摘要： 如果說(shuō)20世紀的建筑設計主要競爭于造型和功能要求的話(huà)，則21世紀建筑設計行業(yè)的核心競爭力將體現在預防災害發(fā)生上。因此，包括防火在內的防災設計是判定建筑設計方案好、壞的重要條件之一。

    關(guān)鍵詞： 建筑防火

    建筑防火的安全水準和目標應該是明確的和高水平的，即發(fā)生火災的概率十分小。但確保安全水準實(shí)現的方法則是多種多樣的，人們可以運用所有的現代科技手段進(jìn)行有機的和創(chuàng )造性的組合。

    性能設計是一種新型的防火系統設計思路，是建立在更加理性條件上的一種新的設計方法。它不是根據確定的、一成不變的模式進(jìn)行設計，而是運用消防安全工程學(xué)的原理和方法，首先制定整個(gè)防火系統應該達到的性能目標，并針對各類(lèi)建筑物的實(shí)際狀態(tài)，應用所有可能的方法對建筑的火災危險和將導致的后果進(jìn)行定性、定量地預測與評估，以期得到最佳的防火設計方案和最好的防火保護。性能設計是一個(gè)非常復雜的體系，它的實(shí)現需要各種社會(huì )環(huán)境和技術(shù)條件的支撐。

    應該指出的是，由指令性規范向性能規范的轉型不是一蹴而就的。目前國際上所謂性能規范都只是包含部分性能規定，并沒(méi)有百分之百的性能規范。指令性規定與性能規定不是簡(jiǎn)單的替代，而是在相當長(cháng)的時(shí)期內并存或互補，這樣既不妨礙新技術(shù)的應用，又能夠保持當前的安全程度。筆者就我國性能化研究與實(shí)踐工作，談幾點(diǎn)看法。

    1  工作的基本方向

    性能規范屬于柔性的法規，它適用于
    （1）規范規章沒(méi)有規定的情況；
    （2）規范規章雖有標準規定，但不能或不足以應對現實(shí)情況時(shí)；
    （3）讓設計者能在安全無(wú)虞又合乎經(jīng)濟利益的情形下，自由地設計合乎需求的使用空間。從國外現行情況看，目前的性能設計規范并不復雜，但支撐這類(lèi)規范的性能設計體系卻是一項非常龐大的系統工程，它需要方方面面的共同努力。從理論上講，性能設計應體現如下一些原則：

    （1）性能規范的各項規定和目標應能保證不同類(lèi)型建筑物的整體安全水平。

    （2）性能規范應具有長(cháng)期的適用性，新技術(shù)、新方法的出現和使用不會(huì )導致與規范的沖突。

    （3）可以使用可變式的計算模式去內插計算結果。采用模擬的辦法去檢驗計算結果的正確與否。

    （4）所有的性能設計計算均可在微機上實(shí)現，并且要保證一般的設計人員都可以非常容易地操作這些人工智能計算系統。

    一個(gè)成功的性能化設計不僅可以更符合建筑物本身的要求，而且在同樣符合安全的要求下，可以為業(yè)主節省不必要的消防設備費用，這是性能化設計所應體現的優(yōu)點(diǎn)以及發(fā)展的動(dòng)力。

    在我國實(shí)現上述目標還需要走相當長(cháng)的一段路。目前，無(wú)論是在人們的觀(guān)念上，理論水平上，歷史資料的存儲上，以及經(jīng)濟支撐條件上，都是十分薄弱的。但從發(fā)展看，開(kāi)展此項工作又是一種必然，并且越早開(kāi)始越主動(dòng)。

    2  火災發(fā)展模式及預期損害度的分析評估

    性能設計的核心就是運用大量的定量分析去解決工程安全的評估。定量分析包含兩類(lèi)程序：

    （1）決定性程序（Deterministic Procedure）：將火災成長(cháng)、擴展、煙移動(dòng)及對人員影響予以定量化（從理論分析、經(jīng)驗關(guān)系推論、使用方程式及火災模擬方法）。

