性能化设计方法在高层建筑防火中的运用

石福旺

摘要：随着我国社会和经济的发展，高层建筑在城市建设中越来越常见，大量高层建筑的施工和建设，给我国的建筑安全防火提出了新的考验。性能化设计方法作为一种先进的建筑防火设计方法，其在设计上不仅能够满足我国新《建筑设计防火规范》的要求，还能够根据建筑特点和业主需要进行合理的个性化改变。本文对性能化设计方法在高层建筑防火中的运用进行分析，为我国高层建筑性能化防火设计的应用和推广提供资料参考。

关键词：性能化设计；高层建筑；防火；运用

GB50016-2014《建筑设计防火规范》的出台，克服了原《建筑防火设计规范》和《高层建筑防火设计规范》不协调的问题，使我国建筑防火设计规范更加严谨，新《规范》的出台符合我国现阶段建筑工程建设特点的，并且也是时代和社会发展的必然结果。新《建筑设计防火规范》，不仅增强了建筑工程防火设计规范的科学性、合理性和适应性，还提升了建筑物抗御火灾的能力，对建筑物火灾事故的发生，具有十分重要的意义。性能化建筑防火设计作为国外普遍应用的先进防火设计方法，在新《建筑设计防火规范》出台的背景下，具有更加广泛的推广和应用价值。

一、高层建筑火灾的特点和危害

城镇化进程的推进，促进了我国建筑工程的发展，如今高层建筑已经成为城市建筑工程施工的一大特点。高层建筑在给我们城市发展提供更多空间的同时，防火设计要求也更加严格和严谨，与传统建筑防火设计有很大区别。

首先，高层建筑其结构比传统建筑更加利于火势的蔓延，高层建筑中，不仅有着传统建筑的结构，还有着电梯井、管道井、电缆井、垃圾道、排气道等竖向管道，当火灾发生时，这些通道会由于内温度高于外温度，使通道内的热空气沿着通道自然上升，而管道外的冷空气因密度大，会由低层渗入补充，从而形成烟囱效应，助长火势。

其次，由于高层建筑居住人口较多，而且人们平时主要凭借电梯出入，因此当火灾发生时，人员疏散是很低效的。虽然高层建筑都建设有消防通道，但由于高层建筑所容纳的人数较多，楼层较高，因此常规的疏散通道根本不能完成大量人员的疏散任务。由于高层建筑发生火灾时安全通道是唯一的自主逃生途径，电梯的停用会使人们对火灾的恐惧更加强烈，导致在人员疏散过程中更容易出现拥挤推拉现象，增大人员安全疏散的难度。

再次，高层建筑的业主关系较为复杂，因此在消防设施的安装和保养上容易由于互相推诿责任出现疏漏，由于建筑较高，地面火灾扑救措施很难实现对火情的及时控制，但是当火灾发生时，能够及时进行高层建筑火灾扑救的措施主要就是这些消防设施。一旦发生火情，很容易由于处理不及时蔓延成大火，并带来人员伤亡和经济损失。

二、性能化设计的概念和基本过程

1、高层建筑防火性能化设计的概念分析

新建筑防火设计规范中，对高层建筑的防火设计要求更加严格，对防火及疏散做出的规定也更加细致。建筑防火设计要求建筑发生火灾的概率降低到可控程度，并且当火灾发生时能够实现人员的及时疏散和对火情的有效控制。性能设计作为一种新型的防火设计方法，应用消防安全工程学原理从整体入手实现了整个建筑设计防火性能优化的目标，并且实现了对建筑可能发生火情的有效预防。在进行性能化建筑防火设计时，我们要在不脱离《建筑设计防火规范》的基础上，结合建筑主体结构设计可能存在的防火风险，并针对业主的需求进行综合设计，对建筑材料、构件、组件以及系统和建筑方法都要进行要求，使建筑达到最优的防火性能。

