高层建筑防火中性能化设计方法的运用研究

许维明 山东省东营市消防救援支队垦利区大队工程师

随着我国社会经济的飞速发展和城镇化进程的进一步推进，土地资源稀缺与城市人口剧增之间的矛盾进一步凸显。为解决该矛盾，城市高层建筑和超高层建筑数量进一步增加，高层建筑及超高层建筑设计结构、功能特质等进一步优化，为我国建筑产业的进步打下了扎实基础。与此同时，随着物质生活水平的飞速提升，人们对生活品质提出了更高要求。为更好地满足人类生活需要，促进城市经济的快速发展，加强高层建筑安全性研究具有重要意义。在此条件下，本文以高层建筑防火性能为切入点，对高层建筑防火中性能化设计方法的应用进行探讨。

1 高层建筑基本特征与火灾特点

1.1 高层建筑的基本特征

城市中的高层建筑大体分为居民住宅和商用建筑。高层建筑固有的内部结构形式和建筑施工材料的特殊性使其在防火中有别于其他建筑。其内部结构复杂、功能多样、火灾负荷大、用电设备多等都可能成为安全隐患。

1.2 高层建筑防火设计所存在的问题

高层建筑防火设计主要遵循《建筑设计防火规范（2018 年版）》（GB 50016—2014）的相关要求，结合该建筑工程结构设计对防火等级、居民安全保护以及生命财产保护等提出重点要求，划定了相应的防护性能标准。该类传统的防火设计方法往往是以“按药方抓药”的思维模式，要考虑高层建筑内外部结构设计、人员疏散以及消防用水用电等诸多功能的实现，有时高层建筑的防火设计难以切实保障其结构安全。总体而言，高层建筑防火设计中主要存在以下3 点问题。

（1）大多从高层建筑结构受力角度考虑其材料使用，却在一定程度上忽视了结构构件的耐火等级，部分高层建筑传统施工材料和组合材料并不符合规范中的耐火要求，高层建筑施工和旧建筑材料之间存在无效匹配等问题。

（2）部分普通高层建筑尤其是建筑高度在54 m 以下的住宅建筑，未配备火灾自动报警和自动灭火系统，往往会使火灾安全事故发生后的负面影响进一步扩大。

（3）国内现阶段对高层建筑结构内部装饰材料的耐火等级已有明确规定，但部分单位或个人可能出于成本考量或其他原因限制而使用未达到耐火等级的建筑材料，留下一定的火灾隐患。

1.3 高层建筑火灾特点

高层建筑火灾隐患多、危害大，主要有两个特点。一是当前很多高层建筑的设计建造过程中使用了大量易燃装修材料，易燃外墙保温材料，发生火灾后将导致火势迅速蔓延，并伴随大量浓烟和有毒气体，直接危害建筑内部人员的生命财产安全[1]。二是高层建筑一旦起火，火势蔓延速度非常快，容易形成立体燃烧，加之玻璃幕墙在高层建筑中采用的愈发普遍，增加了火灾扑救难度和不确定性。部分高层建筑外立面排烟窗、救援窗被大型广告牌遮挡，都给灭火救援带来不利影响。

2 性能化设计的内涵与特征

2.1 性能化设计内涵

为了更好地设立防火目标，应对建、构筑物的防火安全预期进行明确[2]。高层建筑防火性能化设计属于防火设计中的新型防火方法之一，结构设计人员以原有的高层建筑结构设计要求为基础，结合高层建筑结构的主体形式和功能分区，针对建筑结构中容易发生火灾隐患的细节位置进行严格管控，同时对建筑工程施工所使用的主体结构材料、装饰装修材料、构件组件以及消防系统等进行科学规划与设计，增强高层建筑的防火功能。

在此过程中，设计人员需结合消防安全的相关理论知识，明确高层建筑的防火设计目标，确保高层建筑能够在满足防火规范相关参数要求的基础上，更好地达到建筑物本身的功能要求，使高层建筑防火设计达到智能化和综合化的目标。

