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1、1,第十章 性能化防火设计简介,提 纲,一、性能化防火设计的时代背景二、性能化防火设计的方法与步骤三、性能化防火设计的科学与技术基础四、性能化防火设计举例,2,3,一、性能化防火设计的时代背景,3 建筑与科技发展对防火设计的新要求,2 处方式建筑防火设计,4 性能化防火设计的兴起,1 建筑防火的目的与措施,5 性能化设计和处方式设计的关系,4,建筑防火目的：(1)保护建筑物内及其周围人员生命安全和健康；(2)保护建筑物内及其周围财产并限制火灾损失；(3)保护消防人员的安全并能够开展有效的灭火工作；(4)保护环境（大气、水和土壤）。,1.建筑防火的目的与措施,5,保护人员安全措施：预防火灾疏散通
2、道限制火灾蔓延尽早发现火灾并进行有效灭火避免发生轰燃通过限制疏散通道的长度、防烟、排烟、排热以及防止建筑物倒塌等措施减少人员的危险性,实现防火的技术措施,6,保护财产安全的措施：预防火灾减少财产密度尽早发现火灾并进行有效灭火限制火灾蔓延避免发生轰燃通过排烟、排热、避免水造成的损失以及防止建筑物倒塌等措施减少财产的损失,实现火灾防护目的的技术措施,7,2 处方式建筑防火设计,定义：处方式建筑防火设计：按照传统建筑防火设计规范对建筑物防火分类及其对防火设计的明确要求，对建筑防火系统进行设计的工程。处方式防火设计评估：按照传统建筑防火设计规范对建筑物防火分类及其对防火设计的明确要求，对建筑防火系统设
3、计进行评估。,8,9,3 建筑和科技发展对防火设计的新要求,现代建筑的特点：攀高比阔，争奇斗艳，彰显时尚，各领风骚,10,火灾科学方兴未艾：火灾机理日见清晰现象描述逐渐量化数值模拟日臻完善研究群体日益强大,火灾科学和消防技术的发展为消防工程的变革提供了可能,11,消防技术层出不穷：火灾探测智能化火灾扑救自动化成套设备系列化消防管理信息化,火灾科学和消防技术的发展为消防工程的变革提供了可能,细水雾灭火,遥控水炮,定义：性能化设计：针对特定建筑对象的消防安全目标，运用消防安全工程学原理，采取计算机模化或数理推算的方法，并结合实验方法，确定合理的消防安全设计。性能化评估：采用确定性或概率方法，基于消
4、防安全工程学的逻辑关系，对已设计或现有的建筑对象，结合其消防工程体系的合理性、实用性，数值化地分析论证其火灾危害与风险。,12,4 性能化防火设计的兴起,13,特点：只确定建筑要达到的总体目标要求或设计性能水平，规定一系列性能目标和可以量化的性能准则和设计准则，一般附有一个指导设计的技术文件。设计人员或其他规范执行者根据设计对象特点，按规范要求，采用“处方式”规范或以性能为基础的设计和评估方法来完成认为可以接受或能够取得最低规定安全水平的设计。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。,14,可以针对不同的建筑物确定不同的安全水平，能使设计者或监督者具有
5、自由发挥的较大余地，解决“处方式”规范中存在的大部分问题，但对于规范使用者而言则要求经过专门的严格训练，并要有不同建筑物的火灾大小数据以及大量建筑材料的燃烧特性数据、专门的设计和评估工具等作为支撑。,5.性能化设计和处方式规范的关系,1、两者的目标是一致的，可以相互验证；2、两者各具特点：指令性的简捷、明确，便于操作，可直观理解，运用成本低。性能化的演绎、推理，可以模化，需要理解力，运用成本高。3、两者将长期互补共存。性能化适应于新型的、特殊的建筑设计与评估；指令性适用于一般的、普遍的建筑设计与评估。4、两者可相互变化。性能化的归纳，总结成律可作为指令性。指令性的细化，数理表述可化为性能化。,
