基于本质安全理念的建筑综合防灾技术体系构建*

张靖岩，朱娟花，韦雅云，张 昊，，王图亚，秦红蕾

(1.中国建筑科学研究院有限公司，北京100013；2. 住房和城乡建设部防灾研究中心，北京100013；3. 北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

0 引言

我国是世界上灾害发生最为频繁而严重的国家之一，自然灾害给人民造成了巨大的生命、财产、心理损失，严重影响了我国的城市化进程和全面建成社会主义现代化强国的目标。提高建筑的抗灾能力，对保障人民的安全，实现可持续发展都具有重要的意义。我国的自然灾害具有灾害种类多、分布地域广、发生频率高、造成损失重四大特点。主要自然灾害包括地震、地质灾害(滑坡、泥石流、地面坍塌等)、火灾、风灾(龙卷风、飓风、台风)、水灾(洪水、渍涝)、干旱、雹灾、雪灾、低温冻害、高温灾害。据统计，70%以上的城市和50%以上的人口分布在自然灾害严重的地区，2/3以上的国土面积受到洪涝灾害的威胁。东部、南部沿海地区以及部分内陆省份经常遭受热带气旋侵袭，东北、西北、华北等地区旱灾频发。高原地区因地质构造复杂，滑坡、泥石流、山体崩塌等地质灾害频繁发生[1]，防灾减灾工作刻不容缓。

我国的防灾工作基本在国际减灾十年以后快速地发展，目前已形成了一系列较为成熟的单灾种防灾理论和法规体系。如建筑抗震设计规范、建筑设计防火规范、国家突发地质灾害应急预案、气象灾害防御条例等。在灾害成因和规律方面，也发展出了一系列理论和实际方法。如在地质灾害方面，朱照宇等[2]运用“灾害密度”和“灾害强度”2种指标将广东沿海陆地划分出9个地质灾害一级区及其所属的32个二级分区；在洪水灾害方面，长江科学院[3]应用网络、“3S”技术、Visual Fox Pro平台等在洪水预警方面取得显著成效；在地震滑坡方面，毛彦龙等[4]从理论上对地震滑坡的形成机理、地震波动震荡的累积破坏效应、启动效应及启程加速效应进行了详细的分析和探讨；在风灾方面，艾晓秋等[5]提出了基于结构参数的风易损结构抗风分析方法。

国外对防灾的研究起步较早，其中，美、日、加、英、澳等国家研究较为领先。美国联邦紧急管理署(FEMA)[6]开发了HAZUS软件模型，运用旧金山评税记录数据评估旧金山的地震损失，FMEA据评估结果计算震后恢复损失；Machiko等[7]建立了基于地球观测数据的灾害信息监测平台，以提高灾害预警能力、减轻灾害损失、提高灾害管理能力;Shattri等[8]结合GIS获得的三维遥感数据和多尺度分析报告发展出了一套模拟洪水、部分森林火灾、泥石流灾害危险的方法，为灾害应急决策和灾害防治提供了技术支持；Jean和Fang[9]充分利用现代信息技术、GPS以及数码照相机等改进了震后侦察技术和震害科技工程信息网络共享系统； Eveleigh等[10]将平衡系统工程设计模型和地理空间模型相结合来，探索自然灾害对人类系统的影响，指出了只用地理空间方法的缺陷。

从国内外的研究成果可以发现，有关防灾的研究涉及的范围主要有各种灾害的形成及发展机理、灾害风险评估和风险管理、灾害区划、灾害预警和灾后救援等，大多数研究都是建立在单灾种防灾基础上的，但是过于强调单灾种，可能导致承灾体防灾设计在实际应用中产生冲突或矛盾，也会造成防灾资源的浪费。因此，本文采用建筑本质安全设计理论，从“点、线、面”3个方面，提出了建筑综合防灾技术体系，更方便地应用于指导建筑设计实践，提高建筑的抗灾能力，减少防灾资源的浪费，以及降低灾害发生后的损失。

