摘要： 如果說20世紀(jì)的建筑設(shè)計(jì)主要競爭于造型和功能要求的話，則21世紀(jì)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的核心競爭力將體現(xiàn)在預(yù)防災(zāi)害發(fā)生上。因此，包括防火在內(nèi)的防災(zāi)設(shè)計(jì)是判定建筑設(shè)計(jì)方案好、壞的重要條件之一。

    關(guān)鍵詞： 建筑防火

    建筑防火的安全水準(zhǔn)和目標(biāo)應(yīng)該是明確的和高水平的，即發(fā)生火災(zāi)的概率十分小。但確保安全水準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的方法則是多種多樣的，人們可以運(yùn)用所有的現(xiàn)代科技手段進(jìn)行有機(jī)的和創(chuàng)造性的組合。

    性能設(shè)計(jì)是一種新型的防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，是建立在更加理性條件上的一種新的設(shè)計(jì)方法。它不是根據(jù)確定的、一成不變的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是運(yùn)用消防安全工程學(xué)的原理和方法，首先制定整個(gè)防火系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的性能目標(biāo)，并針對各類建筑物的實(shí)際狀態(tài)，應(yīng)用所有可能的方法對建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)和將導(dǎo)致的后果進(jìn)行定性、定量地預(yù)測與評(píng)估，以期得到最佳的防火設(shè)計(jì)方案和最好的防火保護(hù)。性能設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的體系，它的實(shí)現(xiàn)需要各種社會(huì)環(huán)境和技術(shù)條件的支撐。

    應(yīng)該指出的是，由指令性規(guī)范向性能規(guī)范的轉(zhuǎn)型不是一蹴而就的。目前國際上所謂性能規(guī)范都只是包含部分性能規(guī)定，并沒有百分之百的性能規(guī)范。指令性規(guī)定與性能規(guī)定不是簡單的替代，而是在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)并存或互補(bǔ)，這樣既不妨礙新技術(shù)的應(yīng)用，又能夠保持當(dāng)前的安全程度。筆者就我國性能化研究與實(shí)踐工作，談幾點(diǎn)看法。

    1  工作的基本方向

    性能規(guī)范屬于柔性的法規(guī)，它適用于
    （1）規(guī)范規(guī)章沒有規(guī)定的情況；
    （2）規(guī)范規(guī)章雖有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但不能或不足以應(yīng)對現(xiàn)實(shí)情況時(shí)；
    （3）讓設(shè)計(jì)者能在安全無虞又合乎經(jīng)濟(jì)利益的情形下，自由地設(shè)計(jì)合乎需求的使用空間。從國外現(xiàn)行情況看，目前的性能設(shè)計(jì)規(guī)范并不復(fù)雜，但支撐這類規(guī)范的性能設(shè)計(jì)體系卻是一項(xiàng)非常龐大的系統(tǒng)工程，它需要方方面面的共同努力。從理論上講，性能設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)如下一些原則：

    （1）性能規(guī)范的各項(xiàng)規(guī)定和目標(biāo)應(yīng)能保證不同類型建筑物的整體安全水平。

    （2）性能規(guī)范應(yīng)具有長期的適用性，新技術(shù)、新方法的出現(xiàn)和使用不會(huì)導(dǎo)致與規(guī)范的沖突。

    （3）可以使用可變式的計(jì)算模式去內(nèi)插計(jì)算結(jié)果。采用模擬的辦法去檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的正確與否。

    （4）所有的性能設(shè)計(jì)計(jì)算均可在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)，并且要保證一般的設(shè)計(jì)人員都可以非常容易地操作這些人工智能計(jì)算系統(tǒng)。

    一個(gè)成功的性能化設(shè)計(jì)不僅可以更符合建筑物本身的要求，而且在同樣符合安全的要求下，可以為業(yè)主節(jié)省不必要的消防設(shè)備費(fèi)用，這是性能化設(shè)計(jì)所應(yīng)體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)以及發(fā)展的動(dòng)力。

    在我國實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)還需要走相當(dāng)長的一段路。目前，無論是在人們的觀念上，理論水平上，歷史資料的存儲(chǔ)上，以及經(jīng)濟(jì)支撐條件上，都是十分薄弱的。但從發(fā)展看，開展此項(xiàng)工作又是一種必然，并且越早開始越主動(dòng)。

