基于韧性的建筑设计防火技术的探讨

2021-10-11杨琦

城市与减灾 2021年5期

杨琦

引言

伴随着经济和技术的发展，建筑的规模和数量不断增加，建筑设计防火的技术也面临着新的挑战。作为事故灾难类突发公共事件，火灾事故是一个风险事件，同时也会造成一定的社会和经济损失。从韧性的角度思考，探讨建筑设计防火技术，引入韧性防火的新概念，有助于控制风险和灾害损失，有助于协调建筑设计防火各系统之间耦合和关联的关系。韧性防火可以扩展到韧性消防的全过程综合治理之中，避免了传统防火思维将各种各样的不确定性拒之于外的弊端，提高防火的效率。坚持主体自主能动性基础上，让防火系统有多样性和自治性，形成足够的冗余让建筑设计防火的韧性变得越来越强，为韧性城市提供城市安全运行的保障。在此基础上，构建韧性防火的评价指标，对评判建筑设计防火的能力具有积极的意义。

韧性的概念

（一）韧性

韧性（Resilience）较早出现在材料力学中，它表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。在材料试验中有三个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段（图1），其中破坏阶段又分为强化阶段和局部变形阶段。弹性阶段遵循胡克定律，即拉伸弹性模量E＝σ（应力）/ε（应变）。材料分为脆性材料、塑性材料，超过a点（比例极限荷载）后就有失效风险。b点为最大屈服强度，c点为极限荷载处。其性能的判定有强度要求、刚度要求、稳定性要求。

图1 材料试验中应力与应变之间的不同阶段

要判断材料的韧性，只要看屈服阶段。在屈服阶段，如果从开始进入屈服点，到彻底破坏，这个延长阶段比较长，证明材料的韧性比较好，反之为脆性材料。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。

弹性（Elasticity）则是描述一个物体在外力的作用下如何运动或发生形变，在除去使其变形的外力作用后即刻恢复原状的能力。两者均为运动或发生形变的属性描述，具有吸收属性和恢复属性。

（二）韧性城市与韧性防灾

在《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中，提出了“韧性城市”的概念。韧性城市（Resilient City）通常指城市对灾害的承受能力、应对和恢复能力以及对未来风险的适应能力。联合国国际减灾署（UNDRR）在2013年3月提出，城市必须在制定低碳可持续发展路线的同时，采取提高其韧性应对灾害能力的措施。这也是联合国提出的可持续发展目标之一。韧性城市包括生态韧性、经济韧性、社会韧性和工程韧性。它可以建立灾害模型，对防灾系统的韧性进行评估与规划，提出韧性决策模型和措施的评价。

从刚性到弹性、韧性，针对的是易损性到恢复性、适应性。工程韧性在于响应和恢复的弹性，其目标是恢复到原状态中的一个运行状态能力，重点是效率稳定性和可预测性，其注重低频率高影响的干扰分析，韧性（弹性）防灾与脆弱性和适应性是相互联系又有区别的。

韧性防灾正是基于韧性的理论在应对灾害中采用的对策，其评价可采用不同的维度、目标和指标。韧性防灾的主要特征和维度有：鲁棒性（抵御灾害和减轻损失的能力）、冗余性（备用设施和资源的补充能力）、包容性（功能、产业、文化和社会的多样性）、恢复性（受灾后尽快恢复的能力）和适应性（从以往灾害中获得的灾害适应能力）。火灾灾害也是城市灾害的维度之一，韧性防火有利于保障城市的可持续发展，有利于应对各种变化或冲击，减少城市发展过程中防火的不确定性和脆弱性，该理念可以应用于建筑的防火设计。

韧性防火与建筑设计

（一）韧性防火

韧性防火就是提高防火功能的韧性，在应对火灾灾害中有更强的适应性、安全可靠性，可以及时得到功能恢复。韧性防火主要包括以下三个能力：各防火系统吸收灾害并维持建筑基本运转的能力、各防火系统能自我适应并抵御灾害的能力、消防系统从灾害中恢复并提升抵御未来更严重灾害的能力。

1.韧性防火的设计目标

通过韧性防火的设计，需要达到以下四个目标：发生火灾时能够最大限度地保障人民生命安全；保障城市或建筑机能承受巨灾冲击，并维持整个系统的相对稳定性；最大限度地保障公共设施安全，最大可能地减少灾害损失；尽可能快速实现灾后恢复重建。这就要求从防火设计到设计防火的观点转变。

2.韧性防火的特征

韧性防火应具有灵活性（flexible）、冗余性（redundant）、鲁棒性（robust）、机敏性（resourceful）、反射性（reflective）、包容性（inclusive）、集成性（integrated）的特征。如在消防设施上，强调可维护性；在灭火剂的选择上，需要有可恢复性。

韧性防火与传统防火是有区别的。在防火系统上，从分离元素到功能关联，从独立系统到耦合系统。在防火层次上，从安全控制到功能控制，从工程领域到社科政经。在防火体系上，从被动抗火到主动防火，从各自为政到协同联动。在防火教育上，从重点领域到全面防火，从被动学习到智慧学习。