    （2） 概率性程序（Probabilistic Procedure）：估算發(fā)生某種不預期火災情景（Fire Scenario）的可能性（利用火災發(fā)生頻率的統計數據、系統可靠度、建筑背景資料及決定性程序所獲得資料）�；馂哪Ｊ降挠绊懸蜃討�考慮模式的輸出量 （例如：溫度、速度、熱通量）及合格標準（例如：偵測所需時(shí)間、達到人類(lèi)無(wú)法承受的時(shí)間）�；馂哪Ｊ揭矠楦怕誓Ｊ�，主要進(jìn)行火災風(fēng)險評估，分析事件樹(shù) （Event Tree）與概率，而使人們因火災喪的風(fēng)險降低。

    火災場(chǎng)景的設定對消防安全性能設計十分重要，即在消防安全設計之前，需先輸入火災場(chǎng)景的參數資料，再依假想場(chǎng)景去執行消防安全設計。

    為能達到上述目標，火災場(chǎng)景的設計應予以合理的量化分析。如今火災發(fā)展模式不論是在工程計算、計算機評估或是概率統計等方面，已具有較合理的推算與評估，使得火災燃燒的成長(cháng)速度、熱釋放率、衰退期等較復雜的狀態(tài)均能被較接近真實(shí)的模擬，因而可以較正確的推算出危險狀況發(fā)生的時(shí)間，以尋求確保人員生命安全的避難對策�；馂膱�(chǎng)景的假想，應以實(shí)際工程為基礎，即針對實(shí)際使用空間的避難路徑、出口設置、樓梯設置、建筑物裝修材料及內含物的發(fā)熱量、避難人員數、避難人員屬性等實(shí)際狀況設定。

    我國在今后的若干年中，要實(shí)現對火災的定量評估，至少要建立下述6個(gè)分析子系統：

    （1）起火空間內火災發(fā)生與發(fā)展的過(guò)程模擬；

    （2）煙及有毒氣體蔓延規律的模擬；

    （3）火勢沿起火間之外空間的蔓延；

    （4）火災報警、滅火及防排煙系統綜合工況的模擬；

    （5）消防救援行為介入狀況的模擬；

    （6）人員安全疏散的路徑與行為的模擬。

    為了正確地給定性能規范的安全原則，最基礎的一項工作是建立科學(xué)系統的火災發(fā)生及損失的概率統計方法，包括：

    （1）對建筑物進(jìn)行合理的類(lèi)別劃分，并統計各類(lèi)建筑物實(shí)際存在的平方米數量和火災發(fā)生時(shí)損失的數量。

    （2）確定火災損失率的概率分布模型，并確定火災損失率的數學(xué)期望和方差值。

    （3）從概率的角度，對“同型”和“非同型”的火災事件進(jìn)行計算處理，并最終給出各類(lèi)建筑火災危險性的概率度。

    3  建立各類(lèi)建筑物的火災荷載數據庫

    在從事性能化設計時(shí)，最重要的一步是確立火災載荷的大小與位置，一個(gè)錯誤的火源設計可能導致整個(gè)性能設計的失敗。

    火災載荷密度與設計火災發(fā)展過(guò)程密切相關(guān)，而后者正是防火設計中最基本的輸人參數之一，因而火災載荷數據的確定對防火系統的性能設計具有至關(guān)重要的影響。我國目前基本上沒(méi)有火災載荷的相關(guān)統計方法和確定的數值。因此，應通過(guò)試驗和統計的方法盡快建立適合中國國情的火災荷載密度的數據庫。同時(shí)，應考慮國際通用的方式和計算單位，以便信息的交流和共享。具體工作包括：

