建筑防火性能化设计与评估及其科学与技术基础

1建筑防火性能化设计与评估及其科学与技术基础第一页，共九十七页。

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2第二页，共九十七页。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第三页，共九十七页。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第四页，共九十七页。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第五页，共九十七页。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第六页，共九十七页。72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。第七页，共九十七页。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。第八页，共九十七页。93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，各领风骚第九页，共九十七页。10火灾科学方兴未艾：火灾机理日见清晰现象描述逐渐量化数值模拟日臻完善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第十页，共九十七页。11消防技术层出不穷：火灾探测智能化火灾扑救自动化成套设备系列化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第十一页，共九十七页。

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。124性能化防火设计的兴起第十二页，共九十七页。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。第十三页，共九十七页。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。第十四页，共九十七页。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。15第十五页，共九十七页。二、性能化防火设计方法与步骤16（一）基本概念总体目标：保护生命、保护财产、保护使用功能、保护环境功能目标：对如何达到总体目标说明性能要求：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性能指标设计指标第十六页，共九十七页。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3mm总体目标：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10MW，40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/min。第十七页，共九十七页。二、性能化防火设计方法与步骤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18第十八页，共九十七页。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19第十九页，共九十七页。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（CFAST、FDS、FLUENT、PHOENICS）20第二十页，共九十七页。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21第二十一页，共九十七页。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22第二十二页，共九十七页。二、性能化防火设计方法与步骤基本的设计步骤：三个阶段：设计准备阶段；定量评估阶段；文件编制阶段；八个步骤23第二十三页，共九十七页。二、性能化防火设计方法与步骤24性能化设计步骤示意图第二十四页，共九十七页。25StepsinthePerformance-BasedAnalysisandtheConceptualDesignProcedureforFireProtectionDesign确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Developinga

