关于在性能化防火设计规范中火灾模型的重要性

王传行张杰

摘要：由于现在城市化的迅速发展，在我国和一些发展中国家人口密集度相对增加，使得人们需要建造大量大型高层建筑。但近年发生在综合商厦和人群密集的交通枢纽的火灾悲剧，警醒着人们要对消防安全设计的重视，尤其是超高层复杂建筑物。本文主要阐述了涉及在世界范围内掀起的从处方式防火设计规范到性能化防火设计规范的转变。在性能化防火设计规范的应用中，要求联合使用基本的和创新的工程设计工具，通过分析某一特定的潜在火灾场景来评估相应的火灾危险性。火灾模型就是这种创新的设计工具之一，特别是火灾场模型在建筑消防安全设计中的应用将不断地增加。

关键词：性能化；防火设计；火灾模型；区域模型；涡流燃烧模型

引言

随着城市的加快发展和防火灾科技的进步，在欧洲国家中消防规范中已经将建筑物性能化防火设计规范替换了原有的处方式防火设计。性能化防火设计规范是专门致力于解决传统的处方式防火设计规范的缺陷的。传统的防火设计规范详细地给出了关于消防安全建筑设计各方面的具体说明，但是，该规范无法适用于新的和具有创新意义的消防安全解决方法，也很难推动和适应防火保护领域的新技术发展。本文主要讲述了火灾场模型作为性能化防火设计规范中的新型设计工具及它的工程应用性和缺点，并确定了必要的改进步骤。

一、性能化防火设计规范的概念

性能化防火设计规范是新型的消防安全设计思路，然而，传统的处方式防火设计规范是依据建筑和消防专家对一般的建筑防火设计的经验而设定，把经验为主的规范作为设计复杂建筑的依据，不能灵活的运用在复杂新颖的设计中，另一方面，性能化防火设计规范的基本概念强调应满足某种防火保护性能要求，至于如何符合这些性能要求，并不要求建筑设计师采用任何特殊的解决方法。然而，设计师必须向规范执行者证明所选择的工程方法是可靠的和合理的。

二、性能化防火设计规范的应用

在性能化防火设计规范的应用中，最困难的是要弄清楚规定了怎样的性能要求。这些要求都与特定的火灾场景有关，包括火源以及火势和烟气的蔓延，有许多火灾场景在一个建筑中都有可能发生。一种可以用来分析消防安全措施的可靠性和有效性的工程设计工具是火灾模型的应用，这些模型在世界防火设计研究界中不断地得到了巨大的发展。

三、火灾模型对性能化防火设计的应用及其分析

1.一个火灾模型提供了一个关于火灾初期的定量物理（和化学）描述，即从某个位置开始点火，紧跟着是火势的发展和蔓延，并伴随着烟和其它有毒气体向下一个邻近的位置传播；火灾模型是可燃物的材质和几何形状，以及主要温度、流速和压力条件的函数。一旦指定了一个设定的火灾场景，通常利用这样一个火灾模型来为火势蔓延的动态发展提供定量的信息是可靠的，因此可以确定这种特定火灾场景的消防安全设计方案。

2.火灾模型可以分为两大类，称之为区域模型和场模型。区域模型，将具有不同特征和均一特性的各流层当作一个区域对待。每个区域都可以通过它本身的全部质量、动量、反应生成物和能量守恒，与由经验关系得出的物理子模型一起来描述，主要以单独的试验为基础，每个区域都将作为强制函数或近似恒等式的函数。结果正是一系列相关的一阶非线性常微分方程，可以在个人计算机上很方便地得到数值求解。另一方面，火灾场模型以数值求解一系列与质量、动量、能量和反应生成物守恒有关的偏微分方程为基础。火灾场模型及其在建筑火灾场景分析应用中的唯一优点是能在时间和空间上准确无误地模拟动态火灾烟气运动，就象真正火灾发生那样。这些火灾模型本身就是更基本、更一般的模型，因为它们并不特别限制于任一特定的火灾场景。随着高能、快速CPU计算机资源的不断增加，用火灾场模型来模拟真实火灾场景越来越受到重视。

3.许多消防安全的火灾场景与烟气流、烟粒子、有毒气体的传播速度及高温有关，由于火源和环境的影响，它们会随时间和空间的不同而变化。尽管当代火灾场模型有一些缺陷，但考虑到实际火灾现象中一切复杂的综合效应，火灾场模型就特别适合于分析和计算热气流中这些有毒物质的增长和蔓延。然而，建筑设计师在实际中会遇到许多可能的设计方案，因此，必须通过研究分析出一组最有可能发生灾难的火灾场景设计，为适合所有火灾场景的性能化防火设计规范提供依据。此外，这些设计的火灾场景的选定要依靠与相似建筑有关的风险评估和过去的经验，以满足与这种火灾相关的参数，如防火、挡烟帘、烟层厚度、防止轰燃、实际防火分区、逃生路线设计等的性能化防火设计规范。

