摘要： 如果說20世紀(jì)的建筑設(shè)計主要競爭于造型和功能要求的話，則21世紀(jì)建筑設(shè)計行業(yè)的核心競爭力將體現(xiàn)在預(yù)防災(zāi)害發(fā)生上。因此，包括防火在內(nèi)的防災(zāi)設(shè)計是判定建筑設(shè)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(zhǔn)和目標(biāo)應(yīng)該是明確的和高水平的，即發(fā)生火災(zāi)的概率十分小。但確保安全水準(zhǔn)實現(xiàn)的方法則是多種多樣的，人們可以運用所有的現(xiàn)代科技手段進行有機的和創(chuàng)造性的組合。

    性能設(shè)計是一種新型的防火系統(tǒng)設(shè)計思路，是建立在更加理性條件上的一種新的設(shè)計方法。它不是根據(jù)確定的、一成不變的模式進行設(shè)計，而是運用消防安全工程學(xué)的原理和方法，首先制定整個防火系統(tǒng)應(yīng)該達到的性能目標(biāo)，并針對各類建筑物的實際狀態(tài)，應(yīng)用所有可能的方法對建筑的火災(zāi)危險和將導(dǎo)致的后果進行定性、定量地預(yù)測與評估，以期得到最佳的防火設(shè)計方案和最好的防火保護。性能設(shè)計是一個非常復(fù)雜的體系，它的實現(xiàn)需要各種社會環(huán)境和技術(shù)條件的支撐。

    應(yīng)該指出的是，由指令性規(guī)范向性能規(guī)范的轉(zhuǎn)型不是一蹴而就的。目前國際上所謂性能規(guī)范都只是包含部分性能規(guī)定，并沒有百分之百的性能規(guī)范。指令性規(guī)定與性能規(guī)定不是簡單的替代，而是在相當(dāng)長的時期內(nèi)并存或互補，這樣既不妨礙新技術(shù)的應(yīng)用，又能夠保持當(dāng)前的安全程度。筆者就我國性能化研究與實踐工作，談幾點看法。

    1  工作的基本方向

    性能規(guī)范屬于柔性的法規(guī)，它適用于
    （1）規(guī)范規(guī)章沒有規(guī)定的情況；
    （2）規(guī)范規(guī)章雖有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但不能或不足以應(yīng)對現(xiàn)實情況時；
    （3）讓設(shè)計者能在安全無虞又合乎經(jīng)濟利益的情形下，自由地設(shè)計合乎需求的使用空間。從國外現(xiàn)行情況看，目前的性能設(shè)計規(guī)范并不復(fù)雜，但支撐這類規(guī)范的性能設(shè)計體系卻是一項非常龐大的系統(tǒng)工程，它需要方方面面的共同努力。從理論上講，性能設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)如下一些原則：

    （1）性能規(guī)范的各項規(guī)定和目標(biāo)應(yīng)能保證不同類型建筑物的整體安全水平。

    （2）性能規(guī)范應(yīng)具有長期的適用性，新技術(shù)、新方法的出現(xiàn)和使用不會導(dǎo)致與規(guī)范的沖突。

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

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

    一個成功的性能化設(shè)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(jié)省不必要的消防設(shè)備費用，這是性能化設(shè)計所應(yīng)體現(xiàn)的優(yōu)點以及發(fā)展的動力。

    在我國實現(xiàn)上述目標(biāo)還需要走相當(dāng)長的一段路。目前，無論是在人們的觀念上，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，開展此項工作又是一種必然，并且越早開始越主動。

    2  火災(zāi)發(fā)展模式及預(yù)期損害度的分析評估

    性能設(shè)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。定量分析包含兩類程序：

    （1）決定性程序（Deterministic Procedure）：將火災(zāi)成長、擴展、煙移動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(zāi)模擬方法）。

    （2） 概率性程序（Probabilistic Procedure）：估算發(fā)生某種不預(yù)期火災(zāi)情景（Fire Scenario）的可能性（利用火災(zāi)發(fā)生頻率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、系統(tǒng)可靠度、建筑背景資料及決定性程序所獲得資料）�；馂�(zāi)模式的影響因子應(yīng)考慮模式的輸出量 （例如：溫度、速度、熱通量）及合格標(biāo)準(zhǔn)（例如：偵測所需時間、達到人類無法承受的時間）�；馂�(zāi)模式也為概率模式，主要進行火災(zāi)風(fēng)險評估，分析事件樹 （Event Tree）與概率，而使人們因火災(zāi)喪的風(fēng)險降低。

