高层建筑防火中性能化设计方法的应用分析
2019-07-17柴相文
柴相文
摘要：伴随城市化发展的快速步伐与城市土地资源的寸土寸金，城市内高层建筑与超高层建筑越来越多，它们的建筑形式、设计风格多样化，但却拥有一个共同弊病，那就是都无法有效解决火灾防范问题。为了有效解决高层建筑防火问题，本文专门提出了性能化防火设计方法及其相关功能应用，最后着重对性能化防火设计中的人员安全疏散设计问题进行了针对性分析，并展开了高层住宅建筑性能化防火设计案例解读。
Abstract： With the rapid pace of urbanization development and the increasing cost of urban land resources， there are more and more high-rise buildings and super high-rise buildings in the city. Their architectural forms and design styles are diversified， but they have a common drawback， that is can not effectively solve the fire prevention problem. In order to effectively solve the fire protection problem of high-rise buildings， this paper puts forward the performance-based fire protection design method and its related functional applications. Finally， it focuses on the targeted analysis of the personnel safety evacuation design in the performance-based fire protection design， and develops the interpretation of the case of performance-based fire protection design of high-rise residential buildings.
关键词：性能化防火设计;高层住宅建筑;存在问题;技术应用;人员疏散
Key words： performance-based fire protection design;high-rise residential building;existing problems;technical application;personnel evacuation
中图分类号：TU972+.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）13-0164-04
0 引言
近年来，由于我国城镇化与城市化的同步快速发展，城市人口密度越來越大，城市住宅建筑越来越高，这也使得高层建筑的火灾隐患愈发明显。根据统计，在近5年来我国死伤于住宅火灾的人数占比达到70%以上，其中高层住宅火灾伤亡人数达到1540人，占到住宅火灾死伤人数比例的55%，直接造成经济损失超过87330万元。高层建筑火灾问题如此严峻，它也说明了高层建筑安全性与防火性能的相对薄弱，这也在一定程度上刺激了性能化防火设计技术的出现与应用。
1 高层住宅建筑基本特征与防火规范
一般在城市中高层建筑主要为居民住宅建筑，现如今它也是城市防火工作中的难点问题，这主要是因为高层建筑所固有的建筑内部结构设计特性与建筑施工用材特性。下文将主要针对高层住宅建筑的基本特征与其在防火规范中所存在的现实弊端问题展开分析。