6、15,二、性能化防火设计方法与步骤,16,（一）基本概念总体目标：保护生命、保护财产、保护使用功能、保护环境功能目标：对如何达到总体目标说明性能要求：材料、构件、系统、组件以及建筑方法满足性能水平要求，从而达到安全总体目标和功能目标性能指标设计指标,17,总体目标：建筑物在火灾条件下不垮塌功能目标：保护钢构件不烧毁性能目标：钢构件有1小时耐火时间性能指标：在1小时内，温度不高于530C设计指标：保护层厚度不小于3mm,总体目标：保护人员安全功能目标：远离起火点的人员有足够的疏散时间性能目标：限制火灾蔓延和控制烟气聚积与流动。性能指标：燃烧速率小于10MW，40分钟内烟气层高度3米以上。设计指标
7、：水喷淋1套（水压2个大气压）、机械通风300m3/min。,二、性能化防火设计方法与步骤,确定分析对象的现场状况弄清待评估建筑的结构特点识别重大火灾危险源设计火源功率,18,二、性能化防火设计方法与步骤,确定防火安全的目的和目标保证人员安全减少起火的可能性防止火蔓延防止火灾进一步扩大,19,二、性能化防火设计方法与步骤,选择合适的定量分析方法定量分析是性能化分析的基本方法，需要根据分析的需要选择合适的定量方法；火灾过程的计算机模拟是一种主要的方法（CFAST、FDS、FLUENT、PHOENICS）,20,二、性能化防火设计方法与步骤,具体分析影响火灾安全的因素建筑物的结构特点；可燃物的燃烧
8、特性与分布；火灾与烟气蔓延的特点；室内消防设施的配置状况；建筑物使用者的特征；消防救援状况,21,二、性能化防火设计方法与步骤,给出分析报告风险分析结束后应当给出客观、全面的结论报告；明确指出该建筑物是否符合有关规范的要求，原有设计是否需要进行任何修改等；结论具有很强的时效性,22,二、性能化防火设计方法与步骤,基本的设计步骤：三个阶段：设计准备阶段；定量评估阶段；文件编制阶段；八个步骤,23,二、性能化防火设计方法与步骤,24,性能化设计步骤示意图,25,Steps in the Performance-Based Analysis and the Conceptual Design Pro
9、cedure for Fire Protection Design,确定工程具体内容,建立性能判据,确定安全总体目标、功能目标、性能目标,设计目标：性能指标和设计指标,选择最终设计,建立火灾场景,试设计,试设计评估,准备设计文件,修改设计或目标,性能化设计报告,说明、图纸操作与维护手册,Developing a Fire Protection Engineering Design Brief,试设计是否满足性能标准,否,是,PS,G,DSO,DPC,DFS,TD,FSM?,二、性能化防火设计方法与步骤,（一）设计准备阶段基本任务：确定一些基本参数，包括：评估所设计建筑物的现场状况；确定业主的损
10、失目标（定性）；把业主的损失目标定量为设计目标；,26,二、性能化防火设计方法与步骤,（一）设计准备阶段确定建筑防火设计的基本目标：保障生命安全，包括民众、工作人员和消防人员的安全；保护财产安全，包括建筑结构、设备和物品；提供连续的操作，例如保护系统可以继续运作；限制火灾与火灾防治措施的不良影响。,27,二、性能化防火设计方法与步骤,（一）设计准备阶段应当确定防火设计目标的优先顺序：多数情况下，应优先考虑人员生命安全；特殊情况下，也可优先考虑其它目标。如人员少，容易疏散，或存储高价值物品；应当兼顾多个防火目标。,28,二、性能化防火设计方法与步骤,（二）定量评估阶段选择火灾场景和设定火灾曲线：