    火災(zāi)場景的設(shè)定對消防安全性能設(shè)計十分重要，即在消防安全設(shè)計之前，需先輸入火災(zāi)場景的參數(shù)資料，再依假想場景去執(zhí)行消防安全設(shè)計。

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

    我國在今后的若干年中，要實現(xiàn)對火災(zāi)的定量評估，至少要建立下述6個分析子系統(tǒng)：

    （1）起火空間內(nèi)火災(zāi)發(fā)生與發(fā)展的過程模擬；

    （2）煙及有毒氣體蔓延規(guī)律的模擬；

    （3）火勢沿起火間之外空間的蔓延；

    （4）火災(zāi)報警、滅火及防排煙系統(tǒng)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(guī)范的安全原則，最基礎(chǔ)的一項工作是建立科學(xué)系統(tǒng)的火災(zāi)發(fā)生及損失的概率統(tǒng)計方法，包括：

    （1）對建筑物進行合理的類別劃分，并統(tǒng)計各類建筑物實際存在的平方米數(shù)量和火災(zāi)發(fā)生時損失的數(shù)量。

    （2）確定火災(zāi)損失率的概率分布模型，并確定火災(zāi)損失率的數(shù)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(zāi)事件進行計算處理，并最終給出各類建筑火災(zāi)危險性的概率度。

    3  建立各類建筑物的火災(zāi)荷載數(shù)據(jù)庫

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

    火災(zāi)載荷密度與設(shè)計火災(zāi)發(fā)展過程密切相關(guān)，而后者正是防火設(shè)計中最基本的輸人參數(shù)之一，因而火災(zāi)載荷數(shù)據(jù)的確定對防火系統(tǒng)的性能設(shè)計具有至關(guān)重要的影響。我國目前基本上沒有火災(zāi)載荷的相關(guān)統(tǒng)計方法和確定的數(shù)值。因此，應(yīng)通過試驗和統(tǒng)計的方法盡快建立適合中國國情的火災(zāi)荷載密度的數(shù)據(jù)庫。同時，應(yīng)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）通過實際調(diào)查和實驗確定各類建筑材料和設(shè)施的燃燒熱值。

    （2）用概率統(tǒng)計的方法處理火災(zāi)荷載的分布型式。統(tǒng)計表明火災(zāi)荷載的分布不服從正態(tài)分布，而表現(xiàn)為極值I型分布。因此將樓層火災(zāi)荷載作為隨機現(xiàn)象，將其概型化、抽象化為統(tǒng)計數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)尋其統(tǒng)計規(guī)律，應(yīng)該是可行的途徑之一。

    （3）鑒于建筑結(jié)構(gòu)的可變荷載與火災(zāi)荷載的統(tǒng)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，進而確定兩者間的比值關(guān)系。這將會使規(guī)范編制和設(shè)計選用工作大大簡化。

    4  性能計算方式的選擇

    在以往，所謂的性能化設(shè)計似乎只是空談，要真正的落實幾乎是一項不可能的任務(wù)。但近年來世界許多發(fā)達國家實現(xiàn)這個夢想實現(xiàn)，并應(yīng)用在現(xiàn)實社會當(dāng)中。我國也感受到性能化設(shè)計的發(fā)展確實有其必要性。

    性能設(shè)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，一是以日本為主的簡算預(yù)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(shè)計尚未單獨立法，而且其偏好使用火災(zāi)預(yù)測簡單公式進行計算，所以在個別火災(zāi)項目中有大量的簡單公式完整的介紹，其中當(dāng)然也還有可以加強之處，主要是關(guān)于火災(zāi)進程、閃燃現(xiàn)象的發(fā)生以及火災(zāi)探測與抑制方面的預(yù)測公式尚未出現(xiàn)，當(dāng)此部分也完成的時候，日本簡算公式將會成為相當(dāng)好的整體火災(zāi)預(yù)測模式。而且，其簡算公式中每一個參數(shù)的選擇都是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