1 建筑综合防灾技术体系的提出

近年来，我国的减灾思路已逐渐从以致灾因子研究和工程防御措施为主调整为全面降低系统脆弱性方面[11]。提高建筑的综合抗灾能力，对降低社区、城市乃至国家的系统脆弱性至关重要。但是在现有的防灾体系中，在资源分配、防灾空间利用、疏散路线选取方面存在重复建设和资源分配冲突情况。

例如，在不同规范中，对消防给水管线的配置有下列规定：向环状管网输水的进水管不应少于2条，当其中一条发生故障时，其余的进水管应满足消防用水总量的要求[12]；给水系统中的工程设施不应设置在易发生滑坡、泥石流、塌陷等不良地质地区及洪水淹没和内涝低洼地区[13]；严寒或寒冷地区给水、排水管线、燃气等工程管线应据土壤深度确定管线的覆土深度[14]；输水管配置考虑滑坡、地震。由此可以看出，仅对给水管线配置来讲，就需要考虑位置、数量、覆土深度等因素，而现有的规范中尚没有一套完整地对于管线综合防灾布置的规定。

在建筑结构、材料的设计方面，《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)将建构筑物燃烧性能和耐火极限分为4个等级，对不同类别的建筑有不同的耐火等级要求，如《电影院建筑设计规范》(GBJ 58-2008)规定，任何等级电影院的放映室均不应低于二级耐火等级；《汽车客运站建筑设计规范》(GBJ60-99)规定，公路汽车客运站的耐火等级，一、二、三级站不应低于二级，四级站不应低于三级。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定了各抗震类别的抗震设防标准。《建筑抗震设计规范》第5.4.1条规定，结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合，应按下式计算：

S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk

(1)

式中：S为结构构件内力组合的设计值；SGE，SEhk，SEvk，Swk分别为重力荷载代表值的效应、水平地震作用标准值的效应、竖向地震作用标准值的效应、风荷载标准值的效应；不同的γ表示相应的荷载分项系数。这样就将各种不同的荷载以合理的方式进行了整合，然后，根据荷载要求，设计合理的结构。由此可以看出，对建筑结构、材料的设计来讲，需要考虑防火、抗震等因素，在现有的规范中，也没有一套完整的对于建筑结构、材料设计的规定。

建筑本质安全设计，就是以建筑环境中的物理、化学的基本性质，以及建筑中与人群密切联系的有关特性为基础进行的安全保障[15]。以提高建筑的综合抗灾能力为目标，自然就应该以建筑而不是灾种为研究主体。与以灾种为主体的研究方法相比，以建筑为主体的研究结果可以更方便地应用于建筑设计实践，从建筑设计的角度综合考虑了防灾重点及各灾种防灾之间的关系，具有更高的实用性。

体系被称之为系统中的系统，普遍存在于大多数大规模集成体(包括系统、组织、自然环境、生态环境等)，这一术语目前已成为众多领域(如管理、培训、法律等)热点，其典型的概念与定义不下40种。根据建筑综合防灾技术体系建立的需求，本文取体系的定义如下：体系是系统的联结，在系统联结的体系中允许系统间进行相互协同与协作[16]。建筑综合防灾技术体系，是集抗震、防火、防风、防洪、防地质灾害等各种单灾种防灾技术系统为一体的综合防灾技术集合。是将各单灾种建筑防灾设计技术进行收集、整合，再以建筑为主体进行重新分配而得到的。

建筑防灾技术体系中，“点”是指在建筑防灾过程中承担重要防灾功能的独立单体；“线”是指在建筑防灾过程中连接建筑内部单体之间的管线及通道；“面”是指从建筑整体防灾空间考虑，在建筑防灾过程中以一个整体的形式起到防灾作用的系统。“点”“线”“面”构成了建筑防灾本体，所以本文提出了这个体系，从不同层面全面的考虑了建筑综合防灾应注意的问题。