11、选择火灾场景；设定火灾曲线,29,二、性能化防火设计方法与步骤,选择火灾场景火灾场景：对火灾发展过程的一种语言描述，包括对起火、增长、发展到最大程度（轰燃）以及熄灭过程的说明。需要确定的内容：历史资料；实际火灾过程的数据；火灾实验数据,30,二、性能化防火设计方法与步骤,选择火灾场景主要涉及以下具体内容：起火前的状况点火源初始可燃物二次可燃物火蔓延的可能性物体的摆放位置室内人员状况统计数据,31,二、性能化防火设计方法与步骤,设定火灾曲线火灾的热释放速率是决定火灾发展的基本参数之一；性能化分析中所用的HRR是人为设定的，设定的越合理，计算结果越可靠；火灾发展可分为三种基本形式：不断增长；稳定燃
12、烧；逐渐衰弱,32,二、性能化防火设计方法与步骤,33,设定火灾曲线示意图,二、性能化防火设计方法与步骤,（二）定量评估阶段发展与评估初步防火设计：按照确定的火灾场景，依据设定的火灾曲线，发展初步设计方案；通常有多个方案；评估、比较这些方案时，应灵活区分新建建筑和已有建筑。,34,二、性能化防火设计方法与步骤,（三）文件编制阶段分析和设计过程的参与者分析或设计的理由设计方法的说明（方法、假设和工具）设计的背景资料业主的目标说明性能判据火灾场景设定火灾设计替代方案其它资料,35,36,三、性能化防火设计的科学与技术基础,2 热释放速率模型及其实验测试方法,3 羽流模型,1 火灾过程模拟,4 人员
13、疏散模型,5 自动报警与灭火系统,6 烟气流动与控制系统,7 建筑构件耐火保护,37,1 火灾过程（烟气流动）模拟,方法分类,火灾防护的工程方法,分析方法,模拟方法,区域模拟方法,场模拟方法,38,火灾模拟方法及其对比,分析方法与模拟方法对比,分析方法：运用工程基本原理、经验和规范给出具体工程问题的解决方案。,模拟方法：建立火灾过程数学模型，真实近似地再现火灾过程，并根据具体工程问题的给出解决方案。,39,火灾模拟方法及其对比,区域模拟与场模拟方法,区域模拟方法：通常将火灾房间分为上下两个区域，即上部的热烟气区和下部的冷空气区，并且假设两个区域内的参数是均匀的。针对两个区域分别列出质量守恒和能
14、量守恒方程，区域之间的质量交换主要由羽流和通风口的掺混作用造成，能量交换除了由质量交换带来的能量传递外，还考虑辐射和导热损失,场模拟方法：根据质量守恒、动量守恒（N-S方程）、能量守恒和化学反应定律建立描述火灾过程的控制方程组。为了能够从整体上求解火灾过程必须建立火灾各主要分过程的理论模型，如受浮力影响的湍流模型、湍流燃烧模型、辐射换热模型和碳黑模型，从而使场模拟的方程组封闭。,40,火灾模拟方法及其对比,区域模拟与场模拟方法对比,41,火灾模拟方法及其对比,区域模拟与场模拟方法对比,42,室内火灾及热烟气发展过程,43,2 火源热释放速率模型,引言,火灾过程中火源的热释放速率是评价火灾危险性
15、的重要参数，也是进行火灾模拟研究的基础参数。在过去的20多年时间里，火灾过程中热释放速率的测试方法法较大的发展，出现了基于氧消耗原理的热释放速率测试方法，如小尺寸热释放速率实验的ISO5660标准、全尺寸墙角实验的ISO9705标准，一些火灾实验室还发展了基于氧消耗原理的大型热释放速率测试方法。此外，基于质量损失速率的热释放速率测试方法可以作为基于氧消耗原理测试方法的补充。,与此同时，基于区域模型（Zone Model）的火灾模拟方法也得到了长足发展，目前比较著名的火灾模拟软件有CFAST、MRFC、Jasmine、Sophie等，部分软件已经可以在Windows9.x和Windows2000
