开发应用浅谈建筑防火性能化设计赵显东（本溪市消防支队，辽宁本溪１１７０００）摘要：本文介绍了防火性能化设计的发展趋势，分析了防火性能化设计的先进性，探讨了今后防火性能化设计的工作方向和急需解决的关键性问题。关键词：建筑；防火；性能化；设计ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１１．１９．０１４１概述３性能化消防设计的优点如果说２０世纪的建筑设计主要竞争于造型和功能要求的话，则２１世纪建筑设计行业的核心竞争力将体现在预防灾害发生上。因此，包括防火在内的防灾设计是判定建筑设计方案好、坏的重要条件之一。消防设计目前有两种设计思想，一种是传统的“处方式设计方法”，其基于场所类型进行设计考虑；另一种是“性能化设计方法”，它立足于危害分析及火灾假想，对于解决超越法规或现行法规无法解决的复杂建筑的消防设计具有很大意义。近３０年来，国际上对性能化防火分析与设计的研究取得了重大进展。不少国家和地区已经在许多特殊建筑的防火设计中，采用了性能化的设计方法。有些国家的防火设计也开始向性能化的方式转变。由于性能化防火设计的方法与传统的设计方法相比具有许多优越性，所以很快成为当前建筑防火领域最先进的技术，是人们关注的最前沿、最活跃的研究领域，并将发展成为建筑防火技术领域里一个全球性发展潮流，受到许多发达国家和发展中国家的高度重视，得到越来越广泛的应用。２性能化消防设计的概念建筑防火的安全水准和目标应该是明确的和高水平的，即发生火灾的概率十分小。但确保安全水准实现的方法则是多种多样的，人们可以运用所有的现代科技手段进行有机的和创造性的组合。性能设计是一种新型的防火系统设计思路，是建立在消防安全工程学基础上的一种新的建筑防火设计方法。它不是根据确定的、一成不变的模式进行设计，而是运用消防安全工程学的原理和方法，根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等方面的具体情况，由设计者根据建筑的各个不同空间条件、功能条件及其它相关条件，首先制定整个防火系统应该达到的性能目标，并针对各类建筑物的实际状态，应用所有可能的方法对建筑的火灾危险和将导致的后果进行定性、定量地预测与评估，以期得到最佳的防火设计方案和最好的防火保护。性能设计是一个非常复杂的体系，它的实现需要各种社会环境和技术条件的支撑。收稿日期：２０１１－０５－０８修回日期：２０１１－０６－０１与“处方式”设计相比较，性能化设计方案更关注是否能够实现“保证人员疏散和灭火救援不受火灾烟气影响”这一“目的”，而不是拘泥于满足规范要求的最低排烟量。性能化的消防设计方案通过科学的论证，能够提供比之处方式的消防规范更为安全的设计表现效果，比较起来，性能化设计方案具有设计成本有效性，设计选择多样性及设计效果更为优化性的特点。性能化消防设计的两个关键点，第一是确认危害，第二是明确设计目标。具体来说，它针对建筑物的特点，建筑物内人员特点，建筑物内部操作方式，建筑物外部特征，消防灭火组织特点等。从而针对每种危害或者每个设计区域选择设计方法及评估方法。这种设计方法突破了传统设计针对建筑物结构类型、相应的层高及面积的，同时提供了更加灵活而有效的设计选择性。性能化消防设计包括确立消防安全目标，建立可量化的性能要求，分析建筑物及内部情况，设定性能设计指标，建立火灾场景和设计火灾，选择工程分析计算方法和工具，对设计方案进行安全评估，制定设计方案并编写设计报告等步骤。在设计过程中，需要对建筑物可能发生的火灾进行量化分析，并对典型火灾场景下火灾及烟气的发展蔓延过程进行模拟计算，因此计算的工作量以及各类基础数据的需要量非常大，往往需要采用计算机火灾模拟软件等分析和计算工具。４我国的性能化消防设计研究与实践我国１９９６年开始组织有关单位和人员系统地开展相关研究，也认识到开展大型公共建筑（包括地下和地上）、大空间建筑、高层民用建筑、高火灾危险工业建筑和储罐区、建筑内的烟气控制、人员安全疏散的性能化设计和评估技术研究的必要性和迫切性。