注册消防工程师知识点之性能化设计程序与步骤

第二节 建筑消防性能化设计的基本程序与设计步骤

一、基本程序

建筑消防性能化设计的基本程序如下：

1)确定建筑的使用功能、用途和建筑设计的适用标准。

2)确定需要采用性能化设计方法进行设计的问题。

3)确定建筑的消防安全总体目标。

4)进行消防性能化试设计和评估验证。

5)修改、完善设计，并进一步评估验证，确定性能是否满足既定的消防安全目标。

6)编制设计说明与分析报告，提交审查和批准。

其中建筑消防性能化试设计的一般程序如下：

1)确定建筑设计的总目标或消防安全水平及其子目标。

2)确定需要分析的具体问题及其性能判定标准。

3)建立火灾场景，设定合理的火灾和确定分析方法。

4)进行消防性能化设计与计算分析。

5)选择和确定最终设计(方案)。

建筑消防性能化设计与计算分析一般应包括下列全部或几项内容：

1)针对设定的性能化分析目标，确定相应的定量判定标准。

2)合理设定火灾。

3)分析和评价建筑的结构特征、性能和防火分区。

4)分析和评价人员的特征、特性以及建筑和人员的安全疏散性能。

5)计算预测火灾的蔓延特性。

6)计算预测烟气的流动特性。

7)分析和验证结构的耐火性能。

8)分析和评价火灾探测与报警系统、自动灭火系统、防排烟系统等消防系统的可行性与可靠性。

9)评估建筑的火灾风险，综合分析性能化设计过程中的不确定性因素及其处理方法。

1.消防安全总目标

消防安全总目标可能包括人员和财产保护等级或者能够提供建筑使用的连续性、古迹或文物保护和环境保护。根据业主的需要，不同工程的消防安全总目标有所不同，其表述方式也不相同。

建筑防火设计的总目标应在进行性能化设计开始之前作为设计的重点问题，由设计单位、建设单位、委托方、公安消防监督机构、消防安全技术咨询机构等共同研究确定。

建筑的消防安全总目标一般包括如下内容：

1)减小火灾发生的可能性。

2)在火灾条件下，保证建筑内使用人员以及救援人员的人身安全。

3)建筑的结构不会因火灾作用而受到严重破坏或发生垮塌;或虽有局部垮塌，但不会发生连续垮塌而影响建筑结构的整体稳定性。

4)减少由于火灾而造成商业运营、生产过程的中断。

5)保证建筑内财产的安全。

6)建筑发生火灾后，不会引燃其相邻建筑。

7)尽可能减少火灾对周围环境造成的污染。

建筑的消防安全总目标视其使用功能、性质及建筑高度而有所区别，设计时应根据实际情况在上述六个目标中确定一个或者两个目标作为主要目标，并列出其他目标的先后顺序。例如，对于人员聚集场所或旅馆等公共建筑，其主要目标是保护人员的生命安全;对于仓库，则更注重于保护财产和建筑结构安全。建筑火灾具有确定性和随机性的双重特性，无论采取什么措施，一座建筑的消防安全总是相对的。因此，上述安全目标所反映的是与将要发生的消防投入水平相一致的相对安全水平。这实际上反映了投资方以及社会公众的安全期望与建设投资的关系。建筑的消防安全水平应依据现有规范的规定和建筑的实际情况，由设计单位、建设单位、委托方、公安消防监督机构、消防安全技术咨询机构等共同研究确定。

确定建筑的消防安全性能目标时，应首先将消防安全总目标进一步转化为可量化的性能目标，包括：火灾后果的影响、人员伤亡和财产损失、温度以及燃烧产物的扩散等。

2.性能判定标准

设计目标的性能判定标准应能够体现由火灾或消防措施造成的人员伤亡、建筑及其内部财产的损害、生产或经营被中断、风险等级等的最大可接受限度。

常见的性能判定标准如下：

1)生命安全标准。包括热效应、毒性和能见度等。

2)非生命安全标准。包括热效应、火灾蔓延、烟气损害、防火分隔物受损、结构的完整性和对暴露于火灾中的财产所造成的危害等。

性能判定标准是一系列在设计前把各个明确的性能目标转化成用确定性工程数值或概率表示的参数。这些参数包括：构件和材料的温度、气体温度、碳氧血红蛋白(COHb)含量、能见度以及热暴露水平。人的反应，如决策、反应和运动次数在一定的数值范围内变动。当评估某疏散系统设计是否可行时，需要为计算选择或假设合适的数值以考虑人员暴露于火灾的判定标准。

