【摘 要】建筑防火的安全性十分关键，性能化设计是一种新型的防火系统设计思路，也是一项非常复杂的体系，它的实现需要各种社会环境和技术条件的全方位支撑。
【关键词】防火安全；规范适用范围；设计定量评估；疏散模拟；控制系统
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。性能化设计是一种新型的防火系统设计思路，是建立在更加理性条件上的一种新的设计方法。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，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。应该指出的是，由指令性规范向性能规范的转型不是一蹴而就的。目前国际上所谓性能规范都只是包含部分性能规定，并没有百分之百的性能规范。指令性规定与性能规定不是简单的替代，而是在相当长的时期内并存或互补，这样既不妨碍新技术的应用，又能够保持当前的安全程度。笔者就我国性能化研究与实践工作，谈几点看法。
1. 工作的基本方向
1.1 性能规范的适用范围。
（1）规范规章没有规定的情况。
（2）规范规章虽有标准规定，但不能或不足以应对现实情况时。
（3）让设计者能在安全无虑又合乎经济利益的情形下，自由地设计出合乎需求的使用空间。从发达国家现行情况看，目前的性能设计规范并不是多么复杂，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，它需要诸多方面的共同努力。
1.2 性能设计的原则。
（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。
2. 火灾发展模式及预期损害度的分析评估
2.1 火灾性能设计的定量分析。
2.1.1 性能设计的核心就是运用大量的定量分析去解决工程安全的评估。定量分析包含两类程序：
（1）决定性程序：将火灾成长、扩展、烟移动及对人员影响予以定量化（从理论分析、经验关系推论、使用方程式及火灾模拟方法）。
（2）概率性程序：估算发生某种不预期火灾情景的可能性（利用火灾发生频率的统计数据、系统可靠度、建筑背景资料及决定性程序所获得资料）。火灾模式的影响因子应考虑模式的输出量（例如：温度、速度、热通量）及合格标准（例如：侦测所需时间、达到人类无法承受的时间）。火灾模式也为概率模式，主要进行火灾风险评估，分析事件树与概率，而使人们因火灾丧生的风险降低。
2.1.2 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。
2.2 火灾性能设计的定量评估。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。
2.3 火灾发生及损失的概率统计。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，并最终给出类建筑火灾危险性的概率度。
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。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，因而火灾荷载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荷载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。具体工作包括：
（1）通过实际调查和实验确定各类建筑材料和设施的燃烧热值。
（2）用概率统计的方法处理火灾荷载的分布型式。统计表明火灾荷载的分布不服从正态分布，而表现为极值I型分布。因此将楼层火灾荷载作为随机现象，将其概型化、抽象化为统计数学模型，并根据调查数据寻其统计规律，应该是可行的途径之一。
（3）鉴于建筑结构的可变荷载与火灾荷载的统计分布均服从极值I型分布，因此可以探讨在这两者之间建立某种逻辑联系，进而确定两者间的比值关系。这将会使规范编制和设计选用工作大大简化。
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。
4.1 在日本，目前性能化防火设计尚未单独立法，而且其偏好使用火灾预测简单公式进行计算，所以在个别火灾项目中有大量的简单公式完整的介绍，其中当然也还有可以加强之处，主要是关于火灾进程、闪燃现象的发生以及火灾探测与抑制方面的预测公式尚未出现，当此部分也完成的时候，日本简算公式将会成为相当好的整体火灾预测模式。而且，其简算公式中每一个参数的选择都是非常严谨的。
4.2 而在英、美、澳三国（澳洲的法规源自于英国），计算体系中的同质性相当高，目前已经有完整详细的规范提供给防火设计人员参考。欧美国家普遍习惯采用计算机模拟软件进行火灾预测与火场重建的工作，因此对于火灾预测公式的发展不像日本那样完善。但是对于计算机模拟软件的开发不遗余力，模式也发展得越来越成熟，同时由于目前计算机的效能越来越高，进行火灾模拟的时间与精确度都大幅的提升，因此采用计算机进行模拟也是性能法规验证的方法之一。鉴于我国目前的实际情况，笔者认为可以采取简算预测与计算机模拟相结合的方法。
5. 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命安全。随着性能法规发展，英国、美国、日本、澳洲、新西兰等发达国家已提出许多计算机模式、验算模式、概率模式等避难安全检验方法。这些验算模式是以长时间的观察、实验结果为基础，再结合工程方法，进而编写成复杂的计算机软件，其花费是巨大的。在我国，目前为止尚未自行研发相关避难验算模式，因此建立避难安全设计法时，建议采用现有已成熟、开发的评估模式，分析评估各项检验模式理论框架，探讨其输入、输出的诸多使用参数，分析其假设条件及使用特性，判断其对我国国情特色（建筑物空间规划、使用特性、人员活动）是否适用可行等，并进而以引用国外技术为主，而不需再重复花费庞大的人力、物力重新建立避难安全检验模式。
6. 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。目前流行的模拟计算有区域模拟和场模拟两种，二者都出发于连续介质流动、传热传质和化学反应动力学的基本方程。场模拟能够以足够的空间分辨率揭示物理过程的细节，但计算量大，对火焰区的湍流和化学反应的处理较为困难，主要用于咨询和评估过程的计算模拟；区域模拟注重整体效果，以适当的工程近似描述各个物理过程，简化了方程组，大幅度地减小了计算的复杂程度和计算时间，是工程设计主要采用的计算方法。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。
7. 小结
对于某些大空间建筑（剧院、商业等），按性能化设计的思路，既在防火分区、安全疏散等方面通过科学地计算和评估，做出了一些突破规范的消防设计，又在某些设施上做了加强，既确保了建筑和人员的安全，又在最大限度上满足了特殊建筑的一些特殊功能需求，达到了功能和消防安全的完美结合。上述几点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］ 刘永军等.性能化结构抗火设计的若干关键问题［J］.消防科学与技术，2003，22（6）：15～18.
［2］ 黄德祥等.建筑防火性能化评估设计若干问题的分析［J］.消防科学与技术，2006，25（3）：23～25.