FireProtectionEngineering

DesignBrief

试设计是否满足性能标准否是PSGDSODPCDFSTDFSM?第二十五页，共九十七页。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；26第二十六页，共九十七页。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。27第二十七页，共九十七页。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。28第二十八页，共九十七页。二、性能化防火设计方法与步骤（二）定量评估阶段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29第二十九页，共九十七页。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30第三十页，共九十七页。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31第三十一页，共九十七页。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HRR是人为设定的，设定的越合理，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32第三十二页，共九十七页。二、性能化防火设计方法与步骤33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第三十三页，共九十七页。二、性能化防火设计方法与步骤（二）定量评估阶段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。34第三十四页，共九十七页。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35第三十五页，共九十七页。36三、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建筑构件耐火保护第三十六页，共九十七页。371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第三十七页，共九十七页。38火灾模拟方法及其对比分析方法与模拟方法对比分析方法：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。第三十八页，共九十七页。39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（N-S方程）、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。第三十九页，共九十七页。40火灾模拟方法及其对比区域模拟与场模拟方法对比第四十页，共九十七页。41火灾模拟方法及其对比区域模拟与场模拟方法对比第四十一页，共九十七页。42室内火灾及热烟气发展过程第四十二页，共九十七页。432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ISO5660标准、全尺寸墙角实验的ISO9705标准，一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（ZoneModel）的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CFAST、MRFC、Jasmine、Sophie等，部分软件已经可以在Windows9.x和Windows2000界面下运行。上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。第四十三页，共九十七页。44几种常用的热释放速率模型t2模型—CFAST软件中应用的模型第四十四页，共九十七页。45几种常用的热释放速率模型t2模型—CFAST软件中应用的模型第四十五页，共九十七页。46几种常用的热释放速率模型t2模型—CFAST软件中应用的模型第四十六页，共九十七页。47几种常用的热释放速率模型t2模型—CFAST软件中应用的模型第四十七页，共九十七页。48几种常用的热释放速率模型MRFC软件中应用的模型第四十八页，共九十七页。49几种常用的热释放速率模型MRFC软件中应用的模型第四十九页，共九十七页。50几种常用的热释放速率模型第五十页，共九十七页。51几种常用的热释放速率模型FFB应用的模型第五十一页，共九十七页。52几种常用的热释放速率模型FFB应用的模型第五十二页，共九十七页。533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（13.1±0.05MJ/kgO2）第五十三页，共九十七页。54热释放速率的实验测试方法锥形量热计第五十四页，共九十七页。55热释放速率的实验测试方法锥形量热计实验原理第五十五页，共九十七页。56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第五十六页，共九十七页。57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第五十七页，共九十七页。58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第五十八页，共九十七页。59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第五十九页，共九十七页。60热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第六十页，共九十七页。61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CFAST和MRFC软件中应用的模型，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。第六十一页，共九十七页。624几种常用的羽流模型Zukoski模型（1）第六十二页，共九十七页。63几种常用的羽流模型Zukoski模型（2）第六十三页，共九十七页。64几种常用的羽流模型Thomas-Hinkley模型第六十四页，共九十七页。65几种常用的羽流模型McCaffrey模型第六十五页，共九十七页。66几种常用的羽流模型NFPA模型第六十六页，共九十七页。67羽流模型对比羽流温度近似计算对两个火源上方温度相同的点，由温度分布方程得到：利用该方程可以进行模拟实验。羽流温度模拟实验测定第六十七页，共九十七页。68羽流模型对比热烟气层的体积变化率第六十八页，共九十七页。69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800kW/m2，火源面积为0.5m2，火源直径为0.8m，火源的热释放速率为400kW，对流热流量为火源热释放速率的80%，可燃物高度为0m。火焰高度为1.42m，虚拟点火源距可燃物表面高度为-0.025m。算例2：选用德国热与烟气排放标准第五部分（DIN18232-5）中的第三组火源描述，火源面积为20m2，火源直径为5.05m，火源的热释放速率为12000kW，对流热流量为火源热释放速率的80%，可燃物高度为0m。第六十九页，共九十七页。70火灾羽流模型对比羽流质量流量第七十页，共九十七页。71火灾羽流模型对比羽流温度变化第七十一页，共九十七页。72火灾羽流模型对比羽流体积流量第七十二页，共九十七页。73火灾羽流模型对比羽流质量流量第七十三页，共九十七页。74火灾羽流模型对比羽流温度变化第七十四页，共九十七页。75火灾羽流模型对比羽流体积流量第七十五页，共九十七页。76火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Thomas-Hinkley模型是1963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。第七十六页，共九十七页。77火灾温度——时间关系标准火灾温度曲线：Lie的温度—时间关系表达式：开口因子当当和/或Tg等于的值，直到燃料消耗完毕。t—轰燃后的时间，小时。对重物质（密度大于或等于1600kg/m3），C=0；对轻物质（密度小于1600kg/m3），C=1。且5耐火保护第七十七页，共九十七页。78钢构件耐火保护层的厚度计算轻质保护材料：重质保护材料：干保护材料：计算时不考虑含水量对构件温度的影响。湿保护材料：计算时考虑含水量对构件温度的影响。第七十八页，共九十七页。79重质材料保护层导热方程：轻质材料保护层导热方程：差分形式为：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Br’。第七十九页，共九十七页。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80项目概述危险源辩识火灾危害性评估钢结构保护第八十页，共九十七页。项目概述81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。第八十一页，共九十七页。项目概述82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。第八十二页，共九十七页。83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。研究内容第八十三页，共九十七页。危险源辨识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。第八十四页，共九十七页。85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（m2）等效直径（m）火灾增长因子a（kW/s2）可燃物全部被引燃时间（s）最大热释放速率（MW）二层商亭4×440.0883339.76行李堆3×22.40.046892001.88办票台7.5×45.20.011274332.12夹层（行李）1.8×1.61.70.046891420.95一层（行李堆）3×22.40.046892001.88大空间火灾热释放速率第八十五页，共九十七页。火灾危害性评估86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。对火灾动力学演化进行场模拟。根据计算得到的火灾功率、火焰高度、烟气的温度，分析对钢结构的保护途径。

第八十六页，共九十七页。火灾危害性评估87大空间火灾实验厅第八十七页，共九十七页。火灾危害性评估88自然填充过程中的火源情况机械排烟实验情况自然排烟实验情况图第八十八页，共九十七页。火灾危害性评估89扁平型大空间中火灾烟