    （1）通過(guò)實(shí)際調查和實(shí)驗確定各類(lèi)建筑材料和設施的燃燒熱值。

    （2）用概率統計的方法處理火災荷載的分布型式。統計表明火災荷載的分布不服從正態(tài)分布，而表現為極值I型分布。因此將樓層火災荷載作為隨機現象，將其概型化、抽象化為統計數學(xué)模型，并根據調查數據尋其統計規律，應該是可行的途徑之一。

    （3）鑒于建筑結構的可變荷載與火災荷載的統計分布均服從極值I型分布，因此可以探討在這兩者之間建立某種邏輯聯(lián)系，進(jìn)而確定兩者間的比值關(guān)系。這將會(huì )使規范編制和設計選用工作大大簡(jiǎn)化。

    4  性能計算方式的選擇

    在以往，所謂的性能化設計似乎只是空談，要真正的落實(shí)幾乎是一項不可能的任務(wù)。但近年來(lái)世界許多發(fā)達國家實(shí)現這個(gè)夢(mèng)想實(shí)現，并應用在現實(shí)社會(huì )當中。我國也感受到性能化設計的發(fā)展確實(shí)有其必要性。

    性能設計的關(guān)鍵是如何建立計算模型和采用適合的計算方法。目前流行的做法有兩類(lèi)，一是以日本為主的簡(jiǎn)算預測法，二是以歐美為主的電算模擬法。

    在日本，目前性能化防火設計尚未單獨立法，而且其偏好使用火災預測簡(jiǎn)單公式進(jìn)行計算，所以在個(gè)別火災項目中有大量的簡(jiǎn)單公式完整的介紹，其中當然也還有可以加強之處，主要是關(guān)于火災進(jìn)程、閃燃現象的發(fā)生以及火災探測與抑制方面的預測公式尚未出現，當此部分也完成的時(shí)候，日本簡(jiǎn)算公式將會(huì )成為相當好的整體火災預測模式。而且，其簡(jiǎn)算公式中每一個(gè)參數的選擇都是非常嚴謹的。

    而在英、美、澳三國（澳洲的法規源自于英國），計算體系中的同質(zhì)性相當高，目前已經(jīng)有完整詳細的規范提供給防火設計人員參考。歐美國家普遍習慣采用計算機模擬軟件進(jìn)行火災預測與火場(chǎng)重建的工作，因此對于火災預測公式的發(fā)展不像日本那樣完善。但是對于計算機模擬軟件的開(kāi)發(fā)不遺余力，模式也發(fā)展得越來(lái)越成熟，同時(shí)由于目前計算機的效能越來(lái)越高，進(jìn)行火災模擬的時(shí)間與精確度都大幅的提升，因此采用計算機進(jìn)行模擬也是性能法規驗證的方法之一。

    鑒于我國目前的實(shí)際情況，筆者認為可以采取簡(jiǎn)算預測與計算機模擬相結合的方法。

    5  安全疏散模擬

    消防安全系統的目的不外乎是確保人身安全和減少財產(chǎn)損失兩個(gè)方面。而人身安全則有賴(lài)于安全疏散系統的可靠，因此各國的性能法規中，安全疏散設計都占有重要的地位。

    避難安全設計的最終要求為驗證實(shí)際所需的避難時(shí)間應低于避難容許時(shí)間。所以避難安全設計時(shí)，需先分析建筑物特性（樓板面積、走道、步行距離、出口寬度、樓梯寬度、數量及分布、建筑物高度、排煙設備等）及人員特性（人數、步行速度、反應能力、分布情形、環(huán)境熟悉度等）資料后，設計火源及火災場(chǎng)景，推算避難所需時(shí)間和避難容許時(shí)間，驗算合理后，完成設計。

