浅析国内消防性能化设计的现状与展望

浅析国内消防性能化设计的现状与展望

摘 要 本文简要介绍了性能化设计和性能化规范的一些基本概念和国际消防性能化设计的研究和发展现状，并针对我国的实际情况，提出了发展性能化设计的必要性，最后就如何在我国发展消防性能化提出了建议。 关键词 性能化设计 性能化规范

引 言 国外从二十世纪八十年代开始，提出了“以性能为基础的

建

筑

防

火

设

计

方

法

”

（Performance-based Fire Safety Engineering Approach, 简称“性能化防火设计方法”）的概念。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，所以很快成为建筑防火的一种新概念，并且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地区的高度认可，达到越来越广泛的应用。

我国正在进入一个全面建设小康社会、加快推进有中国特色社会主义现代化的新的历史时期，经济建设面临许多新的机遇，也面临许多新的挑战。研究和发展性能化防火设计，对于提高我国消防安全的整体水平，对于我国消防行业应对经济全球化的挑战，具有十分重要的战略意义。 1、消防性能化安全设计的简介

一般规范规定的是建筑物内的健康、安全和舒适程度。传统上，规范都指定或规定建筑设施的方方面面：结构要求、耐火要

求、机械系统、电气系统、消防系统等等。在性能化规范中，这些对建筑物内的健康、安全和舒适程度的要求都通过政策性的总体目标、功能目标和性能要求等术语来表示的。在大多数情况下，规范不明确规定某项解决方案，而是确定能达到规范要求的可接受的方法。然而，在所有使用性能化规范的情况中，都存在可以采用以性能为基础的替代方法。如果选用了以性能为基础的替代方法，那么其结果就是性能化设计。从根本上说，性能化设计只是一个描述能够达到某种规定性能水平的设计过程的术语。

以性能为基础的消防安全设计是消防安全设计中的一种工程方法，其基础是：1、具有一致的消防安全总体目标和功能目标；2、火灾场景的确定性和概率性评估；3、相对消防安全总体目标和功能目标而进行的设计方案的定量评估。这种工程方法（即性能化设计方法）可以同性能化规范一起使用，也可以不跟它一起使用。如果使用了性能化规范，那就应该有一套固定的消防安全总体目标，功能目标和性能要求。如果不借助性能化规范，那就必须先开发出这些。性能化设计过程包括7个基本步骤，它们自始至终指导着分析和设计的进行：1、确定工程场址或工程的具体内容。2、确定消防安全总体目标，功能（或损失）目标和性能要求。3、建立性能指标和设计指标标准。4、建立火灾场景。5、建立设计火灾。6、提出和评估设计方案。7、写出最终报告。

2、国际消防性能化设计的研究和发展现状

目前，消防性能化设计的研究已成为国际火灾科学研究的新热点。性能化设计的基本思想就是以危险性和经济性评估为手段，利用现代科技成果来指导建筑防火设计，美国、加拿大、日本、澳大利亚、新西兰、英国、瑞典、芬兰等国家已相继开展了这方面的国家级研究工作，并对一些传统的规范进行了修订，使之适应建筑工业的发展，同时制定和着手制定新的性能规范，建立建筑火灾安全工程设计新体系。

最初，在这些国家性能化设计是补充现行法规和用于创新的建筑项目，由于性能设计达到的火灾安全比处方式法规更好或费用少，性能设计的成功导致其被普遍使用。在英国（1985年）、新西兰（1991年）、瑞典（1991年）、澳大利亚（1996年）、均已颁布了性能法规。 2.1澳大利亚和加拿大

在发展性能设计方面，这两个国家的研究人员进行了紧密的合作。加拿大发展的设计框架的核心是危险评估模型FIRECAM，该模型由六个字模型（如图1所示）进行定量分析。

火传播模型 危险性评估模型 用户响应模型 火发展模型 烟气传播模型 消防队响应模型 用户逃生模型 图1 危险性评估模型FIRECAM框图

FIRECAM模型是用事件树结构，由子模型提供一个事件到另

一个事件的事件的时间，一是生命的预期危险（ERL）；二是火灾费用预期值（FCE），即不包括生命在内的建筑的全部费用。与处方式法规相比，ERL值至少必须达到同样水平，而FCE值则应小些。

Cornelissen（1993）对3层非居住的木结构建筑采用4种模型进行分析，观察程序的一致性。4种模型如下：一建筑火灾安全模型；二建筑法规评估框架；三NIST火灾危险评估模型HARARD；四NRCC(national research council of canada)火灾危险费用性能评估模型。