1.1 高层住宅建筑的基本特征
根据我国《高层民用建筑设计防火规范》中相关规定，凡是10层或10层以上的居住建筑（包括设置有商业服务网点的商住一体化建筑），以及建筑高度超过24m的公共建筑都属于高层民用建筑。一般来说，高层住宅建筑中的居住人员群体是相对固定的。
如果从高层住宅建筑的外部体形进行分析归类，它还分为传统的板式、塔式以及现代的墙式结构。而如果从高层住宅建筑的内部空间组合方式与基本形体结构设计来看，它还可分为单元式与走廊式。单元式一般为独立单元式或组合单元式，而走廊式则分为内走廊式、外走廊式和跃廊式。目前单元式高层住宅建筑在城市中最为常见，因为它每层建筑都以楼梯或电梯为中心，户数一般为2～4户（最大8户），各户自成一体，互不影响，建筑中每一层都保留一定的公共使用区域，且一般高层建筑朝向都很好，建筑面积较小，造价经济能够为更多城市居民所接受。单元式高层住宅建筑也已经成为最受城市居民欢迎的主要住宅形式。
1.2 高层住宅建筑在防火规范中所存在的问题
传统高层住宅建筑在防火规范中主要遵循《高层民用建筑设计防火规范》相关内容，结合建筑工程项目技术内容对建筑的防火安全、居民安全保护与生命财产安全问题加以管理与保护。不过这种传统防火设计方法显然相对落后，大有“按方抓药”的处方药处置思维。考虑到不同高层住宅建筑的建筑内外部结构设计、布局、防火分区、耐火等级、人员疏散设施、消防用水用电以及各种电气智能化系统分布及功能应用不同，所以难免会出现各种设计规范相互矛盾的情况，采取不到位或过度的防火设计都有可能导致高层住宅建筑防火的失范，造成更难以挽回的人员生命财产损失。详细来讲，本文认为高层住宅建筑在防火规范中存在以下五点问题。
第一，结合《高层民用建筑设计防火规范》相关规范内容，可将高层住宅建筑划分为一类高层与二类高层两类，其中一类高层为19层及其以上层次的普通高层住宅建筑;第二类为10～18层的普通高层住宅建筑。结合高层住宅建筑不同的住宅层数与不同高度，它其中的消防技术规定也应该有所不同。不过规范中并没有对高层住宅建筑的防火事项进行定量与定性分析，这容易导致设计者对建筑防火设计产生误解，严重影响建筑整体的防火安全性。
第二，针对高层住宅建筑防火相关事项，对安全疏散出口的宽度与距离设计相对简单和粗糙。客观讲许多高层建筑没有迎合实际需要进行设计，设计图纸与实际施工存在明显冲突。举例来说，在设置连通阳台的通道问题方面一定会涉及人员疏散和逃生等关键问题，但某些高层住宅建筑未对人员疏散及逃生设施问题加以详细考量，则导致高层住宅建筑火灾安全隐患的形成。
第三，针对高层住宅建筑的基本结构构件耐火等级考虑不周全，特别是对其极限值的合理性研究并不到位，未能结合住宅建筑特征提出相关技术指标要求。譬如说某些高层建筑的传统施工材料与构建组合就没有耐火等级极限值数据，而采用高层住宅建筑新施工技术难以与旧建筑材料实现有效匹配，这导致现代高层住宅建筑建设形式与技术发展陷入瓶颈。
第四，处于对造价的考量，目前国内只针对100m以上的超高层建筑采用自动报警与自动灭火系统，但实际上这种形式的住宅在国内还相对少见，某些普通高层住宅建筑更需要配置自动报警与自动灭火系统。如果单纯依靠外部救援解决建筑内火灾问题显然是不现实的，难免会造成相比于传统建筑更惨重的生命财产损失。
第五，虽然如上文所述，国内对高层住宅建筑的内部装修材料都做了具体的耐火等级规定要求，但是某些单个家庭中的自主装修材料不受限制，可能未能达到耐火等级，所以这也成为了高层住宅建筑的重要火灾隐患[1]。
2 性能化防火设计的主要应用分析
从性能化防火设计本身概念来看，它提供了一种相对先进的防火研究方向，希望有效提升防火设计的整体适用性与灵活性，在一定程度上解决防火设计中的某些技术难点问题，确保高层住宅建筑结构功能化与安全性的有效发挥，同时也体现一种高经济效益优化设计优势。
