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性能化防火设计方法及其工程应用Performance-basedFireProtectionDesignApproach&EngineeringApplication姚斌binyao@ustc.edu.cn中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室提纲引言建筑防火设计及其规范体系性能化防火设计方法的发展性能化防火设计的方法与步骤性能化防火设计方法的优缺点典型工程应用结束语一、引言当前建筑火灾问题突出主要原因：•城市现代化水平迅速提高•建筑业的发展突飞猛进•大型、高层、特殊建筑大大增加•建筑物的使用功能和所使用的建筑材料、装修材料发生巨大变化•火灾安全保障措施及体系的发展却相对滞后•人们的火灾安全意识相对淡薄一、引言迫切需要加强建筑火灾防治研究•国家具有重大需求•存在大量的科学技术问题当代的科学技术进步为有效防治火灾提供了新的手段和措施•火灾模化、数值计算、材料、微电子、计算机技术、人工智能•有可能使研究提高到一个新阶段二、建筑防火设计及其规范体系进行建筑防火设计应当遵循设计规范（CodeforFireProtectionDesign)当前的规范基本上是“处方式”规范（PrescriptiveFireProtectionDesignCode)基本思想是：建筑设计者只需依据所需设计建筑物的状况，从已有规范中直接选定设计参数和指标二、建筑防火设计及其规范体系“处方式”规范的意义和局限性•意义：根据大量经验、教训、实验与分析结果归纳整理而得，多年来人类与火灾搏斗的宝贵经验的结晶；•局限性：难以满足大型、新建筑蓬勃发展的需要。许多建筑超出了现行规范解释处理范围；三、性能化防火设计方法的发展在大型特殊建筑设计中，出现大量难以用“处方式”防火设计规范的问题，国际火灾科学界提出了新的防火设计方法国外一些发达国家根据近年来火灾科学的研究成果，围绕新的设计方法开展了大量的研究工作。例如：美国、英国、日本、澳大利亚、新西兰等。三、性能化防火设计方法的发展基本思想：以火灾安全工程学的思想为指导，以火灾危险分析为中心的建筑防火设计方法一般称为“以性能为基础的防火设计”方法（Performance-basedFireDesign）三、性能化防火设计方法的发展基本概念：运用火灾安全工程学的原理和方法，考虑火灾本身发展和蔓延的基本规律，结合实际火灾中积累的经验，通过对建筑物及其内部可燃物的火灾危险性进行综合分析和计算，从而确定性能指标和设计指标；然后再预设各种可能起火的条件和由此所造成的火、烟气蔓延途径以及人员疏散情况，来选择相应的消防措施，并加以评估，检验预定的火灾安全目标是否满足；最后视具体情况对设计方案调整、优化。三、性能化防火设计方法的发展主要优点：•设计方案更加合理，能有效地保证建筑设计达到预期的消防安全目标；•设计方法更加灵活，有利于充分发挥设计人员的才能；•可以降低建筑成本；•有利于新技术、新材料、新产品的发展；•有利于设计规范和标准的国际化。火灾科学与火灾安全工程1985年，第一次国际火灾安全科学技术学术讨论会（FirstInternationalSymposiumonFireSafetyScience）召开，正式提出火灾安全科学（FireSafetyScience）和火灾安全工程学（FireEngineering）为发展性能化防火设计奠定了基础性能化设计国际著名火灾科学学术组织及其学术会议的主要议题，例如：国际火灾科学学会（IAFSS）国际建筑理事会（CIB）国际标准化组织（ISO）国际火灾研究合作论坛（ForumforInternationalCorporationonFireResearch）国际上召开了六届“性能化基础规范与技术方法研讨会”：标志着性能化防火设计方法及其相应的规范已经成为国际化的趋势火灾科学与火灾安全工程学火灾科学：侧重研究火灾的发生发展的基本规律，包括起火、火灾蔓延、烟气蔓延、熄灭等过程，火灾动力学的研究可以为科学防治火灾提供有效的理论指导；火灾安全工程学：在火灾科学、消防工程和系统安全工程密切结合的基础上形成的一门应用性很强的交叉学科，从系统安全的高度出发，综合考虑各种因素的影响，研究如何实现建筑物的总体安全。