許維明 山東省東營(yíng)市消防救援支隊(duì)墾利區(qū)大隊(duì)工程師

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，土地資源稀缺與城市人口劇增之間的矛盾進(jìn)一步凸顯。為解決該矛盾，城市高層建筑和超高層建筑數(shù)量進(jìn)一步增加，高層建筑及超高層建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、功能特質(zhì)等進(jìn)一步優(yōu)化，為我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，隨著物質(zhì)生活水平的飛速提升，人們對(duì)生活品質(zhì)提出了更高要求。為更好地滿足人類生活需要，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加強(qiáng)高層建筑安全性研究具有重要意義。在此條件下，本文以高層建筑防火性能為切入點(diǎn)，對(duì)高層建筑防火中性能化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 高層建筑基本特征與火災(zāi)特點(diǎn)

1.1 高層建筑的基本特征

城市中的高層建筑大體分為居民住宅和商用建筑。高層建筑固有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式和建筑施工材料的特殊性使其在防火中有別于其他建筑。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣、火災(zāi)負(fù)荷大、用電設(shè)備多等都可能成為安全隱患。

1.2 高層建筑防火設(shè)計(jì)所存在的問題

高層建筑防火設(shè)計(jì)主要遵循《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018 年版）》（GB 50016—2014）的相關(guān)要求，結(jié)合該建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)防火等級(jí)、居民安全保護(hù)以及生命財(cái)產(chǎn)保護(hù)等提出重點(diǎn)要求，劃定了相應(yīng)的防護(hù)性能標(biāo)準(zhǔn)。該類傳統(tǒng)的防火設(shè)計(jì)方法往往是以“按藥方抓藥”的思維模式，要考慮高層建筑內(nèi)外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人員疏散以及消防用水用電等諸多功能的實(shí)現(xiàn)，有時(shí)高層建筑的防火設(shè)計(jì)難以切實(shí)保障其結(jié)構(gòu)安全?？傮w而言，高層建筑防火設(shè)計(jì)中主要存在以下3 點(diǎn)問題。

（1）大多從高層建筑結(jié)構(gòu)受力角度考慮其材料使用，卻在一定程度上忽視了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火等級(jí)，部分高層建筑傳統(tǒng)施工材料和組合材料并不符合規(guī)范中的耐火要求，高層建筑施工和舊建筑材料之間存在無效匹配等問題。

（2）部分普通高層建筑尤其是建筑高度在54 m 以下的住宅建筑，未配備火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)滅火系統(tǒng)，往往會(huì)使火災(zāi)安全事故發(fā)生后的負(fù)面影響進(jìn)一步擴(kuò)大。

（3）國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝飾材料的耐火等級(jí)已有明確規(guī)定，但部分單位或個(gè)人可能出于成本考量或其他原因限制而使用未達(dá)到耐火等級(jí)的建筑材料，留下一定的火災(zāi)隱患。

1.3 高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)

高層建筑火災(zāi)隱患多、危害大，主要有兩個(gè)特點(diǎn)。一是當(dāng)前很多高層建筑的設(shè)計(jì)建造過程中使用了大量易燃裝修材料，易燃外墻保溫材料，發(fā)生火災(zāi)后將導(dǎo)致火勢(shì)迅速蔓延，并伴隨大量濃煙和有毒氣體，直接危害建筑內(nèi)部人員的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。二是高層建筑一旦起火，火勢(shì)蔓延速度非?？?，容易形成立體燃燒，加之玻璃幕墻在高層建筑中采用的愈發(fā)普遍，增加了火災(zāi)撲救難度和不確定性。部分高層建筑外立面排煙窗、救援窗被大型廣告牌遮擋，都給滅火救援帶來不利影響。