16、界面下运行。上述火灾模拟软件已经成为建筑火灾研究和火灾危险性评价的重要工具，部分软件已被成功地运用于隧道火灾的研究和评价。但区域模型的核心是如何构造接近于实际情况的火源热释放速率模型。,44,几种常用的热释放速率模型,t2模型CFAST软件中应用的模型,45,几种常用的热释放速率模型,t2模型CFAST软件中应用的模型,46,几种常用的热释放速率模型,t2模型CFAST软件中应用的模型,47,几种常用的热释放速率模型,t2模型CFAST软件中应用的模型,48,几种常用的热释放速率模型,MRFC软件中应用的模型,49,几种常用的热释放速率模型,MRFC软件中应用的模型,50,几种常用的热释放速率
17、模型,51,几种常用的热释放速率模型,FFB应用的模型,52,几种常用的热释放速率模型,FFB应用的模型,53,3 热释放速率的实验测试方法,基于氧消耗原理的测试方法,氧消耗原理是指大多数固体材料完全燃烧每消耗一单位质量的氧气所释放的热量基本相同（13.10.05 MJ/kg O2）,54,热释放速率的实验测试方法,锥形量热计,55,热释放速率的实验测试方法,锥形量热计实验原理,56,热释放速率的实验测试方法,大型基于氧消耗原理的测试装置,57,热释放速率的实验测试方法,小汽车火灾热释放速率测试结果,58,热释放速率的实验测试方法,家具火灾热释放速率测试结果,59,热释放速率的实验测试方法,基
18、于质量损失速率原理的测试方法,60,热释放速率的实验测试方法,房间木垛火灾热释放速率测试结果,61,主要结论,火灾过程中火源的热释放速率是评价火灾危险性的重要参数，也是进行火灾模拟研究的基础参数。在实际建筑（包括工业建筑）火灾中，可燃物种类繁多如木材、塑料、纺织品、橡胶、油品等，多数火灾往往是上述多种可燃物的混合。运用实验的方法研究单一可燃物和混合可燃物的燃烧过程，获得这些材料在火灾过程中的热释放速率，建立相关数据库，用于实际火灾的评价和模拟研究工作是十分必要的。,火灾实验是一种破坏性试验，大型火灾实验耗费往往很大。运用目前较为成熟的数学模型用于火灾模拟研究工作是切实可行的，如CFAST和MR
19、FC软件中应用的模型，但要求使用者应具有丰富的经验。模型化的方法虽然处理问题较粗糙，但如果相关参数选用合理，也可满足相关火灾研究工作的需要。,62,4 几种常用的羽流模型,Zukoski模型（1）,63,几种常用的羽流模型,Zukoski模型（2）,64,几种常用的羽流模型,Thomas-Hinkley模型,65,几种常用的羽流模型,McCaffrey模型,66,几种常用的羽流模型,NFPA模型,67,羽流模型对比,羽流温度近似计算,对两个火源上方温度相同的点，由温度分布方程得到：,利用该方程可以进行模拟实验。,羽流温度模拟实验测定,68,羽流模型对比,热烟气层的体积变化率,69,羽流模型对比
20、,计算示例,算例1：单位面积上的热释放速率为800 kW/m2，火源面积为0.5 m2，火源直径为0.8 m，火源的热释放速率为400 kW，对流热流量为火源热释放速率的80%，可燃物高度为0 m。火焰高度为1.42 m，虚拟点火源距可燃物表面高度为-0.025 m。,算例2：选用德国热与烟气排放标准第五部分（DIN 18232-5）中的第三组火源描述，火源面积为20 m2，火源直径为5.05 m，火源的热释放速率为12 000 kW，对流热流量为火源热释放速率的80%，可燃物高度为0 m。,70,火灾羽流模型对比,羽 流 质 量 流 量,71,火灾羽流模型对比,羽 流 温 度 变 化,72,