    避難安全性能設計主要目的為確保人身安全，然而人的屬性卻是非常復雜的，如年齡、身高、體重、反應能力、敏捷度、耐心、行動(dòng)能力等個(gè)人的特質(zhì)因人而異，因此對于人口密度高、人數多的場(chǎng)所，在避難評估時(shí)若針對每一個(gè)人去評估避難結果，則相當費時(shí)費力，非人力采用公式驗算所能及。因此，許多國家紛紛建立計算機模擬模式，以驗算公式及相關(guān)觀(guān)察實(shí)驗結果為基礎，評估分析各種建筑的模擬結果，以驗證設計結果是否可以確保人的生命安全。

    隨著(zhù)性能法規發(fā)展，英國、美國、日本、澳洲、新西蘭等發(fā)達國家已提出許多計算機模式、驗算模式、概率模式等避難安全檢驗方法。這些驗算模式是以長(cháng)時(shí)間的觀(guān)察、實(shí)驗結果為基礎，再結合工程方法，進(jìn)而編寫(xiě)成復雜的計算機軟件，其花費是巨大的。在我國，目前為止尚未自行研發(fā)相關(guān)避難驗算模式，因此建立避難安全設計法時(shí)，建議采用現有已成熟、開(kāi)發(fā)的評估模式，分析評估各項檢驗模式理論框架，探討其輸入、輸出的諸多使用參數，分析其假設條件及使用特性，判斷其對我國國情特色（建筑物空間規劃、使用特性、人員活動(dòng)）是否適用可行等，并進(jìn)而以引用國外技術(shù)為主，而不需再重復花費龐大的人力、物力重新建立避難安全檢驗模式。

    6  煙氣控制系統

    在火場(chǎng)中，由于能見(jiàn)度低所引起的人們心理恐慌會(huì )加大安全疏散的難度，而煙氣中所包含的煙粒子、刺激物及毒性物質(zhì)可以快速地窒息人的生命。因此，防排煙系統的設計與評估是性能設計的另一支柱。對煙氣蔓延過(guò)程評估時(shí)，常常綜合考慮煙氣固有的浮力特性、體積變化、夾帶作用及天花板噴流等效應。對煙氣蔓延規律模擬的目的在于從設計上提高煙層的流動(dòng)高度，稀釋煙團的濃度，降低煙流的溫度和阻止煙氣進(jìn)入特定的區域空間。煙氣模擬要設定火源模式，即考慮燃燒的狀態(tài)與火勢的發(fā)展、質(zhì)量容積的流速等，繼而要估算煙流量值、溫度值、煙層沉降速度等，要確定排煙系統的工作時(shí)機（同時(shí)考慮風(fēng)機、通風(fēng)口、閥門(mén)等），以及綜合考慮自動(dòng)滅火系統開(kāi)始工作后對煙氣過(guò)程的影響等。國外在煙氣模擬計算程序開(kāi)發(fā)方面進(jìn)展的最快、最成熟。一些商業(yè)軟件已可在特定的工程中應用。

    目前流行的模擬計算有區域模擬和場(chǎng)模擬兩種，二者都出發(fā)于連續介質(zhì)流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)的基本方程。場(chǎng)模擬能夠以足夠的空間分辨率揭示物理過(guò)程的細節，但計算量大，對火焰區的湍流和化學(xué)反應的處理較為困難，主要用于咨詢(xún)和評估過(guò)程的計算模擬；區域模擬注重整體效果，以適當的工程近似描述各個(gè)物理過(guò)程，簡(jiǎn)化了方程組，大幅度地減小了計算的復雜程度和計算時(shí)間，是工程設計主要采用的計算方法。

    我國目前已具備深人開(kāi)展用區域模擬計算方法進(jìn)行設計計算的設計方法研究的基礎。建立一個(gè)好的評估方法體系才能保證性能設計的安全性，并給人們一個(gè)比較完整的系統安全概念，因此這是一項非常重要的基礎性工作。

    上述為建立性能規范所必須的最基本的條件，除此以外還有許多工作要做。只要我們有一個(gè)好的開(kāi)端，打實(shí)基礎，就一定會(huì )開(kāi)創(chuàng )出“性能設計”的全新時(shí)代。