2 建筑综合防灾技术体系构成

本文所设计的建筑综合防灾技术体系由防灾基础设施设计、防灾廊道空间设计、防灾避难疏散空间设计3个子系统构成。防灾基础设施设计指从建筑综合防灾设计的“点”上出发，对建筑物防灾基础设施的材料、结构、建筑内部建构筑物及各种防灾设施的数量、规格、位置的设计。此处将防灾基础设施设计按照其在防灾设计中着重点的不同分为防灾结构、防灾材料设计、建构筑物设计、防灾设施设计。防灾廊道空间设计是指从建筑综合防灾的“线”上出发，对消防通道、管线、道路的合理布置来达到建筑综合防灾减灾的目标。其中，管线主要指给水排水、电力电信、通风排烟、供热取暖等的管线，但不是指城市总体的管线，而是指建筑本身的管线，在城市管线运作正常的情况下，这部分管线可以将城市水、电、热运输到建筑内部以供人们使用。通过管线的数量、位置、方向、深度、连接方式、规格等的合理设计，保证在一定程度灾害影响时，管线能够正常运行，保障基本生产生活所需。廊道空间设计的另一个分支是消防通道设计，包括消防通道的位置、方向、宽度等。该体系只是针对建筑单体而言的，一般道路的设计不予考虑。防灾避难疏散空间设计是指从建筑综合防灾的“面”上出发，以建筑整体防灾考虑作为要求，对建筑综合防灾中的“三大系统”(报警系统、人员疏散系统与应急救援系统)进行设计。其基本内容见图1。

图1 建筑综合防灾技术体系Fig.1 Technology system for building’s comprehensi prevention against natural disasters

2.1 防灾基础设施设计

2.1.1 防灾结构、材料设计

建筑结构是指在建筑物(包括构筑物)中，由建筑材料做成用来承受各种荷载或者作用，以起骨架作用的空间受力体系。建筑结构根据所用的建筑材料不同，可分为混凝土结构、砌体结构、钢结构、轻型钢结构、木结构和组合结构等。防灾结构、材料的设计是建筑综合防灾设计的关键。防灾结构、材料设计是在防灾等级(指建筑防治各种灾害的等级，包含耐火等级、抗震等级、抗洪等级、抗风等级和抗地质灾害等级)的基础上，根据已确定的建筑物所应具备的防灾条件，选用合适的建筑材料，设计合适的结构。本文在建筑防灾结构、材料设计中，按照结构功能的不同分为建筑地基基础设计、上部承重结构设计和维护系统设计3个部分。

2.1.2 建构筑物

建构筑物包含建筑及其附属建筑、建筑内部不同功用的房屋、建筑内外设施设备。本文主要对建筑综合防灾进行设计，所以所指的建构筑物主要是指建筑内部不同功能的房屋即建筑内外设备设施。如为厨房燃气设备设计合理空间位置以防地震灾害时引发燃气泄漏、火灾、爆炸等次生灾害。建筑内不同功用的房屋应该符合其自身的设计规范。

2.1.3 防灾设施设计

防灾设施设计是指灾害发生初期时，用来控制和减小灾害的设施，包括防火设施(防火墙、消防栓、灭火器等)、防震设施(阻尼器等)、抗地质灾害设施与抗洪设施等。例如，在防火设施的设计中，自动喷水灭火系统设计应考虑的要素主要有系统选择和设计合理性、施工质量、主要设备部件质量、末端试水装置、洒水喷头、报警阀组、供水设施、系统定期维护情况等。建筑灭火器配置主要考虑的要素有灭火器类型选择的合理性、灭火器最大保护距离、灭火器配置计算的准确性、灭火器如何定期检查与维护等。

2.2 防灾廊道空间设计

2.2.1 消防通道设计

消防通道是指消防人员实施营救和被困人员疏散的通道。在遇到突发情况时，消防通道[17]关系到人们的生命与财产能否安全撤离，在各种险情中都起到了不可低估的作用，所以不能轻视消防通道的设计。建筑内部消防通道又称为疏散通道，是指疏散时人员从房间内至房间门，或从房间门至疏散楼梯或外部出口等安全出口的室内走道。疏散走道是疏散的第一必经之路，通常为疏散的第一安全地带。室内消防通道的设计应满足以下要求：

1)走道设置要简明直接，尽量避免弯曲，尤其不要往返转折，否则会造成疏散阻力和产生不安全感。

2)疏散走道内不应设置阶梯、门槛、门垛、管道等突出物，以免影响疏散。

3)由于走道是灾害发生时必经之路，为第一安全地带，所以必须保证耐火性能。走道中墙面、顶棚、地面的装修应符合《建筑内部装修设计防火规范》(GB50222-2017)的要求。同时，走道与房间隔墙应砌至梁、板底部并全部填实所有空隙。