性能化防火规范以及性能化防火设计，正受到越来越多的国家的关注，建筑安全评估技术是性能化规范的重要组成部分，也是我国推行性能化规范急需解决的关键技术问题。４．１工作的基本方向性能规范属于柔性的法规，从国外现行情况看，目前作者简介：赵显东（１９７２－），男，辽宁省本溪市消防支队防火处建审科工程师，主要从事建设工程消防设计审核与验收工作。25中国西部科技２０１１年０７月（上旬）第１０卷第１９期总第２５２期火灾载荷密度与设计火灾发展过程密切相关，而后者正是防火设计中最基本的输人参数之一，因而火灾载荷数据的确定对防火系统的性能设计具有至关重要的影响。我国目前基本上没有火灾载荷的相关统计方法和确定的数值。因此，应通过试验和统计的方法尽快建立适合中国国情的火灾荷载密度的数据库。同时，应考虑国际通用的方式和计算单位，以便信息的交流和共享。４．４性能计算方式的选择在以往，所谓的性能化设计似乎只是空谈，要真正的落实几乎是一项不可能的任务。但近年来世界许多发达国家实现了这个梦想，并应用在现实社会当中。我国也感受到性能化设计的发展确实有其必要性。性能设计的关键是如何建立计算模型和采用适合的计算方法。目前流行的做法有两类，一是以日本为主的简算预测法，二是以欧美为主的电算模拟法。４．５烟气控制系统在火场中，由于能见度低所引起的人们心理恐慌会加大安全疏散的难度，而烟气中所包含的烟粒子、刺激物及毒性物质可以快速地窒息人的生命。因此，防排烟系统的设计与评估是性能设计的另一支柱。对烟气蔓延过程评估时，常常综合考虑烟气固有的浮力特性、体积变化、夹带作用及天花板喷流等效应。对烟气蔓延规律模拟的目的在于从设计上提高烟层的流动高度，稀释烟团的浓度，降低烟流的温度和阻止烟气进入特定的区域空间。烟气模拟要设定火源模式，即考虑燃烧的状态与火势的发展、质量容积的流速等，继而要估算烟流量值、温度值、烟层沉降速度等，要确定排烟系统的工作时机（同时考虑风机、通风口、阀门等），以及综合考虑自动灭火系统开始工作后对烟气过程的影响等。国外在烟气模拟计算程序开发方面进展的最快、最成熟。一些商业软件已可在特定的工程中应用。４．６安全疏散模拟消防安全系统的目的不外乎是确保人身安全和减少财产损失两个方面。而人身安全则有赖于安全疏散系统的可靠，因此各国的性能法规中，安全疏散设计都占有重要的地位。避难安全设计的最终要求为验证实际所需的避难时间应低于避难容许时间。所以避难安全设计时，需先分析建筑物特性（楼板面积、走道、步行距离、出口宽度、楼梯宽度、数量及分布、建筑物高度、排烟设备等）及人员特性（人数、步行速度、反应能力、分布情形、环境熟悉度等）资料后，设计火源及火灾场景，推算避难所需时间和避难容许时间，验算合理后，完成设计。避难安全性能设计主要目的为确保人身安全，然而人的属性却是非常复杂的，如年龄、身高、体重、反应能力、敏捷度、耐心、行动能力等个人的特质因人而异，因此对于人口密度高、人数多的场所，在避难评估时若针对每一个人去评估避难结果，则相当费时费力，非人力采用公式验算所能及。因此，许多国家纷纷建立计算机模拟模式，以验算公式及相关观察实验结果为基础，评估分析各种建筑的模拟结果，以验证设计结果是否可以确保人的生（下转第１７页）的性能设计规范并不复杂，但支撑这类规范的性能设计体系却是一项非常庞大的系统工程，它需要方方面面的共同努力。从理论上讲，性能设计应体现如下一些原则：（１）性能规范的各项规定和目标应能保证不同类型建筑物的整体安全水平。（２）性能规范应具有长期的适用性，新技术、新方法的出现和使用不会导致与规范的冲突。（３）可以使用可变式的计算模式去内插计算结果。采用模拟的办法去检验计算结果的正确与否。（４）所有的性能设计计算均可在微机上实现，并且要保证一般的设计人员都可以非常容易地操作这些人工智能计算系统。