性能化防火设计文件如何编制

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• 飙歌倍儿爽
  在性能化报告中，应明确表述设计的消防安全目标，充分解释如何来满足目标，提出基础设计标准，明确描述火灾场景，并证明火灾场景选择的正确性等。不得从其他国家的规范中断章取义引用条文，而应以我国国家标准的规定为基础进行等效性验证。
  由于设计报告时性能化设计能否被批准的关键因素，所以报告需要概括分析和设计过程中的全部步骤，并且编写的格式和方式应符合权威机构的要求和用户的需要。所以编写的报告中应包含以下内容：①建筑基本情况及性能化设计的内容。例如，建筑特征、人员特征、原有的消防措施、来自各方面的对设计的限制条件，以及需要进行性能化设计的范围等。②分析目的及安全目标。该部分应包括建筑业主、建筑使用方、建筑设计单位、性能化消防设计咨询单位和消防主管部门共同认定的总体安全目标和性能目标，并说明性能目标是如何建立的。③性能判定标准即性能指标。该部分应该说明对应不同性能目标的性能指标是什么，是如何确定的，考虑了那些不确定因素，采用了哪些假设条件。④火灾场景设计。该部分需要说明选择火灾场景的依据和方法，并对每一个火灾场景进行讨论，列出最终需要分析的典型火灾场景。⑤所采用的分析方法及其所基于的假设。分析评估采用的工具、方法和参考资料应科学合理，报告中列出选择该分析方法的依据，并描述清楚计算分析模型采用的边界条件和输入参数，并说明其合理性。⑥计算分析与评估。根据计算结果与性能判定标准的比较分析，说明设计方案是如何满足安全判定指标的。⑦不确定性分析。在工程分析中，通常只能从确定性的一面出发进行定量的分析。不确定性问题贯穿于性能化设计过程的始终，对建筑物性能化消防设计的质量、安全水平等都有着重要的影响。不确定性包括偶然的不确定性、认知的不确定性和不明确的不确定性。例如：分析方法存在不确定性、人员行为存在不确定性、对风险的理解与评价存在不确定性、与建筑物使用寿命和安全也存在不确定性等。⑧结论与总结。该部分是对前面所有工作的总结，应包括此次设计的内容、目标、最终设计方案。包括防火要求、管理要求、使用中的限制条件等。⑨参考文献。列出主要的设计图纸，相关技术文献等技术资料⑩设计单位和人员资质说明。此部分包含设计单位的名称、经营范围、设计资质，参与本设计项目的消防工程师的相关工作经历等。
  以撰写某商业购物中心的消防性能化设计报告为例，对报告编写方法进行介绍。
  一、建筑基本情况及性能化设计的内容
  (一)建筑基本情况
  建筑的基本情况应对建筑的总体概况、建筑设计、常规的消防设计进行说明。
  1.工程介绍
  工程介绍应对项目的建筑概况、区域位置、总平面设计、建筑设计等方面进行说明，主要由设计院提供。该部分内容可配有相关的总平面图、效果图、建筑平、立、剖图纸等。
  2.消防设计
  消防设计主要包括该项目常规的消防设计说明，主要根据设计院提供的消防设计专篇进行撰写。该部分内容可配防火分区图纸以及其他相关的消防图纸。
  (二)性能化设计的内容
  性能化设计的内容应包括该项目主要的消防问题、消防性能化的范围及主要内容、消防性能化原则等几个方面。
  1.主要消防安全问题
  对项目存在的消防问题进行汇总，其主要的消防设计难题和问题可按下表整理。
  表4-3-7-1 本工程主要消防设计难题和问题
  序号 消防设计问题 规范要求
  1 防火分区问题 购物中心内步行街区域(即中庭及回廊组成的交通空间)总面积约为超过4万平米，难以按照规范进行防火分区划分。 《建筑设计防火规范》GB50016第5.1.7条、第5.1.11条、第5.1.12条规定
  2 人员疏散问题 部分楼梯间在首层不能直接对外，且其出口距直通室外的安全出口大于15m. 《建筑设计防火规范》GB50016第5.3.13条规定
  各层均有距安全出口直线距离超出37.5m的问题。 《建筑设计防火规范》GB50016第5.3.17条对商业疏散宽度确定进行了规定：
  2.性能化设计评估范围及内容
