SKLFS性能化防火设计研究及工程应用(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室)

SKLFSSKLFS性能化防火设计研究性能化防火设计研究及工程应用及工程应用张和平张和平姚姚斌斌中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室SStatetateKKeyeyLLaboratoryofaboratoryofFFireireSScience,cience,USTCUSTC提提纲纲‡SKLFS简介‡性能化防火设计的方法与步骤‡SKLFS性能化防火设计研究内容及进展‡性能化防火设计研究工程应用‡结束语一、一、SKLFSSKLFS简介简介建筑面积5000平方米，累积投入约7000万元实验室外景一、一、SKLFSSKLFS简介简介‡实验室主任：范维澄院士‡研究人员：49名平均年龄：39岁‡中国工程院院士：1人‡中科院百人计划：1人‡教授：10人（博导8人）副教授：14人‡博士学位获得者：21人‡在校生：本科125人，硕士生47人，博士生53人，工程硕士生94人实验室简况一、一、SKLFSSKLFS简介简介‡1987年，提出建设“火灾科学国家重点实验室”申请；‡1989年，获得国家批准开始建设；‡1992年，通过中科院验收，实验室“边建设、边对外开放”；‡1995年，通过国家验收，“火灾科学国家重点实验室”建成；‡1996年，开始招收安全工程专业本科生；‡1997年，获得国家教学成果二等奖；‡1997年，成为国家“九五”“211工程”重点学科建设项目发展历程一、一、SKLFSSKLFS简介简介‡1998年，开始培养安全技术及工程专业硕士生；‡2000年，获得安全技术及工程专业博士学位授予权；‡2001年，获得安全技术及工程专业方向工程硕士学位授予权；‡2001年，获得国家科技进步二等奖和国家教学成果一等奖；发展历程一、一、SKLFSSKLFS简介简介‡2002年，主持国家“973”火灾项目“火灾动力学演化与防治基础”，实验室主任范维澄院士任首席科学家；‡2002年，成为国家“十五”“211工程”重点学科建设项目；‡2003年，主持重大国际合作项目“热—力耦合作用下重大建筑火灾安全的基础研究”；‡2003年，通过国家评估并取得“优秀”的成绩发展历程二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤I.确定分析对象的现场状况z弄清待评估建筑的结构特点z识别重大火灾危险源z设计火源功率二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤II.确定防火安全的目的和目标z保证人员安全z减少起火的可能性z防止火蔓延z防止火灾进一步扩大二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤III.选择合适的定量分析方法z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；z火灾过程的计算机模拟是一种主要的方法（CFAST、FDS、FLUENT、PHOENICS）二、性能化防火设计方法与步骤二、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z建筑物的结构特点；z可燃物的燃烧特性与分布；z火灾与烟气蔓延的特点；z室内消防设施的配置状况；z建筑物使用者的特征；z消防救援状况二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤z“安全”是一个相对概念；z消防投入有一个昀佳范围，以人们可接受的火险为基础确定；z运用经济学知识对消防投入的费用与火灾损失进行恰当的平衡分析火灾代价消防投入火灾损失V.火灾防治有效性与经济性评价二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤VI.给出分析报告z风险分析结束后应当给出客观、全面的结论报告；z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；z结论具有很强的时效性二、性能化防火设计方法与步骤二、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；•八个步骤二、性能化防火设计方法与步骤二、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步选择昀佳设计方案第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二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤（一）设计准备阶段z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；二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤（一）设计准备阶段z确定建筑防火设计的基本目标：¾保障生命安全，包括民众、工作人员和消防人员的安全；¾保护财产安全，包括建筑结构、设备和物品；¾提供连续的操作，例如保护系统可以继续运作；¾限制火灾与火灾防治措施的不良影响。二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤（一）设计准备阶段z应当确定防火设计目标的优先顺序：¾多数情况下，应优先考虑人员生命安全；¾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；¾应当兼顾多个防火目标。二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤（二）定量评估阶段1.选择火灾场景和设定火灾曲线：•选择火灾场景；•设定火灾曲线二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤z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、发展到昀大程度（轰燃）以及熄灭过程的说明。