| 大型建筑的防火分区问题的性能化设计分析 |
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| 作者：方正 王平 程方涛
2004-9-22 8:27:00 |
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摘要：新型建筑的出现给按照传统规范进行审核带来了许多难题，性能化防火设计方法是解决这一难题的可行方法。本文介绍了大面积建筑中传统防火分区存在的许多弊端，从设置防火分区的目的和意义出发，根据性能化防火设计可替代原则，论证了动态防火分区和可燃物非连续化处理方法的可行性。
关键词：新建筑 防火分区 性能化防火设计
Abstract: It brings too many difficult for fire-protection management to authorize according to the traditional Code because many new type buildings have been built. The performance-based approach may be a practice method to solve the problem. The paper introduces the disadvantage of the compartmentalization of the large scale building based on the traditional Code. From the aim and significance of compartment, we provide two practicable methods for compartmentalization with the alternative theory of performance-based approach: one is dynamic compartment, and the other is discontinuity of combustible material.
Key word: new-type building, compartmentalization, performance-based fire approach
1. 引言
近年来，随着我国经济的发展，各地均大量出现的各种不同类型的大型建筑，这些建筑无论从建设规模还是建设速度上都是前所未有的。特别是我国加入世界贸易组织（WTO）之后，大量外资涌入，加上我国建筑领域的对外开放，许多新型、大型公共、工业建筑直接由国外建筑设计事务所设计，一些工业厂房甚至直接从国外复制而来。这些建筑在防火设计方面存在着许多与我国现行防火规范不相适应的地方，特别是在防火分区方面，经常会发生与建筑的实际使用功能相矛盾的现象。
消防主管部门在对这类建筑进行消防审查时往往十分棘手，由于我国规范与其它国家规范差异较大，某些内容相对滞后，不能适应新形势的发展，目前条件好一些的城市或一些规模较大的建筑，消防部门可能会组织召开消防专家论证会，对一些具体防火问题进行专门论证，使其通过审核；而对于大多数一般建筑而言，迫于当地政府对外开放，招商引资，改善投资环境的政策压力，特别是一些外商直接“克隆”过来的工业厂房，往往会直接向当地政府质疑，为什么在自己国家使用多年的厂房建筑在中国不行，这样往往会给消防审核部门带来非常大的压力，最后不得不在不进行审查的情况下默许业主开工建设及运营，这样必然导致有法不依，执法不严，权大于法的现象，长期下去也极易滋生腐败。
总之，随着经济建设的发展以及建筑业的对外开放，建筑中所遇到的防火审查问题将会越来越突出，消防部门作为执法部门既不能一味迁就当地政府的政策压力，有法不依，执法不严，但作为消防主管部门本身而言，也必须改革现行的执法模式，修订不适应新形势的规范条文。但考虑到于国情不同，自然条件不同，国外的规范又不能简单地完全照搬过来，同时各种建筑的结构形式等千差万别，传统条文式规范的简单修订也很难适应这些建筑的多样化的要求，所以性能化防火设计方法的推广使用便是一条十分可行途径。目前国内外都非常重视性能化防火设计方法的研究和应用工作，我国已开始进行了许多卓有成效的工作，在许多大型建筑中也得到了初步应用，一些沿海城市的大型建筑的防火分区问题也得到了成功的解决。
