一级消防工程师《技术实务》章节辅导：第五篇第四章第一节
第四章建筑性能化防火设计评估
第一节概述
本节介绍了什么是性能化防火设计方法，该方法的发展过程及与传统的防火设计方法的区别，建筑性能化防火设计方法能够解决的问题及所运用的手段和工具，及该方法的局限性。
一、性能化防火设计产生的背景
随着生产力的发展和社会财富的积累，火灾发生的频率和造成的损失越来越大，火灾的防治技术也越来越受到人们的重视。1666年9月英国伦敦发生火灾，大火持续了4天，约80%的城市被烧毁。为了防止建筑物之间火灾的蔓延，英国制定了第一部有关消防的建筑规范，规定了建筑物之间的最小间距，并对建筑材料的使用进行了限制性规定。同样，世界各国的建筑防火设计规范都是长期以来人们与火灾斗争过程中总结出来的防火灭火经验的体现，同时综合考虑了当时的社会经济水平、科技水平以及其他国家的相关经验。这些规范中大多数规定是依照建筑物的用途、规模和结构形式等提出的，并且详细地规定了防火设计必须满足的各项设计指标或参数，设计人员不需要复杂的计算和分析过程，容易理解和掌握。
由于每座建筑的结构、用途及内部可燃物的数量和分布情况千差万别，因此按照规范统一给定的设计参数得到的设计方案，不一定是最合理和最有效的。特别是随着科学技术和经济的发展，各种复杂的、多功能的建筑迅速增多，新材料、新工艺、新技术和新的建筑结构形式不断涌现，这些都对建筑的消防设计提出了新的要求，出现了许多规范难以解决的消防设计问题。在这种形势下，上世纪70年代出现了性能化防火设计的概念，到现在为止，已被10多个国家所接受，并成为当前国际建筑防火设计领域研究的重点。
所谓性能化防火设计，是指根据建设工程使用功能和消防安全要求，运用消防安全工程学原理，采用先进适用的计算分析工具和方法，为建设工程消防设计提供设计参数、方案，或对建设工程消防设计方案进行综合分析评估，完成相关技术文件的工作过程。
虽然性能化防火设计是社会经济发展的必然趋势，但性能化防火设计的出现与火灾科学和消防安全工程学的发展是分不开的。从19世纪末英国出现了利用金属受热膨胀原理制成的感温火灾自动探测装置以来，消防工程技术的发展已有100多年的历史。1946年第一台电子管计算机在美国研制成功，半导体和微电子技术发展迅速，计算机技术在社会各领域得到了充分的应用，消防工程技术也得到快速提升，各种智能化的火灾探测和自动灭火系统不断涌现。特别是大容量高性能计算工作站的出现，科学计算的能力越来越强大，使得大量复杂的火灾数据分析和处理成为现实，这些都为性能化防火设计的发展提供了基础。
火灾科学与消防工程是一门以火灾发生与发展规律和火灾预防与扑救技术为研究对象的新兴综合性学科，是综合反映火灾防治科学技术的知识体系。火灾科学是反应火灾发生与发展规律的知识，如物质的燃烧与爆炸机理、火焰的化学反应机理、燃烧抑制与灭火机理、烟气的生成及其毒性，以及火灾的发展、蔓延与控制等基础理论内容。消防工程是反映应用科学与工程原理防治火灾的知识，如对火灾危险性和危害性的分析评估、火灾模化、建筑防火技术、火灾探测报警技术、自动灭火技术、阻燃与耐火技术、火灾原因鉴定技术、火场通信指挥技术，以及人在火灾中的行为和反应，包括体能、心理和生理等，是应用基础理论和应用技术部分。可见，性能化防火设计是建立在火灾科学和消防工程学基础之上的一门应用技术，它的出现是火灾科学和消防工程学发展到一定阶段的必然结果。
美国、英国、日本、澳大利亚等国从20世纪70年代起就开展了性能化防火设计的相关研究，如火灾增长分析、烟气运动分析、人员安全疏散分析、建筑结构耐火分析和火灾风险评估等，并取得了一些比较实用化的成果，各国纷纷制定各自的性能化防火设计规范和指南等文件。
二、我国性能化防火设计发展
我国从1980年代初期就开始了火灾模化方面的研究，此后在火灾科学、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。但直到1995年国家“九五”科技攻关项目“地下大型商场火灾研究”，我国还只有少数从事此方面研究的人员对建筑物性能化防火设计有所认识。1996年，特别是1997年FORUM会议(天津)以后，我国开始组织人员比较系统地搜集整理和分析研究国内外有关建筑物性能化设计与标准方面的成果与信息。
