建筑性能化防火设计方法的工程应用

2022-09-11

建筑火灾对人民生命财产的危害最为直接、最为严重, 因此一直是火灾防治工作的主要方面。为了使建筑物达到一个合理的消防安全水平, 首先必须保证建筑防火设计满足国家有关强制性技术法规的要求。如果建筑防火设计存在先天不足, 将给建筑物的消防安全留下难以消除的火灾隐患。因此, 提高建筑防火设计水平, 是一个非常重要的课题。

随着社会经济和科学技术的发展, 建筑多功能的发展趋势和新技术、新材料的广泛应用, 对目前的建筑设计防火规范提出了巨大的挑战。传统的“处方式” (指令性) 建筑设计防火规范 (Prescriptive Fire Protection Design Code) , 只是对各类工程的防火设计参数分别作逐一对应的规定, 大大制约了建筑艺术和建筑形式多样化的发展。而实际上, 建筑防火的各个环节越来越变成一个有机的整体, 单纯孤立地强调某一环节并不能保证整个建筑物的安全, 因此迫切需要建立一种更安全、更合理的新型建筑防火设计方法。性能化防火设计方法正是在这种情况下应运而生的。目前建筑性能化防火设计 (Performance-based Fire Protection Design) 已经成为世界许多国家消防领域讨论、研究和发展的热点课题。自1996年以来, 国际火灾科学学会已经举办了三届性能化防火设计学术会议[1]。

1 建筑性能化防火设计

(1) 涵义。

性能化设计是一种新型的防火系统设计思路[2], 是建立在更加理性条件上的一种新的设计方法。它不是根据确定的、一成不变的模式进行设计, 而是运用消防安全工程学的原理和方法首先制定整个防火系统应该达到的性能目标, 并针对各类建筑物的实际状态, 应用所有可能的方法去对建筑的火灾危险和将导致的后果进行定性及定量地预测与评估, 以期得到最佳的防火设计方案和最优的防火保护。当然, 这一切都必须通过科学的评估模型进行系统的评估计算, 以验证所采用的设计方法能够保证既定性能目标的实现。

实现性能化设计必须要有以下三个支撑要素[3]:性能化规范、技术指南和评估模型。

(2) 与传统设计方法的比较。

指令性设计方法与性能化设计方法相比, 主要的区别如表1所示。

2 性能化防火设计评估技术的工程应用实例

(1) 工程概况。

某高层商住楼总占地面积14, 427m2, 总建筑面积103, 026m2。由A、B、C三栋组成, 楼高分别为6、52、49层。首层架空, 除C栋二、三层是办公用途外, 其余均是住宅。地下室共三层, 每层地下室A、B、C三栋均连通, 每层地下室约7, 600m2, 地下建筑面积共计22, 735m2, 地上建筑面积约80, 291m2, 各住宅楼层层高为3.1m~3.4m不等。

(2) 评估内容。

重点对以下几个方面进行论证分析。

(1) 各单元户门均采用乙级防火门, 构成以各住户单元为独立防火分区, 防止火灾蔓延。

(2) 每户单元安装自动报警系统, 在客厅、过道安装烟感探测器, 在厨房内安装温感探测器, 进门侧安装手动报警按钮。

(3) 每个住宅单元安装自动喷淋系统, 在户进门上方及客厅上方安装大流量喷淋头。

(4) 室内装修尽量采用不燃材料, 可燃材料均涂防火涂料。

(5) 飘出式窗台阻隔上下层的火灾蔓延。

(3) 评估的有关假设。

对建筑消防工程评估中应用到的主要假设如下。

(1) 消防安全系统设计正确, 并与有关的国家标准和法律条款一致。

(2) 所有安全出口和疏散通道应保持畅通, 不得有任何物品妨碍安全疏散。

(3) 建筑内不得存放大量危险物品和可燃液体。

(4) 使用功能不发生变化。

(5) 火灾的发生只考虑单一火源。

(4) 计算对象的确定。

在模拟计算过程中, 为避免计算的重复性, 在选取计算区域时, 有针对性地挑选了几个楼层进行计算。

计算对象A面积为236.5m2, 净空高度为3m, 包括客厅、门厅、卧室、卫生间、餐厅、厨房、晒衣台、工人房、电脑室等, 如图1所示。

计算对象B面积为473.05m2, 净空高度为3.1m, 包括客厅、门厅、主卧室、卫生间 (主卧和公用) 、书房、三个卧室及其卫生间、餐厅、厨房、晒衣台、工人房、电脑室及阳台等, 如图2所示。