2 性能化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與特征

2.1 性能化設(shè)計(jì)內(nèi)涵

為了更好地設(shè)立防火目標(biāo)，應(yīng)對(duì)建、構(gòu)筑物的防火安全預(yù)期進(jìn)行明確[2]。高層建筑防火性能化設(shè)計(jì)屬于防火設(shè)計(jì)中的新型防火方法之一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員以原有的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)的主體形式和功能分區(qū)，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中容易發(fā)生火災(zāi)隱患的細(xì)節(jié)位置進(jìn)行嚴(yán)格管控，同時(shí)對(duì)建筑工程施工所使用的主體結(jié)構(gòu)材料、裝飾裝修材料、構(gòu)件組件以及消防系統(tǒng)等進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃與設(shè)計(jì)，增強(qiáng)高層建筑的防火功能。

在此過程中，設(shè)計(jì)人員需結(jié)合消防安全的相關(guān)理論知識(shí)，明確高層建筑的防火設(shè)計(jì)目標(biāo)，確保高層建筑能夠在滿足防火規(guī)范相關(guān)參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，更好地達(dá)到建筑物本身的功能要求，使高層建筑防火設(shè)計(jì)達(dá)到智能化和綜合化的目標(biāo)。

2.2 性能化設(shè)計(jì)方法

高層建筑性能化設(shè)計(jì)過程中，首先要保障建筑結(jié)構(gòu)中所有人在火災(zāi)發(fā)生時(shí)及時(shí)撤離至安全區(qū)域。當(dāng)高層建筑發(fā)生火災(zāi)后安全疏散時(shí)間小于實(shí)際具有的安全疏散時(shí)間時(shí)，高層建筑中的人員就能在不超過人類耐受極限的前提下實(shí)現(xiàn)整體逃生，但當(dāng)需要的安全疏散時(shí)間大于實(shí)際可用的安全疏散時(shí)間時(shí)，就很難保證所有人員成功逃生。因此，對(duì)高層建筑防火中的性能化設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注延長(zhǎng)可用的安全疏散時(shí)間。

另外，可把人員疏散時(shí)的周邊環(huán)境作為高層建筑中逃生的評(píng)判指標(biāo)，以可用的安全疏散時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，判別建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)和逃生環(huán)境是否達(dá)標(biāo)。以建筑環(huán)境為延長(zhǎng)人的極限承受時(shí)間提供支撐，可從火災(zāi)發(fā)生后的煙氣輻射以及對(duì)流熱度等基礎(chǔ)條件出發(fā)進(jìn)行綜合判斷。當(dāng)耐輻射強(qiáng)度＜2.5 kW/m2時(shí)，人體耐受時(shí)間＞5 min；耐輻射強(qiáng)度為2.5 kW/m2時(shí)，人體耐受時(shí)間30 s；耐輻射強(qiáng)度10.0 kW/m2時(shí)，人體耐受時(shí)間為4 s。由此可知，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，人體無法忍受超過2.5 kW/m2實(shí)際輻射能量，超過該能量時(shí)，火災(zāi)很容易對(duì)周圍人體產(chǎn)生巨大傷害。

高層建筑防火性能化主要包含目標(biāo)明確性、方法靈活性和評(píng)估驗(yàn)證必要性3 大部分內(nèi)容。以評(píng)估驗(yàn)證必要性為例探究可知，在高層建筑防火設(shè)計(jì)中使用性能化設(shè)計(jì)方法，需要對(duì)高層建筑整個(gè)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行合理評(píng)估和驗(yàn)證。利用消防設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)后的整體方案進(jìn)行綜合評(píng)判，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員所能承受的生理極限和心理極限以及所需的逃生時(shí)間進(jìn)行判斷，使高層建筑能夠達(dá)到綜合設(shè)計(jì)要求[3]。