2.1 性能化防火设计的基本内容与设计步骤
性能化防火设计是基于对社会多方面需求的关注所展开的，它能够加速当前性能化防火设计的技术革新。同时，它将防火系统视为是一个整体考虑，而并非是将其孤立起来进行封闭式设计，它的设计理念是开放性的。再一点，它同时也能够增强高层住宅建筑防火系统设计者的责任感，提高设计的整体应用性、灵活性与技术多样性，在一定程度上降低建筑建设成本。
从性能化防火设计的基本内容来看，它就希望设计出最经济有效且最科学合理的防火方法，争取将火灾发生概率控制在最低水平，即火灾一发生就被快速扑灭，不对建筑内的所有电气设备、建筑材料、人员生命财产造成过大损失。通过最短时间限制内的安全疏散保证各方安全。
一般来说，最终设计方案中所明确的基本内容就包括了针对性能化防火设计的基本工程状况、性能化评估的总体目标与功能指标设计、火灾现场模拟场景、防火安全管理方案以及相关的数据资料记录内容。结合性能化防火设计的每一个步骤，设计与执行人员要对方案进行反复不断的修改与评估，最后选择出一个最为科学合理的防火设计方案。国内当前主要借鉴国外做法，采用消防安全工程学技术理念展开性能化防火设计，希望逐渐完善设计方案，提高高层住宅建筑防火整体效率与安全性。
2.2 高层建筑性能化防火设计的安全性判定依据
在高层住宅建筑中，性能化防火设计的安全性判定依据非常关键，它就涉及到时间判定依据、环境判定依据以及可燃物燃烧值判定依据，下文将展开逐一分析。
2.2.1 时间判定依据 在人员撤离与避难方案设计过程中就涉及到对火灾蔓延区域与撤离到安全区域的时间计算，这一段时间被称之为逃生时间，具体来说就是利用人员生命安全判定量化的火灾发展与逃生时间分析，它主要借助时间线对人员耐受极限程度（ASET）进行分析，再与人员安全输送时间（REST）进行对比分析，如果出现了REST
如图1所示，在提升性能化防火设计实效性的过程中，还要考虑并处理两方面内容：
首先，要适当增加可用的ASET，做到对火灾实际规模的合理控制，有效阻止火灾继续蔓延，确保人员疏散具有足够的时间与空间。在性能化防火设计中应该基于此采用到整合防火设计、排烟系统设置处理等等，最快最准选择最优材料完成灭火过程，最大限度保高层住宅建筑安全性。
其次，要缩短消防救援时间，最优化保证人员快速逃离出危险区域。因此要重视对高层建筑中报警系统的有效设计，在逃生人员输送过程中保证建筑空间设计的合理性，提出基于疏导策略的合理性与完整性方案。
2.2.2 环境判定依据 在高层住宅建筑中人员逃生过程中应该分析ASET的参数结构内容与火灾发生时实际的逃生环境信息，具体结合建筑内的烟气层辐射度、流热度、能见度等等基础条件进行综合分析判定。这里给出三个时间判定标准：其一，人体遭遇外界热辐射强度在2.5kW/m2以内，人体的耐受时间大约为5分钟左右;其二，人体遭遇外界热辐射强度在2.5kW/m2時，人体的耐受时间大约为30秒左右;其三，人体遭遇外界热辐射强度在10kW/m2或以上时，人体的耐受时间大约为3～4秒左右。结合该环境判定依据与上述时间判定依据，可为高层建筑性能化防火设计提供方案设计参数，提高方案设计合理性，为性能化管理工作全面落实优化奠定良好基础。
2.2.3 可燃物燃烧值判定依据 因为高层建筑中的每一种可燃物都是具有它的燃烧值的，当达到燃烧值以上标准其燃烧状态就会向外释放，但它始末状态的燃烧能量必然保持守恒状态。如果从火灾发生角度来看这属于典型的热效应，其中涉及恒容、恒压以及绝热等等过程，可基于此提出转换后的火场体系焓变计算公式如下：
在上述焓变计算公式中，Ni代表反应物摩尔数（mol），Hi代表生成物的摩尔焓（J/mol）。通过上述计算公式可分析计算出可燃物燃烧值，这为建筑防火材料的选取提供了重要参考依据。
2.3 性能化防火的人员安全疏散设计