2. 性能化防火设计方法概念
性能化防火设计方法也称“以性能为基础的消防设计”（performance-based fire engineering approach），它是运用消防安全工程学的基本原理和方法，考虑火灾本身发生、发展和蔓延的基本规律，结合实际火灾中积累的经验，通过对建筑物及其内部可燃物的火灾危险性进行综合分析和计算，从而确定性能指标和设计指标。然后再预定各种可能起火的条件和由此所造成的火、烟蔓延途径以及人员疏散情况，来选择相应的消防安全工程措施，并加以评估，核定预定的消防安全目标是否已达到。然后再视具体情况对设计方案作调整、优化。它的主要思想是在消防设计时仅提出建筑消防安全所需要的性能要求或指标，而不直接要求设计人员为此所必须采用的某些特定的解决方法，如何达到这一指标要求，采取什么样的工程措施则由设计人员自己确定，但是设计人员最终要向审核人员证明其所选择的工程解决方法或措施是安全可靠的[1]。
相对而言，传统的消防规范又称为“处方”式或指令性规范。规范以条文的形式规定出各设计参数和技术指标，设计人员据此并结合个人的实践经验制定出设计方案。一般情况下，设计者只要按照规范规定进行设计就认为该建筑的防火安全是符合要求的。过去大多数国家的消防安全法规都是以这种“处方”的形式制订的，即设计人员和其他规范执行者都是依据详细的规定来开展工作，对规范不能有任何偏离。该种设计方法具有一定的可靠性，一般情况下也比较方便执行。但是由于传统的消防设计思想是根据建筑分类，按照消防设计规范的要求，对建筑的防火等级、防火分区、安全疏散、消防给水、防排烟及报警等各方面提出要求来保障建筑安全的要求，如：规范对探测或洒水装置的空间要求、内墙详细的防火等级、防火分区的面积、到出口的最大距离等都做出了详细的规定，它要求每一项都要达到规范的具体指标要求。这些在一般情况下也许是适用的，但是在某些特定的环境中一些要求的真正目的就可能达不到。例如：设计者也许可以控制到建筑物外部的最大允许的行走距离，但是却不一定能知道最后一个逃生者逃离建筑之前室内烟气的扩散程度，因而安全疏散的目的能否完全达到也就值得怀疑。由于设计人员只能根据规范办事，毫无创造的空间，并且无法确切地知道人们认为安全的具体指标到底是多少，为满足这种安全的建设投入与所能达到的安全性能水平之间具有多高的投资效益比，如上面的例子中到底最大疏散距离是多少才是安全的，我们不能为了绝对安全而无限制的缩短疏散距离，这样建筑物造价也会大大提高[2]。
英国是最早提出采用性能化设计的国家，在1985年就开始编制有关性能化消防设计规范，新西兰1992年也开始采用性能化设计法规。特别是从80年代中后期开始随着火灾科学研究和计算机火灾模拟技术的发展，性能化消防设计方法更加受到世界许多发达国家的重视[3]。
目前许多国家如：美国、澳大利亚、英国、新西兰、日本、加拿大等一些国家在建筑消防性能化设计方面进行了大量的研究工作，有些国家在消防设计及应用方面已经取得了巨大的经济效益和社会效益。
3. 传统规范中防火分区的要求
目前我国传统规范中关于防火分区的规定主要有：《建筑设计防火规范》（GB50016-87），《高层建筑设计防火规范》（GB 50045-95）,以及《人民防空工程设计防火规范》（GB50098-98）等。
对于高层建筑规范规定每个防火分区允许最大建筑面积如下表
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建筑类别 |
每个防火分区建筑面积(平方米) |
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一类建筑 |
1000 |
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二类建筑 |
1500 |