    2  火災(zāi)發(fā)展模式及預(yù)期損害度的分析評(píng)估

    性能設(shè)計(jì)的核心就是運(yùn)用大量的定量分析去解決工程安全的評(píng)估。定量分析包含兩類程序：

    （1）決定性程序（Deterministic Procedure）：將火災(zāi)成長、擴(kuò)展、煙移動(dòng)及對人員影響予以定量化（從理論分析、經(jīng)驗(yàn)關(guān)系推論、使用方程式及火災(zāi)模擬方法）。

    （2） 概率性程序（Probabilistic Procedure）：估算發(fā)生某種不預(yù)期火災(zāi)情景（Fire Scenario）的可能性（利用火災(zāi)發(fā)生頻率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)可靠度、建筑背景資料及決定性程序所獲得資料）�；馂�(zāi)模式的影響因子應(yīng)考慮模式的輸出量 （例如：溫度、速度、熱通量）及合格標(biāo)準(zhǔn)（例如：偵測所需時(shí)間、達(dá)到人類無法承受的時(shí)間）�；馂�(zāi)模式也為概率模式，主要進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析事件樹 （Event Tree）與概率，而使人們因火災(zāi)喪的風(fēng)險(xiǎn)降低。

    火災(zāi)場景的設(shè)定對消防安全性能設(shè)計(jì)十分重要，即在消防安全設(shè)計(jì)之前，需先輸入火災(zāi)場景的參數(shù)資料，再依假想場景去執(zhí)行消防安全設(shè)計(jì)。

    為能達(dá)到上述目標(biāo)，火災(zāi)場景的設(shè)計(jì)應(yīng)予以合理的量化分析。如今火災(zāi)發(fā)展模式不論是在工程計(jì)算、計(jì)算機(jī)評(píng)估或是概率統(tǒng)計(jì)等方面，已具有較合理的推算與評(píng)估，使得火災(zāi)燃燒的成長速度、熱釋放率、衰退期等較復(fù)雜的狀態(tài)均能被較接近真實(shí)的模擬，因而可以較正確的推算出危險(xiǎn)狀況發(fā)生的時(shí)間，以尋求確保人員生命安全的避難對策�；馂�(zāi)場景的假想，應(yīng)以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，即針對實(shí)際使用空間的避難路徑、出口設(shè)置、樓梯設(shè)置、建筑物裝修材料及內(nèi)含物的發(fā)熱量、避難人員數(shù)、避難人員屬性等實(shí)際狀況設(shè)定。

    我國在今后的若干年中，要實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)的定量評(píng)估，至少要建立下述6個(gè)分析子系統(tǒng)：

    （1）起火空間內(nèi)火災(zāi)發(fā)生與發(fā)展的過程模擬；

    （2）煙及有毒氣體蔓延規(guī)律的模擬；

    （3）火勢沿起火間之外空間的蔓延；

    （4）火災(zāi)報(bào)警、滅火及防排煙系統(tǒng)綜合工況的模擬；

    （5）消防救援行為介入狀況的模擬；

    （6）人員安全疏散的路徑與行為的模擬。

    為了正確地給定性能規(guī)范的安全原則，最基礎(chǔ)的一項(xiàng)工作是建立科學(xué)系統(tǒng)的火災(zāi)發(fā)生及損失的概率統(tǒng)計(jì)方法，包括：

    （1）對建筑物進(jìn)行合理的類別劃分，并統(tǒng)計(jì)各類建筑物實(shí)際存在的平方米數(shù)量和火災(zāi)發(fā)生時(shí)損失的數(shù)量。

    （2）確定火災(zāi)損失率的概率分布模型，并確定火災(zāi)損失率的數(shù)學(xué)期望和方差值。

    （3）從概率的角度，對“同型”和“非同型”的火災(zāi)事件進(jìn)行計(jì)算處理，并最終給出各類建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性的概率度。

    3  建立各類建筑物的火災(zāi)荷載數(shù)據(jù)庫

    在從事性能化設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的一步是確立火災(zāi)載荷的大小與位置，一個(gè)錯(cuò)誤的火源設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致整個(gè)性能設(shè)計(jì)的失敗。

    火災(zāi)載荷密度與設(shè)計(jì)火災(zāi)發(fā)展過程密切相關(guān)，而后者正是防火設(shè)計(jì)中最基本的輸人參數(shù)之一，因而火災(zāi)載荷數(shù)據(jù)的確定對防火系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的影響。我國目前基本上沒有火災(zāi)載荷的相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法和確定的數(shù)值。因此，應(yīng)通過試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)的方法盡快建立適合中國國情的火災(zāi)荷載密度的數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，應(yīng)考慮國際通用的方式和計(jì)算單位，以便信息的交流和共享。具體工作包括：