韧性防火的要素包括主体性、多样性、自治性、冗余、慢变量管理、标识几个方面。其中，慢变量管理需要通过微计量和智慧防火的方法，通过物联网的手段建立模型，大数据来预测火灾的风险发展。标识系统可以在火灾发生后引导人员的疏散、减少火灾造成的次生灾害损失。韧性防火有利于预防“黑天鹅”事件（极不可能发生但实际上又发生的重大影响事件），也可以预防“灰犀牛”事件（大概率且影响巨大的潜在危机事件）。

（二）防火设计

防火设计包括建筑防火、结构抗火和消防设施，共同组成相互关联的关系。它与建筑特征、使用的人与设备运行状况、外部环节、救援能力密切相关（图2）。韧性防火的设计就是在防火设计中提升能够应对、吸收、适应火灾风险并及时有效地从火灾灾害影响中得到恢复的能力。

图2 防火设计中防火内部系统与外部因素的关系

根据曾杰先生的研究表明，在建筑防火的耦合性方面，从消防科学、消防技术、消防工程，以“合”的法则构划建筑防火的层面与角度；从绩效的建筑防火目标设置、关联的建筑防火技术合成、冗余的建筑防火策略优化，以“和”的法则追求建筑防火的整合与控制；从性能化评估是化解突破与规定矛盾的明智稀释剂、市场化服务是化解落实与执行矛盾的理想黏合剂、第三方公正是化解运营与监督矛盾方面，以“中”的法则凸显建筑防火的化解与过渡。

在建筑消防设施的关联性方面，灭火系统、报警系统、排烟系统之间是相互关联的，报警系统控制模式的启动时间、部位与排烟系统密切相关，排烟系统的热量、温度、烟气层的高度直接影响到自动喷水灭火系统洒水喷头的启动，自动喷水灭火系统的预作用系统需要由报警系统联动以保护财产防止误喷和水渍。

在灭火的系统选择方面，需要结合建筑、火灾和水灭火的特点，考虑系统的安全性、适用性、经济性和水消防节能减排、环保的原则。在灭火救援中，韧性的防火设计要确保火灾中不产生结构的连续性倒塌。

韧性防火的评价指标与展望

（一）韧性防火的评价指标

1.韧性防火的评估指标体系

韧性防火是防灾体系的一部分，火灾的风险无处无时不在。防火要转向具有韧性的火灾防御、减少火灾损失，提升火灾的免疫力。韧性的防火措施可分为工程措施和非工程措施，工程措施中又可分为建筑防火、结构抗火、消防设施几个方面。

韧性防火需要评估以判断其不同的能力。评估指标选取原则考虑层次完整性、典型代表性、可行可获性和客观可量化。现提出韧性防火的指标体系，根据韧性的特征，建议分为一级指标和二级指标，对韧性防火评估指标按重要性排序、一致性检验赋予权重，构建完整的评估模型，具体见表1。

表1 韧性防火的评价指标

2.可靠性与可靠度

建筑需要从全生命周期保障其防火的安全性、可靠性，从延长其正常工作时间来提高产品可用性，而消防设施的维修性是从缩短其停机时间来提高可用性。可靠性可以对防火的不确定性进行预测，消防设施可靠性指标主要有无故障性、宜修性和耐久性。可靠性的定性分析需要可靠度的定量体现，按其逻辑关系量化出可靠性，采用可靠度进行定量评价。

消防设施的冗余性上对关键的功能设施应具有一定的备用模块。例如，在消防给水系统中，消防给水管网可能同时有市政给水或消防水池经消防水泵向管网供水、高位消防水箱向管网供水、消防水泵接合器向管网供水，备用模块宜采用不同的类型作为补充。

（二）韧性防火的展望

安全是人类永远的话题，防火安全是生活、城市运行的底线之一。根据马斯洛需求层次理论，安全需求处于生存的功能性层面。在面临着越来越多的不确定性中，如何让建筑防火安全。韧性防火作为一种新的发展理念，有助于应对城市、建筑危机的新模式和可持续发展的新方向。

在宏观面上，构建基于韧性的城市与建筑防火基本理论框架与分析方法，创建多元参与和消防救援的新模式（图3），将韧性防火应用到消防的全生命周期工作中。在中观面上，开展建筑防火承载力评估适应城市更新与既有建筑改造的需求，分析结构抗火性能及安全性，研究消防设施可靠性及维护管理策略，引入复杂适应系统（CAS）新方法对外界的干扰做出自适应反应以提高建筑韧性，探讨防火功能退化模型与时变可靠度，形成消防设施的耐久性评估与设计。在微观面上，提倡建筑防火的智慧韧性，利用建筑消防安全的物联网开展防火大数据深度的计算和分析、风险评估与预测预警、决策分析服务、监测薄弱环节、防护处置救援，建立建筑防火设计的方法，完善设计原则、规范标准、性能化、设计导则、设计指南与手册，研究加强消防设施系统设计的技术措施。