除了为设定的火灾场景提供分析方法外，同样的火灾场模型也可以用来为收集火情分析资料提供定量数据的数据库，以有助于未来建筑的设计。当使用了更好、更新的子模型，处理复杂综合物理现象的子模型也会不断地得到更新。

4.在任何火灾场模型中，最重要、也最难的子模型是涡流燃烧模型，它需要提供一个给定火灾场景的火灾热荷载。尽管我们对涡流燃烧机理在很大程度上已有所了解，但对于如何定量描述该现象仍有相当大的争论，甚至更大的不确定性是子模型需要的基本内在参数，如反应动力和热解，而事实上在住宅建筑中通常都缺乏可燃性物质。因此，只需要从一个设定了火灾场景的火灾中估计出火灾荷载（或火灾热释放速率），即使不使用燃烧子模型，也可以进行火灾场模型分析。至今为止，这已在性能化防火设计规范应用领域中达成了一致意见。将一个给定火灾场景的火灾荷载作为一个设定的参数，称之为设定火灾荷载，它是一个燃料函数，通常接近于一个已知火源或火源本身的特性。在分析一个设定的火灾场景时，火灾荷载将被赋予一个很可能发生火灾的典型值，也可能接近于所估计上限或边界范围的值。采用这样的设定后，火灾场模型在应用时就变得非常地简化了。

四、如何正确使用火灾模型

当代火灾场模型，特别是在相应的计算机程序的验证和模型的确认方面仍有一些缺陷和不确定性。计算机程序的验证只要求部分火灾模型的开发者对程序本身进行一些调试，并对他们的计算机程序分析的正确性、连续性和解算收敛等，全部结果都只证明和显示一次，也可能显示一些相关问题的近似结果。这样，解算方案的正确性就可以得到证明。另一方面，火灾场模型的确认将给模型开发者带来更多额外的压力，因为这要求不断努力去寻找更有用的数据来扩展对火灾场模型有效性的限制，以及改进子模型，使其随着新研究发明的出现能包含更多参数的应用。只有这样，火灾场模型才能被作为性能化防火设计规范应用的最新设计工具，并有利于它的应用。

同时，应对当代火灾场模型的应用给予一定的重视。要求建筑设计师或其使用者不盲目地使用这些火灾模型是绝对重要的。设计师必须清楚地了解模型开发的所有条件、假设和以前的验证与确认，并保证在准备设计的建筑中会遇到这些限制条件。不确定度和灵敏度分析应该是火灾模型应用到性能化防火设计规范条例的一个完整部分。需要利用这些结果向建筑设计师、规范的执行者和其他有关人员提供数据来估计消防安全的设计误差。意识到建筑物中一切实际火灾场景都是复杂的现象，并且相应的火灾场模型分析必须与过去的经验紧密结合是很重要的。即使是定性的，这些经验对于确保计算机程序分析的正确性以保证其有效也是很珍贵的。由此可以看出，为以后参考和使用建立一个数据库是很有必要的，这个数据库包括建筑物中的一切实际消防安全和火灾记录的资料，也包括以专门设定了火灾荷载的设定火灾场景为基础的火灾模型分析的结果。

此外，火灾模型不应用得太死板，而应作为一个灵活的工具，可以将基本火灾模型进行合理地简化，以适应特定火灾场景的需要。

结语

在不同的国家发展的进度是不同的，不过可以确定的是，性能化防火设计规范在未来十至二十年内将成为大多数国家的标准。建筑设计的性能化防火设计规范应用需要基本的和创新的工程设计工具来满足消防安全的性能化要求。必须对潜在火灾场景的相关火灾危害和风险评估进行鉴别和评价。考虑到消防安全因素，需要这样一种工程设计工具，那就是应用火灾模型来模拟多种火灾场景，这样，适当的消防安全措施就可以被设计出来并得以应用。更有前景的是，火灾场模型在时间和空间上准确无误地模拟了动态火灾现象，在某种程度上与真实发生的火灾类似。

要正确使用火灾场模型，需要广泛地在消防安全领域中对初级建筑设计师、规范执行者和其它专业人员进行专门的工程技术培训和火灾场模型的应用及其详细理论知识的培训。