NRCC模型是一个完整系统，包括火灾动力学，建筑设计，主动和被动火灾安全设施，维护主动安全设施的费用，人的行为等。安全的参考依据是建筑法规。

NRCC模型在火行为和人的行为方面使用了统计数据，用模型计算火增长，烟气传播，探测器和水喷淋头启动，当水喷淋头启动或消防队到达后，火被抑制变小，可用逃生时间为危险时间减去报警时间。

在NRCC火灾危险费用性能评估模型中用到下列模型：1、烟气运动模型，计算各处可存活条件的时间，或不能维持生命（人不能忍受）条件的时间；2、火灾探测模型，计算感烟探测器和水喷淋头响应时间和发生轰燃时间；3、用户报警和响应时间，报警的可能性来自模型二；3、消防队运动模型；4、烟气运动模型；5、撤退连续时间模型，计算所有人撤离的时间；6、出口模

型；7、边界元模型（分割间之间墙的忍耐性）；8、建立在模型7基础上的火传播模型和消防队估算财产损失的模型。

Thomas和Bowen认为不是所有的性能都可以量化，法规应被称为以目标为基础的法规，这样一个法规似乎有更广泛的含义，同时又兼容性能法规。澳大利亚1996年已颁布性能法规，加拿大在2001年颁布了新法规。澳大利亚性能设计框架如图2所示：

满足传统法规 多种解决方案 性 能 要 求 目 标 功 能 描 述 建筑解决方案 图2 澳大利亚性能设计框架

为推广实施性能法规，澳大利亚政府经消防规范改革中心推出了《消防工程指南》。该指南以落实性能法规为中心，总结出一套3个等级的消防工程系统评估方法。第1等级称为子系统对等评估。此方法适用于评估消防系统工程中某一部件或某一部分的运行性能，并将此部件与一个已知的符合建筑法规的部件相比较。第2等级评估方法称为系统性能评估。这一评估方法用于分析整个消防工程系统中各个子系统（如图1所示）的相互作用。

在分析过程中选择一个或几个有代表性的最危险的场景，以保证足够的安全系数。运用这一等级的评估方法可以得出直观的安全量值，也可以得出当前系统同一个已知的符合传统建筑法规的系统的比较值。第3等级评估方法是最具有综合性的评估方法，也就是系统危险性评估。这一方法以概率论为基础，结合考虑一系列可能发生的火灾事件以及它们发生的频率，各种消防措施的可靠性和有效性，对总体设计的安全性（危险性）和合理性作出综合评估。这一方法的复杂程度要高于前两种方法，但它为工程设计提供了一个更灵活和宽广的平台。

Grubits和Quaglis经调查认为使用性能设计可以节省费用，平均节省建筑费用5%-6%。 2.2日本

日本的系统被描述在1998年出版的文件中，其系统照样于以下几点：A烟气控制和撤离安全；B火灾发生和发展的预防； C建筑结构的阻燃；D火灾向其它建筑传播的预防。

这几点之间的关系以及安全评价程序的结构框图如图3所示。

安全撤离的保障 从火源处向其它空间的烟气运动 在火源房间的烟气运动 撤离行为 暴露在热源下的材料的点燃和燃烧行为 火灾的发生和火灾迅速蔓延的预防 火灾早期阶段的产生 水喷淋的火灾抑制效果 燃烧产物的毒性 附近建筑的热荷载（或房屋） 附近建筑外构件点燃的能力 火灾发展阶段火的增长和行为 火源处火的温度 从火源处向其它空间的火传播（向上层或相邻空间） 结构部分的温度（火源处周围构件） 结构部分的应力强度，变形 向附近建筑的火传播 结构损害 城市火灾的预防 消防队行动的保障 严重社会问题的预防 图3 日本评价程序的结构框图

1982年日本建设省制订了一个五年的研究计划来发展性能设计。这一计划的目的是发展一个建筑火灾安全方面的国家评价方法。法律目标是：A预防火灾发生；B火灾中的人员安全；C预防公共问题；D预防财产损失。

公共问题的一个例子是火烧到邻居或妨碍建筑中其他房客。

消防队到达一建筑的规定也被作为基本要求。在日本计划建造的主要建筑实际上已使用了性能设计。如日本国家剧院（56000㎡）是一个具有3个剧场的多层建筑。在性能设计中，发现在芭蕾和歌剧院能够使用木制面料，以及能够除去防火分区尺寸的限制，这在处方式建筑标准法律中是不允许的。