2.2.2 建筑管线设计

建筑管线综合设计[18]是指在限定空间内根据有关规范及要求合理地将室内各种专业管线布置在同一张建筑底图上，综合解决其相互间可能发生的碰撞以及与建筑、结构之间可能的冲突，使各种管线布置整齐有序，并满足管线施工、维护管理及日常使用的要求。建筑管线防灾设计是指在建筑内各类管线分别满足其防灾要求的前提下对其进行综合设计。例如，给水供水管线应满足相应建筑耐火等级的消防用水量要求，供水管线整体施工质量优良，系统运行正常，管线材料的选择上应使它尽量不容易被腐蚀。供电管线应满足当前建筑电力负荷设计要求，电力设备、线路等施工质量优良。建筑通风空调防火与防排烟的设计[19]，是建筑安全设计中一个重要环节，因此，在进行通风空调排烟防灾设计时必须全面考虑防火安全、通风空调系统自身的安全及保证人员安全疏散与消防扑救的防排烟系统,严格按照具体的设计规范和标准要求对管线进行设计。防排烟系统设计主要考虑的要素有系统选择和设计合理性、施工质量、主要设备部件质量、自然排烟口净面积大小、设计排烟量大小、设计加压送风量大小、排烟口、排烟阀、排烟防火阀、排烟风机、排烟管道质量等。

2.3 防灾避难疏散空间设计

2.3.1 报警系统设计

报警系统指建筑内外整体空间中一切用来对灾害报警的设施、数量及空间位置的设计。如建筑物中火灾自动报警器的数量及空间排布。建筑报警系统设计主要是对消防报警及控制系统进行设计，它是通过各类探测器自动感应火灾发生的初始阶段，向相应的系统部门、人员报警，并联动自动起动消防设备的一个综合防止火灾发生及蔓延的系统，是智能建筑自动化系统的一个重要组成部分。随着社会的发展，楼层越建越高，高层建筑已经成为社会发展的标志。但高层建筑因其自身的特点，一旦发生火灾，火灾蔓延迅速，人员疏散困难，极易造成人员伤亡和经济上的巨大损失。仅靠消防人员人工灭火是不够的，消防报警及控制系统的设置是保障高层建筑安全的重要技术措施。该系统既能早期发现火灾，又能在火灾发生时，联动各种消防设备投入运行。火灾自动报警设计时主要考虑系统选择和设计合理性、施工质量、主要设备部件质量、报警控制器、消防联动控制器、可燃气体报警控制器、感烟(感温)探头、手动报警按钮、消防电话、系统如何定期维护、合理安排消防控制室值班等。

2.3.2 人员疏散系统设计

人员疏散系统设计包括对建筑物内疏散人员、疏散设施及疏散环境的设计。疏散人员指建筑物内人员属性、人员荷载及人员行为。建筑内人员属性及人员荷载在一定程度上是固定的，因此，在进行防灾设计时，应该对人员行为加以设计，为了减少发生灾害时的人员伤亡量，应加大建筑内人员管理力度及疏散避难的培训。疏散设施指对建筑内部的安全出口、控制指标、疏散诱导等进行设置。安全出口作为人员安全疏散的目的地，需要考虑设置的内容主要包括疏散楼梯间、疏散外门、室外平台、避难走道和下沉广场等；疏散设计控制指标需要考虑设计的内容主要包括既有建筑内安全出口数量、疏散路径、疏散方向、疏散宽度和疏散距离等；疏散诱导需要考虑的设计内容主要包括既有建筑内消防应急广播、指示标志、应急照明、人员引导等。疏散环境设计主要是对建筑内部环境温度、能见度、烟气毒性和热辐射强度控制等的设计，以保证发生灾难后疏散可以顺利进行。

2.3.3 应急救援管理系统设计

应急救援管理系统的目的是为了预防和控制潜在的灾害事故或紧急情况发生时，做出应急准备和响应，最大限度地减轻可能产生的事故后果。建筑综合防灾应急救援管理系统的设计包括灾前应急管理机制设计及灾后应急救援系统设计等。