3 高層建筑防火中性能化設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用

3.1 火災(zāi)場(chǎng)景

將高層建筑防火中性能化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于火災(zāi)場(chǎng)景優(yōu)化，主要可分為火災(zāi)場(chǎng)景分類和火災(zāi)場(chǎng)景確立兩個(gè)環(huán)節(jié)。就火災(zāi)場(chǎng)景分類而言，高層建筑發(fā)生火災(zāi)的具體后果與火災(zāi)特定的發(fā)展和蔓延密切相關(guān)，同時(shí)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)和火災(zāi)場(chǎng)景內(nèi)的主要原材料、空間結(jié)構(gòu)形式以及建筑結(jié)構(gòu)形式等密切關(guān)聯(lián)。因此，不論是火災(zāi)模型的仿真分析，還是火災(zāi)預(yù)防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，都應(yīng)以火災(zāi)的場(chǎng)景分析為基礎(chǔ)研究方法，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合內(nèi)部空間可燃物的實(shí)際分布以及具體著火點(diǎn)范圍、距離等諸多因素，將火災(zāi)場(chǎng)景劃分為固定火源的火災(zāi)場(chǎng)景、擴(kuò)散火源的火災(zāi)場(chǎng)景和爆炸火源的火災(zāi)場(chǎng)景共3 大類型。

（1）固定火源的火災(zāi)場(chǎng)景主要是指該類火災(zāi)事故局限于某一固定空間，實(shí)際蔓延速度和蔓延概率相對(duì)較低，實(shí)際釋放的熱輻射大小存在著線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

（2）擴(kuò)散火源的火災(zāi)場(chǎng)景則主要是指火災(zāi)事故發(fā)生地點(diǎn)會(huì)從局部不斷向整體蔓延，其發(fā)生過程所釋放的熱能量變化并不具備線性關(guān)系，往往需要采取建模和仿真優(yōu)化方式，才能夠準(zhǔn)確計(jì)算出火場(chǎng)的實(shí)際溫度和空間時(shí)間關(guān)系，確定救援方案。常見的擴(kuò)展火源的火災(zāi)類型包括圖書館、賓館、酒店等公共建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生的火災(zāi)。

（3）爆炸火源的火災(zāi)主要是指火源起火時(shí)伴隨著劇烈爆炸，存在著爆炸沖擊波的副作用，火場(chǎng)類與周邊一定范圍內(nèi)的可燃物會(huì)由于爆炸沖擊波迅速起火燃燒，導(dǎo)致火災(zāi)在極短的時(shí)間內(nèi)快速蔓延。常見的爆炸火源火災(zāi)場(chǎng)景包括化學(xué)品和液化氣爆炸等。

火災(zāi)場(chǎng)景本質(zhì)是人們根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的火災(zāi)具體蔓延方式和發(fā)展方式。在對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行確定時(shí)，應(yīng)以建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際火災(zāi)特征作為依據(jù)，根據(jù)火災(zāi)發(fā)生后的具體特點(diǎn)進(jìn)行真實(shí)評(píng)估，反映建筑結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)具體要求，且同時(shí)應(yīng)突出火災(zāi)火源的具體參數(shù)性質(zhì)，保證不同性質(zhì)火災(zāi)的實(shí)際起火原因、危害性大小以及火源確定形式等能夠具備普遍特征，幫助救援隊(duì)伍快速擬定救援方案。

3.2 火災(zāi)荷載的主要影響因素與確定方式

建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)荷載，主要是指建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部可燃物質(zhì)發(fā)生火災(zāi)后所存在的恒量具體表述，依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018 年版）》（GB 50016—2014）以及指標(biāo)參考可知，在高層建筑火災(zāi)防控過程中，應(yīng)合理控制火災(zāi)荷載?；馂?zāi)荷載的確定方式主要包括可燃物燃燒值的確定以及火災(zāi)荷載的具體密度值確定兩大步驟。

燃燒值的大小主要是指可燃物發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)后所釋放出的能量總和。就火災(zāi)可燃物燃燒值的確定問題而言，任何可燃物進(jìn)入燃燒狀態(tài)后都會(huì)向外界空間環(huán)境釋放一定熱量，實(shí)際的燃燒值意義就是對(duì)燃燒物質(zhì)釋放熱量的權(quán)衡和量化。高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火場(chǎng)內(nèi)的實(shí)際可燃物燃燒特質(zhì)將會(huì)對(duì)火災(zāi)的實(shí)際蔓延速度和影響范圍產(chǎn)生重要影響。根據(jù)熱力學(xué)研究結(jié)果，可燃物燃燒反應(yīng)能量將會(huì)全部轉(zhuǎn)化為熱能，由此可計(jì)算得到高層建筑內(nèi)部空間可燃物燃燒后的具體參數(shù)值，為選擇建筑防火材料提供可靠的參數(shù)依據(jù)。