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地下室 |
500 |
对于设有自动灭火系统的防火分区，其允许最大建筑面积可增加1.0倍；对于建筑内的商业营业厅、展览厅等，当设有火灾自动报警系统和自动灭火系统，且采用不燃烧或难燃烧材料装修时，地上部分防火分区的允许最大建筑面积为4000ｍ2；地下部分防火分区的允许最大建筑面积为2000ｍ2。
对于低层民用建筑，其防火分区为
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耐火等级 |
最多允许层数 |
防火分区面积（m2） |
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一、二级 |
九层及以下住宅，24米以下其它建筑 |
2500 |
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三级 |
5层 |
1200 |
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四级 |
2层 |
600 |
对于人防工程，其防火分区的规定为：
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建筑类别 |
防火分区面积（m2） |
备 注 |
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普通地下建筑 |
500 |
有自动灭火系统时可加倍 |
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商业营业厅、展览厅 |
2000 |
要求A级装修，自动报警及自动喷水系统 |
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影剧院、礼堂等 |
1000 |
有自动灭火系统也不能加倍 |
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丙、丁、戊类物品库房 |
150、300、500、1000 |
有自动灭火系统时加倍 |
这些规范参考了国内外有关正反两方面的经验，在实际使用中起到了很好的作用，极大地减少了火灾损失。规范条文说明中提到的我国某教学大楼每层建筑面积2600m2的三层建筑物，因为没有防火墙划分防火分区，也无防火安全措施，在三层起火后，将该层建筑全部烧毁；而另一所宿舍占地1312m2，采用三道防火墙划分了防火分区，火灾后2/3的房间没有被火烧毁。国外如英国、前苏联、日本、美国、澳大利亚等规范中均由关于防火分区的规定，其中澳大利亚的规范更为详细。因此，从实际防火效果来看，也从防火设计审查来说，建筑的防火分区仍然是一项重要的指标，必须予以很好的保留，对一般建筑而言，应该严格遵守。
但我们也可以看出规范中最大的防火分区也只有4000 m2，而目前一些地方出现的大型建筑面积往往达上十万甚至几十万平方米，这些建筑按照如按传统规范分区必然要将建筑化分成若干分区，在建筑功能和艺术上均会受到不同的影响。
4. 大面积建筑中传统分区方法存在的问题
在建筑设计中通常采用的工程设施主要有：防火墙、防火门进行物理分隔；防火卷帘，平时开启，火灾时通过自动控制或手动控制关闭；水幕分隔以及普通卷帘加加密水喷淋系统保护等方法。这些传统方法在实际工程中都有应用，对于普通建筑效果良好。但是近年来大量新型建筑的兴建，特别是大面积、大体量建筑等的建设，如大型展览馆、商场、仓储式超市，这些建筑需要交通便利，物流通畅，上下通透，因而使得按照传统的分区方法或措施进行的防火分区时无法同时满足使用功能和防火功能上的要求[4]。具体表现为：
4.1 大面积地使用防火卷帘。一些面积较大的建筑由于人员和物流的需要，平时一般不容许进行物理分隔，于是大量采用防火卷帘。但由于复合型防火卷帘价格昂贵，防火造价大幅度的上升，增加了企业的经济负担。有些企业为了节省开支甚至采用普通防火卷帘替代复合型防火卷帘，极大地降低了火灾的安全性。同时大面积防火卷帘的使用也经常出现许多其它问题，如卷帘箱的缝隙、导轨及卷帘下部常常因受热而变形，导致卷帘无法落下；防火卷帘下方堆放货物、杂品等也可能使卷帘不能落下；防火卷帘受火焰作用向受火面凸出，出现较大的缝隙，失去阻火隔烟作用；此外，面积较大时也往往不能保证在火灾中全部卷帘关闭。这些都极大地降低了防火卷帘的防火效能。