    而在英、美、澳三國（澳洲的法規(guī)源自于英國），計算體系中的同質(zhì)性相當(dāng)高，目前已經(jīng)有完整詳細(xì)的規(guī)范提供給防火設(shè)計人員參考。歐美國家普遍習(xí)慣采用計算機模擬軟件進行火災(zāi)預(yù)測與火場重建的工作，因此對于火災(zāi)預(yù)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發(fā)不遺余力，模式也發(fā)展得越來越成熟，同時由于目前計算機的效能越來越高，進行火災(zāi)模擬的時間與精確度都大幅的提升，因此采用計算機進行模擬也是性能法規(guī)驗證的方法之一。

    鑒于我國目前的實際情況，筆者認(rèn)為可以采取簡算預(yù)測與計算機模擬相結(jié)合的方法。

    5  安全疏散模擬

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

    避難安全設(shè)計的最終要求為驗證實際所需的避難時間應(yīng)低于避難容許時間。所以避難安全設(shè)計時，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(shù)量及分布、建筑物高度、排煙設(shè)備等）及人員特性（人數(shù)、步行速度、反應(yīng)能力、分布情形、環(huán)境熟悉度等）資料后，設(shè)計火源及火災(zāi)場景，推算避難所需時間和避難容許時間，驗算合理后，完成設(shè)計。

    避難安全性能設(shè)計主要目的為確保人身安全，然而人的屬性卻是非常復(fù)雜的，如年齡、身高、體重、反應(yīng)能力、敏捷度、耐心、行動能力等個人的特質(zhì)因人而異，因此對于人口密度高、人數(shù)多的場所，在避難評估時若針對每一個人去評估避難結(jié)果，則相當(dāng)費時費力，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)觀察實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，評估分析各種建筑的模擬結(jié)果，以驗證設(shè)計結(jié)果是否可以確保人的生命安全。

    隨著性能法規(guī)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時間的觀察、實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，再結(jié)合工程方法，進而編寫成復(fù)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(shè)計法時，建議采用現(xiàn)有已成熟、開發(fā)的評估模式，分析評估各項檢驗?zāi)Ｊ嚼碚摽蚣�，探討其輸入、輸出的諸多使用參數(shù)，分析其假設(shè)條件及使用特性，判斷其對我國國情特色（建筑物空間規(guī)劃、使用特性、人員活動）是否適用可行等，并進而以引用國外技術(shù)為主，而不需再重復(fù)花費龐大的人力、物力重新建立避難安全檢驗?zāi)Ｊ健?/p>

    6  煙氣控制系統(tǒng)

    在火場中，由于能見度低所引起的人們心理恐慌會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(tǒng)的設(shè)計與評估是性能設(shè)計的另一支柱。對煙氣蔓延過程評估時，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(yīng)。對煙氣蔓延規(guī)律模擬的目的在于從設(shè)計上提高煙層的流動高度，稀釋煙團的濃度，降低煙流的溫度和阻止煙氣進入特定的區(qū)域空間。煙氣模擬要設(shè)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(tǒng)的工作時機（同時考慮風(fēng)機、通風(fēng)口、閥門等），以及綜合考慮自動滅火系統(tǒng)開始工作后對煙氣過程的影響等。國外在煙氣模擬計算程序開發(fā)方面進展的最快、最成熟。一些商業(yè)軟件已可在特定的工程中應(yīng)用。

    目前流行的模擬計算有區(qū)域模擬和場模擬兩種，二者都出發(fā)于連續(xù)介質(zhì)流動、傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的基本方程。場模擬能夠以足夠的空間分辨率揭示物理過程的細(xì)節(jié)，但計算量大，對火焰區(qū)的湍流和化學(xué)反應(yīng)的處理較為困難，主要用于咨詢和評估過程的計算模擬；區(qū)域模擬注重整體效果，以適當(dāng)?shù)墓こ探�似描述各個物理過程，簡化了方程組，大幅度地減小了計算的復(fù)雜程度和計算時間，是工程設(shè)計主要采用的計算方法。

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

    上述為建立性能規(guī)范所必須的最基本的條件，除此以外還有許多工作要做。只要我們有一個好的開端，打?qū)嵒�礎(chǔ)，就一定會開創(chuàng)出“性能設(shè)計”的全新時代。