建筑物性能化防火设计讲.ppt

建筑物性能化防火设计技术导则,倪照鹏天津市卫津南路110号（300381）电话：02223387424,TechnicalGuidelineofBuildingPerformance-BasedFireSafetyDesign,建筑物性能化防火设计技术导则,性能化设计方法与技术的产生与发展背景性能化设计技术在国内外的研究与应用现状性能化设计方法与传统设计方法的比较性能化设计技术应用中应注意的几个问题探讨建筑物性能化设计技术导则介绍建筑性能化设计实例介绍,新技术、新材料等的不断出现与现行标准之间的矛盾各国标准不同，相互之间协调困难，阻碍了相互贸易的发展和产品与技术的进一步推广随着建筑艺术创新和建筑功能不断复杂、综合化，我国现行处方式的建筑设计防火规范在一定程度上已不适应高、大、奇、特的多功能复杂建筑的发展与创新需要。,一、性能化设计方法与技术的产生与发展背景,一、性能化设计方法与技术的产生与发展背景,消防安全工程学是随着火灾科学和火灾模化技术的飞速发展而应运而生的，主要研究火灾理论在工程中的应用，从而催生了建筑物性能化防火设计，推动了建筑设计防火规范的变革。建筑物性能化防火设计就是应用消防安全工程学的原理和方法进行的建筑防火设计。,1概述,建筑物性能化防火设计是伴随建筑创新和新技术、新材料的应用而产生的一种全新的设计理念，也是近30年来消防安全工程学发展的必然结果及其原理、方法在建筑设计中的应用。建筑物性能化防火设计研究是当前国际消防科学技术研究最为活跃的领域之一。,二、建筑物性能化防火设计的研究与应用现状,1国外的研究与应用现状2国内的研究与应用现状,一些发达国家，如英国、瑞典、澳大利亚、新西兰、美国等国较早地开展了消防安全工程应用的研究。我国也在这方面开展了大量研究工作。性能化防火设计的研究重点在于研究分析火灾发展过程及其危害的方法。多年来，各国相应开展了相关专题研究，如火灾增长分析、烟气运动分析、人员安全疏散分析、建筑结构耐火安全分析和火灾风险评估等，有些国家还在此基础上制订了建筑物性能化防火设计规范或消防安全工程应用指导文件。,2.1国外的研究与应用现状,2.1国外的研究与应用现状,1970年代初以建筑内火灾时的烟气控制为主要课题开始建筑物性能化设计的研究，于1983年出版了建筑烟气控制，1985年对建筑规范进行了修订，并引入了性能化的理念。同时，还编制了建筑规范消防安全的支持文件批准的文件B，对火灾预防和为大多数常见的火灾场景设计作了处方式规定。1993到1994年，英国组织编写了国家消防安全工程基础课程。1997年颁布了BSDD240建筑消防安全工程，规定了性能化设计过程，但对具体设计方法未强制规定，设计者既可选择处方式防火设计方法，也可采用性能化防火设计方法。2004年末发行的BSDD9999建筑设计、施工和使用消防安全规范允许更广泛地采用性能化的方法，并大量取代批准的文件B中处方式的要求。,2.1国外的研究与应用现状,BSDD240引入了风险分析方法，并将其作为评估总体危险的重要技术，确定了单座建筑内不同消防措施之间的相对重要性，推荐组织设计评审组方式将建筑作为一个整体来评估其安全性能。该指南建立了一个“路线图”，人们可以沿该“路线图”将问题逐一解决，并系统地为每个问题指出解决方法。但要为设计者提供所需数据，在这些系统化的解决方法中，仍存在许多需进一步研究的问题。,2.1国外的研究与应用现状,美国从1970年代开始研究与性能化防火设计和评估相关的课题。1986年美国国家消防研究基金会（NFPRF）组织开展了国家火灾风险评估研究项目，并开发出了FRAMEworks分析工具。同时，美国消防工程师学会(SFPE)开始进行SFPE消防工程手册的编辑工作。该手册是消防安全工程应用方法的基础，也是支持性能化消防安全设计的主要参考材料。1991年，21世纪消防安全设计会议在麻省伍斯特市的伍斯特工学院召开。该会议对性能化消防安全设计方法和规范在美国的研究起了推动作用。,2.1国外的研究与应用现状,1996年SFPE组织开展了性能化规范、标准、消防安全工程与设计方法的研究。此后，美国消防协会、美国标准技术研究院和美国的3个模式规范制定组织（ICBO、SBCCI、BOCA）、马里兰州大学等在这方面相继开展了大量研究工作。2000年，SFPE颁布了性能化设计工程导则，确定了建筑实行性能化设计的步骤。2001年美国发布了国际建筑性能规范、国际防火性能规范草稿，并于2005年定稿出版。