“十五”期间开始针对建筑性能化防火设计技术进行深入研究，在国家“十五”科技攻关课题《城市火灾与重大化学灾害事故防范与控制技术的研究》中分别开展了建筑物性能化防火设计技术导则的研究、高层建筑性能化防火设计评估技术研究、中庭式建筑性能化防火设计方法及其应用的研究和人员密集大空间公共建筑性能化防火设计应用研究等。
在这些研究工作的基础上，相关机构同时开展了工程应用。公安部天津消防研究所在“十一五”国家科技攻关项目中，开展了建筑物性能化防火设计规范研究项目，以保障我国建筑工程的消防安全水平，规范建筑消防安全工程技术在实际工程中的应用。
三、性能化防火设计与传统的规范做法对比
传统规范的技术要求是建立在部分火灾案例的经验和火灾模拟实验等研究基础之上。历史上防火规范的出现和发展有着其相关的社会背景。当时人们掌握的科学技术水平尚无法透彻、系统地认识所处的客观社会，因此人类的技术行为难免呈现出多样性和不确定性。而为了保证工程最基本的安全度，有关的社会组织便通过一些成功的经验和理论描述，制定出了一些规范条文去约束相应人员的技术行为。
传统的规范对设计过程的各个方面做了具体规定，但难以定量确定设计方案所能达到的安全水平。传统规范具有以下的特点：
(1)没有细化的设计目标;
(2)所使用的方法是确定的;
(3)不需要再对设计的结果进行评估确认。
应该说，传统的防火设计规范为社会的发展和进步做出了巨大的贡献，但从社会进步的角度看，也存在着一些不足之处：
(1)无法给出一个统一、清晰的整体安全度水准。现行规范适用于各类建筑，而各种建筑风格、类型和使用功能的差异，则无法在现行规范中给予明确的区别。因此，现行规范给出的设计结果无法告诉人们各建筑所达到的安全水准是否一致，当然也无法回答一幢建筑内各种安全设施之间是否能协调工作以及综合作用的安全程度如何。
(2)是经验及科研技术的总结，难以跟上新技术、新工艺和新材料的发展。规范严格的定量规定妨碍设计人员使用新的研究成果进行设计，尽管这样的设计可能导致系统安全程度的提高和投入的减少，但很可能会与规范不符。大多数的规范条款来源于对历次火灾经验教训的总结，这种经验总结不可能涵盖所有的影响因素，尤其是随着建筑形式的发展而出现的新问题，更不可能是规范编写者在几年，甚至十几年前编写规范时就能全部考虑到的。
(3)限制了设计人员主观创造力的发展。非灵活的、太过具体的规范条文，常常桎梏设计人员的想象力，无形中僵化了人们的思维。与此同时设计者对规范中未规定或规定不具体的地方，也会因盲目性而导致设计结果的失误。比如人们可以这样认为：符合规范条文要求的设计就是合格的，而对于规范没有规定的因素，设计人员就无从着手了。因此对任何小的细节考虑不周都可能导致系统失效，完全背离设计的宗旨。
(4)无法充分体现人的因素对整体安全度的影响。建筑是为人类的生产和生活服务的，人的素质无疑在很大程度上影响着建筑防火安全的水平。比如人的生产、生活习惯，楼宇物业管理水平，人在火灾中的心理状态等都在事实上成为安全设计的主要考虑因素之一。然而，现行规范中无法充分体现该类因素的作用。
当前，建筑防火相关领域新成果的不断涌现和现代信息处理技术，在不断充实现行的规范体系。与传统的防火设计规范相对比，性能化的防火设计规范具有以下特点：
(1)加速技术革新。在性能化的规范的体系中，对设计方案不做具体规定，只要能够达到性能目标，任何方法都可以使用，这样就加快了新技术在实际设计中的应用，不必考虑应用新设计方法可能导致与规范的冲突。性能化的规范给防火领域的新思想、新技术提供了广阔的应用空间。
(2)提高设计的经济性。性能化设计的灵活性和技术的多样化给设计人员提供更多的选择，在保证安全性能的前提下，通过设计方案的选择可以采用投入效益比更优化的系统。
(3)加强设计人员的责任感。性能设计以系统的实际工作效果为目标，要求设计人员通盘考虑系统的各个环节，减小对规范的依赖，不能以规范规定不足为理由忽视一些重要因素。这对于提高建筑防火系统的可靠性和提高设计人员技术水平都是很重要的。