一个成功的性能化设计不仅可以更符合建筑物本身的要求，而且在同样符合安全的要求下，可以为业主节省不必要的消防设备费用，这是性能化设计所应体现的优点以及发展的动力。在我国实现上述目标还需要走相当长的一段路。目前，无论是在人们的观念上，理论水平上，历史资料的存储上，以及经济支撑条件上，都是十分薄弱的。但从发展看，开展此项工作又是一种必然，并且越早开始越主动。４．２火灾发展模式及预期损害度的分析评估火灾场景的设定对消防安全性能设计十分重要，即在消防安全设计之前，需先输入火灾场景的参数资料，再依假想场景去执行消防安全设计。为能达到上述目标，火灾场景的设计应予以合理的量化分析。如今火灾发展模式不论是在工程计算、计算机评估或是概率统计等方面，已具有较合理的推算与评估，使得火灾燃烧的成长速度、热释放率、衰退期等较复杂的状态均能被较接近真实的模拟，因而可以较正确的推算出危险状况发生的时间，以寻求确保人员生命安全的避难对策。火灾场景的假想，应以实际工程为基础，即针对实际使用空间的避难路径、出口设置、楼梯设置、建筑物装修材料及内含物的发热量、避难人员数、避难人员属性等实际状况设定。我国在今后的若干年中，要实现对火灾的定量评估，至少要建立下述６个分析子系统：（１）起火空间内火灾发生与发展的过程模拟；（２）烟及有毒气体蔓延规律的模拟；（３）火势沿起火间之外空间的蔓延；（４）火灾报警、灭火及防排烟系统综合工况的模拟；（５）消防救援行为介入状况的模拟；（６）人员安全疏散的路径与行为的模拟。为了正确地给定性能规范的安全原则，最基础的一项工作是建立科学系统的火灾发生及损失的概率统计方法，包括：（１）对建筑物进行合理的类别划分，并统计各类建筑物实际存在的平方米数量和火灾发生时损失的数量。（２）确定火灾损失率的概率分布模型，并确定火灾损失率的数学期望和方差值。（３）从概率的角度，对“同型”和“非同型”的火灾事件进行计算处理，并最终给出各类建筑火灾危险性的概率度。４．３建立各类建筑物的火灾荷载数据库在从事性能化设计时，最重要的一步是确立火灾载荷的大小与位置，一个错误的火源设计可能导致整个性能设计的失败。26开发应用采用支拉筋加固方式，在扭面结构混凝土的浇筑过程中，模板的支拉加固钢筋处于不断变化，随着混凝土浇筑高度的提高，下部部分压杆逐渐转化为拉杆，通过ａｎｓｙｓ有限元软件模拟混凝土施工浇注工况，采用该种加固方案，混凝土浇筑高度不能超过３．５ｍ。当混凝土从１．１５ｍ浇筑到２．０５ｍ过程中上部的Ｌ５、Ｌ８钢筋处于微受压状态，但是考虑实际施工中由于模板的刚度及加强围檩的影响，所以上部模板未产生内倾覆；同时根据受压杆件稳定性验算，发现受压杆件稳定性验算不满足，存在容许长细比超过规范强制性要求，形成细长杆件极易失稳，所以若超过３．５ｍ，上部必须增设附加受压斜支撑，或增设水平防倾覆支撑。４．２扭面段模板施工方法４．２．１首段扭面模板施工工艺混凝土表面处理→扭面起始边测量放线→钢筋绑扎→分４层安装组合模板（３．４５ｍ左右）→模板临时支撑→预埋支拉筋就位→围檩加固就位→测量观测→模板扭面验收→预埋下一层支撑预埋件→混凝土浇筑→拆除模板→安装上层扭面模板（６．９ｍ左右）依次施工。４．２．２迎水面（断面轮廓线≥４５度）扭面段模板施工方法采用首段扭面组合钢模板周转使用，由于扭面的结构特性，该段挡墙迎水扭面面与首段扭面单位扭度的变化率不同，所以进行该段扭面的模板在进行分层支模过程中除采用支拉筋对扭面组合钢模板进行微变形调整外，在分层模板拼接位置衔接适度的调节板，调节板的设计严格按照扭面的增量求得，因此该段位置的挡墙扭面施工除了在每层模板进行相应调节外，其模板施工工艺与首段扭面相同。４．２．３迎水面（断面轮廓线＜４５度）扭面段至与明渠交汇段扭面模板施工工艺由于混凝土中搀加了大量的引气剂、减水剂等外加剂，当混凝土浇筑振捣过程中，会在扭面成型表面产生大量的水气泡。