火灾安全工程学主要目标：优先保证人员在火灾中的安全，同时考虑如何减少火灾的发生和火灾的损失、防止火灾大面积蔓延、最大限度地降低火灾对财产、环境和文化遗产的破坏等。原理和方法不仅适用于建筑防火安全设计及相应的制定，而且可用于火灾风险分析、火因调查、防火教育、消防训练等方面。火灾科学与火灾安全工程火灾安全工程学充分利用火灾学的基础研究成果，综合讨论火灾防治技术在特定火灾场合下的实用性。进行火灾安全工程分析时需要考虑：火灾燃烧产物的性质与烟气的蔓延规律，火灾中人员的行为与安全疏散，主动与被动防灭火对策的作用，火灾的特征数据，火灾统计与调查，火灾危险的评估方法，火灾防治的有效性和经济性等火灾科学与火灾安全工程性能化设计的核心问题是火灾危险性评估评估中的定量分析要依靠火灾模化实现模化研究的基本形式•物理模化全尺寸实验、小尺寸实验及流体力学实验•数学模化数学方程、火灾过程的计算机模拟四、性能化防火设计方法与步骤I.确定分析对象的现场状况（ConditioninBuilding）弄清待评估建筑的功能和结构特点识别重大火灾危险源设计火源功率人员荷载II.确定防火安全的目的和目标（FireSafetyGoalsandObjectives）保证人员安全减少起火的可能性防止火蔓延防止火灾进一步扩大持续运行。。。。。四、性能化防火设计方法与步骤III.选择合适的定量分析方法（Quantitativeanalysis）定量分析是性能化分析的基本方法，需要根据分析的需要选择合适的定量方法火灾过程的计算机模拟是一种主要的方法（FDS、FLUENT、PHOENICS）四、性能化防火设计方法与步骤IV.具体分析影响火灾安全的因素（Influencefactors）建筑物的结构特点可燃物的燃烧特性与分布火灾与烟气蔓延的特点室内消防设施的配置状况建筑物使用者的特征消防救援状况四、性能化防火设计方法与步骤V.火灾防治有效性与经济性的评价（Assessment）安全的相对性火灾代价接近最小消防投入以人们可接受的火灾风险为基础确定四、性能化防火设计方法与步骤VI.给出分析报告（ReportsandDocuments）风险分析结束后应当给出客观、全面的结论报告明确指出该建筑物是否符合有关规范的要求，原有设计是否需要进行任何修改等结论具有很强的时效性四、性能化防火设计方法与步骤基本的设计步骤：•三个阶段：A.设计准备阶段B.定量评估阶段C.文件编制阶段•八个步骤四、性能化防火设计方法与步骤性能化设计步骤示意图第1步评估建筑物设计现状第2步确定防火目标和损失目标第3步将损失目标量化为设计目标第4a步设定火灾场景及可能的设定火灾第4b步选择设定的火灾场景第5步制定并评估初步消防设计方案第6步选择最佳设计方案第7步编写所选设计方案的技术文件第8步准备设备及安装说明火灾场景是否超过性能判据设计准备阶段定量评估阶段文件编制阶段是否四、性能化防火设计方法与步骤一．设计准备阶段基本任务：确定一些基本参数，包括：•评估所设计建筑物的现场状况•确定业主的损失目标（定性）•把业主的损失目标定量为设计目标四、性能化防火设计方法与步骤一．设计准备阶段搞好建筑防火设计的基本目标：•保障生命安全，包括民众、工作人员和消防人员的安全；•保护财产安全，包括建筑结构、设备和物品；•提供连续的操作，例如保护系统可以继续运作；•限制火灾与火灾防治措施的不良影响。四、性能化防火设计方法与步骤一．设计准备阶段应当确定防火设计目标的优先顺序：•多数情况下，应优先考虑人员生命安全；•特殊情况下，也可优先考虑其它目标。