  通过对项目消防问题的总结，以解决不满足规范的消防问题为目的，制定相应的性能化设计评估范围及内容，对于可应用现行相关规范展开设计的区域应遵照现行规范执行。
  3.性能化设计评估原则
  对于项目存在的特殊消防设计问题，将本着安全适用、技术先进的原则，采用合理的消防设计理念和方法，通过对消防设计方案的分析和安全评估，使得制定的解决方案能更好的满足本项目的消防安全要求，并最大限度地满足业主商业功能需求。
  二、分析目的及安全目标
  分析目的及安全目标应包括建筑业主、建筑使用方、建筑设计单位、性能化消防设计咨询单位和消防主管部门共同认定的总体安全目标和性能目标，并说明性能目标是如何建立的。
  (一)分析目的
  一般地，消防设计的目的在于：防止火灾发生;及时发现火情;通过适当的报警系统及时发布火灾警报;有组织、有计划地将楼内人员撤出;采取正确方法扑灭和/或控制大火;将商业损失控制在一定范围之内。
  (二)分析目的安全目标
  结合项目消防设计遇到的问题和难题，确定项目消防安全目标，主要有以下几个方面：
  ①为使用者提供安全保障;
  ②将火灾控制在一定范围，尽量减少财产损失;
  ③为消防人员提供消防条件并保障其生命安全;
  ④尽量减少对运营的干扰;
  ⑤保证结构的安全。
  三、性能判定标准即性能指标
  性能判定标准应该说明对应不同性能目标的性能指标是什么，是如何确定的，考虑了那些不确定因素，采用了哪些假设条件。
  (一)性能化安全性判定准则及判据
  1.人员疏散安全性判定准则、判据
  保证人员安全疏散是建筑防火设计中的一个重要的安全目标，人员安全疏散即建筑物内发生火灾时整个建筑系统(包括消防系统)能够为建筑中的所有人员提供足够的时间疏散到安全的地点，整个疏散过程中不应受到火灾的危害。
  通常情况下人员疏散安全判据指标如下表所示：
  表4-3-7-2 人员疏散安全判据指标
  项 目 人体可耐受的极限
  能见度 当热烟层降到2m下时，对于大空间其能见度临界指标为10m
  使用者在烟气中疏散的温度 2m以上空间内的烟气平均温度不大于180℃;当热烟层降到2.0m下时，持续30分钟的临界温度为60℃
  烟气的毒性 一般认为在可接受的能见度的范围内，毒性都很低，不会对人员疏散造成影响(一般CO判定指标为500ppm)。
  2.防止火灾蔓延扩大判定准则
  根据澳大利亚建筑规范协会《防火安全工程指南》提供的资料，保守的选取被引燃物是很薄很轻的窗帘、松散堆放的报纸等非常容易被点燃的物品时的临界辐射强度10kW/m2;
  四、火灾场景设计
  火灾场景设计需要说明选择火灾场景的依据和方法，并对每一个火灾场景进行讨论，列出最终需要分析的典型火灾场景。
  火灾场景如下表所示：
  表4-3-7-3 火灾场景设置一览表
  位置编号 火灾位置 自动灭火
  系统 排烟系统 最大火灾规模
  (MW)
  A 商业步行街 有效 有效 2.2
  B 商业步行街 有效 有效 2.2
  C 商业步行街 有效 有效 2.2
  五、所采用的分析方法及其所基于的假设
  分析评估采用的工具、方法和参考资料应科学合理，报告中列出选择该分析方法的依据，并描述清楚计算分析模型采用的边界条件和输入参数，并说明其合理。
  (一) 疏散设计分析方法
  疏散设计分析，即根据设定的人员类型和数量，对疏散人员疏散所需时间的分析。疏散时间(RSET)包括疏散开始时间(tstart)和疏散行动时间(taction)两部分。
  1.疏散行动时间预测分析方法
  疏散行动时间(taction)是指从疏散开始至疏散结束的时间。疏散行动时间预测模型主要有水力模型和行为模型两种。本项目以行为模型来预测疏散行动时间，采用模拟分析工具Pathfinder进行计算。
  2.疏散设计分析主要参数确定
  1)有效流出系数和人员步行速度：有效流出系数和步行速度同人员密度紧密相关，常用的数据资料如下表。
  表4-3-7-4 有效流出系数和步行速度数据表
  疏散设施 拥挤状态 《SFPE消防工程手册》 日本避难安全检证法
  密度 速度 流出系数 速度 流出系数
