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建筑防火性能化设计浅谈

2005-07-07 00:00    【  【打印】【我要纠错】

  英国在1985年颁布了第一部性能化防火规范后,日本、澳大利亚、美国、加拿大、新西兰以及北欧等发达国家政府先后投入大量研究经费积极开展了消防安全工程学和性能化安全设计方法理论及技术的研究。南非、埃及、巴西等发展中国家也都纷纷开展了这方面研究工作。目前有不少于13个国家(澳大利亚、加拿大、芬兰、法国、英国、日本、荷兰、新西兰、挪威、波兰、西班牙、瑞典和美国)以及两个国际组织-国际标准组织(ISO)和国际建筑研究与文献委员会(CIB)采用或积极发展性能化规范和基于规范结构形式下防火建筑所要求的工程工具和方法,并取得了一定成果。

  美国已完成性能目标和基本完成性能级别分级的确定,并于2001年发布了《国际建筑性能规范》和《国际防火性能规范》。加拿大计划于2001年发布其性能化的建筑规范和防火规范,其要求将以不同层次的目标形式表述。英国于1985年完成了建筑规范,包括防火规范的性能化修改,新规范规定“必须建造一座安全的建筑”,但不详细规定应如何实现这一目标。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《国家建筑防火安全系统规范》,并于1996年颁布了性能化《澳大利亚建筑- 1996》(BCA96),并自1997年陆续被各州政府采用。新西兰1992年发布了性能化的《新西兰建筑规范》,新规范中保留了处方式的要求,并作为可接受的设计方法; 1993~1998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;其中功能要求包括防止火灾的发生、安全疏散措施、防止倒塌、消防基础设施和通道要求以及防止火灾相互蔓延5部分。

  从国外性能化规范的研究过程看,大部分是首先或同时研究与性能设计有关的消防安全设计评估技术,只有少数国家是先修改规范,后开发设计指南。

  一、消防安全工程

  随着人们对火灾现象及其规律研究的不断深入,在一定程度上实现了对火灾过程的定量描述和分析,并由此产生了一门新兴工程学科——消防安全工程学。在发展以性能为基础的规范的同时,消防安全工程也在快速发展。消防安全工程学由于其潜力、复杂性以及应用性而在基础理论、方法学和实用工具领域得到较大的发展。当然人们仍然需要进一步研究建筑设计中完全量化的消防安全工程方法。

  消防安全工程所涉及的内容包括工程原理与原则的应用,基于火灾现象、火灾影响,以及人的反应和行为的专家判断。由于现在仍然缺乏完全量化的建筑设计消防安全工程方法,因此要求采用由专家或工程分析判断而形成的比较保守的方法。不过,在很多国家,这些能够作出专家判断的经过认可或被接受的消防工程师为数不多。

  二、性能化设计方法

  性能化设计方法是建立在消防安全工程学基础上的一种新的建筑防火设计方法,它运用消防安全工程学的原理与方法,根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等方面的具体情况,对建筑的火灾危险性和危害性进行定量的预测和评估,从而得出最优化的防火设计方案,为建筑物提供最合理的防火保护。

  性能化设计利用火灾科学和消防安全工程去建立设计指标,评估设计方案;并利用火灾危害分析和火灾风险评估去建立从总体目标和功能目标到火灾场景等领域内所需要的参数。性能化的消防安全设计是一种可以对诸如非工程参数如人在火灾中的行为和反应进行定义的工程过程。

  三、性能化规范与性能化设计方法

  性能化规范中,一般只确定能达到规范要求的可接受的方法,对建筑物内的要求通过政策性的总目标、功能目标和性能要求来表叙。例如澳大利亚于1996年12月由澳大利亚建筑规范委员会(ABCB)编制的第一个“性能化”的综合性的建筑规范《澳大利亚建筑规范(BCA96)》由四个层次的体系构成,即目标、功能描述、性能要求;视为满足的条款“以及验证的方法。性能化设计是选用以性能为基础的替代办法,即描述能够达到某种规定性能水平的设计过程的术语,其设计方法是设计中的一种工程方法。如果性能化设计方法同性能化规范一起使用,就必需有一套规范中要求的固定的总目标、功能目标和性能要求。如果不借助性能化规范,就由以下7个步骤来指导分析和设计,即

  1、确定工程场址或工程的具体内容。

  2、确定消防安全总体目标、功能(或损失)目标和性能要求。

  3、建立性能指标和设计指标标准。

  4、建立火灾场景。

  5、建立设计火灾。

  6、提出和评估设计方案。

  7、写出最终报告。

  性能化设计必需考虑的因素至少包括以下因素:

  1、起火和发展。

  2、烟气蔓延和控制。

  3、火灾蔓延和控制。

  4、火灾探测和灭火。

  5 、通知使用者并疏散。

  6、消防部门的接警和响应。

  四、评估方法

  建筑防火评估方法是性能化设计的关键技术,在世界范围内,对于这一方法及相关概念体系的逐步完善作出重要贡献的各类方法和模型主要包括:美国的建筑防火评估方法(BFSEM:The Building Fire Safety Evaluation Method)。评估特定场所内所用产品火灾风险的FRAME works方法,火灾致损评估方法(FIVE:Fire-Induced Vulnerability Evaluation);澳大利亚的风险评估模型(RAM:Risk Assessment Modeling);日本的建筑物综合防火安全设计方法;加拿大的FIRECAM方法。

  加拿大国家建筑研究院(NRC)正在研究并已开始应用的性能化设计工具:火灾风险与成本评估模型(FiRECAMTM——Fire Risk Evaluation and Cost Assessment Model)),它通过分析所有可能发生的火灾场景来评估火灾对建筑物内居民造成的预期风险,同时还能评估消防费用(基建及维修)和预期火灾损失。FiRECAMTM依靠两个主要参数来评估火灾安全设计的火灾安全性能,即火灾对生命造成的预期风险(ERL)和预期火灾损失(FCE);运用统计数据来预测火灾场景发生的几率,比如可能发生的火灾类型或火灾探测器的可靠性,同时还运用数学模型来预测火灾随时间的变化,比如火的发展和蔓延及居民的撤离;FiRECAMTM利用火灾增长、火灾蔓延、烟气流动、居民反应和消防部门反应的动态变化(以时间为函数)来计算ERL和FCE的数值。它包括:火灾增长模型、烟气流动和居民逃生模型。FiRECAMTM对火灾蔓延的可能性及火灾后修复建筑物的费用采用的是保守的评估模型,所以对财产损失的评估结果比实际的偏高。

  澳大利亚消防规范改革中心(FCRC)正在开发一个用以量化建筑消防安全系统性能的风险评价模型叫CESARE——Risk(注:它和FiRECAMTM同基于Beck的预测多层、多房间内火灾的影响的风险评价系统模型),它采用多种火灾场景,其中考虑了火灾及对火灾的反应的概率特性,采用确定性模型预测建筑内火灾环境随时间的变化。某些组成部分如下:事件树与预期值模型、火灾发展与烟气流动模型、人员行为模型、消防队模型和工作人员模型、分隔失效模型、经济模型。

  五、消防工程指南

  目前,为与消防安全工程相一致,必须为单个消防技术起草实施指南,1996年澳大利亚消防规范改革中心出版了“消防工程指南”,为消防安全评估提供了指导。该指南提出设计过程的一个重要部分是制定一个设计大纲,对建筑整体方案进行分析,确定潜在火灾危害以便提出使项目组、消防安全工程师、消防部门和审批机关均认为满意的消防系统设计方案。消防安全系统分析可以分下列几极:

  第一极——组件和子系统等效评估(SEE——SYSTEM EQUIVALENT EVALUATION),只考虑一个子系统的单独运行情况。

  第二极——系统性能评估(SPE),考虑不同子系统和组件之间的互相影响,这一极分析可能只建立在一个简单的火灾场景和时间曲线分析基础上,也可能需要单独考虑一个以上的“最坏”火灾场景。

  第三极——系统风险评估(SRE),适用于大型综合建筑或者高度创新的建筑,能大大降低建筑成本或者解决非常困难的设计问题。它属于概率风险评估,其量化非常复杂,需要消防工程师具有更高的技术水平,也要求有关审批部门掌握更高的评估技能。同时指南还为所考虑的消防安全子系统规定了必要的分析和输入数据。

  六、我国的前景

  我国1996年开始组织有关单位和人员系统地开展相关研究,也认识到开展大型公共建筑(包括地下和地上)、大空间建筑、高层民用建筑、高火灾危险工业建筑和储罐区、建筑内的烟气控制、人员安全疏散的性能化设计和评估技术研究的必要性和迫切性。

  性能化防火规范以及性能化防火设计,正受到越来越多的国家的关注,建筑安全评估技术是性能化规范的重要组成部分,也是我国推行性能化规范急需解决的关键技术问题。

  随着建筑的不断复杂化,以及消防技术的不断多样化,采用性能化设计的压力越来越大,这使我们认识发展更好的消防安全工程教育的必要性。建议我国为了普及性能化标准,必须实施性能化的教育方案,这一点可以向其他各国借鉴学习,如英国编制了消防安全工程(《国家FSE基础课程》;消防工程师学会(SFPE)召开的美国建筑行业各界代表参加的讨论会也提出向性能化体系发展的第一步应包括在建筑界和消防界提高每个人员的素质。

延伸阅读:建筑 防火性 能化
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