在日本，性能设计将是广泛的，而且能够帮助工业界发展新型产品和设计，以及允许工程师在火灾安全工程设计方面增加自由空间。

3、我国发展消防性能化设计的必要性 3.1我国建筑工程消防设计的现状

我国目前《规范》的制定主要基于大量的实践经验，并参考了许多国外的标准。但我国现行《规范》的制定过程中，大部分时间花在了繁冗的编写程序之中，编写的时间拖的很长：

规范名称 建筑防火设计规范 批准日期 1987.8.26 批准单位 国家计划委员会 建设部 主编制单位 公安部 公安部 规范修订之间相隔时间 12年10个月 12年5个月 高层民用建筑1995.5.3 设计防火规范 《规范》的内容缺少可靠性和科学性的论证。而且我国《规范》的部分内容沿袭先进国家已有的《规范》，再根据我国的一些实际情况对部分加以改动和删增。国与国的地理环境，气候特征等等都会有很大的差别；我国本身复员辽阔，东西，南北差异十分明显，所以单纯用“大而统一”的《规范》来约束全国的建

筑工程消防设计，就会出现许多不合理的情况。试想，一座高23.8m的民用建筑和一座24m的建筑，它们却分别要适用于《建规》和《高规》。同样，两座类别和功能和建筑面积大相径庭的高层建筑，一个40米，另一个24米，但它们的消防配置却大致相同。根本无法做到量体裁衣，显失公平合理的原则。

设计和审核本身就是矛盾的两个方面，但可以分清主次。建筑设计防火的审核应当服务于建筑设计方案，防火设计应该保证建筑设计方案的安全可靠性。但由于《规范》处在法律地位，即使《规范》本身有不足，设计人员也要根据《规范》的设计要求来修改建筑设计方案，造成本末倒置，束缚了设计者富有创造性的思想。由于法规在执行上过于笼统，条文又过于确定，使审核人员对《规范》的条文有了一种依赖性，滋生许多人的惰性，不愿学习能够达到真正安全合理的设计方法，造成了防火设计方案缺乏科学的论证。

我国现行的经济体制正由于计划经济向市场经济过度，经济效益越来越成为人们主要考虑的问题，消防投资也应该在确保一定的安全度的情况下，力求最大的安全经济效益。消防投资作为一种安全投资，它所创造的效益是潜在的，根据经济学的基本原理，只有当消防投资的效益大于或等于消防投资时，此时消防投资才具有经济意义。目前我国的“规范性防火设计”很难全面考虑“经济性”因素，因而不可避免地存在着浪费的现象。所以，建筑防火设计应朝着设计方案既科学又经济的方向发展。

3.2发展性能化设计将使我国建筑消防安全水平更加科学合理

国外的研究成果与实践经验表明性能化设计方法比传统的“处方式”设计方法具有许多优越性，包括设计方案更加科学合理，设计方法更加灵活，能有效地保证建筑设计达到预期的消防安全目标，有利于新技术、新材料、新产品的发展，有利于充分发挥设计人员的才能，有利于设计规范、标准与国际接轨等等。

这些优越性并非在所有建筑的防火设计中均能表现出来。由于进行性能化设计所需的工作量往往较大，费用较高，设计计算、验证以及执法机构对设计方案的审核等都比较复杂，因此，对于一些常见类型的普遍建筑和场所，运用“处方式”设计方法将更加简单、高效。而大型综合商场、商城、高层建筑、高级饭店、文化娱乐场所、体育场馆、机场、车站、码头、大型仓储和工业厂房、以及其他类型的大型复杂建筑，由于其在建筑的构造及技术和材料的采用上，往往“个性化”色彩较重，正是性能化设计方法的用武之地。国外建筑性能化设计的成功案例，大都是这类大型复杂建筑。

我国经济的持续高速增长，使各类大型复杂建筑在全国各地如雨后春笋般发展。对于这类建筑的防火设计，我国现行的“处方式”规范和“处方式”设计方法已经显得有些难以适应。业内人士常常能看到下面的一些情形：1、设计人员和业主为了使建筑能满足防火规范的要求，在内部结构、美观、技术创新等方面作出让步；2、设计单位提出了一个“超规”的设计方案，由于

在规范中找不到依据，有关部门只好召开专家论证会进行论证，而与会专家也只能凭借各自的经验发表一番意见而已；3、保护过度，如火灾探测器，自动水喷淋头，防火卷帘等被安装在一些几乎没有可燃物，没有火灾危险性的地方。

性能化设计方法的采用，将给设计人员提供更大的创新空间，使我国大型复杂建筑的建设水平上一个大的台阶；更重要的是，性能化设计将使这些建筑物的防火设计方案更加科学合理，使建筑物的消防安全得到更好的保障。 4、对我国发展消防性能化的建议