  人/m2 m/min 人/min/m m/min 人/min/m
  楼梯 最小 0.5 45.7 16.4 27(上)
  36(下) 60(楼梯有足够容量时，其他情况应通过计算获得)
  中等 1.1 36.6 45.9
  最优 2.0 29.0 59.1
  大 3.2 12.2 39.4
  走廊 最小 0.5 77.2 39.4 60
  (一般) 80(走廊有足够容量时，其他情况应通过计算获得)
  中等 1.1 61.0 65.6
  最优 2.2 36.6 78.7
  大 3.2 18.3 59.1
  对外出口 —— —— —— —— 60(一般) 90
  2)疏散路径有效宽度确定：各疏散路线边界层宽度如表4-3-7-5所示。
  表4-3-7-5 边界层宽度
  疏散路线因素 边界层(mm)
  楼梯梯级的墙壁或面 15
  栏杆，扶手 9
  走道，斜坡墙 20
  障碍物 10
  宽阔的场所，过道 46
  门，拱门 15
  3)人数确定方法：分析所使用的疏散人数应根据不同建筑场所功能不同，分别按密度或座位数进行计算。
  根据本项目的特点和定位，依据现行防火设计规范和权威文献资料，对于消防性能化区域的主要功能区域人员荷载确定，应附有人员荷载计算参数。
  (二)烟控系统设计与分析
  防排烟系统设计的主要目的是为了保证人员的疏散安全，即保证人员在疏散过程中不会受到火灾产生的烟气的危害。此外应为消防救援提供一个救援和展开灭火战斗的安全通道和区域，免受火灾的影响，及时排除火灾中产生的大量热量，减少热烟气对建筑结构的损伤。
  1.烟气层临界高度
  防排烟设计应使烟层维持在距离有人地面至少1.8m以上的高度，对于高大空间，临界高度应根据下式进行计算确定。
  z‘= 1.6 + 0.1(H - h) (4-3-7-1)
  式中：z‘—烟层距离疏散人员所在地面的临界高度(m)
  H—空间顶棚距离火源位置的高度(m)
  h—疏散地面高于火源位置的高度(m)
  2.火焰高度、烟气生成量及烟羽流轴线温度分析
  本项目采用NFPA 92B和NFPA 204中提供的有关轴对称羽流的分析方法进行计算。
  六、计算分析与评估
  根据计算结果与性能判定标准的比较分析，说明设计方案是如何满足安全判定指标的。
  (一)烟气模拟分析与评估
  烟气模拟分析与评估部分应主要包括每个火灾场景的防排烟系统设计情况介绍，计算参数的设置，温度、能见度等参数在关键时间点的模拟结果以及计算结果小结。
  各区域危险来临时间(ASET)可以表格形式汇总，如下表所示：
  表4-3-7-6 火灾危险来临时间分析
  序号 场景编号 假设条件 楼层 ASET(s)
  1 A 排烟有效 自动灭火有效 一层步行街 >1800
  二层步行街 >1800
  2 B 排烟有效 自动灭火有效 一层步行街 >1800
  二层步行街 >1800
  3 C 排烟有效 自动灭火有效 一层步行街 >1800
  二层步行街 >1800
  (二)疏散模拟分析与评估
  烟气模拟分析与评估部分应主要包括对应每个火灾场景设计的疏散场景，每个场景的疏散策略，疏散模拟在关键时间点的人员分布示意图以及计算结果小结。
  各区域疏散所需时间(RSET)可以表格形式汇总，如下表所示：
  表4-3-7-7 人员疏散所需时间分析结果汇总表
  区域 疏散路径 开始时间(s) 行动时间(s) REST(s)
  首层区域 首层人员直接疏散到室外 270 293 710
  二层区域 二层店铺人员离开着火店铺 63 95 206
  中庭人员离开本层步行街区域 270 547 1091
  本层所有人员全部疏散至楼梯间 270 559 1109
  所有人员疏散到室外 270 665 1268
  注：行动时间计入所需疏散时间时考虑1.5倍安全系数。
  (三)计算结果与性能判定标准的比较
  将各火灾场景的危险来临时间(ASET)与相对应的疏散场景下人员疏散时间(RSET)进行对比，判定人员疏散的安全性。可采用下表表示：
  表4-3-7-8 人员疏散安全判定结果
