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诲左溥
7 years ago
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1 中国建筑物性能化防火设计和评估的研究与应用现状倪照鹏高伟公安部天津消防研究所天津公安部消防局北京摘要 : 本文回顾和总结了中国近 20 多年来在火灾模化和建筑性能化防火设计与评估方面的研究与应用情况, 给出了中国编制的建筑物性能化防火设计技术指南的框架, 提出了现在正在研究的项目和未来将要开展的相关工作关键词 : 建筑性能化设计评估 1 引言在中国, 建筑物的消防设计必须依据国家现行的工程建设规范进行只有现行规范中未明确规定按照现行规范比照施行有困难, 或虽有明确规定但该规定不足以应对现实需求等情况时, 才允许按照程序采用性能化消防设计方法近几年中国经济快速增长, 有许多大型复杂建筑不能完全按照现行的国家标准进行设计为更好地解决工程建设中出现的各类问题, 国家组织有关消防研究机构对建筑物性能化防火设计和评估进行了系统全面的研究, 并开展了工程应用事实上, 中国在 1980 年代已开始进行火灾模化和烟气运动方面的研究, 自 1996 年以后开始组织人员比较系统地整理分析研究国内外有关建筑物性能化防火设计与标准方面的成果与信息, 开展相关研究建筑物性能化防火设计和评估是当前中国消防研究领域的重点课题 2 研究现状 2.1 已完成的研究中国从 1980 年代初期就开始了火灾模化方面的研究, 在火灾科学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, 系统地对单室火灾多室火灾和大空间火灾等建筑火灾的发展过程进行了试验研究, 揭示了火灾发生和发展具有随机性和确定性的双重特点, 提出了场 - 区 - 网综合模拟方法, 编制了场 - 区模拟方法相结合的综合模型 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, 开展了单室客房火灾的模拟实验, 出版了人在火灾中的行为 (1989) 火灾科学导论 (1993) 建筑物综合防火设计 (1994) 等著作 1996 年公安部天津消防研究所公安部四川消防研究所中国科学技术大学火灾 1

2 科学国家重点实验室中国建筑科学研究院防火所分别开展了地下建筑与大空间建筑火灾特性研究高层建筑火灾预防与扑救技术的研究地下建筑与大空间建筑火灾预防与控制技术研究与开发和地下建筑与大空间建筑消防工程新技术综合应用等国家九五科技攻关研究项目, 对地下建筑和大空间建筑的火灾特性与控制技术消防技术在工程中的综合应用等开展了研究, 公安部天津消防研究所开发了针对地下大型商场人员疏散的模型 Fegress, 利用大空间实验馆 ( 中国科技大学火灾国家重点实验室 ) 通过地下商场实体模拟建筑和自动扶梯连通的二层实验馆( 公安部天津消防研究所 ) 高层建筑实验塔( 公安部四川消防研究所 ) 开展了大空间建筑室内火蔓延的足尺试验研究火灾早期特性的研究高层建筑烟气运动和部分可燃材料火灾特性的研究特别是 1997 年 FORUM 会议 ( 天津 ) 以后, 中国开始组织人员比较系统地研究建筑物性能化设计方法技术与标准火灾模型, 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, 出版了建筑火灾安全工程导论 (1999) 自 2000 年以后, 中国成立了消防安全工程工作组, 负责收集和分析国外相关资料, 提出中国的消防安全工程标准发展规划并组织制订性能化设计标准, 