4.2 长距离水幕保护。按照规范，作为防火分隔，一般水幕带的有效宽度不宜小于6米，通常要做三排配水管，因此需要比较庞大的供水系统。目前在一些大型建筑中采用水幕代替联片的防火墙时，防火分区的分隔长度达几十米到上百米，这在实际工程中几乎不可能实现，因为这些分隔要保证6米的水幕带宽每小时需要数百吨甚至上千吨的水，这些水量的供应一般无法满足，同时这些水量的排放也将十分困难。
4.3 普通卷帘加加密水喷淋保护。按照“高规”第5.4.4条规定“采用不包括背火面温升为判断条件的防火卷帘时，其卷帘两侧应设独立的闭式自动喷水系统保护，系统喷水时间不应小于3小时”，即采用普通的复合防火卷帘加冷却水幕系统。这在一些需要大面积分隔的建筑中仍然难以满足，因为按照自动喷水灭火系统设计规范，假定按照一些仓储式超市高7米的防火卷帘计算，其冷却水幕的喷水强度需要0.9L/(m·s)，水幕保护长度按中等规模超市100米计算，喷水时间取3小时，则冷却水量高达972m3，如果在加上其它地方的喷淋和消火栓用水量，则消防用水量也将超过上千立方米，这在一般城市靠市政供水肯定是无法满足的。
由于这些新问题的出现，一些地方开始利用召开消防专家论证会的方式，对建筑消防的一些具体问题进行论证，采取消防措施替代，通过加强其它方面的防火安全来弥补防火分区不能满足传统规范要求的不足，这实际上就是性能化防火设计的一种初步形式。
5. 防火分区的性能化方法
5.1火灾蔓延及防火分区的意义
建筑内设置防火分区的意义在于:建筑某部位起火后,能够将火势限定在一定的范围，使其不至于迅速蔓延，避免建筑物内火灾发生轰然，并为人员、物资疏散和救援工作赢得时间,进而减少和控制火灾所造成的损失。
然而影响火灾发展和蔓延的基本因素有多种：如可燃物的种类，固体、液体、气体等各不相同；起火点所在的环境状况，其中燃烧空间是否受限是一个重要方面。通常情况下建筑火灾先是可燃固体发生阴燃，当达到一定温度并遇有通风条件，阴燃开始转变为明火燃烧，随后，可燃物的燃烧速率迅速增加，在火源上方出现烟羽流，在升腾中不断卷吸周围空气，当烟羽流受到房间顶棚阻挡后，便向顶棚下方扩散开来。随后，烟羽流在下降不长的距离后又继续上浮，并在室内形成逐渐增厚的热烟气层，温度越来越高，浓度越来越大，此时如果起火室对外界的传热速率不太大，室内的温度将会逐渐升高，由于火焰、热气层和壁面将大量热量反馈给可燃物，将加剧可燃物的热分解和燃烧，结果使火灾发展到轰然阶段，一旦发生轰然，起火室中的各种可燃物基本上都开始燃烧。
目前一般认为要使室内发生轰然，地面可燃物接受到的热通量应不小于20kw/m2，或顶棚下的温度应接近6000C，此外在轰然发生之前，燃烧速率一般认为要超过40g/s。[4]所以，影响轰然的因素应包括：可燃物的性能和存放数量；向燃烧区供应空气量。如有的建筑，空间很大具备了足够的空气供给，顶棚温升慢，热量散失快，故较难发生轰然；有些建筑，空间在有效的喷淋控火和降温作用下，轰然也较难形成；有些建筑，空间较小，通风条件不理想，空间内无控制初期火灾设施，一旦通风突破限制极易形成轰然。
所以，要达到防止火灾扩散和蔓延的目的其措施应不只设置防火分区一条，如控制可燃物的数量、限制氧气的供给等措施都可以防止火灾大规模的蔓延，当然这些具体措施能否防止火灾蔓延必须针对具体建筑通过科学的计算分析，严格的理论或实验证明可以达到阻止火灾蔓延的目的，实际上这就是性能化防火设计的实质。
5.2、性能化防火分区方法的初步探讨
1）、强化自动消防措施建立动态防火分区的思想
按照传统的理解,设置防火分区就意味着采用防火墙、防火门窗等实物对建筑空间进行分隔,从而将火势限定在分区范围内[5]。它强调的是对“火势发展范围”的控制，因此是一种静态的、被动的火灾控制手段；防火分区同时还隐藏着另一层含义,即勿需对空间进行实体分隔，而是通过设置高密度、快速反应的水喷淋装置，建筑材料的不燃化及可燃界面的非连续化等措施将火势限定在更小的范围内。它突出的是对“着火源”的控制，因而是一种动态的、积极的防火手段，因而也是一种动态的防火分区，它可将火势控制一定的保护范围之内。
