建筑物性能化防火设计讲(1)

1、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 Technical Guideline of Building Performance-Based Fire Safety Design 建筑物性能化防火设计技术导则 1性能化设计方法与技术的产生与发展背景 2性能化设计技术在国内外的研究与应用现状 3性能化设计方法与传统设计方法的比较 4性能化设计技术应用中应注意的几个问题探讨 5建筑物性能化设计技术导则介绍 6建筑性能化设计实例介绍 1新技术、新材料等的不断出现与现行标准之间的矛盾 2各国标准不同，相互之间协调困难，阻碍了相互贸易

2、的发展和 产品与技术的进一步推广 3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

3、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

4、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BS DD240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

5、，也可采用性能化防火设计方法。 2004年末发行的BS DD 9999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 BS DD240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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、，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/TC 92 “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

11、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

12、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

13、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

14、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。 模型名称作者机构特征 ASET L. Y. Cooper D. W. Stroup NIST 单室 CCFM-VENTS L. Y. Coope

15、r G. P. Forney NIST 多室 多层 CFAST W. W. Jones、R. D. Peacock G. P. Forney、 P. Reneke R. Portier NIST 最多能模拟30个房间，30个风 管，5台风机的情况 COMPBRN III N. Siu V. Ho University of CA at L.A 单室，应用于核能设施 COMPF2V. BabrauskasNIST 单室，轰燃后 FIRST H. W. Emmons H. E. Mitler NIST 单室 WPI/FIRE D. B. Satterfield J. R. Barnett WPI单

16、室，ceiling vents 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。 模型名称模型名称机构机构应用及特征应用及特征 BF3DNIST（US） 单室单室 FISCO-3L INTELLEX（DE

17、） FR SINTEF(NO) 单室，模拟火灾发展单室，模拟火灾发展 FLOW-3DHarwell Laboratory（U.K.） 一般目的的计算流体力学程序一般目的的计算流体力学程序 JASMINEFire Research Station（U.K.） 分析烟气流动分析烟气流动 KAMELEON FIRE E- 3D NTH/SINTEF （Norway） 单室池火火灾发展模型单室池火火灾发展模型 KAMELEON II NTH/SINTEF （Norway） 多室火灾与烟气蔓延多室火灾与烟气蔓延 KOBRA-3DINTELLEX（Germany） 3维火灾模型，维火灾模型， 确定单室内的

18、水力流动确定单室内的水力流动 PHOENICSCHAM,LTD.（U.K.） 一般目的的一般目的的3维瞬时维瞬时 流体力学程序流体力学程序 RMFIRENRCC（Canada） 进行房间火烟气流动的瞬时计算进行房间火烟气流动的瞬时计算 SPLASH South Bank Polytechnic （U.K.） 描述水喷淋与火灾气体描述水喷淋与火灾气体 相互影响的准场模型相互影响的准场模型 STAR*CD Computational Dynamics （U.K.） 一般目的的计算流体力学程序一般目的的计算流体力学程序 CFD火灾分析模型 模型名称作者机构模型类型特定特征 ASCOSJ. H. Kl

19、oteNIST 烟气控制 分析烟控系统的稳态网络风流模型，无 火灾条件 BREAK1A. A. Joshi UC.Berkel ey 玻璃破碎计算暴露于火灾下的玻璃的破碎 DETACT-QSD. D. EvansNIST 热感装置启 动 计算热探头及喷头的启动时间，用户定 义火灾 FIRES-T3 R. H. Idling B. Bresler Z. Nizamuddin UC.Berkel ey 结构传热三维结构组件传热 LAVENT W. D. Davis L. Y. Cooper NIST 热感装置 启动 计算喷头及热熔元件启动的 通风口启动时间 特定目的模型 模型名称模型作者机构模型特

20、征 ASKFRS R. Chitty G. Cox FRS 火灾安全工程程序 的一个集合 ASMETJ. H. KloteNIST 大空间烟气控制程序 的一个集合 FIRECALC V. O. Shestopal S. J. Grubits CSIRO 火灾安全工程程序 的一个集合 PFETOOL H. E. Nelson S. Deal NIST 火灾安全工程程序 的一个集合 HAZARD I R. D. Peacock W. W. Jones R. W. Bukowski C. L. Forney NIST 预测火灾对建筑内居民造成的风险 （包括CFAST、EXIT及DETACT-QS）

21、FiRECAMTM David Yung Noureddine Benichou Guylene Prouk Charles Dutcher Wei Su NRC 预测火灾对建筑内居民造成的生命风 险及财产损失 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

22、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

23、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

24、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

25、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 v 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。 v 会议展览建筑 v 大型商店建筑 v 带中庭的大型多功能复杂建筑 v 高火灾荷载场所 v 奥林匹克运动场 v 大型生产厂房 v 隧道工程 v 应用领域与应用情况 某大厦计算机模拟室内

26、效果图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 ISO 9705 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

27、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 v是建

28、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。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。 v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，

29、但缺乏科学的论证手水平。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。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

30、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

31、“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

32、，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：一种消防工程设计方法，包括如下几方面： （1 1）建立消防安全总目标和子目标；）建立消防安全总目标和子目标； （2 2）对火灾场景进行定性分析和概率分析；）对火灾场景进行定性分析和概率分析； （3 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）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。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