推进火灾科学的研究和建立建筑物性能化评估方法以及建立相关数据库此后, 组织编写了国外建筑火灾人员安全疏散研究译文集 (2001) 国外建筑物性能化设计研究译文集 (2001) 高层建筑性能化设计案例汇编 (2002) 有关研究机构结合大空间公共建筑高层民用建筑地下建筑等建筑的火灾发展烟气运动研究与试验, 建筑结构对火反应等全面开展了相关研究, 建立了钢筋混凝土结构在火灾中的热反应和结构反应的非线性有限元分析模型, 开发了相关结构分析软件 STRUFIRE 和高层建筑火灾网络模拟软件 HRBFS 结合欧洲规范(Eurocode 1) 提出了钢结构和钢管混凝土结构构件的耐火设计和验证计算方法对运用场模拟和区域模拟分析计算中的网格独立性和单元分割与区域数量对计算结果的敏感度进行了研究, 提出了在性能化防火设计中保证数值计算结果相对精确和可靠的方法 2001~2004, 公安部天津四川消防研究所中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室中国建筑科学研究院防火所分别开展了建筑物性能化防火设计技术导则和高层建筑大空间建筑人员密集场所的性能化防火设计安全评估技术与应用的研究, 对建筑的性能化防火设计和评估进行了系统深入的研究在近 5 年的研究中, 编制了建筑物性能化防火设计技术导则 (2004), 建立了适合高层建筑中庭式建筑和人员密集大空间建筑的火灾安全分析模型与评估方法 ; 采取场区网相结合的方法, 建立了适用于工程应用的量化分析模型, 并以模拟实验与实体实验相结合的方式, 验证了数学模型的可靠性 ; 提出了火灾场景与设计火灾的确定方法, 提出了适合我国的人员密集大空间建筑防火性能化设计原则和方法, 采用情境实验法和等距图法进行人员动态模拟, 建立了人员疏散动态分析模型, 并在此基础上完成了人员疏散动态模拟 2

3 分析软件的开发研究工作, 出版了性能化建筑防火分析与设计 (2003) 火灾风险评估方法学 (2004) 建筑防火性能化设计 (2005) 等专著此外, 还对性能化设计中的确定性标准 ( 包括火灾点燃火灾发展限制火灾蔓延生命安全标准以及安全因子 ) 和偶然性标准 ( 主要运用火灾风险评估方法分析偶然性的不确定因素 ) 进行了初步研究此外, 中国还多次在大陆和香港组织了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 正在开展的相关研究 2004 至今, 公安部天津上海四川消防研究所中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室中国建筑科学研究院防火所分别开展了以下主要研究工作 : 1) 大型公共建筑的人员安全疏散技术火灾探测报警应用技术烟气控制技术和钢结构火灾防护技术的研究这些研究主要包括开展大型公共建筑人流密度和换算系数调查研究, 提出大型公共建筑安全疏散设计的优化计算方法, 开发火灾中人员疏散的定量计算模型, 研究大型公共建筑火灾及其他紧急状态下人员安全疏散的诱导技术 ; 研究典型场所火灾烟气温度火焰及环境干扰因素对各类火灾探测及报警装置的影响, 分析各类火灾探测及报警装置在大型公共建筑典型场所的适用性 ; 研究不同挡烟排烟及补风条件下大型公共建筑烟气控制措施的有效性 ; 研制基于最优控制技术或遗传算法的顶层设计平台, 进行烟气控制系统的优化设计 ; 对建筑钢结构热力耦合进行模拟分析, 提出大型公共建筑钢结构屋面系统的耐火设计修正方法 2) 地铁火灾烟气流动规律防排烟设计参数及烟气控制系统安全逃生技术和灭火救援现场排烟技术研究这些研究主要建立合理的隧道及地铁车站的火灾物理模型和计算机仿真模型, 研究地铁火灾演化烟气流动蔓延烟雾浓度及温度压力传播分布规律 ; 研究地铁通风排烟设施对火灾初期烟气控制及人员逃生的有效性, 地铁站厅站台区域和隧道区间的几何结构尺寸及通风排烟方式对火灾烟气的影响, 研究不同通风排烟系统的防排烟设计参数 ; 研究在事故发生时人员的逃生行为以及救助人员在人员疏散救援等方面的处理方式, 提出一套系统有效的安全逃生及疏散方法 ; 开发适用于地铁空间救援逃生的专用装备 ( 整套装备可由一个或几个可移动的充气式快速逃生通道和救护站单元组成 ); 研究与可移动的充气式快速逃生通道和救护站相匹配的辅助装备 ( 如紧急医疗设备通讯线路路线指示标记等 ), 拓展可移动的充气式快速逃生通道和救护站的功能 ; 研究消防人员在地铁火灾现场进行灭火救援时, 利用排烟车移动式排烟机喷雾水枪高倍泡沫产生器和其他特种喷射装置等装备, 在地铁火灾环境下不同特征位置时的实战排烟参数和技术战术以及这些装备在火场中不同战斗编成时的总体排烟 3

4 效能 ; 研制地铁专用的大型水力驱动排烟装置 2.3 安全疏散的研究状况建筑防火设计的主要目标之一是确保人身安全安全疏散设计的最终要求为验证建筑设计中所确定的疏散设施及其他保证疏散安全的条件能否使人员在火灾发展到危害自身安全之前安全疏散到安全的地方评价指标包括建筑空间出口及楼梯等处群集滞留人数滞留时间以及疏散结束所需时间和可用疏散时间安全疏散时间判据, 主要按照火灾发展与人员疏散时间为同时沿一条不可逆的时间线进行, 保证建筑物内人员安全疏散完毕所需时间必须小于火灾发展到危险状态的时间火灾中人的疏散过程是在人的意识干预下, 感知认知火灾和环境信息与行为决策以及执行决策的过程, 是一种在时间压力下的人体位移由于人的行为受到年龄身高体重敏捷度习性行动能力等心理与生理状态和文化背景与受教育程度的影响, 十分复杂, 同时人员在建筑内的实际状况以及建筑空间特性, 如人员的分布情形熟悉环境的程度人数及其组成和楼梯或出口的宽度照明走道宽度数量建筑高度等都对人员疏散结束所需时间和可用于人员疏散的时间有很大影响因此, 要对上述时间进行验算, 必须以长期的观察和实验统计为基础, 进而通过工程简化编成可较好模拟现实的计算机分析软件中国目前已开发的相关软件大部分只能用于预测疏散时间, 模型中几乎没有量化考虑人的心理和个体与群体行为特性等因素的影响人员疏散时间为火灾探测报警时间人员预动时间与人员疏散运动时间之和在计算预测时间时, 中国通常采用 1.5~2 的安全系数, 来考虑设计计算中的不确定性因素中国在这方面的研究主要集中在高层建筑地下建筑和大型商业建筑室内人员的疏散流动聚集时间设计特性安全出口的人流流出时间特性等以及在不同环境与设施条件下人流中人群密度等对人员步行速度的影响, 并对火灾条件下人员的疏散行为规律行为失误进行了观测实验和分析研究, 对商场的疏散人员进行了部分统计调查, 开发了建筑物中的人员疏散模型 ( 如王志刚的网络模型 FEgress, 卢兆明方正等的网格模型 SGEM 和徐高的疏散仿真模型 EvacSA 等 ), 提出了运用动力学方法建立的人员疏散速度数学模型目前的研究正从观察调查和定性描述逐步转向对疏散行为的定量研究, 但不同人员在时间压力下的移动速度应急心理和生理反应疏散行为等的量化分析数据还需要进行大量观察调查与演习实测工作 3 建筑物性能化防火设计技术导则的框架 2001~2004 年, 公安部天津消防研究所通过借鉴和消化吸收国内外研究成果与先进技术, 编制了建筑物性能化防火设计技术导则该导则规定了性能化防火设计的 4