发展消防安全工程学，建立适合我国国情的性能化消防安全设计方法，最终制订出我国的性能化规范，是二十一世纪我国消防科研工作者所面临的挑战，也是国务院《关于加强和改进消防工作的意见》的重要内容。下面就我国如何开展消防性能化工作，提几点建议：

4.1研究制定详细的战略发展计划。

就如何发展消防安全工程学和建立适合我国国情的性能化消防安全设计方法，组织有关专家研究制定详细的战略发展计划。

4.2引进国外最新成果。

当务之急是应该让更多的我国消防科研人员了解和掌握消防安全工程学的基本理论、知识和国外发展动态。消防安全工程学是目前国外消防科研中最活跃的领域，近几年发表论文很多，

并出版了一些专著。应在系统的收集和研究的基础上组织翻译出版，将国外最新成果介绍给我国消防科研、教学和管理人员。对于国外已颁布的性能化设计指南和性能化规范，也可组织专家进行研究和翻译，供国内有关人员参考。 4.3开展消防安全评估方法的研究。

消防安全评估方法是发展性能化设计所必需的关键技术，是实施性能化设计的必要技术手段。此外，消防安全评估方法也可应用于对现有建筑的消防安全水平进行评估，为各类建筑的防火监督管理提供科学的方法与手段。我国消防科研机构对高层建筑、地下建筑和大空间建筑的火灾特性和防灭火技术开展了攻关研究，取得了初步研究成果，为针对这些建筑类型开展深入的性能化消防安全评估方法研究打下了一定基础。应组织开展攻关研究，在之前的研究成果的基础上，借鉴国外经验和研究成果，结合我国实际情况，开发出数个具有使用价值的消防安全评估模型和相应的计算机软件。

4.4开展消防安全工程学基础理论研究，特别是计算机火灾模化技术的研究。

计算机火灾模化技术是发展性能化设计的另一项关键技术，它是消防安全评估方法的重要基础。此外，火灾模化是火灾科学和消防安全工程学的一个最重要的的研究领域，它的应用前景十分广阔。例如，国外已开始将计算机火灾模化技术运用于重大火灾的调查，取得了一定的成果。我国在火灾模化方面的研究已有

一定的基础。此外，还应积极开展火灾发生及损失概率计算体系、常见可燃物及组件的火灾特性、建筑物火灾荷载密度、火和烟气蔓延特性、人在火灾中的行为、各类消防设施的对火反应及相互作用等方面的研究，为消防安全评估及性能化设计提供必需的基础理论和数据。

4.5研究制订性能化消防安全设计指南和性能化规范。

在完成上述各项工作的基础上，制订我国的性能化设计指南和性能化规范。何时着手制订这两个指导性技术法规，必须视上述各项前期技术工作的进展而定。此外，性能化设计指南和性能化规范的构成和相互关系，以及编制工作的先后顺序，也是必须进一步研究的问题。可考虑编制性能化设计指南，为建立性能化设计方法提供技术指导。待到性能化设计方法基本为我国广大消防设计和管理人员所熟悉，并在实际应用方面取得一定经验以后，逐步完成性能化防火设计规范的编制。

后 记 我国经济建设进入一个新的发展阶段。要从容应对国际金融我国国内企业的冲击，保持国内企业在本行业市场中的主导地位，其中最关键的一点就是应该发展高科技。国内企业掌握了高科技的有力武器，才具有与外国公司竞争的实力。性能化防火设计的方法和技术，是消防工程行业发展最快、潜力最大、可以带来巨大回报的高科技。发展性能化设计，应该成为我国在世纪之初迎接新的发展机遇和挑战的一项战略措施。同时，我们也应该看到，由于目前我国消防科学技术的基础仍然很薄弱，特别是

基础理论研究方面与国外存在较大的差距，因此，发展性能化防火设计将是一项难度较大、需要社会各方面共同努力的长期的任务。希望我国消防界同仁共同来关注和研究性能化设计的现状，加强技术交流与合作，一起推动这项事业的发展。 参考文献

《发展性能化防火设计迎接新的机遇与挑战》 肖学锋 中国消防 2002年 第4期

《性能化消防安全设计的简要介绍》 消防安全工程工作组 国外建筑物性能化设计研究 2001年8月

《火灾安全工程设计的发展和研究》 汪箭 吴振坤 消防科学和技术 1999年11月第4期

《发展消防安全工程学和性能化防火规范》 肖学锋 消防科学和技术 1999年11月第4期

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