第二節 建筑消防性能化設計的基本程序與設計步驟

一、基本程序

建筑消防性能化設計的基本程序如下：

1)確定建筑的使用功能、用途和建筑設計的適用標準。

2)確定需要采用性能化設計方法進行設計的問題。

3)確定建筑的消防安全總體目標。

4)進行消防性能化試設計和評估驗證。

5)修改、完善設計，并進一步評估驗證，確定性能是否滿足既定的消防安全目標。

6)編制設計說明與分析報告，提交審查和批準。

其中建筑消防性能化試設計的一般程序如下：

1)確定建筑設計的總目標或消防安全水平及其子目標。

2)確定需要分析的具體問題及其性能判定標準。

3)建立火災場景，設定合理的火災和確定分析方法。

4)進行消防性能化設計與計算分析。

5)選擇和確定最終設計(方案)。

建筑消防性能化設計與計算分析一般應包括下列全部或幾項內容：

1)針對設定的性能化分析目標，確定相應的定量判定標準。

2)合理設定火災。

3)分析和評價建筑的結構特征、性能和防火分區。

4)分析和評價人員的特征、特性以及建筑和人員的安全疏散性能。

5)計算預測火災的蔓延特性。

6)計算預測煙氣的流動特性。

7)分析和驗證結構的耐火性能。

8)分析和評價火災探測與報警系統、自動滅火系統、防排煙系統等消防系統的可行性與可靠性。

9)評估建筑的火災風險，綜合分析性能化設計過程中的不確定性因素及其處理方法。

1.消防安全總目標

消防安全總目標可能包括人員和財產保護等級或者能夠提供建筑使用的連續性、古跡或文物保護和環境保護。根據業主的需要，不同工程的消防安全總目標有所不同，其表述方式也不相同。

建筑防火設計的總目標應在進行性能化設計開始之前作為設計的重點問題，由設計單位、建設單位、委托方、公安消防監督機構、消防安全技術咨詢機構等共同研究確定。

建筑的消防安全總目標一般包括如下內容：

1)減小火災發生的可能性。

2)在火災條件下，保證建筑內使用人員以及救援人員的人身安全。

3)建筑的結構不會因火災作用而受到嚴重破壞或發生垮塌;或雖有局部垮塌，但不會發生連續垮塌而影響建筑結構的整體穩定性。

4)減少由于火災而造成商業運營、生產過程的中斷。

5)保證建筑內財產的安全。

6)建筑發生火災后，不會引燃其相鄰建筑。

7)盡可能減少火災對周圍環境造成的污染。

建筑的消防安全總目標視其使用功能、性質及建筑高度而有所區別，設計時應根據實際情況在上述六個目標中確定一個或者兩個目標作為主要目標，并列出其他目標的先后順序。例如，對于人員聚集場所或旅館等公共建筑，其主要目標是保護人員的生命安全;對于倉庫，則更注重于保護財產和建筑結構安全。建筑火災具有確定性和隨機性的雙重特性，無論采取什么措施，一座建筑的消防安全總是相對的。因此，上述安全目標所反映的是與將要發生的消防投入水平相一致的相對安全水平。這實際上反映了投資方以及社會公眾的安全期望與建設投資的關系。建筑的消防安全水平應依據現有規范的規定和建筑的實際情況，由設計單位、建設單位、委托方、公安消防監督機構、消防安全技術咨詢機構等共同研究確定。

確定建筑的消防安全性能目標時，應首先將消防安全總目標進一步轉化為可量化的性能目標，包括：火災后果的影響、人員傷亡和財產損失、溫度以及燃燒產物的擴散等。

2.性能判定標準

設計目標的性能判定標準應能夠體現由火災或消防措施造成的人員傷亡、建筑及其內部財產的損害、生產或經營被中斷、風險等級等的最大可接受限度。

常見的性能判定標準如下：

1)生命安全標準。包括熱效應、毒性和能見度等。

2)非生命安全標準。包括熱效應、火災蔓延、煙氣損害、防火分隔物受損、結構的完整性和對暴露于火災中的財產所造成的危害等。

性能判定標準是一系列在設計前把各個明確的性能目標轉化成用確定性工程數值或概率表示的參數。這些參數包括：構件和材料的溫度、氣體溫度、碳氧血紅蛋白(COHb)含量、能見度以及熱暴露水平。人的反應，如決策、反應和運動次數在一定的數值范圍內變動。當評估某疏散系統設計是否可行時，需要為計算選擇或假設合適的數值以考慮人員暴露于火災的判定標準。