一项设计目标可能需要多个性能判定标准来验证，而一个性能判定标准也可能需要多个参数值予以支持。但并不是每一个性能目标都能够采用这种方式表达，因此，在量化时应主次有别，把握关键性参数。

二、设计步骤

性能化设计过程可分为若干个步骤，各步骤相互联系，最终形成一个整体。其主要步骤包括：

1)确定工程范围。

2)确定总体目标。

3)确定设计目标。

4)建立性能判定标准。

5)设定火灾场景。

6)建立试设计。

7)评估试设计及性能指标判定。

8)确定最终设计方案。

9)完成报告，编写设计文件。

1.确定工程范围

性能化设计的第一步就是要确定工程的范围及相关的参数。首先要了解工程各方面的信息，如建筑的特征、使用功能等。对特殊的建筑，如大空间(中庭或仓库)，或者人员密集的商场、礼堂和运动场等要格外关注。对建筑的工艺特征也要进行专门的研讨，如特殊的作业区、危险物品的使用或储存区、昂贵设备区以及零故障区等。

不同使用功能的建筑，其使用者的特征也不同(如住宅建筑与商业建筑)，使用者特征包括年龄、智力、是否睡觉、体能状态等因素。

2.确定总体目标

一旦确定了工程的范围，性能化设计过程的下一步就是要确定消防安全总目标。在消防安全设计中，消防安全总体目标是一个范围比较广泛的概念，它表示社会所期望的安全水平。它们主要是用概括性的语言进行描述，通常指保护人类生命和相邻建筑及其他财产安全等方面的需要。概括地说，消防安全应达到的总体目标是：保护生命、保护财产、保护使用功能、保护环境不受火灾的有害影响。

功能目标是设计总体目标的基础，它把总体目标提炼为能够用工程语言进行量化的数值。概括地说，它们指出一个建筑如何才能达到上述的社会所期望的安全目标。功能目标通常可用计量的术语加以表征。为了实现这些目标，一旦功能目标或损失目标明确了，人们就必须有一个确定建筑及其系统发挥作用的性能水平的方法。这项工作是通过性能要求完成的。

性能要求是性能水平的表述。建筑材料、建筑构件、系统、组件以及建筑方法等必须满足性能水平的要求，从而达到消防安全的总体目标和功能目标。在设计时，不仅要能够量化这些参数，还应对其进行计量和计算。例如，要求：将火灾的传播限制在起火房间内，在烟气蔓延出起火房间以前通知使用者，保证疏散通道处于可使用状态直到使用者到达安全地点。以上每一个具体要求都涉及建筑及其系统如何工作才能满足规定的生命安全总体目标和功能目标，并且可对每项要求进行计量或计算。