2.2 性能化设计方法

高层建筑性能化设计过程中，首先要保障建筑结构中所有人在火灾发生时及时撤离至安全区域。当高层建筑发生火灾后安全疏散时间小于实际具有的安全疏散时间时，高层建筑中的人员就能在不超过人类耐受极限的前提下实现整体逃生，但当需要的安全疏散时间大于实际可用的安全疏散时间时，就很难保证所有人员成功逃生。因此，对高层建筑防火中的性能化设计应重点关注延长可用的安全疏散时间。

另外，可把人员疏散时的周边环境作为高层建筑中逃生的评判指标，以可用的安全疏散时间为标准，判别建筑结构的参数设计和逃生环境是否达标。以建筑环境为延长人的极限承受时间提供支撑，可从火灾发生后的烟气辐射以及对流热度等基础条件出发进行综合判断。当耐辐射强度＜2.5 kW/m2时，人体耐受时间＞5 min；耐辐射强度为2.5 kW/m2时，人体耐受时间30 s；耐辐射强度10.0 kW/m2时，人体耐受时间为4 s。由此可知，当火灾发生后，人体无法忍受超过2.5 kW/m2实际辐射能量，超过该能量时，火灾很容易对周围人体产生巨大伤害。

高层建筑防火性能化主要包含目标明确性、方法灵活性和评估验证必要性3 大部分内容。以评估验证必要性为例探究可知，在高层建筑防火设计中使用性能化设计方法，需要对高层建筑整个设计过程进行合理评估和验证。利用消防设计规范对设计后的整体方案进行综合评判，对现场人员所能承受的生理极限和心理极限以及所需的逃生时间进行判断，使高层建筑能够达到综合设计要求[3]。

3 高层建筑防火中性能化设计方法的运用

3.1 火灾场景

将高层建筑防火中性能化设计方法应用于火灾场景优化，主要可分为火灾场景分类和火灾场景确立两个环节。就火灾场景分类而言，高层建筑发生火灾的具体后果与火灾特定的发展和蔓延密切相关，同时建筑结构发生火灾和火灾场景内的主要原材料、空间结构形式以及建筑结构形式等密切关联。因此，不论是火灾模型的仿真分析，还是火灾预防结构设计优化，都应以火灾的场景分析为基础研究方法，根据建筑结构特征，结合内部空间可燃物的实际分布以及具体着火点范围、距离等诸多因素，将火灾场景划分为固定火源的火灾场景、扩散火源的火灾场景和爆炸火源的火灾场景共3 大类型。

（1）固定火源的火灾场景主要是指该类火灾事故局限于某一固定空间，实际蔓延速度和蔓延概率相对较低，实际释放的热辐射大小存在着线性增长的趋势。

（2）扩散火源的火灾场景则主要是指火灾事故发生地点会从局部不断向整体蔓延，其发生过程所释放的热能量变化并不具备线性关系，往往需要采取建模和仿真优化方式，才能够准确计算出火场的实际温度和空间时间关系，确定救援方案。常见的扩展火源的火灾类型包括图书馆、宾馆、酒店等公共建筑结构发生的火灾。

（3）爆炸火源的火灾主要是指火源起火时伴随着剧烈爆炸，存在着爆炸冲击波的副作用，火场类与周边一定范围内的可燃物会由于爆炸冲击波迅速起火燃烧，导致火灾在极短的时间内快速蔓延。常见的爆炸火源火灾场景包括化学品和液化气爆炸等。

火灾场景本质是人们根据以往经验设定的火灾具体蔓延方式和发展方式。在对火灾场景进行确定时，应以建筑结构的实际火灾特征作为依据，根据火灾发生后的具体特点进行真实评估，反映建筑结构防火设计具体要求，且同时应突出火灾火源的具体参数性质，保证不同性质火灾的实际起火原因、危害性大小以及火源确定形式等能够具备普遍特征，帮助救援队伍快速拟定救援方案。