此外，近几年NFPA也编制或修订多项包含性能化内容的标准，如NFPA101,101A，92B等。,2.1国外的研究与应用现状,澳大利亚于1989年成立了建筑规范审查工作组，起草性能化的国家建筑消防安全系统规范。1996年颁布执行以性能为基础的澳大利亚建筑规范。该规范在执行过程中既可以按指令性规定，也可以按照性能化要求进行设计。此外还编制了澳大利亚建筑性能化设计指南，给出了具体的设计方法和相关参数。2001年11月澳大利亚发行了消防安全工程指南用于指导本国性能化设计的开展。此后，与加拿大国家研究院规范中心、美国国际标准委员会和新西兰建筑业管理部门合作对消防安全工程指南进行修订，使其成为适用于上述这些国家的国际性指南，于2004年12月正式出版并改名为国际消防工程指南。,2.1国外的研究与应用现状,新西兰1992年颁布了新的新西兰建筑规范，其中就有性能化内容，规定在建筑设计时应将火灾的发生和发展、疏散方式、火灾蔓延、以及建筑结构在火灾中的稳定性等作为火灾安全设计标准。1993年全面实施以性能为基础的防火设计规范。新西兰建筑规范是世界上第一部比较完整的性能化设计规范。,2.1国外的研究与应用现状,加拿大1980年代初开始建筑性能化设计的研究。1994年制定并确定了主要研究方向和内容。2001年发布了性能目标为基础的建筑规范和防火规范草案，其要求以不同层次的目标形式表述。2005年正式发布了以目标为基础的规范。以性能为基础的系统是针对目标、性能要求进行评估；而以目标为基础的系统则是针对可接受的方案的进行比较，其设计包括：目标、功能描述、可接受方案、意图描述、应用描述。通过这些步骤，可以帮助人们获取各项可接受方案的信息，更好地理解这些方案。同时也能够基于这些方案提出更加合理的新方案。,2.1国外的研究与应用现状,国际标准化组织（ISO）从1990年开始组织性能化设计标准的研究。ISO/TC92“消防安全”专门成立了“消防安全工程”分委员会（SC4）从事这方面的工作。目前，已完成了设计火灾场景与设计火灾的选择方法、火灾安全工程计算方法的评估、验证与确认、火灾安全工程所需数据、轴对称火羽流的计算方法、烟层计算方法、轴对称顶棚喷射火计算方法、通分排烟计算方法、火灾风险评估指南和人的行为与运动评价等9项标准的起草工作。,2.1国外的研究与应用现状,日本在19821987年间开展了“建筑物消防安全性能评估方法的研究”，1989年出版了建筑物综合防火设计。19931998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。1996年对建筑标准法进行修订，并向性能化规范转变。该标准于2000年6月发布实施，它仍是处方式方法，但在安全疏散方面体现了性能化方法。1999年日本内政部消防和灾害管理局组织开展了“火灾危险的消防安全对策研究”，开展一系列与性能化消防安全技术相关的研究。2000年1月，消防安全实施令公开征求意见，该令包含了建筑物综合消防安全设计和建筑材料与结构的火灾性能评估方法。目前，日本的相关研究主要集中于开发和验证数学分析模型以及完整的建筑性能化防火设计技术标准。,2.1国外的研究与应用现状,经过近30年的研究，消防安全工程应用即建筑物性能化防火设计的主要技术问题已基本解决，开发了不少分析计算模型，基于消防安全工程学原理的建筑标准也有少数国家已发布出版。国外利用性能化方法进行建筑防火设计的案例相对比较少，如德国、美国约占总建筑数量的35，主要针对一些特殊建筑。,2.1国外的研究与应用现状,目前国外在建筑性能化设计和评估方面的研究主要集中在：编制消防安全工程应用技术标准验证有关计算分析模型和开发基于人的心理的疏散模型研究定量分析建筑火灾风险和消防安全水平的方法隧道火灾时人员的安全疏散与隧道火灾灭火技术研究结合计算机模拟技术和实验方法开展火灾试验的方法建筑的结构整体试验与热反应分析方法和技术,现有火灾模型：区域模型和场模型,区域火灾模型，也称有限元模型。它的运算速度快，预测结果较为精确，对预测结果也容易解释。每个房间分为有限多个控制体（称为区域），并假定每个区域内部具有一致的参数，即每个区域内部的任何一点都具有相同的温度、烟气密度及燃烧产物浓度。一般，每个房间被划分为两层，分别代表房间内的上层与下层，在火源房间分为三个控制体，除上下两层外，还有一个火羽流控制体。根据对实际火灾的实验观察，房间内存在两个明显的层，因此，假设房间内的状态仅沿地板到顶板垂直方向变化，在水平方向没有变化。尽管在同一层内能够测量到状态参数的变化，但这种变化同层与层之间的差别相比很小。