5 基本程序和步骤, 对每一步骤的具体操作过程及应考虑因素作了详细说明, 提出了建筑中火灾场景的设计与分析方法, 人员安全疏散中时间的计算和相关模拟模型的应用, 建筑中的烟气控制方法与分析以及相关判断标准其主要内容如下 : 1 总则 2 术语符号 3 性能化消防设计的基本程序与步骤 3.1 建筑物性能化消防设计的基本程序 3.2 建筑物性能化防火试设计一般程序 3.3 建筑物性能化消防设计与计算分析 3.4 建筑物性能化消防设计的消防安全目标 3.5 建立各设计目标的性能判定标准 3.6 对试设计进行评估和修改完善设计 3.7 性能化消防试设计中有关问题的处理 3.8 建筑物性能化消防设计的基本步骤 4 火灾场景与火灾增长分析 4.1 火灾场景 4.2 设定火灾 4.3 火灾增长分析 4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法 5 烟气流动分析 5.1 烟气流动与火灾发展的关系 5.2 分析烟气流动应考虑的因素 5.3 烟气流动分析 5.4 烟气层有关参数计算 5.5 烟气流动的计算方法及模型选用原则 6 人员疏散分析 6.1 人员安全疏散分析的目的及性能判断标准 6.2. RSET 的计算 6.3 人员疏散行动时间的计算 7 建筑结构耐火安全分析与评估 7. 1 建筑结构耐火设计的目标及性能判定标准 7.2 钢结构耐火设计 8 火灾风险分析和评估 8.1 火灾风险分析 8.2 火灾风险评估 5

6 8.3 不确定性分析 8.4 火灾风险管理和控制 9 报告整理及报告的批准 4 应用现状 2001 年以来, 中国及国外有关机构结合研究在中国开展了一些特殊建筑工程的性能化防火设计和评估应用工作, 这些工程涉及的建筑类型包括会议展览建筑大型商业建筑大型体育建筑带中庭的大型多功能复杂建筑高火灾荷载仓库大型生产厂房地铁与隧道工程等据不完全统计, 中国大陆至今约有 1000 项大型建筑采用了性能化防火设计方法进行设计和建造, 约占总数的 1% 左右一个成功的建筑性能化设计不仅可以更好地符合建筑物的自身要求, 而且在符合同等消防安全要求的基础上可为业主提高消防投资效益和节约不必要的消防投入同时, 采用性能化方法所设计的建筑物的消防安全性能仍不应低于现行规范规定的安全水平 4.1 解决的主要问题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地分析研究即使这样, 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, 而无法将其火灾风险降低到 0 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, 主要解决的问题是 : 1) 建筑内部的防火分区面积及其分隔方式 ; 2) 建筑内人员的安全疏散综合设计 ; 3) 建筑内防排烟系统的设计 ; 4) 钢结构耐火保护 ; 5) 少量涉及到新技术或新材料的应用以民用建筑的防火分区问题为例说明如下根据现行中国的建筑防火规范规定, 不同民用建筑的防火分区最大允许建筑面积不应超过表 1 的规定表 1 中国国家规范规定的不同民用建筑的防火分区的最大允许建筑面积 (m 2 ) 耐火等级最多允许层数防火分区的最大允许建筑面积 (m 2 ) 一二级 2500 建筑高度不大于三级, 最高 5 层 m 的民用建筑四级, 最高 2 层 600 建筑高度大于 24m 一类建筑, 一级