2.3.1 安全疏散设计的基本影响因素
通常情况下，高层住宅建筑火灾威胁主要来自于火焰的热辐射、有毒烟气烟尘以及建筑结构崩塌，这些也都是安全疏散设计的基本影响因素。结合高层住宅建筑的具体特征、尺寸、结构、耐火等级、防火防烟分区、内部火灾荷载、内部结构开口设计等等内容进行分析，可了解到哪些因素对火灾时人员安全疏散活动会产生影响。当然，也要对疏散设备、消防设施、外部灭火救援力量等等进行分析。
2.3.2 安全疏散设计的基本执行原则
结合安全疏散设计的基本影响因素，下文也给出了3点安全疏散的基本原则：第一，要保证高层住宅建筑中拥有安全的逃生人员疏散通道;第二，要保证高层建筑中拥有稳妥的逃生人员疏散计划;第三，要保证高层住宅建筑内外都拥有安全的避难场所。例如建筑内部的卫生间，紧急回避房间等等。
2.3.3 安全疏散设计的人员疏散计算方法
我国应该借鉴国外先进的性能化防火设计逃生人员安全疏散方法，例如可采用日本的“疏散时间计算方法”，它其实是日本将了美国的火灾成长公式所演变转化成的新逃生人员安全疏散计算方法。具体来讲，它首先基于疏散开始时间进行计算，明确从火灾发生到开始之间的疏散所需要时间，即疏散开始时间，假设高层住宅建筑中火灾的疏散起止时间为t，那么火灾发生区域的现场人员从察觉火灾到正式发现火灾所需要的时间就是起火房间的疏散开始时间ts，它的计算公式应该如下：
在计算公式中，A代表室内面积（m2），而当起火楼层的疏散开始时间正式计算以后，本楼层的其他现场人员必须开始紧急疏散[3]。
3 案例分析
3.1 案例高层建筑基本概况
某高层建筑为通廊式建筑，其耐火等级为一级，地上8层，由楼梯间、房间、走廊等几部分组成（见图2、图3）。整个建筑采用消防部门检测合格的防火材料建设，且在四、五、七、八层设置了排烟窗口，可开启面积为1.44m2。内走廊靠近外墙一端设有排烟窗口，可开启面积也为1.44m2。
3.2 高层建筑的火灾发生位置与性能化防火设计简析
场景一：火灾发生在一层靠近楼梯间的房间内一角处，相对于模型坐标为min（9.0;5.0;0.0），max（10.0;6.0;0.0）。考虑房间及走廊喷淋系统失效，自然排烟，通过开启的窗口进行自然补风，快速平方火，最大火灾热释放率为10MW。 假定走廊发生火灾房间一侧房门、走廊排烟窗口以及走廊通向楼梯间房门开启，整个建筑走廊另一侧房间门均关闭，所有房间的窗户均关闭。整个场景模拟时间为360s。
场景二：火灾发生在四层走廊尽头房间内一角处，相对于模型坐标为min（2.0;5.0;12.0），max（3.0;6.0;12.0）。考虑房间及走廊喷淋系统失效，自然排烟，快速平方火，最大火灾热释放率为8MW。假定着火房间房门，走廊通向楼梯间疏散门以及排烟窗口都开启，走廊另一侧全部房门均关闭。整个场景模拟时间为360s。
建筑火灾中烟气的危害包括诸多方面，不单是高温对人身产生严重危害，烟气中的有害气体比如一氧化碳、二氧化碳等达到一定浓度会使人员产生中毒反应，两种火灾场景下有害气体的浓度在火灾发生2～3分钟后就可达到对人身有害的程度;另外火灾产生的烟气会严重影响能见度，人在这种环境下即便有能力逃生也会因为不能辨别方向而错过最佳的疏散时间。在高层住宅建筑中，火灾危害不可忽视，本文中基于性能化防火设计展开全方位分析，结合建筑工程项目的实际需求与逃生人员疏散问题建设了一套完整的防火设计方案，希望以此提高高层住宅建筑整体防火性能，保证人员生命及财产安全。
参考文献：
[1]周振宇.浅议性能化设计方法在高层建筑防火中的应用[J].建筑工程技术与设计，2018（29）：974.
[2]李鑫.性能化設计在高层建筑防火中的运用[J].装饰装修天地，2018（5）：146.
[3]苏勇.高层建筑结构及楼梯类型对人员疏散时间影响的模拟研究[D].安徽理工大学，2018.