在大多数情况下，区域模型能够得到一个相对现实的模拟结果。,现有火灾模型：区域模型和场模型,这类模型通过解一组方程来预测状态参数（如压力、温度等）随时间的变化。这些公式由能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程以及理想气体状态方程得到。这些守恒方程本身是正确的，模型所得到的任何误差均不是由这些守恒方程造成的，而是因所做的某些假设或那些目前尚未认识或不能处理的一些过程所致。,区域火灾分析模型,现有火灾模型：区域模型和场模型,场模型将给定空间划分为许多个小体积，模型将计算每个小体积内任意时刻的物理状态。用户可以预测房间内任意一点处的状态。因此，CFD模型的预测结果相对区域模型更为精确。不能绝对准确地描述真实情况，且计算量非常大，对计算机硬件的要求很高，一般在个人电脑上无法运行，必须在大型机、工作站甚至是巨型机上才能运行，运行时间很长。所需时间视模拟的复杂程度而异，可以几个小时、几天甚至几个月都有可能。,CFD火灾分析模型,特定目的模型,包含多个分析模型的组合模型,2.2国内的研究与应用现状,我国从1980年代初期就开始了火灾模化方面的研究。1986年，公安部天津消防研究所编写了火灾模化方法的发展译文集，介绍了当时国际上几种有影响的火灾计算机程序。此外，国内有关研究人员在宾馆客房火灾发展过程的数学模化与计算机处理（19861990），宾馆客房可燃组件火灾特性（19901992），地下民用建筑火灾烟气流动过程模拟技术的研究（19911994）以及火灾烟气流动水力模化、高层建筑楼梯间防排烟的研究和非线性热灾害动力学等建筑材料火灾特性、火灾模化技术、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。,2.2国内的研究与应用现状,1995年开始研究建筑物消防安全工程设计技术，即建筑物性能化防火设计技术。国家“九五”科技攻关项目“地下大型商场火灾研究”等课题中，我国一些研究人员对建筑物性能化消防设计有所认识，在此期间还开发了针对地下大型商场人员疏散的模型Fegress等数学模型。,2.2国内的研究与应用现状,此外，有关单位还提出了场、区、网综合模拟新方法，编制了场区模拟方法相结合的综合模型；对大空间建筑火灾烟气运动进行了研究，并提出了大空间建筑火灾烟气运动模型和控制方法；开展了火灾条件下人群疏散规律的研究等。,2.2国内的研究与应用现状,1997年国际消防科研合作论坛会议在天津召开以后，我国开始比较系统地研究国内外有关建筑物性能化设计技术研究成果和相关标准、指南，并开展专门研究有关部门组织翻译了大量介绍国外开展性能化防火设计和评估的著作和文献，还组织相关人员出国考察学习国外研究成果和实践经验。国内一些期刊、杂志，如消防科学与技术、火灾科学等也刊登了许多研究、探讨性能化的文章。此外，国内曾多次组织以性能化防火设计和评估为主要议题的研讨会和报告会。,2.2国内的研究与应用现状,“十五”期间，公安部消防局组织公安部天津、四川消防研究所、中国科学技术大学和中国建筑科学研究院防火所等对性能化防火设计和评估进行了系统、深入的研究。此外，中国矿业大学、武汉大学、西安建筑科技大学、沈阳航空工程学院、同济大学、武警学院等院校也在人员疏散、相关数学模型开发、结构耐火试验与设计等不同方面开展了相关试验与研究提出了一些计算方法和模型。,任何建筑的消防安全都是一个复杂的系统工程，要实现其消防安全性能能够达到一定安全水平，必须根据采用性能化设计的部分出发，从整体设计进行系统的分析研究。即使这样，也只能通过改善建筑环境来控制和降低其发生火灾的可能性及其火灾危害，而无法完全消除其火灾危险。不同功能的建筑物，需要采用性能化方式进行设计的问题略有差异，但从总体上看，主要有人员安全疏散设施、防火分区面积、钢结构耐火保护以及建筑防排烟四个方面的问题。,2.2国内的研究与应用现状,应用领域与应用情况,应用于工业与民用建筑、隧道、地铁工程等各类建筑工程的性能化防火设计与评估、建筑设计审查、消防监督审核，也可用于既有建筑物的消防安全性能评估与改造设计。,会议展览建筑大型商店建筑带中庭的大型多功能复杂建筑高火灾荷载场所奥林匹克运动场大型生产厂房隧道工程,应用领域与应用情况,某大厦计算机模拟室内效果图,建立的火灾模拟实体模型,烟气流动三维演示,温度变化动画演示,速度场动画演示,ISO9705标准房间火试验,细水雾灭变压器火试验,ESFR系统灭火试验,火的传播试验,油盘火-烟气填充试验,轰燃试验,床上用品试验,我国现行的建筑防火设计规范对建筑物的结构、材料和消防设施等内容都对应规定了具体的参数和指标，设计方法是根据建筑物的情况“照方抓药”，从规范中直接选定设计参数和指标，因此这类规范称为“规格式”或“处方式”规范。