动态防火分区的确定必须要考虑建筑的功能、性质、规模等基本情况，同时还应根据建筑人流、物流、时间、空间、内部、外部、静态、动态等具体场景的不同，结合建筑的其它性能化防火设计予以考虑，通过火灾动力学原理以及各种消防措施的综合分析加以选择。
目前我国还没有比较权威的综合设计分析方法，但一般而言，当建筑内设有灵敏可靠的消防设施(如快速反应水喷淋系统)、起火源及火灾负荷得到有效控制、可燃物质的非连续化或相互间形成的自然间距、合理的安全疏散体系都有保证，同时也具有相对完备的可共享的市政消防资源、严格规范的内部管理机制等时，则我们认为可以考虑采用动态防火分区的方法。这一方法目前在一些消防管理较好的商场和厂房中开始使用。
2）、大空间火灾荷载的非连续化处理方法
对于有些大空间建筑如中庭建筑、高大空间的展览厅、科技馆、博物馆展厅等建筑，这些建筑的建筑面积和空间都比较大，高峰时流动人员较多，但相对而言火灾荷载较低，可燃物不连续，周围裙房与中心大空间可以严格隔开。由于空间高、热量散失快，温升慢，因此，不会产生轰燃和堆物的连续以热辐射为主要形式的燃烧，火灾中的主要危害是烟气的扩散和蔓延。
在工程中对于这类建筑可以不进行严格物理意义上的分区，但在火灾荷载的控制上必须保留足够宽度的隔离带，使燃烧物不连续，同时也为人员疏散留下足够的通道，这一点在展览馆布展时必须严格遵守。同时必须加强对烟气的有效控制和处理，保持相应的防烟分区，加大建筑物上部的烟气的排放能力；同时加强自动喷水灭火系统等有效措施（有些地方采用消防水炮等）将堆垛的燃烧处于可控制范围甚至直接扑灭。
6、结语
随着我国经济建设的高速发展，各类新型建筑的大量增加，在消防规范和审核工作中我国沿用多年的现行规范暴露出了相对滞后的一面，特别是在沿海发达城市，大空间建筑(如机场、展览厅、厂房仓库)正成为城市建筑发展的一个新趋向，而作为严重制约其发展的某些规范条文，必须进行修改、补充和完善。同时对于一些体现特殊功能但与现行规范不尽相符的建筑设计，消防建审部门不应简单地称其不符合我国规范要求而一言搪之，不处理，不验收，而是要在理性、客观、全面进行分析、评估的基础上寻找出解决方案。目前一些地方开展的专家论证会也是一条可行的方法，但一般而言，专家论证会时间短，论证不充分，仍存在“拍脑袋”现象。所以，条件具备的地方建议逐步采用性能化防火设计方法来处理这些新出现的问题。同时，作为消防科研部门等也应积极地开展性能化理论研究，加快性能化防火设计中科学问题的解决，我国的规范制订部门也应尽快制订出我国的性能化防火设计导则，通过法规的形式明确可以采用性能化防火设计建筑的具体条件，性能化设计的具体方法、步骤等，对消防审核部门进行具体指导。
参考文献
1． 方正，程彩霞等，性能化消防设计方法的发展及其实施建议，自然灾害学报，2003，1,63-68.
2． 张菊良，对我国建筑防火技术体系的思考，给水排水，2000，Vol.26，No.2，P.61-63。
3． Richard W, Vytenis. B, Developing rational, performance-based fire safety requirements in model building codes, Fire and Materials, 1994, Vol.18. P.173-191.
4． 曾杰，建筑空间与防火分区、自动喷水灭火系统的关系，全国建筑给水排水水消防分会第二次年会暨学术会议论文集，2002，4，5-8。
5． 翟羽, 由英特尔公司仓库防火分区问题所引发的思考, 消防技术与产品信息，2001，8
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【文章出处：《消防科学与技术》】 |
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