计算对象C为复式户型, 面积为279.18m2, 上、下层的净空高度为3m, 包括复式下层卧室及卫生间、复式下层客厅、复式下层公用卫生间、复式下层厨房、复式下层餐厅、复式下层晒衣台、复式下层工人房、复式上层三个卧室及其卫生间、复式上层电脑室等, 如图3所示。

(5) 总疏散时间 (Ttotal) 计算。

总疏散时间的计算公式如式 (1) 所示:

式 (1) 中, Td为自动报警系统的响应时间;Tpre为人员开始疏散前的延迟时间;dT和Tpre合称为疏散前的预动作时间;mT为建筑中特定区域内的所有人员向出口疏散并通过它进入安全区域的时间。

(1) dT的计算。

Td应根据建筑内所采用的火灾探测与报警装置的类型及其布置、火灾的发展速度及其规模、着火空间的高度等条件, 考虑设定火灾场景下, 建筑内人员的密度及人员的安全意识与清醒状态等因素综合确定, 该值可通过相应的计算机模拟软件确定。本算例中结合烟气蔓延模拟计算, 取标准温感探测器动作温度约70℃左右。

(2) Tpre的计算。

Tpre是从人员接到火灾报警之后到疏散行动开始之前的时间间隔, 包括识别时间和反应时间。识别时间是从火灾报警或信号发出后到人员还未开始反应的时间段, 与建筑的类型、功能、与用途、使用人员的性质及建筑火灾报警和物业管理系统等因素有关。反应时间是从人员识别报警或信号并开始做出反应至直接朝出口方向开始疏散的时间段, 与建筑空间的环境状况有关。

本算例中计算得到计算对象A、B、C的预动作时间分别为47s、70s及40s。

(3) mT的计算。

人员的疏散分集中疏散和各自疏散两种情况考虑, 三个计算对象的mT如表2所示。

(4) Ttotal总疏散时间的计算。

按照式 (1) , 总疏散时间的计算结果Ttotal如表3所示。

(6) 烟气蔓延计算分析。

虽然讨论的场所空间不大, 可燃物的构成也比较单一, 但考虑到火灾的突发性和意外事故, 采用较为保守的火灾增长方式, 如图4所示。

对私人住宅的火灾, 火源多发生在厨房, 同时考虑到使用电热毯等原因, 卧室着火也是不容忽视的, 因此起火房间设置在厨房和卧室内。

(7) 计算结果分析。

模拟结果如表4所示。

从计算结果来看, 对不同的计算对象当疏散完成时, 除起火室外, 其他房间的温度和烟气沉降都能较好满足要求。

(8) 楼层间烟气蔓延计算。

为了考察火势是否会对上层住户构成危险, 也模拟计算了楼层间的烟气蔓延情况。计算时, 选取某层主卧室及其阳台作为计算对象, 起火房间设在该层主卧室。模拟过程中, 考虑较不利场景, 设所分析楼层的主卧室内部通向其他房间的门均关闭, 主卧室的窗户打开, 同时考虑了风速的影响。

对引燃的可燃物, 参考布匹的燃点 (200℃左右) 和涤纶纤维的燃点 (390℃左右) , 对比计算结果, 当该层主卧室着火后, 上层窗户位置及主卧室内的烟气温度均没有超过200℃, 室内可燃物不会被引燃。

(9) 主要评估结果。

(1) 商住楼的消防设计能基本满足安全要求。

(2) 为隔断飞火, 降低蔓延到上层房间的烟气温度, 宜采用0.9m的飘出式窗台。

(3) 加强消防设施方面的维护管理, 确保防火门的分隔作用, 保证温感探测器等报警装置能正常动作。

(4) 随时保持疏散通道的畅通, 保证楼梯间正压送风系统正常运转, 以确保人员的安全及减少财产损失。

(5) 提高住户的消防安全观念, 避免出现火灾荷载大量增加的现象出现, 减少火灾隐患, 同时提醒住户对日常电器 (如电热毯等) 的正常使用和管理, 降低因电器电路短路着火的可能性。

3 结语

建筑的性能化防火设计是建立在火灾安全学基础上的一种全新的理性化的设计思想。它运用现代科学的方法, 对建筑防火设施系统应该达到的性能目标和工作状况, 以及火灾的危险和导致的后果进行定性、定量地预测与评估, 以使建筑物得到最佳的防火设计方案和最好的防火保护。本文通过具体算例说明该科学的设计理念的合理性和可操作性。

摘要：本文简要介绍了性能化防火设计的涵义与特征, 比较了性能化防火设计与传统指令性设计的主要区别, 并以某商住楼为实例, 具体说明了性能化防火设计方法的工程应用, 通过案例分析证明了性能化防火设计方法在提高建筑消防安全水平方面的积极作用。

关键词：性能化防火设计,消防工程评估,疏散时间,烟气蔓延