由于是一种新的设计方法，工程应用范围并不广泛，许多性能化防火设计案例尚缺乏火灾验证。目前使用的性能化方法还存在以下一些技术问题：
(1)性能评判标准尚未得到一致认可。
(2)设计火灾的选择过程确定性不够。
(3)对火灾中人员的行为假设的成分过多。
(4)预测性火灾模型中存在未得到很好证明或者没有被广泛理解的局限性。
(5)火灾模型的结果是点值，没有将不确定性因素考虑进去。
(6)设计过程常常要求工程师在超出他们专业之外的领域工作。
需要注意的是，传统的防火设计规范与性能化的防火设计规范并不是对立的关系，恰恰相反，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1%～5%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3%～5%;德国，约1.5%。在我国，部分地区可能达到3%～5%，但总体应不会超过0.5%。
建筑物的消防设计必须依据国家现行的防火规范及相关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执行该规定确有困难的问题，才采用性能化防火设计方法。即使如此，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。
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几个方面的问题。对于设计者提出需要进行性能化防火设计的问题，还必须由省级公安机关消防机构批准。必要时，如某些重大或较复杂的工程建设项目，还应组织相关国家标准管理机构共同复审确定。
四、性能化防火设计核心内容
(一)整体评估
建筑物的性能化防火设计是通过采用至少与现行国家标准的规定等效的方法来实现建筑物的消防安全目标，以解决现行标准与实际需求不相适应或某些不完善的规定所带来的问题。消防安全评估既是为了验证其设计方法及其结果是否与现行规范的规定等效或者是否能达到与该建筑相适应的消防安全水平，也是为了便于进一步修改和完善现有设计方案。因此，任何一项性能化防火设计均必须在设计后经过相应的消防安全性能评估程序。此外，消防安全评估不仅局限于对新建建筑设计的安全性能进行评价，而且还可以单独对现有建筑或新建筑设计中采用的新材料等的消防安全性能进行评估，以确定其是否需要改造以及如何改造。
建筑物的性能化防火设计应包括设计、消防安全性能评估和方案改进与完善，设计与消防安全性能评估是一个相互有机结合的整体。但建筑物的消防安全性能技术评估也可以由第三方中介技术组织独立进行。在验证其等效性时，不得从其他国家的规范中断章取义引用条文，而应以我国国家标准的规定为基础进行等效性验证。
(二)专业人员
建筑物性能化防火设计是一门专业要求较高的技术性工作，是火灾科学和消防安全工程涉及到的多门学科知识的综合运用。从业人员不仅应该熟悉消防技术法规，能够根据设计对象的功能与用途、高度和内部建筑特征确定其消防设计目标(如保证建筑物内使用人员的人身安全、结构稳定性等)以及相关的定量性能标准，而且能比较准确地确定和描述设计火灾场景和设定火灾，采用合适的方法(如选择或建立建筑物内火灾蔓延和烟气运动等的物理模型和数学模型等)，选择和使用适当的分析预测工具，对火灾探测与报警系统、自动灭火系统、防排烟系统等消防系统有相当了解，能够预测和分析、评价其可行性、有效性与可靠性。
此外，建筑物的消防安全水平的高低与建筑消防投资密切相关，合理确定该指标也是性能化防火设计的重要内容。
(三)程序控制
遵循一定的设计程序是保证设计质量的前提，特别是在进行性能化试设计和评估验证阶段。建筑物性能化设计一般在设计方案或扩初设计阶段进行，由设计师、业主、消防工程咨询专家等共同参与实施。建筑物性能化防火设计的一般程序为：
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按规定要求实施，从而确定需要采用性能化设计方法进行设计的问题;