“处方式”规范是在总结过去的科学实验成果、实践经验和火灾教训基础上制定的，具有一定的科学性和合理性，但在有时会在一定程度上限制现代建筑的创新与发展，影响建筑物的使用功能，甚至有时还很难真正实现“安全可靠、技术先进、经济合理”的设计原则。,三、性能化设计方法与传统设计方法的比较,建筑物性能化防火设计主要利用消防工程学的手段，量化火灾危险性、火灾危害性和可能发生的火灾，并分析评价为将火灾造成的后果限定在预定的规模和危害所必须采取的经济有效的消防安全措施。与传统设计方法相比，其特点在于能根据具体建筑的火灾发展特性来决定其消防需要。,三、性能化设计方法与传统设计方法的比较,三、性能化设计方法与传统设计方法的比较,1、传统的建筑防火设计方法是建立在总结过去经验的基础之上，对于采用新技术、新材料和新产品的设计方案，往往难以依据现有的规范条文来客观评价方案所达到的消防安全水平。在目前的建筑防火设计和审核工作中，对于这一类的设计方案，主要采取专家论证的形式，依靠专家们的经验来判断方案是否达到了规范所要求的消防安全水平。这一做法虽然在过去的工作中取得了较好的效果，但缺乏科学的论证手段，难以满足现代科学技术和建筑技术发展的需要。,概念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，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。人们普遍认为，只要设计者按照规范规定进行设计就认为该建筑的防火措施是符合使用要求的，而实际情况却往往不是这样。,“处方式”建筑防火规范,三、性能化设计方法与传统设计方法的比较,优点：清楚明了、简单易行，对设计和验收评估人员的要求不是很高，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：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，并且无法定量确定所谓的安全到底是多少，也不能确定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的投资效益比。,三、性能化设计方法与传统设计方法的比较,“处方式”建筑防火规范,概念只确定建筑要达到的总体目标要求或设计性能水平，提出一系列相应性能目标和可以量化的性能准则和设计准则。可视为是对现行规格式规范的规定进行等效量化的一种方法，也可视为是完全脱离规格式要求而制订的性能指标。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。无论何种解决方案，只要能够证明其本身的合理性，性能化规范则允许其实施。,性能化建筑防火规范,三、性能化设计方法与传统设计方法的比较,建筑设计既可以完全按照性能化消防规范进行或与现行规格式规范一起使用，也可以独立按照消防安全工程的性能化判据与要求进行。在实际工程设计中，并不是所有的建筑物都应该或有必要按照性能化的工程方法进行设计。事实上，目前在一些开展这方面工作较早的国家也只有15的建筑项目需要采用性能化的方式进行设计，如美国，约1；新西兰和澳大利亚，约35；德国，约1.5。在我国，部分地区可能达到35，但总体应不会超过0.5。,三、性能化设计方法与传统设计方法的比较,2、性能化建筑防火设计方法一种消防工程设计方法，包括如下几方面：（1）建立消防安全总目标和子目标；（2）对火灾场景进行定性分析和概率分析；（3）利用经过评估可接受的工程工具、方法和性能判定标准，按照消防安全总目标和子目标对设计替代方案进行量化评估。,三、性能化设计方法与传统设计方法的比较,性能化建筑防火设计方法的核心就是系统化的消防安全评估技术。性能化建筑防火设计思想是以建筑的火灾危险性和消防投入的经济性评估为手段，利用现代科技成果作指导的建筑防火设计。要通过采用至少与现行国家标准的规定等效的方法来实现建筑物的消防安全目标，以解决现行标准与实际需求不相适应或某些不完善的规定所带来的问题。,三、性能化设计方法与传统设计方法的比较,消防安全评估既是为了验证其设计方法及其结果是否与现行规范的规定等效或者是否能达到与