7 的民用建筑二类建筑, 一二级 1000 地下半地下建筑 ( 室 ) 500 注 : 当建筑内设有自动灭火系统时, 表中规定的面积可以增加 1 倍商店展览建筑等类似建筑可增加到 2000m 2 对于防火分区的分隔除采用防火墙防火卷帘防火玻璃防火分隔水幕等物理分隔措施外, 对于一些面积巨大或面积大空间高度高的场所 ( 如展览厅商业营业厅候机厅厂房仓库等 ) 可根据建筑的功能规模空间建筑高度人员和可燃物等室内环境特征, 运用空间内部可燃物的非连续化处理或设置强化的自动喷水灭火系统等方式划分为动态的防火分区 4.2 设计与评估的现行程序有些特殊建筑因使用或功能的需要, 无法满足中国现行的标准规定时, 只能采取专家论证或性能化设计的方式但目前中国政府还没有制订明确完善的建筑物性能化设计与评估的管理规定在实践中, 各地方的消防监督部门通常均要求遵循一定的设计程序, 以保证建筑的防火设计质量建筑物性能化防火设计一般在设计方案或扩初设计阶段进行, 由设计师业主消防监督管理官员消防工程咨询专家等共同参与建筑物性能化消防设计的一般程序为 : 1) 确定建筑物的使用功能建筑设计的适用标准 ; 2) 检查为实现建筑师的设计思想与业主的要求, 现行标准中哪些规定无法在设计中实施, 从而确定需要采用性能化设计方法进行设计的问题 ; 3) 确定合理优先的消防安全目标和量化的性能判据 ; 4) 进行性能化试设计和评估验证 ; 5) 修改完善设计并进一步评估验证是否满足所确定的消防安全目标 ; 6) 消防监督部门和建筑设计管理部门共同组织政府部门内的专业技术人员管理和制定标准的专家消防安全工程应用及科研方面的专家以及设计人员业主等组成一个专门的评审组, 对设计文件进行审查论证 4 今后将开展的工作由于中国开展性能化研究相对较晚, 研究还不够深入, 致使中国开展性能化防火设计和评估的实践工作还存在诸多难题以下问题有待进一步深入研究 4.1 编制性能化防火设计规范在中国开展实际工程应用, 现在还没有正式统一的法规文件, 导致不同的机构在对同一问题和类似情形进行性能化设计时所采用的步骤方法以及模拟软件数据 7

8 等不尽相同, 这就有可能导致结论不够准确和完善为此, 中国目前正在组织编制用于支持性能化设计和评估的技术标准, 并将组织编制以性能为基础的防火设计规范但处方式的规范与性能化的规范不是简单的替代, 而是在相当长的时间内将并存和互补事实上, 中国现行建筑防火规范的规定基本上是从适用全国不同地区各种层面的需要制定的, 除部分强制性的数值指标外, 大多是原则性的规定中国将在 2006 年基本按照 ISO/TC92/SC4 制订的标准编制完成 9 项标准和建筑物性能化设计技术指南, 并计划于 2007 年初发布这 9 项标准是 : 1) 消防安全工程 - 计算方法的评估和有效性验证 (ISO16730) 2) 消防安全工程 - 基础数据 (ISO16731) 3) 消防安全工程 - 火灾风险评估指南 (ISO16732) 4) 消防安全工程 - 火灾场景和设定火灾的确定和选择 (ISO16733) 5) 消防安全工程 - 火羽流分析控制方程式的要求 (ISO16734) 6) 消防安全工程 - 烟气层分析控制方程式的要求 (ISO16735) 7) 消防安全工程 - 顶棚射流分析控制方程式的要求 (ISO16736) 8) 消防安全工程 - 溢流分析控制方程式的要求 (ISO16737) 9) 消防安全工程 - 人员行为和运动评价 (ISO16738) 4.2 建立火灾基础数据库目前中国虽有一些关于火灾的基础试验数据, 如建筑内不同材料和可燃物的燃烧热值不同建筑物的火灾荷载密度的统计方法和确定的数值 ( 或数值域 ) 火灾发生和火灾损失的概率分布, 不同建筑内的人员构成数量及其分布等, 但比较零散, 数量也不丰富许多数据还是来源于国外文献资料, 因此有些数据并不完全适合中国国情比如中国公民的人体特征和行为习惯与国外相比有较大差别, 如果在疏散计算中仍采用国外实验或统计数据, 必然导致结论存在一定误差因此, 今后中国的研究机构将进行必要的实验和统计, 来丰富补充目前的火灾基础数据库, 