3.进行性能化试设计和评估验证;
4.修改完善设计并进一步评估验证确定是否满足所确定的消防安全目标;
5.提交审查与批准。
因此，设计或评估人员应明白性能化防火设计的基本步骤、每一步骤中涉及的主要问题和内容以及各步骤之间的相互关系与影响。
五、性能化防火设计主要内容
(一)确定设计火灾场景与设定火灾
火灾场景的特征必须包括对火灾引燃、增长和熄灭的描述，同时伴随烟和火蔓延的可能途径以及任何灭火设施的作用。此外，还要考虑每一个火灾场景的可能后果。
设定火灾采用描述火灾增长的模型。目前主要有火灾模型的温度描述和火灾模型的热释放速率描述两类。时间温度曲线主要用于计算构件温度，热释放速率模型主要用于计算烟气温度、构件温度和运用区域模型进行火灾模拟等。
在运用火灾模拟模型进行性能化防火设计与评估时，主要依据火灾的热释放速率模型。火灾的热释放速率曲线能否代表火灾的真实情况直接影响性能化防火设计与评估的可靠性及其应用。
热释放速率曲线可直接通过火灾实验获得，但由于实尺寸火灾实验的费用较大，此类可用的实验数据较少，而较多的是中型火灾实验与实验室规模的火灾实验数据(如锥形量热计、墙角实验、单体燃烧实验、大型锥形量热计和基于质量损失速率的测试方法)。当无法找到有待考虑的可燃组件的实验数据时，可以采用类似的火灾实验数据替代。
在一定种类可燃物分布和相应的通风条件下，火灾发展的最大热释放速率主要受最大的火源面积控制。点火初期火源的面积对火灾的增长将产生较大影响，可以将点火初期的火源面积理解为点火源的能量。
可燃物的火焰蔓延速度是指可燃物点火后沿水平和空间方向的蔓延速度，由于可燃物在空间上的蔓延速度及其对火灾蔓延的影响十分复杂，目前多采用水平方向的蔓延速度描述火灾发展的面积。
(二)不同类型建筑的火灾荷载密度确定
火灾荷载密度是可以比较准确地衡量建筑物室内所容纳可燃物数量多少的一个参数，是研究火灾全面发展阶段性状的基本要素。在建筑物发生火灾时，火灾荷载密度直接决定着火灾持续时间的长短和室内温度的变化情况。建筑物内的可燃物可分为固定可燃物和容载可燃物两类。固定可燃物的数量很容易通过建筑物的设计图纸准确地求得。容载可燃物数量很难准确计算，一般由调查统计确定。
目前国内尚无火灾荷载密度方面的调查统计数据，国外发达国家如美国、加拿大、日本等有一些这方面的调查统计数据。
(三)烟气运动的分析方法
在一定的建筑空间和火灾规模条件下，烟气的生成量主要取决于羽流的质量流量，它是进行火灾模拟、火灾及烟气发展评价和防排烟设计的基础。由于火灾烟气的复杂性，目前的羽流计算多采用基于实际火灾实验的半经验公式，比较著名的有Zukoski模型、Thomas-Hinkley模型、McCaffrey模型等，但这些模型有着各自不同的实验基础和适用条件，对同一问题各模型得出的结果往往存在着差异，世界上几个著名的建筑火灾区域模拟软件(如CFAST、MRFC等)都采用了不同的羽流模型，这给火灾的烟气运动分析带来困难。
Zukoski(1)、Zukoski(2)和NFPA模型适用于小面积火源条件下的羽流质量流量计算，Thomas-Hinkley模型适用于大面积火源条件下的羽流质量流量计算，McCaffrey模型既适用于小面积火源也适用于大面积火源条件下的羽流质量流量计算。另外，各国还在积极开发新的烟气运动分析模型，如场模型、场-区-网模型等。
(四)人员安全疏散分析
各国对于建筑物内消防安全疏散中人员的疏散时间的计算方法，在理论上基本一致，但具体时间确定和疏散指标方面存在一定差异。人员安全疏散设计与评估必须考虑我国的实际情况和分析影响人员疏散时间的主要因素，根据建筑物的内部特征、使用人员特性和建筑物内消防设施情况及其影响等，确定安全疏散设计原则和疏散的模拟计算方法，并在预测计算的基础上与现行国家标准的规定进行比较，最后确定一个合理的人员疏散时间。
在该部分的设计与评估中，重点要解决疏散安全的评估(验证)方法，根据模型的假设条件、不同建筑内人员在火灾中的行为与心理特征，比较准确地考虑相关不确定性所带来的影响。
(五)主动消防设施的对火反应特性分析