而在挡墙扭面迎水面的扭面模板角度＜４５度，混凝土表面的气泡与模板表面的摩擦分力大于气泡的浮力，致使气泡不能有效的排除，不可避免的在混凝土表面产生水气泡等缺陷，尤其在与１：２明渠交汇面附近的范围内更为明显。因此该段扭面的混凝土施工采用翻模工艺能很好的弥补以上不足。而扭面组合钢模板的应用非常适合采用此工艺施工。其工艺流程为：扭面起始边测量放线→钢筋绑扎→组合模板→模板支撑加固就位→测量观测→混凝土浇筑→观测砼入模时间和拆模强度→按照先浇先拆的原则依次拆除下层模板→人工抹面、找平→砼成型扭面验收→安装上层扭面模板依次施工。采用翻模施工工艺根据不同温度条件下的混凝土凝固情况来判断翻模时间，翻模时间在混凝土初凝强度达到０．１５～０．３ＭＰａ时效果较好。底层的模板拆除后，采用人工找平、抹面。为避免对混凝土表面的过多扰动影响，抹面次数一般不超过３次。拆模后，对模板及时进行清理，周转至上层扭面段施工。采用该种工艺能够使扭面模板的应用更具通用性，改进了混凝土外观质量，加快了扭面挡墙施工进度。５扭面组合模板及支撑施工方法的应用特点（１）扭面组合模板的结构特点符合理想扭面的特性。（２）模板的刚度合理，自重轻，附配件通用于组合钢模板，施工操作简单方便，具有良好的稳定性。（３）模板扭面检验和检测方法直观。（４）模板加固采用内部撑拉筋方法，安全合理。（５）通过调节模板微变形，可在一定范围内通用于其他形近渐变扭面，便于周转使用。（６）对于扭曲面坡比较缓的部位，配合翻模施工工艺，具有良好的推广性。６结语目前渐变段扭面的施工方法所采用的有土工模施工方法、组拼木模施工方法、组拼小钢模板施工方法、全钢大模板调整扭面施工方法。从严格意义上说这几种施工方法在扭面结构迎水面混凝土施工中都达不到的结构设计扭面的理想要求。渐变段扭面组合模板施工方法的研究，根据扭曲面特性形成具有一定刚度的单元扭曲模板块，通过模板块的拼接形成结构设计要求的扭面面，同时渐变扭面组合钢模板通过调整模板自身刚度，增加微变形可以通用到相对坡比变化不大的形近扭面中，节约模板投入；对坡比较缓的扭曲面配合采用翻模施工工艺，可以有效的降低扭面模板施工成本。其自重轻，通用性强，成型质量好，符合模板专业化施工发展的方向。特别是南水北调等重要工程中，扭面段的混凝土成型施工质量控制，尤为重要，它不仅影响着倒虹吸工程的施工速度，而且对于减少整体水能的损失的影响意义重大。参考文献：［１］ＤＬ／Ｔ５１４４－２００１．水工混凝土施工规范［Ｓ］．［２］ＤＬ／Ｔ５１６９－２００２．水电水利工程模板施工规范［Ｓ］．［３］ＧＢ５００１７－２００３．钢结构设计规范［Ｓ］．（上接第２６页）命安全。我国目前已具备深人开展用区域模拟计算方法进行设计计算的设计方法研究的基础。建立一个好的评估方法体系才能保证性能设计的安全性，并给人们一个比较完整的系统安全概念，因此这是一项非常重要的基础性工作。上述为建立性能规范所必须的最基本的条件，除此以外还有许多工作要做。只要我们有一个好的开端，打实基础，就一定会开创出“性能设计”的全新时代。参考文献：［１］李引擎．建筑防火性能化设计［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５．［２］王建刚．建筑防火性能化设计之探讨［Ｊ］．消防科学与技术，２００７，２６（６）：６５１～６５２．［３］吴勤勇．关于建筑防火性能化设计的探讨［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／１１９．ｃｈｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎ／ｘｆｋｊｙｚｂ／ｔｘｔ／２００７－０５／１８／ｃｏｎｔｅｎｔ＿１５８４４０８．ｈｔｍ，２００７－５－１８／２０１１－６－６．［４］倪照鹏．国外以性能为基础的建筑防火规范研究综述［Ｊ］．消防技术与产品信息，２００１，（１０）：１３～１５．［５］霍然，袁宏永．性能化建筑防火分析与设计［Ｍ］．合肥：安徽科学技术出版社，２００３．17