使之具有一定的动态性和实效性此外, 还应研究这些数据如何结合工程实际进行应用 4.3 开发适合中国国情的软件利用计算机进行火灾发展过程人员疏散预测是性能化防火设计和评估的一个重要手段和步骤结合欧美国家成功开发的多种火灾模拟软件人员疏散预测软件等研究各种功能建筑的人员疏散模型消防出接警和灭火模型建筑失效概率模型以及建筑火灾发展预测模型通过应用这些软件可以得到各种详实的火灾数据, 为设计和评估提供依据由于目前大多数疏散模型是基于建筑物内的空间特性疏散路径等, 而忽略建筑 8

9 火灾中人的行为差异与个性特点开发的, 据此预测的疏散时间可能会小于实际需要因此, 应深入开展火灾中人的个体行为群体行为以及人的生理与心理活动时间压力下人的行为失误等的研究, 结合现场调查实验模拟分析研究与数理统计和计算机仿真技术修正和开发新的人员疏散模型, 特别是基于人工智能和虚拟现实技术的仿真动态预测模型尽管中国的科研单位对火灾模拟进行了许多研究, 在模拟思想的某些方面也有所突破 ( 如场 - 区 - 网耦合模型 ), 已开发编制了一些火灾模型人员疏散预测模型但是目前还没有发展出完整的大型工程应用程序, 且由于已开发出的软件尚未经过大量实际工程的检验, 因此还存在不完善的地方, 需做进一步深入研究, 通过不断实践来完善和更新这些软件, 使之可供工程应用 4.4 规范从业单位和人员资质性能化防火设计和评估作为一门新兴的科学技术引起了国内诸多科研单位的研究兴趣, 各单位也投入了大量人力物力从事开展这方面的研究而就防火设计和评估而言, 它要求从业者不仅掌握火灾基础科学理论知识, 也需要具备一定的实际工程经验中国早在 1984 年就在中国人民武装警察部队学院开展了消防工程的教育在近 10 年又先后在中国矿业大学中国科学技术大学沈阳航空工程学院等多所院校开设了安全技术及工程的本科硕士和博士学位的教育课程这些院校以及武汉大学同济大学哈尔滨工业大学福州大学清华大学东北大学中南大学西安建筑科技大学浙江大学等也在人员安全疏散结构耐火等方面开展了研究, 取得了一些研究成果, 在专业人员培训方面还需要结合建筑物性能化的理念技术和方法开展教育目前中国尚未对性能化防火设计和评估人员的资质作出规定, 这可能导致从业人员素质层次不齐, 工程质量无法保证因此国家将要对从事性能化防火设计和评估的单位人员的资质进行规范 5 结语建筑物性能化防火设计是建筑防火设计的一个发展趋势当然, 并非所有建筑均需要采用性能化方式进行设计, 而且性能化防火设计和评估还有许多技术难题和应用技巧有待进一步深入研究中国目前在性能化防火设计和评估方面的研究已取得了长足的进步, 但火灾基础科学研究还较薄弱, 工程实践少中国将加快相关课题研究的步伐, 在消化吸收国外已有成果的基础上, 大力开展火灾基础科学和消防安全工程应用技术研究, 从多个层面推进建筑物性能化防火设计和评估技术的进步和实际工程应用 9

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<4D F736F F D20B6D4BDA8D6FECEEFD0D4C4DCBBAFB7C0BBF0C9E8BCC6D3EBC6C0B9C0BBFAD6C6B5C4CBBCBFBC2E646F63> 对建筑物性能化防火设计与评估机制的思考倪照鹏邱培芳公安部天津消防研究所 (300381) 刘正勤河南省公安消防总队 (450000) 摘要 : 建筑物性能化防火设计与评估技术的研究和应用是当前建筑消防安全领域的世界潮流本文分析了我国在建筑物性能化防火设计与评估技术应用方面所面临的有关设计与评估内容的确定原则及其程序和资质问题, 为规范和促进该项技术的健康发展提出了相关建议关键词 :