在很多建筑物中设有自动喷水灭火系统或其他自动灭火系统(如干粉、气体、泡沫和细水雾等)，火灾发生后一定时间内，这些灭火系统将动作并向可燃物喷洒灭火剂，可燃物的燃烧状态将被改变，可燃物的热释放速率将减小，直到最终火灾熄灭。不同的灭火剂、灭火系统和喷洒强度等均对可燃物的燃烧状态产生不同的影响。可燃物在采取灭火措施后的燃烧状态是评价灭火系统灭火有效性的基础。
目前，已有一些描述采取灭火措施后可燃物燃烧状态的模型，一些区域火灾模拟软件也能模拟采取灭火措施后的火灾发展状况，但效果不理想。
(六)火灾危害和火灾风险的分析与评估
火灾风险与评估的主要目标是准确辨识系统中存在的火灾危险因素，对这些因素的影响程度做出恰当的评价，并在此基础上对火灾的发生和发展过程及其危害做出预测，提出控制与处理事故的措施和方案。
火灾风险评估的判定标准是社会或者决策者的价值表述，它可以是一个极限值、极限值范围或者一个数值分布，每个风险评估对象都有属于自己的风险评估判定标准。风险评估判定标准的确定与风险承担者的可接受风险水平有关。因此，在确定火灾风险评估判定标准之前，应知晓对风险承担者可接受的损害和伤亡水。
风险评估一般应确定火灾危害并对火灾危害的概率和危害后果进行量化、确定危害控制方案，进而量化火灾风险和选择合适的保护措施。
(七)性能化设计与评估中所用方法的有效性分析
设计者之间的知识和经验水平有很大差别，应注对所用分析方法的准确性和有效性进行科学的分析和验证。
六、性能化防火设计问题
实际建筑工程的情况千差万别，应积极分析研究国外的相关火灾发展与蔓延、烟气运动、人员安全疏散和结构耐火分析方面的模型与方法，开发具有自主知识产权的分析与计算工具。广泛进行各类场所内火灾荷载调查和各种典型火灾场景的火灾实验，丰富补充目前的火灾实验数据库。
(一)研究各类常见公共建筑内的人员荷载和人在火灾中的行为特征与心理，研究人员的疏散过程
商场、会展建筑、复杂的高层建筑、体育馆等公众聚集场所是消防安全管理的重点。由于地域差异对人员密度的影响、人员个体之间的行为和心理、社会背景以及建筑火灾本身等给人员疏散所带来的不确定性，使得这一过程变得复杂。这也是导致当前疏散模型较多的主要因素。当前急需研究开发与我国人体特征和行为习惯相适应的分析模型。
(二)研究灭火系统对火灾蔓延、烟气运动的影响，建立定量分析灭火系统对火反应模型
目前，主动消防设施对火反应的分析仅限于其响应时间的计算和对火灾发展的定性描述。事实上，不同环境和不同类型的火灾在不同灭火设施的作用下，其效果具有显著的差异。只有定量地分析和评价灭火系统对火灾发展的影响，才能准确分析火灾的蔓延与烟气生成量、烟气运动情况、合理地选择需要设置的灭火系统类型。
(三)研究结构耐火性能化设计的方法
根据建筑物的高度、使用性质和规模、体量、火灾场景等考虑其耐火等级并进行相应的建筑构件耐火设计是实现安全与经济统一的途径之一。但目前建筑结构耐火性能方面的研究主要集中于材料在受火高温作用下的性能和构件耐火性能的研究。国际标准化组织等机构的相关工作也仍在进行中。在这方面，既要进一步开展系统的结构耐火性能研究，又要重视其设计方法的开发。
(四)培训专业技术人员，规范性能化防火设计与评估人员的资质和职业道德
从事性能化防火设计与评估的技术人员应当系统地学习火灾科学、火灾安全工程、消防法规等专业课程，具有火灾燃烧方面的知识和火灾危险分析能力，具有良好的职业操守。建议政府的消防主管部门充分发挥消防研究所、高等院校的力量，组织开展相关教育和培训，制定相关资质认证要求和程序，进行资质审查与监督管理。
随着消防安全工程的快速发展，消防安全工程学已随着其潜力、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，性能化的防火设计方法也会越来越完善。
建筑物性能化防火设计与评估为实现建筑设计的多样化，更好地满足建筑功能需要提供了一条新的途径。但我国要推广建筑物性能化防火设计与评估技术还需要开展大量工作，既要循序渐进、积极探索、发展和完善这一技术，也要充分认识到现行建筑防火设计方法的重要性。