当灾害不可避免的时候，有效的灾害处置系统是充分调度一切可以利用的抗御灾害的资源和条件，提高资源的利用率，保证各有关部门和单位的合理分工和协调作战，在一定程度上减缓灾害蔓延和控制灾害影响的有效措施。所以，灾害应急处置机制应包括以下几个方面的内容：

1)灾害应急处置的组织机构

包括协调应急组织各个机构运作和关系的指挥协调机构，负责现场应急的指挥工作、人员调度、资源有效利用的指挥机构，提高应急物资和人员支持的后方保障机构，负责信息报道和信息发布的媒体机构，负责灾害信息管理和信息服务的灾害信息管理机构等。

2)制定灾害应急计划

根据灾害可能发生的强度和灾度，确保应急救援系统的正常运行，需制定一个周密的灾害应急计划，用计划指导应急准备、训练、演习，以实现迅速高效的应急行动。包括对灾害可能发生的强度和灾度进行预测和评价，人力、物资等资源的确定与准备，明确应急组织和人员的职责，设计灾害应急行动战术和程序，制定训练和演习计划，制定灾中和灾后的清除和恢复程序等。

(3)应急训练与演习

训练和演习可以看作是应急处置体系的一部分，通过培训和演练，把应急计划加以验证和完善，确保灾害发生时应急计划得以实施和贯彻。主要目的为：测试计划和程序的合理程度，测试紧急装备及物资供应状况，提高现场内外应急部门和人员的协调能力，提高公众的灾害应急意识等。

应急救援是政府或其他组织在灾害发生后，以抢救幸存者为主要目的的行为，是保护人民生命财产的安全，消除和减轻其后果的重要职责。建筑综合防灾应急救援主要依靠政府和建筑内部人员的力量。应急救援应有统一的机构进行管理和指挥调度，以利于救援力量的集中、相互协作和资源集中。在进行建筑应急救援系统设计时主要考虑以下问题：

①不断地研究开发新技术和新装备，保证救援力量使用更先进的技术和装备，以更低的风险、更低的成本拯救生命。

②不断提高职业化的程度，建立教育和训练体制，提高救援能力，达到国际社会公认的救援能力标准。

③政府应参与国际社会建立国际救援体系的努力，积极参与国际人道主义救援行动。

2.4 体系内子系统之间的关系

需要说明的是，虽然该体系将建筑综合防灾分为了防灾基础设施设计、防灾廊道空间设计、防灾避难疏散空间设计3个子系统，从建筑“点、线、面”3个方面全方位的考虑了建筑综合防灾体系的设计，但是这3个子系统之间并非毫无关联，它们之间有一定的联系和交叉，“点”是“线”的基本构成，“面”是由“点”“线”组成，如果把“点”当做是整体，又包含内部空间的整体设计等。这3个子系统虽在一定程度上交叉联系，但各有侧重。防灾基础设施设计侧重于建筑内部对于防灾起重要作用的一些设施的材料、结构、数量和规格的设计，但内部建构筑物的设计中也包含空间结构设计；防灾廊道空间设计指对建筑内部疏散通道的大小、方向及连接内部设施综合管网的设计，其中，综合管网设计中包括对一切综合管网中设施的设计；防灾避难疏散空间设计主要是对建筑整体的应急避难疏散体系进行设计，在这个体系中，主要侧重相对于建筑整体防灾空间中设施及通道的空间布置，侧重于整个系统的协调运行设计。从体系内部结构来讲，报警系统中包含有防灾设施的设计，人员疏散系统中包含疏散通道数量，疏散指引标志的设计，应急管理中包含应急设施的设计。所以，只有3个子系统都正常运行，才能够达到建筑综合防灾的目标。

3 结论

1)建筑综合防灾技术体系适用于单体建筑的综合防灾设计，也可为建筑综合防灾标准的制定提供参考。

2)对建筑综合防灾技术体系进行了初步探索，为整个体系的建立指明了方向。受各单灾种分离研究现状的限制，该体系还需要进一步深入了解各单灾种防灾技术情况才能够填充完整。

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