3.确定设计目标

设计目标是指为满足性能要求所采用的具体方法和手段。因此，允许采用两种方法来满足性能要求。这两种方法可以独立使用，也可以联合使用。

1)视为合格的规定。包括如何采用材料、构件、设计因素和设计方法的示例，如果采用了，其结果就满足性能要求。

2)替代方案。如果可以证明某设计方案能够达到相关的性能要求，.或者与视为合格的规定等效，那么对于与上述“视为合格的规定”不同的设计方案，仍可以被批准为合格。

该性能方法为使用消防安全工程提供了许多机会。评估替代方案的方法不是特别指定的，所以，事实上消防安全工程评估将是证明设计方案是否符合性能规范的一个主要途径。消防安全总体目标是保护那些没有靠近初起火灾处的人员不致丧命。这一目标虽然很容易理解，但却很难量化。为了达到这一总体目标，其功能目标之一就是为人们提供足够到达安全地方而不被火灾吞噬的时间。因此可制定更具体的规定：即必须保护人们不受热、热辐射和烟气的侵害。为了达到这一目标，其性能要求之一就是限制起火房间内的火灾蔓延。如果火灾没有蔓延到起火房间之外，那么起火房间以外的人员就不会暴露于热辐射或高温中，他们受到烟气的影响也会大大减小。为了满足这一性能要求，可以制订防止起火房间发生轰燃的性能指标。其依据是火灾蔓延至起火房间之外的情况总是出现在轰燃发生之后，上层烟气引燃并使火灾前锋开始蔓延之时。工程设计人员可能会建立一个设计目标，从而将上层烟气温度限制在500%，该温度以下不大可能发生轰燃。以上就是从一个总体目标到建立一种设计标准的整个分析过程。

4.设定火灾场景

火灾场景是对某特定火灾从引燃或者从设定的燃烧到火灾增长到最高峰以及火灾所造成的破坏的描述。火灾场景的建立应包括概率因素和确定性因素，也就是说，此种火灾发生的可能性有多大，如果火灾真的发生了，它是如何发展和蔓延的。在建立火灾场景时，应主要考虑以下因素：建筑的平面布局，火灾荷载及分布状态，火灾可能发生的位置，室内人员的分布与状态，火灾可能发生时的环境因素等。

设计火灾是对某一特定火灾场景的工程描述，可以用一些参数，如热释放速率、火灾增长速率、物质分解物、物质分解率等或者其他与火灾有关的可以计量或计算的参数来表现其特征。

概括设计火灾特征的最常用方法是采用火灾增长曲线。热释放速率随时间变化的“典型”火灾增长曲线，一般具有火灾增长期、最高热释放速率期、稳定燃烧期和衰减期等共同特征。每一个需要考虑的火灾场景都应该具有这样的设计火灾曲线。

5.建立试设计并进行评估

在本步骤中，应提出多个消防安全设计方案，并按照规范的规定进行评估，以确定最佳的设计方案。

评估过程是一个不断反复的过程。在此过程中，许多消防安全措施的评估都是依据设计火灾曲线和设计目标进行的。例如增加感烟探测器或自动喷淋装置，修改通风特征，变更建筑材料、内装修和建筑内部摆设等因素，都可在本步骤内进行评估。在评估不同的方案时，清楚地了解该方案是否达到了设计目标是很重要的。

设计目标是一个指标。其实质是性能指标(如起火房间内轰燃的发生)能够容忍的最大火灾尺寸，这可以用最大热释放速率来描述其特征。例如，为了达到防止轰燃发生的目标，一种替代方法是使用自动喷水灭火系统。为了保证其有效性，自动喷水灭火系统必须在起火房间到达轰燃阶段以前启动并控制火灾的增长。纵览世界上各种消防安全工程方法，以下一些基本因素总是在性能化设计评估中被充分考虑：起火和发展、烟气蔓延和控制、火灾蔓延和控制、火灾探测和灭火、通知居住者和组织安全疏散、消防部门的接警和现场救助。

试设计完成后即可选定最终设计方案。

6.完成报告，编写设计文件

分析和设计报告是性能化设计能否被批准的关键因素。该报告需要概括分析和设计过程中的全部步骤，并且报告分析和设计结果所提出的格式和方式都要符合权威机构和客户的要求。该报告包括：

1)工程的基本信息。

2)分析或设计目标。包括制订此目标的理由。

3)设计方法(基本原理)陈述。包括所采用的方法，为什么采用，做出了什么假设，采用了什么工具和理念。

4)性能评估指标。

5)火灾场景的选择和设计火灾。

6)设计方案的描述。

7)消防安全管理。

8)参考的资料、数据。

有关性能判定标准的确定请见《消防安全技术实务》第五篇第四章的有关内容。

从总体看，性能化设计是一个发展方向，但就目前的技术支持条件看，也存在一些问题和缺点。

首先，社会各界对它的接受程度不一;另外，与传统的设计方法相比，性能化分析和设计过程需要在分析、计算和设计文件制作上花费更多的工程时间。