    （1）通過實(shí)際調(diào)查和實(shí)驗(yàn)確定各類建筑材料和設(shè)施的燃燒熱值。

    （2）用概率統(tǒng)計(jì)的方法處理火災(zāi)荷載的分布型式。統(tǒng)計(jì)表明火災(zāi)荷載的分布不服從正態(tài)分布，而表現(xiàn)為極值I型分布。因此將樓層火災(zāi)荷載作為隨機(jī)現(xiàn)象，將其概型化、抽象化為統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)尋其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，應(yīng)該是可行的途徑之一。

    （3）鑒于建筑結(jié)構(gòu)的可變荷載與火災(zāi)荷載的統(tǒng)計(jì)分布均服從極值I型分布，因此可以探討在這兩者之間建立某種邏輯聯(lián)系，進(jìn)而確定兩者間的比值關(guān)系。這將會(huì)使規(guī)范編制和設(shè)計(jì)選用工作大大簡化。

    4  性能計(jì)算方式的選擇

    在以往，所謂的性能化設(shè)計(jì)似乎只是空談，要真正的落實(shí)幾乎是一項(xiàng)不可能的任務(wù)。但近年來世界許多發(fā)達(dá)國家實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢想實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)社會(huì)當(dāng)中。我國也感受到性能化設(shè)計(jì)的發(fā)展確實(shí)有其必要性。

    性能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何建立計(jì)算模型和采用適合的計(jì)算方法。目前流行的做法有兩類，一是以日本為主的簡算預(yù)測法，二是以歐美為主的電算模擬法。

    在日本，目前性能化防火設(shè)計(jì)尚未單獨(dú)立法，而且其偏好使用火災(zāi)預(yù)測簡單公式進(jìn)行計(jì)算，所以在個(gè)別火災(zāi)項(xiàng)目中有大量的簡單公式完整的介紹，其中當(dāng)然也還有可以加強(qiáng)之處，主要是關(guān)于火災(zāi)進(jìn)程、閃燃現(xiàn)象的發(fā)生以及火災(zāi)探測與抑制方面的預(yù)測公式尚未出現(xiàn)，當(dāng)此部分也完成的時(shí)候，日本簡算公式將會(huì)成為相當(dāng)好的整體火災(zāi)預(yù)測模式。而且，其簡算公式中每一個(gè)參數(shù)的選擇都是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

    而在英、美、澳三國（澳洲的法規(guī)源自于英國），計(jì)算體系中的同質(zhì)性相當(dāng)高，目前已經(jīng)有完整詳細(xì)的規(guī)范提供給防火設(shè)計(jì)人員參考。歐美國家普遍習(xí)慣采用計(jì)算機(jī)模擬軟件進(jìn)行火災(zāi)預(yù)測與火場重建的工作，因此對于火災(zāi)預(yù)測公式的發(fā)展不像日本那樣完善。但是對于計(jì)算機(jī)模擬軟件的開發(fā)不遺余力，模式也發(fā)展得越來越成熟，同時(shí)由于目前計(jì)算機(jī)的效能越來越高，進(jìn)行火災(zāi)模擬的時(shí)間與精確度都大幅的提升，因此采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬也是性能法規(guī)驗(yàn)證的方法之一。

    鑒于我國目前的實(shí)際情況，筆者認(rèn)為可以采取簡算預(yù)測與計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的方法。

    5  安全疏散模擬

    消防安全系統(tǒng)的目的不外乎是確保人身安全和減少財(cái)產(chǎn)損失兩個(gè)方面。而人身安全則有賴于安全疏散系統(tǒng)的可靠，因此各國的性能法規(guī)中，安全疏散設(shè)計(jì)都占有重要的地位。

    避難安全設(shè)計(jì)的最終要求為驗(yàn)證實(shí)際所需的避難時(shí)間應(yīng)低于避難容許時(shí)間。所以避難安全設(shè)計(jì)時(shí)，需先分析建筑物特性（樓板面積、走道、步行距離、出口寬度、樓梯寬度、數(shù)量及分布、建筑物高度、排煙設(shè)備等）及人員特性（人數(shù)、步行速度、反應(yīng)能力、分布情形、環(huán)境熟悉度等）資料后，設(shè)計(jì)火源及火災(zāi)場景，推算避難所需時(shí)間和避難容許時(shí)間，驗(yàn)算合理后，完成設(shè)計(jì)。