如人员少，容易疏散，或存储高价值物品；•应当兼顾多个防火目标。四、性能化防火设计方法与步骤二．定量评估阶段2-1选择火灾场景和设定火灾曲线2-2发展与评估初步防火设计四、性能化防火设计方法与步骤2-1选择火灾场景和设定火灾曲线：•选择火灾场景（FireScenarios）•设定火灾曲线（DesignFireCurves）四、性能化防火设计方法与步骤选择火灾场景•火灾场景：对火灾发展过程的一种语言描述，包括对起火、增长、发展到最大程度（轰燃）以及熄灭过程的说明•需要确定性和随机性的内容：历史资料实际火灾过程的数据火灾实验数据四、性能化防火设计方法与步骤选择火灾场景•主要涉及以下内容：①起火前的状况②点火源③初始可燃物④二次可燃物⑤火蔓延的可能性⑥物体的摆放位置⑦室内人员状况⑧统计数据四、性能化防火设计方法与步骤设定火灾曲线•火灾的热释放速率（HeatReleaseRate）是决定火灾发展的基本参数之一•性能化分析中所用的HRR是人为设定的，设定的越合理，计算结果越可靠•火灾发展可分为三种基本形式：不断增长稳定燃烧逐渐衰弱四、性能化防火设计方法与步骤时间(s)热释放速率稳定阶段增长阶段减弱阶段设定火灾曲线示意图四、性能化防火设计方法与步骤2-2发展与评估初步防火设计：•按照确定的火灾场景，依据设定的火灾曲线，发展初步设计方案；•通常有多个方案；•评估、比较这些方案时，应灵活区分新建建筑和已有建筑。四、性能化防火设计方法与步骤三．文件编制阶段分析和设计过程的参与者分析或设计的理由设计方法的说明设计的背景资料业主的目标说明性能判据火灾场景设定火灾设计替代方案其它资料四、性能化防火设计方法与步骤五、性能化防火设计方法优缺点性能化设计的优点•性能化防火设计特别注意建筑物的特定方面或用途以及业主的需要，以便为业主提供了一种评估机制，即是否满足了性能化设计的要求也是符合他们自己的需要；•可以使用多种分析工具来进行风险评估，这样便使工程的精确性有所增加；五、性能化防火设计方法优缺点性能化设计的优点•性能化设计形成了一种综合的防火战略，就是说，所有的消防设施将被综合起来考虑和运用，而不是单独进行设计；•由于改进了对火灾损失可能性的认识，这种综合的工程设计方法经常可提供更加节省而有效的消防系统；五、性能化防火设计方法优缺点性能化设计的缺点•不熟悉性能化方法的有关行政管理人员不愿批准新的设计；•性能化设计分析和设计步骤需要更多的工程时间以进行分析、计算和准备设计文件；•性能化设计分析和设计对设计者的素质要求很高，但不同设计者的素质差别较大，难于正确的评价。六、典型工程应用高层建筑、大空间建筑、商业及地下建筑、其它复合型建筑解决的超规问题防火分区面积过大疏散距离超长、疏散宽度不足耐火极限过低防排烟系统超规探测报警扑救系统的适用性其它。。。工程应用一－机场航站楼A区C区D区主楼（防火分区17）项目概述F1层到港层平面分区图项目概述F2层离港层平面分区图A区C区D区主楼（防火分区24）主要消防设计问题（1）防火分区面积过大：到港层（一层）防火分区17面积17203m2；离港层（二层）防火分区24面积19441m2；均超过了《建筑设计防火规范（GB50016-2006）》中防火分区最大允许建筑面积5000m2（5.1.7条）。主要消防设计问题（2）疏散距离过长：一层到港层的最大疏散距离102m二层离港层的最大疏散距离104m均超过规范要求原初步设计中B区只有两部疏散楼梯，建议增设一部疏散楼梯，已被采纳并修改。项目概述疏散楼梯疏散楼梯疏散楼梯二层安全出口布局图----火灾发生在边检安检区人员安全疏散准则人员疏散完毕时间RSET疏散准备时间疏散时间到达危险状态时间ASET探测报警时间建筑火灾人员安全判据示意图ASETRSETmoveprealarmtttRSET技术路线综合考虑建筑物防火设施和可燃物分布，设计火灾场景，进行烟气蔓延模拟，确定可用安全疏散时间ASET；综合考虑建筑疏散设计和人员分布情