一項設計目標可能需要多個性能判定標準來驗證，而一個性能判定標準也可能需要多個參數值予以支持。但并不是每一個性能目標都能夠采用這種方式表達，因此，在量化時應主次有別，把握關鍵性參數。

二、設計步驟

性能化設計過程可分為若干個步驟，各步驟相互聯系，最終形成一個整體。其主要步驟包括：

1)確定工程范圍。

2)確定總體目標。

3)確定設計目標。

4)建立性能判定標準。

5)設定火災場景。

6)建立試設計。

7)評估試設計及性能指標判定。

8)確定最終設計方案。

9)完成報告，編寫設計文件。

1.確定工程范圍

性能化設計的第一步就是要確定工程的范圍及相關的參數。首先要了解工程各方面的信息，如建筑的特征、使用功能等。對特殊的建筑，如大空間(中庭或倉庫)，或者人員密集的商場、禮堂和運動場等要格外關注。對建筑的工藝特征也要進行專門的研討，如特殊的作業區、危險物品的使用或儲存區、昂貴設備區以及零故障區等。

不同使用功能的建筑，其使用者的特征也不同(如住宅建筑與商業建筑)，使用者特征包括年齡、智力、是否睡覺、體能狀態等因素。

2.確定總體目標

一旦確定了工程的范圍，性能化設計過程的下一步就是要確定消防安全總目標。在消防安全設計中，消防安全總體目標是一個范圍比較廣泛的概念，它表示社會所期望的安全水平。它們主要是用概括性的語言進行描述，通常指保護人類生命和相鄰建筑及其他財產安全等方面的需要。概括地說，消防安全應達到的總體目標是：保護生命、保護財產、保護使用功能、保護環境不受火災的有害影響。

功能目標是設計總體目標的基礎，它把總體目標提煉為能夠用工程語言進行量化的數值。概括地說，它們指出一個建筑如何才能達到上述的社會所期望的安全目標。功能目標通常可用計量的術語加以表征。為了實現這些目標，一旦功能目標或損失目標明確了，人們就必須有一個確定建筑及其系統發揮作用的性能水平的方法。這項工作是通過性能要求完成的。

性能要求是性能水平的表述。建筑材料、建筑構件、系統、組件以及建筑方法等必須滿足性能水平的要求，從而達到消防安全的總體目標和功能目標。在設計時，不僅要能夠量化這些參數，還應對其進行計量和計算。例如，要求：將火災的傳播限制在起火房間內，在煙氣蔓延出起火房間以前通知使用者，保證疏散通道處于可使用狀態直到使用者到達安全地點。以上每一個具體要求都涉及建筑及其系統如何工作才能滿足規定的生命安全總體目標和功能目標，并且可對每項要求進行計量或計算。