    避難安全性能設(shè)計(jì)主要目的為確保人身安全，然而人的屬性卻是非常復(fù)雜的，如年齡、身高、體重、反應(yīng)能力、敏捷度、耐心、行動(dòng)能力等個(gè)人的特質(zhì)因人而異，因此對于人口密度高、人數(shù)多的場所，在避難評(píng)估時(shí)若針對每一個(gè)人去評(píng)估避難結(jié)果，則相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，非人力采用公式驗(yàn)算所能及。因此，許多國家紛紛建立計(jì)算機(jī)模擬模式，以驗(yàn)算公式及相關(guān)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，評(píng)估分析各種建筑的模擬結(jié)果，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否可以確保人的生命安全。

    隨著性能法規(guī)發(fā)展，英國、美國、日本、澳洲、新西蘭等發(fā)達(dá)國家已提出許多計(jì)算機(jī)模式、驗(yàn)算模式、概率模式等避難安全檢驗(yàn)方法。這些驗(yàn)算模式是以長時(shí)間的觀察、實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，再結(jié)合工程方法，進(jìn)而編寫成復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟件，其花費(fèi)是巨大的。在我國，目前為止尚未自行研發(fā)相關(guān)避難驗(yàn)算模式，因此建立避難安全設(shè)計(jì)法時(shí)，建議采用現(xiàn)有已成熟、開發(fā)的評(píng)估模式，分析評(píng)估各項(xiàng)檢驗(yàn)?zāi)Ｊ嚼碚摽蚣�，探討其輸入、輸出的諸多使用參數(shù)，分析其假設(shè)條件及使用特性，判斷其對我國國情特色（建筑物空間規(guī)劃、使用特性、人員活動(dòng)）是否適用可行等，并進(jìn)而以引用國外技術(shù)為主，而不需再重復(fù)花費(fèi)龐大的人力、物力重新建立避難安全檢驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

    6  煙氣控制系統(tǒng)

    在火場中，由于能見度低所引起的人們心理恐慌會(huì)加大安全疏散的難度，而煙氣中所包含的煙粒子、刺激物及毒性物質(zhì)可以快速地窒息人的生命。因此，防排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)估是性能設(shè)計(jì)的另一支柱。對煙氣蔓延過程評(píng)估時(shí)，常常綜合考慮煙氣固有的浮力特性、體積變化、夾帶作用及天花板噴流等效應(yīng)。對煙氣蔓延規(guī)律模擬的目的在于從設(shè)計(jì)上提高煙層的流動(dòng)高度，稀釋煙團(tuán)的濃度，降低煙流的溫度和阻止煙氣進(jìn)入特定的區(qū)域空間。煙氣模擬要設(shè)定火源模式，即考慮燃燒的狀態(tài)與火勢的發(fā)展、質(zhì)量容積的流速等，繼而要估算煙流量值、溫度值、煙層沉降速度等，要確定排煙系統(tǒng)的工作時(shí)機(jī)（同時(shí)考慮風(fēng)機(jī)、通風(fēng)口、閥門等），以及綜合考慮自動(dòng)滅火系統(tǒng)開始工作后對煙氣過程的影響等。國外在煙氣模擬計(jì)算程序開發(fā)方面進(jìn)展的最快、最成熟。一些商業(yè)軟件已可在特定的工程中應(yīng)用。

    目前流行的模擬計(jì)算有區(qū)域模擬和場模擬兩種，二者都出發(fā)于連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本方程。場模擬能夠以足夠的空間分辨率揭示物理過程的細(xì)節(jié)，但計(jì)算量大，對火焰區(qū)的湍流和化學(xué)反應(yīng)的處理較為困難，主要用于咨詢和評(píng)估過程的計(jì)算模擬；區(qū)域模擬注重整體效果，以適當(dāng)?shù)墓こ探�似描述各個(gè)物理過程，簡化了方程組，大幅度地減小了計(jì)算的復(fù)雜程度和計(jì)算時(shí)間，是工程設(shè)計(jì)主要采用的計(jì)算方法。

    我國目前已具備深人開展用區(qū)域模擬計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的設(shè)計(jì)方法研究的基礎(chǔ)。建立一個(gè)好的評(píng)估方法體系才能保證性能設(shè)計(jì)的安全性，并給人們一個(gè)比較完整的系統(tǒng)安全概念，因此這是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)性工作。

    上述為建立性能規(guī)范所必須的最基本的條件，除此以外還有許多工作要做。只要我們有一個(gè)好的開端，打?qū)嵒�礎(chǔ)，就一定會(huì)開創(chuàng)出“性能設(shè)計(jì)”的全新時(shí)代。