  序号 场景编号 火灾位置 监测位置 AEST(s) REST(s) 是否满足安全要求
  1 A 步行街(中庭)底部 一层步行街 >1800 1121 是
  二层步行街 >1800 1091 是
  2 B 步行街(中庭)底部 一层步行街 >1800 1121 是
  二层步行街 >1800 1091 是
  3 C 步行街(中庭)底部 一层步行街 >1800 1121 是
  二层步行街 >1800 1091 是
  七、不确定性分析
  (一)疏散过程中的人员不确定性分析
  采用行为模型来计算人员的疏散时间时，其假设为：疏散人员都具有足够的身体条件自行疏散到安全地点，人员疏散行走同时且井然有序，这与实际发生火灾时的情况有一定差距。因此，本报告在计算疏散行动时间时考虑了一定的安全系数(安全系数=1.5)，以弥补这些不确定性因素所带来的影响。
  在预测疏散时间时，重要之处在于人员的特性参数，包括对建筑物的熟悉程度、人员的身体条件及行为特征、人员的数量及分布等。
  (二)火灾蔓延的不确定性分析
  火灾蔓延区域和面积的大小受到多种不确定因素的影响，如：
  ①可燃材料和可燃物本身的对火反应特性等;
  ②可燃物的形状、摆放方式和堆积形式等;
  ③可燃物之间的相对空间位置;
  ④火灾时的通风状况;
  ⑤其它燃烧物体以及高温体、热烟气层的热反馈;
  ⑥灭火救援和消防系统的作用效果;
  ⑦空间内的防火分隔方式与面积大小。
  火灾蔓延不仅受众多不确定因素的影响，而且火灾蔓延的全过程机理尚未完全研究透彻，目前还缺乏准确预测火灾蔓延的数学模型，火灾模拟计算所需参数还不丰富。因此，项目中对火灾蔓延的分析仅针对典型可燃物及常规情况下的火灾蔓延情形。基于上述原因，为了使消防设计更加安全，一般采取较保守的分析方法，如考虑了最不利的起火位置和引燃条件，确定最大火灾热释放速率和排烟量时均考虑了1.5倍的安全系数。
  八、结论与总结
  结论与总结部分应包括防火要求、管理要求、使用中的限制条件等。
  (一)模拟结果总结
  对各场景下烟气及疏散模拟结果进行分析，并得出结论。
  (二)消防策略总结
  针对项目存在的消防问题提出相应的解决措施，对采取的消防策略进行总结。
  (三)注意事项及建议
  对实施消防策略时设计方、管理方应注意的内容进行说明，并提出相应的建议。
  九、参考文献
  应包括主要的设计规范，相关技术文献等技术资料
  十、设计单位和人员资质说明
  此部分包含设计单位的名称、经营范围、设计资质，参与本设计项目的消防工程师的相关工作经历等。
  (一)专家评议
  由于设计过程中存在许多非规范化的内容，如性能指标的确定、火灾场景的设计、一些边界条件的设定等等，同时也为了保证设计过程的正确性，减少设计中可能出现的失误，一般有必要对设计报告进行第三方的复核或再评估，最终还需要组织专家论证会，对性能化设计报告与复核报告进行论证，接受专家的评审和质疑，最后以论证会上形成的专家组意见作为调整性能化设计与评估报告与设计方案的依据。
  (二)深化调整设计报告
  性能化消防设计一般开始于建筑设计的方案设计与初步设计阶段。在初步设计中，有些条件和参数是不明确或未知的，这些信息可能只有在后续的施工设计阶段才能确定下来，而这些条件或参数却是性能化设计所需要的。例如，性能化设计在确定排烟量的同时会对排烟口的布置、每个风口的风量等提出要求，而排烟口的数量、排烟口的布置以及每个风口的风量一般要等到施工设计时才能完全确定。另外，性能化设计中提出的假设和边界条件，在施工设计阶段也可能会被改变。诸如此类的问题都需要在后续的设计工作中不断深化。所以性能化设计应该存在于建筑设计的整个过程中。
  (三)性能化消防设计的实体验证
  为了加强对进行了性能化消防设计工程的消防监督管理，在性能化设计开展较多的一些城市，已陆续在工程消防验收过程中增加了实体验证实验的工作步骤，对性能化设计设计方案进行综合验证。性能化设计单位应配合建设单位完成验证工作，并对验证结果是否满足设计要求提供书面意见，该意见应作为性能化设计报告的补充资料。