•需要确定的内容：¾历史资料；¾实际火灾过程的数据；¾火灾实验数据二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤z选择火灾场景•主要涉及以下具体内容：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统计数据二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤z设定火灾曲线•火灾的热释放速率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：¾不断增长；¾稳定燃烧；¾逐渐衰弱二、性能化防火设计方法与步骤二、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二、性能化防火设计方法与步骤二、性能化防火设计方法与步骤（二）定量评估阶段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。二、性能化防火设计方法与步骤二、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‹其它资料三、三、SKLFSSKLFS性能化防火设计研究进展性能化防火设计研究进展‡中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室在范维澄院士的带领下，与公安部四个消防所、建研院防火所和武警学院等兄弟研究单位密切合作，正在致力于发展一套完整的符合中国国情的性能化防火设计及火灾危险性评估体系，初步研究成果已经在一批工程实践中得到应用，并取得了较好的社会效益。三、三、SKLFSSKLFS性能化防火设计研究进展性能化防火设计研究进展1、开展一系列研究；2、承担相关重大科研项目及取得成果；3、准备组建专业化评估机构11、研究内容、研究内容SKLFS开展的主要研究内容包括：（1）火灾危险源辨识及火灾场景设定；（2）火灾危害性研究；（3）人员安全疏散研究；（4）消防对策的综合研究（（11）火灾危险源辨识及火灾场景设定）火灾危险源辨识及火灾场景设定1.研究内容：依据待评估建筑内可燃物的分布，确定可能引发火灾的可燃物的种类、数量及火源位置，确定建筑内火灾荷载密度及热释放速率，设定可能发生的火灾场景，并对其危险性进行评估。（（11）火灾危险源辨识及火灾场景设定）火灾危险源辨识及火灾场景设定2.研究思路：通过对评估建筑结构的分析，同时依据现有文献资料和实验研究，设定若干火灾场景，分析各火灾场景的火灾发展特性。（（11）火灾危险源辨识及火灾场景设定）火灾危险源辨识及火灾场景设定大空间实验厅全尺寸锥形量热仪部分实验装置小尺寸锥形量热仪（（11）火灾危险源辨识及火灾场景设定）火灾危险源辨识及火灾场景设定3.研究路线：‡通过分析建筑物空间结构，设定建筑物内若干典型火灾场景，整理出包括该场景的建筑结构特性，可燃危险物品的构成等数据；‡分析各火灾场景的火灾发展特性，以此结果作为进一步研究火灾烟气控制和建筑结构保护的依据；‡结合统计数据，给出火灾危险源在空间和时间上的分布。（（22））火灾危害性研究火灾危害性研究1.研究内容：在危险源辨识的基础上，计算典型火灾场景的火灾发展、蔓延和烟气运动的规律，运用合理的判据获得火灾达到危险状态的时间。2.研究方法：开展火灾过程的计算机模拟及相关实验研究。火灾过程的计算机模拟火灾过程的计算机模拟‡火灾的发展过程是体现建筑火灾性能的基本方面，与建筑火灾安全的各个基本目标都有密切关系。因此，了解火灾的发展过程相当重要；‡随着火灾动力学的发展，人们对室内火灾的各个主要阶段有了比较清楚的了解，通过一些经验公式，可以给出与火灾安全相关的参数的变化和分布；火灾过程的计算机模拟火灾过程的计算机模拟‡火灾模型可分为确定性模型和不确定性模型¾不确定性模型：统计模型、随机模型¾确定性模型：经验模型、区域模型、场模型‡在火灾量化危险评估的时候，人们更加关心的是确定性模型建筑火灾场建筑火灾场--区区--网复合模拟网复合模拟‡SKLFS发展了场－区－网结合的模型（FZN），即：对着火、强通风房间进行场模拟；由于周围邻近房间或走廊具有明显的热烟气分层现象，所以对此采用区域模拟；而对于离着火地点较远的房间，采用网络模拟方法。研究结果表明，该模型能够较好地模拟建筑火灾中的烟气运动，具有较好的应用前景。建筑火灾场建筑火灾场--区区--网复合模拟网复合模拟‡算例：模拟SKLFS五层模型实验楼火灾烟气运动规律•着火房间的烟气运动采用大涡模型模拟，走廊内采用区域模型，远离着火房间采用网络模型；•火源放置于该房间的中央，大小为0.1×0.1m，强度为9.6kW。6.0myx軗檀ABC鳶埭1.1m1.6m1.36m0.58mdoor模型试验楼结构简图建筑火灾场建筑火灾场--区区--网复合模拟网复合模拟Time(s)UpperLayerTemperature(K)0100200300400500300305310315320325ABC模型试验楼走廊烟气温度模拟结果Time(s)UpperLayerThickness(m)10020030040050000.10.20.30.40.5ABC模型试验楼走廊烟层厚度模拟结果数值模拟结果（（33））人员安全疏散研究人员安全疏散研究‡性能化防火设计中的主要任务之一是评估建筑物内的人员，在发生火灾情况下能否安全疏散；‡通常情况下，在出现火灾等紧急情况时，建筑物中的人员都希望尽快离开着火区，疏散到安全区，从而实现安全疏散；（（33））人员安全疏散研究人员安全疏散研究‡人员能否安全疏散取决于两个特征时间„可用安全疏散时间（ASET）„所需安全疏散时间（RSET）必需安全疏散时间（RSET）人员运动准备时间可用安全疏散时间（ASET）运动时间探测报警疏散完毕承受极限（（33））人员安全疏散研究人员安全疏散研究‡SKLFS开展了以下方面的研究„人员特性对人员疏散的影响；„火灾产物对人员疏散的影响；„建筑结构对安全疏散的影响以上研究得到了国家973火灾项目和国家自然科学基金（NSFC）项目的资助：1.火灾烟气毒物迁移规律研究（50006012）2.火灾烟气对人员疏散的危害性研究（50276058）（（33））人员安全疏散研究人员安全疏散研究‡在实际的建筑结构中，经常会存在一些疏散瓶颈，例如楼梯口和疏散通道交汇处。这些瓶颈的出现，经常造成人员疏散过程中