验测试方法 家具火灾热释放速率测试结果 0100020003000400050000 200 400 600 800 1000 1200时间/人沙发 双层木床 床垫(中间点火)60 热释放速率的实验测试方法 基于质量损失速率原理的测试方法 释放速率的实验测试方法 房间木垛火灾热释放速率测试结果 0123456780 4 8 12 16 20时间/kg/量损失速率62 主要结论 火灾过程中火源的热释放速率是评价火灾危险性的重要参数，也是进行火灾模拟研究的基础参数。在实际建筑（包括工业建筑）火灾中，可燃物种类繁多如木材、塑料、纺织品、橡胶、油品等，多数火灾往往是上述多种可燃物的混合。运用实验的方法研究单一可燃物和混合可燃物的燃烧过程，获得这些材料在火灾过程中的热释放速率，建立相关数据库，用于实际火灾的评价和模拟研究工作是十分必要的。 火灾实验是一种破坏性试验，大型火灾实验耗费往往很大。运用目前较为成熟的数学模型用于火灾模拟研究工作是切实可行的，如 但要求使用者应具有丰富的经验。模型化的方法虽然处理问题较粗糙，但如果相关参数选用合理，也可满足相关火灾研究工作的需要。 63 4 几种常用的羽流模型 1） 3/53/1 0 7 1.0 105/223 64 几种常用的羽流模型 2） 103/503/1 )( 5/20 65 几种常用的羽流模型 2/319.0 10 7 5 02 0 0 q66 几种常用的羽流模型 5 6 9 0 8 9 67 几种常用的羽流模型 0 0 1 k 25.0流模型对比 羽流温度近似计算 0 2/51212 )( 3/53/23/2 )/( co n 温度分布方程 得到： 利用该方程可以进行模拟实验。 羽流温度模拟实验测定 69 羽流模型对比 热烟气层的体积变化率 v e n 0070 羽流模型对比 计算示例 算例 1：单位面积上的热释放速率为 800 kW/源面积为 0.5 源直径为 0.8 m，火源的热释放速率为 400 流热流量为火源热释放速率的80%，可燃物高度为 0 m。火焰高度为 m，虚拟点火源距可燃物表面高度为 m。 算例 2：选用德国热与烟气排放标准第五部分（ 8232的第三组火源描述，火源面积为 20 m，火源的热释放速率为 12 000 流热流量为火源热释放速率的 80%，可燃物高度为 0 m。 71 0510152025302 3 4 5 6 7 8z /kg/)羽 流 质 量 流 量 72 火灾羽流模型对比 0501001502002502 3 4 5 6 7 8z /) 温 度 变 化 73 火灾羽流模型对比 05101520252 3 4 5 6 7 8z /m3/) 体 积 流 量 74 火灾羽流模型对比 羽 流 质 量 流 量 03060901202 3 4 5 6 7 8z /kg/灾羽流模型对比 羽 流 温 度 变 化 0300600900120015002 3 4 5 6 7 8z /灾羽流模型对比 羽 流 体 积 流 量 03060901202 3 4 5 6 7 8z /m3/灾羽流模型对比 主要结论 火灾过程中的羽流模型是进行火灾模拟、火灾及烟气发展评价和防排烟设计的基础。本文总结了几种常见的羽流模型和适用条件，运用算例对几种常见的羽流模型进行了对比分析。结果表明，对同一问题各模型得出的羽流质量流量存在着差异，而这些差异必然对 烟气流量和温度的计算产生 影响 ， 这给火灾的评价造成困难。虽然不同的羽流模型有着不同的适用条件，但这些条件的界限并不十分清楚，使用者很难把握。 此外，大部分羽流模型是基于早期实验的研究成果，如963年发表的，由于受当时实验条件、测试仪器水平以及人们对火灾问题的科学认识程度的限制，这些成果的适用性需要重新进行实验和理论评价，以促进火灾研究及应用技术的发展。 78 火灾温度 时间关系 标准火灾温度曲线： 时间关系表达式： 600()12e x p (1(4)3e x p (1()x p (1(3)e x p ()10(250g)2/1(/2/1 口因子 当 1/ 1/ 和 /或 的值，直到燃料消耗完毕。 1/ 轰燃后的时间，小时。 对重物质（密度大于或等于 1600kg/ C=0； 对轻物质（密度小于 1600kg/ C=1。 且 )o g (345 耐火保护 79 钢构件耐火保护层的厚度计算 轻质保护材料： 4/12代表保护层的参数。下标代表钢材的参数；下标 4/12干保护材料： 252 湿保护材料： 252 80 重质材料保护层导热方程： )(1 11 轻质材料保护层导热方程： )(1 保护材料综合系数 )(1 差分形式为： )()1()( Tc 4114/12重质保护层厚度为：时，当当火灾温度随时间变化的关系已知，且构件的耐火温度和耐火时间已知时，就可以按照上式计算保护层的厚度 5)( 2水分蒸发时间为：81 四、性能化防火设计举例 济南遥墙国际机场新航站楼火灾风险评估 项目概述 危险源辩识 火灾危害性评估 钢结构保护 82 项目概述 新航站楼建筑面积为 8万平方米； 在建筑形式上，用简单的几何大跨度结构创造出一个大空间体。 83 保证生命安全 ：发生设定的火灾时确保所有人员能够安全疏散； 保证财产安全 ：通过早期探测和高效扑救来降低火灾的直接和间接损失。 项目概述 84 分析新航站楼内火灾危险源的分布、着火特性及热释放速率 ； 分析火灾动力学特性和建筑结构的火灾响应特性， 对火灾达到危险状态的时间进行评估 ； 分析人群疏散特性， 计算出人员疏散完毕时间 ，并结合到达危险状态时间对人员能否安全疏散进行评估； 分析不同火灾探测报警方法， 对不同火灾探测方法在航站楼大空间内的适用性进行评估 ； 分析不同灭火系统的效能 ，对其延长达到火灾危险状态时间、降低火灾损失、保护环境的作用进行评估。 研究内容 85 危险源辨识 分析新航站楼内火灾危险源的分布、着火特性及热释放速率 分析设计图纸 按照功能区进行危险源辨识； 确定可燃物着火特性和燃烧热值； 计算火灾荷载及火灾增长因子； 按时间平方类型火灾计算热释放速率。 86 实际大空间中会存在一些可燃物聚集的区域，火灾荷载密度较大，需 根据可燃物的空间分布特性对危险源进行进一步辨识 ，考虑其发生火灾后的热释放速率和火灾蔓延情况。 大空间内火灾热释放速率 地点 火源面积 （ 等效直径 （ m） 火灾增长因子 （ kW/ 可燃物全部被引燃时间（ s） 最大热释放速率（ 二层 商亭 4 4 4 33 李堆 3 2 00 票台 4 33 层（行李） 42 层（行李堆） 3 2 00 空间火灾热释放速率 87 火灾危害性评估 比较大空间内烟气运动的全尺寸模拟实验与计算机模拟结果 ： 提出和验证多空间区域模拟方法 在计算大空间烟气运动特性方面的合理性。 研究新航站楼内不同火灾场景下，烟气的运动特性和排烟位置及速率对烟气运动的影响。 对火