2、高层建筑防火性能化设计的基本过程

性能化设计比传统的高层建筑防火设计更加复杂，需要社会环境和技术条件的大力支持。高层建筑性能化设计的实现需要性能规范、技术指南、评估模型三个关键支撑要素，性能规范是指设计用来制定防火安全的系统目标，不仅规定了建筑设计需要满足的功能，还为建筑实现其社会性目标提供了具体的参数。技术指南主要描述了建筑性能化设计如何运用科学技术及防火工程原理，在火灾发生时对建筑内财产和人生命安全实施保护，并对整个建筑的防火安全性能进行评估。评估模型则是高层建筑性能优化设计最关键的一步，高层建筑评估模型的建立需要应用到概率分析技术、定性分析技术、火灾动力学原理、火灾影响模型定性和概率应用及有毒气体毒性影响模型等原理和方法，对高层建筑的火灾设计方案进行系统的模拟和测算，并综合判断建筑防火性能化设计是否符合建筑防火的设计要求。一般来说，高层建筑防火性能化设计的基本过程如下（图一）所示。

（图一）高层建筑防火性能化设计流程图

3、高层建筑防火性能化设计的步骤

高层建筑防火性能化设计包含确定工程参数与评估内容、确定消防安全总体目标和性能目标、设计目标的确定、火灾场景及火灾模拟设计、初期的常识性设计和评估、完成性能化设计报告几个部分。

确定工程参数与具体评估内容我们首先要了解高层建筑的综合信息，对大空间建筑和人员密集的商务办公楼要重点关注，并针对建筑的工艺特征合理安放特殊作业区、危险物品存放区、昂贵设备区以零故障区等。确定火灾场景是指针对该建筑在某一特定情况下发生火灾可能的发展和蔓延情况进行模拟，并分析其对建筑造成的破坏程度。火灾场景设计和模拟时我们需要对火灾场景的确定性和概率因素进行构成确认，并依次为基础对建筑的火灾场景进行模拟研究并得出其特征。由于高层建筑设计报告需要进行反复的常识性设计才能完成，因此需要进行系统的尝试性设计并对其进行评估，并从中选出最合适的设计方案，最终以这个设计方案为基础完成性能化设计报告。

三、高层建筑性能化防火设计的火灾模拟研究

高层建筑性能化防火设计的火灾模拟是建筑性能化防火设计中最重要的环节，在这个环节我们需要对诸如影响人员安全疏散的因素、高层建筑火灾场景设计、高层建筑热释放率设定以及高层建筑的烟气特性进行模拟研究。随着计算机科技的发展，现如今国外在高层建筑性能化防火设计的火灾模拟中已经实现了智能化，通过火災模拟分析软件的应用，能够有效的帮助设计人员完成建筑性能化设计的模拟。

其中最著名的就是美国国家标准技术局建筑火灾研究实验室发展的FDS，FDS综合了火灾模拟的多个因素并将其进行数值模拟化，采用数值方法求解一组低马赫数流动的 Navier-Stokes 方程（粘性流体方程），来计算火灾中产生的烟气和热传递过程。该软件通过将空间分成多个小长方体或计算单元，每个小单元的内部的气体速度、温度设为一致，仅随时间变化，通过对同一网格使用有限体积技术来计算热辐射。流体流动中存在湍流现象，追踪预测火灾气体的产生和移动，并结合家具、墙壁、地板和顶棚的材料特性来计算火灾的增长和蔓延。随着软件技术的发展，FDS 不断被完善，不仅可以用于解决实际的火灾问题，甚至已经可进行火灾过程和疏散过程的联合模拟，进入了工程建设领域，成为建筑性能化设计的辅助工具之一。

综上所述，随着我国新《建筑设计防火规范》的应用，性能化设计将会越来越广泛的应用于高层建筑的防火设计，并将给我国的建筑防火设计带来革命。为了使我国高层建筑具备更优秀的火灾防控性能，我们在高层建筑防火设计时积极引用先进的设计理念和技术，并通过相关计算机模拟软件的应用让我们的高层建筑性能化设计方法更加可靠合理，为我国的高层建筑的发展和应用保驾护航。

参考文献：

[1] 李冀凤 . 高层建筑防火安全的思考与探索 [A].2012 中国消防协会科学技术年会论文集（下） [C].2012.

[2] 黄长国 . 浅谈高层建筑防火排烟设计的相关问题 [A]. 经济生活—— — 2012 商会经济研讨会论文集（下） [C].2012.