3.確定設計目標

設計目標是指為滿足性能要求所采用的具體方法和手段。因此，允許采用兩種方法來滿足性能要求。這兩種方法可以獨立使用，也可以聯合使用。

1)視為合格的規定。包括如何采用材料、構件、設計因素和設計方法的示例，如果采用了，其結果就滿足性能要求。

2)替代方案。如果可以證明某設計方案能夠達到相關的性能要求，.或者與視為合格的規定等效，那么對于與上述“視為合格的規定”不同的設計方案，仍可以被批準為合格。

該性能方法為使用消防安全工程提供了許多機會。評估替代方案的方法不是特別指定的，所以，事實上消防安全工程評估將是證明設計方案是否符合性能規范的一個主要途徑。消防安全總體目標是保護那些沒有靠近初起火災處的人員不致喪命。這一目標雖然很容易理解，但卻很難量化。為了達到這一總體目標，其功能目標之一就是為人們提供足夠到達安全地方而不被火災吞噬的時間。因此可制定更具體的規定：即必須保護人們不受熱、熱輻射和煙氣的侵害。為了達到這一目標，其性能要求之一就是限制起火房間內的火災蔓延。如果火災沒有蔓延到起火房間之外，那么起火房間以外的人員就不會暴露于熱輻射或高溫中，他們受到煙氣的影響也會大大減小。為了滿足這一性能要求，可以制訂防止起火房間發生轟燃的性能指標。其依據是火災蔓延至起火房間之外的情況總是出現在轟燃發生之后，上層煙氣引燃并使火災前鋒開始蔓延之時。工程設計人員可能會建立一個設計目標，從而將上層煙氣溫度限制在500%，該溫度以下不大可能發生轟燃。以上就是從一個總體目標到建立一種設計標準的整個分析過程。

4.設定火災場景

火災場景是對某特定火災從引燃或者從設定的燃燒到火災增長到最高峰以及火災所造成的破壞的描述。火災場景的建立應包括概率因素和確定性因素，也就是說，此種火災發生的可能性有多大，如果火災真的發生了，它是如何發展和蔓延的。在建立火災場景時，應主要考慮以下因素：建筑的平面布局，火災荷載及分布狀態，火災可能發生的位置，室內人員的分布與狀態，火災可能發生時的環境因素等。

設計火災是對某一特定火災場景的工程描述，可以用一些參數，如熱釋放速率、火災增長速率、物質分解物、物質分解率等或者其他與火災有關的可以計量或計算的參數來表現其特征。

概括設計火災特征的最常用方法是采用火災增長曲線。熱釋放速率隨時間變化的“典型”火災增長曲線，一般具有火災增長期、最高熱釋放速率期、穩定燃燒期和衰減期等共同特征。每一個需要考慮的火災場景都應該具有這樣的設計火災曲線。

5.建立試設計并進行評估

在本步驟中，應提出多個消防安全設計方案，并按照規范的規定進行評估，以確定最佳的設計方案。

評估過程是一個不斷反復的過程。在此過程中，許多消防安全措施的評估都是依據設計火災曲線和設計目標進行的。例如增加感煙探測器或自動噴淋裝置，修改通風特征，變更建筑材料、內裝修和建筑內部擺設等因素，都可在本步驟內進行評估。在評估不同的方案時，清楚地了解該方案是否達到了設計目標是很重要的。

設計目標是一個指標。其實質是性能指標(如起火房間內轟燃的發生)能夠容忍的最大火災尺寸，這可以用最大熱釋放速率來描述其特征。例如，為了達到防止轟燃發生的目標，一種替代方法是使用自動噴水滅火系統。為了保證其有效性，自動噴水滅火系統必須在起火房間到達轟燃階段以前啟動并控制火災的增長。縱覽世界上各種消防安全工程方法，以下一些基本因素總是在性能化設計評估中被充分考慮：起火和發展、煙氣蔓延和控制、火災蔓延和控制、火災探測和滅火、通知居住者和組織安全疏散、消防部門的接警和現場救助。

試設計完成后即可選定最終設計方案。

6.完成報告，編寫設計文件

分析和設計報告是性能化設計能否被批準的關鍵因素。該報告需要概括分析和設計過程中的全部步驟，并且報告分析和設計結果所提出的格式和方式都要符合權威機構和客戶的要求。該報告包括：

1)工程的基本信息。

2)分析或設計目標。包括制訂此目標的理由。

3)設計方法(基本原理)陳述。包括所采用的方法，為什么采用，做出了什么假設，采用了什么工具和理念。

4)性能評估指標。

5)火災場景的選擇和設計火災。

6)設計方案的描述。

7)消防安全管理。

8)參考的資料、數據。

有關性能判定標準的確定請見《消防安全技術實務》第五篇第四章的有關內容。

從總體看，性能化設計是一個發展方向，但就目前的技術支持條件看，也存在一些問題和缺點。

首先，社會各界對它的接受程度不一;另外，與傳統的設計方法相比，性能化分析和設計過程需要在分析、計算和設計文件制作上花費更多的工程時間。