21、火灾羽流模型对比,羽 流 体 积 流 量,73,火灾羽流模型对比,羽 流 质 量 流 量,74,火灾羽流模型对比,羽 流 温 度 变 化,75,火灾羽流模型对比,羽 流 体 积 流 量,76,火灾羽流模型对比,主要结论,火灾过程中的羽流模型是进行火灾模拟、火灾及烟气发展评价和防排烟设计的基础。本文总结了几种常见的羽流模型和适用条件，运用算例对几种常见的羽流模型进行了对比分析。结果表明，对同一问题各模型得出的羽流质量流量存在着差异，而这些差异必然对烟气流量和温度的计算产生影响，这给火灾的评价造成困难。虽然不同的羽流模型有着不同的适用条件，但这些条件的界限并不十分清楚，使用者很难把握。,此外，大部
22、分羽流模型是基于早期实验的研究成果，如Thomas-Hinkley模型是1963年发表的，由于受当时实验条件、测试仪器水平以及人们对火灾问题的科学认识程度的限制，这些成果的适用性需要重新进行实验和理论评价，以促进火灾研究及应用技术的发展。,四、性能化防火设计举例济南遥墙国际机场新航站楼火灾风险评估,77,项目概述危险源辩识火灾危害性评估钢结构保护,项目概述,78,新航站楼建筑面积为8万平方米；在建筑形式上，用简单的几何大跨度结构创造出一个大空间体。,项目概述,79,保证生命安全：发生设定的火灾时确保所有人员能够安全疏散；保证财产安全：通过早期探测和高效扑救来降低火灾的直接和间接损失。,80,分
23、析新航站楼内火灾危险源的分布、着火特性及热释放速率；分析火灾动力学特性和建筑结构的火灾响应特性，对火灾达到危险状态的时间进行评估；分析人群疏散特性，计算出人员疏散完毕时间，并结合到达危险状态时间对人员能否安全疏散进行评估；分析不同火灾探测报警方法，对不同火灾探测方法在航站楼大空间内的适用性进行评估；分析不同灭火系统的效能，对其延长达到火灾危险状态时间、降低火灾损失、保护环境的作用进行评估。,研究内容,危险源辨识,81,分析新航站楼内火灾危险源的分布、着火特性及热释放速率 分析设计图纸按照功能区进行危险源辨识；确定可燃物着火特性和燃烧热值；计算火灾荷载及火灾增长因子；按时间平方类型火灾计算热释放
24、速率。,82,实际大空间中会存在一些可燃物聚集的区域，火灾荷载密度较大，需根据可燃物的空间分布特性对危险源进行进一步辨识，考虑其发生火灾后的热释放速率和火灾蔓延情况。,大空间火灾热释放速率,火灾危害性评估,83,比较大空间内烟气运动的全尺寸模拟实验与计算机模拟结果：提出和验证多空间区域模拟方法在计算大空间烟气运动特性方面的合理性。研究新航站楼内不同火灾场景下，烟气的运动特性和排烟位置及速率对烟气运动的影响。对火灾动力学演化进行场模拟。根据计算得到的火灾功率、火焰高度、烟气的温度，分析对钢结构的保护途径。,火灾危害性评估,84,大空间火灾实验厅,火灾危害性评估,85,自然填充过程中的火源情况,机
25、械排烟实验情况,自然排烟实验情况图,火灾危害性评估,86,扁平型大空间中火灾烟气的发展趋势,火灾危害性评估,87,火灾危害性评估,88,钢结构保护,89,根据火灾动力学计算结果，烟气层到达钢网架屋盖系统时烟气平均温度低于100，局部最高温度也远小于钢结构的耐火极限温度538 屋盖钢网架不需要进行防火保护。,五、结束语,性能化防火设计的思想和方法对中国现行的建筑防火审核方式是一次较大的冲击。对一些现行的处方式规范难以做出规定的大型建筑项目，可以采用性能化防火设计方法予以解决；,90,五、结束语,加强性能化防火设计方法基础性研究，包括实验研究和数值模拟研究。同时尽快开发符合我国国情的性能化防火设计规范及工程设计指南；,91,五、结束语,大量培养专业的消防安全工程师，确定具有进行性能化防火设计资格和能力的大专院校、科研机构从事性能化防火设计、评估工作；对工程项目进行性能化防火设计的结果，应组织相应的、具备法定条件的机构进行审核相关科研单位应在国家有关部门的组织领导下，加强合作，就性能化防火设计研究中的关键技术问题协力攻关,92,