3.2 火灾荷载的主要影响因素与确定方式

建筑结构的火灾荷载，主要是指建筑结构内部可燃物质发生火灾后所存在的恒量具体表述，依据《建筑设计防火规范（2018 年版）》（GB 50016—2014）以及指标参考可知，在高层建筑火灾防控过程中，应合理控制火灾荷载。火灾荷载的确定方式主要包括可燃物燃烧值的确定以及火灾荷载的具体密度值确定两大步骤。

燃烧值的大小主要是指可燃物发生燃烧化学反应后所释放出的能量总和。就火灾可燃物燃烧值的确定问题而言，任何可燃物进入燃烧状态后都会向外界空间环境释放一定热量，实际的燃烧值意义就是对燃烧物质释放热量的权衡和量化。高层建筑结构内部空间发生火灾时，火场内的实际可燃物燃烧特质将会对火灾的实际蔓延速度和影响范围产生重要影响。根据热力学研究结果，可燃物燃烧反应能量将会全部转化为热能，由此可计算得到高层建筑内部空间可燃物燃烧后的具体参数值，为选择建筑防火材料提供可靠的参数依据。

就荷载密度的确定问题而言，火灾荷载密度的确定就是分析整个高层建筑结构内部空间所包含的所有可燃物的燃烧值大小。通常情况下，高层建筑内部空间荷载量的大小很难与火灾发生的强度以及影响范围建立较直接的关系，但可通过对其内部空间特征的量化分析计算得到两者之间的转化关系。在计算高层建筑火灾荷载密度的过程中，固定类的可燃物具备固定不变的总热量Q1，而活动类的可燃物资具备总热量Q2，临时类的可燃物具备总热量Q3，由此能够得到该建筑空间一定范围内灾荷载密度的实际计算公式为：

式中，A为高层建筑内部空间的体积，q为实际火灾荷载密度值。

3.3 基于性能化的建筑防火设计改进措施

3.3.1 设置合理的火灾场景

在高层建筑火灾场景的模拟过程中，应着重体现对高层建筑内部空间场景危险性、不利性因素及全面科学性等因素的考量，同时应考量不同内部空间场景的具体影响因素，包括计算其火灾荷载值大小、火源的具体方位以及所释放的热能量，根据场景的综合分析结果制定安全撤离方案和火势蔓延控制方案。

3.3.2 设置科学的防火分区

上海的金茂大厦是由美国SOM 公司主导设计的一幢超级综合性大楼，总建筑面积为28 万余平方米，88 层的主楼高达420 m，其下半段为办公部分，53 层以上为五星级饭店。金茂大厦辅楼有6 层，总建筑面积合计2 万多平方米，高度超过32 m，内设商业及游乐等多种设施。由于中美两国在防火标准方面的差异及大厦的复杂性，辅楼防火分区设置即采用了性能化设计。辅楼因3 个中庭将空间相互贯通，分区面积已大大超过了我国规范（高层建筑商业空间全部设火灾自动报警系统和自动喷水灭火系统，且采用不燃或难燃装修时，地上防火分区可按44 000 m2考虑）的规定，通过积极论证，采用垂直划分防火分区的方式。在中间部分中庭的两边，层层设置防火卷帘，将辅楼垂直分为3 区。这样，3 个部分可各自互不影响，但每个中庭各自贯通的面积仍稍有超过我国规范的规定。由于中庭排烟、报警、灭火设备及不燃装修的设置完善，此方案获得通过实施[4]。

3.3.3 应用适宜的防火材料

高层建筑性能化建筑防火设计过程中，建筑装饰装修材料的应用有着重要意义。该类材料在起火燃烧时可能释放出大量有毒气体，造成建筑结构内部空间人员伤亡，因此应尽可能选择安全的建筑材料增强其防火性能[5]。

4 结论

基于性能化的高层建筑结构内部空间防火设计有诸多应用优势，针对高层建筑特殊空间设计和功能分区的特点，在开展规范的性能化防火设计研究时，应立足于结构设计的核心内容，增大消防设备设施投资，全面使用合格的施工材料，同时加强消防管理，以达到满足国家规范规定的目标。