就荷載密度的確定問題而言，火災(zāi)荷載密度的確定就是分析整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間所包含的所有可燃物的燃燒值大小。通常情況下，高層建筑內(nèi)部空間荷載量的大小很難與火災(zāi)發(fā)生的強(qiáng)度以及影響范圍建立較直接的關(guān)系，但可通過對(duì)其內(nèi)部空間特征的量化分析計(jì)算得到兩者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。在計(jì)算高層建筑火災(zāi)荷載密度的過程中，固定類的可燃物具備固定不變的總熱量Q1，而活動(dòng)類的可燃物資具備總熱量Q2，臨時(shí)類的可燃物具備總熱量Q3，由此能夠得到該建筑空間一定范圍內(nèi)災(zāi)荷載密度的實(shí)際計(jì)算公式為：

式中，A為高層建筑內(nèi)部空間的體積，q為實(shí)際火災(zāi)荷載密度值。

3.3 基于性能化的建筑防火設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

3.3.1 設(shè)置合理的火災(zāi)場(chǎng)景

在高層建筑火災(zāi)場(chǎng)景的模擬過程中，應(yīng)著重體現(xiàn)對(duì)高層建筑內(nèi)部空間場(chǎng)景危險(xiǎn)性、不利性因素及全面科學(xué)性等因素的考量，同時(shí)應(yīng)考量不同內(nèi)部空間場(chǎng)景的具體影響因素，包括計(jì)算其火災(zāi)荷載值大小、火源的具體方位以及所釋放的熱能量，根據(jù)場(chǎng)景的綜合分析結(jié)果制定安全撤離方案和火勢(shì)蔓延控制方案。

3.3.2 設(shè)置科學(xué)的防火分區(qū)

上海的金茂大廈是由美國(guó)SOM 公司主導(dǎo)設(shè)計(jì)的一幢超級(jí)綜合性大樓，總建筑面積為28 萬余平方米，88 層的主樓高達(dá)420 m，其下半段為辦公部分，53 層以上為五星級(jí)飯店。金茂大廈輔樓有6 層，總建筑面積合計(jì)2 萬多平方米，高度超過32 m，內(nèi)設(shè)商業(yè)及游樂等多種設(shè)施。由于中美兩國(guó)在防火標(biāo)準(zhǔn)方面的差異及大廈的復(fù)雜性，輔樓防火分區(qū)設(shè)置即采用了性能化設(shè)計(jì)。輔樓因3 個(gè)中庭將空間相互貫通，分區(qū)面積已大大超過了我國(guó)規(guī)范（高層建筑商業(yè)空間全部設(shè)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，且采用不燃或難燃裝修時(shí)，地上防火分區(qū)可按44 000 m2考慮）的規(guī)定，通過積極論證，采用垂直劃分防火分區(qū)的方式。在中間部分中庭的兩邊，層層設(shè)置防火卷簾，將輔樓垂直分為3 區(qū)。這樣，3 個(gè)部分可各自互不影響，但每個(gè)中庭各自貫通的面積仍稍有超過我國(guó)規(guī)范的規(guī)定。由于中庭排煙、報(bào)警、滅火設(shè)備及不燃裝修的設(shè)置完善，此方案獲得通過實(shí)施[4]。

3.3.3 應(yīng)用適宜的防火材料

高層建筑性能化建筑防火設(shè)計(jì)過程中，建筑裝飾裝修材料的應(yīng)用有著重要意義。該類材料在起火燃燒時(shí)可能釋放出大量有毒氣體，造成建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間人員傷亡，因此應(yīng)盡可能選擇安全的建筑材料增強(qiáng)其防火性能[5]。

4 結(jié)論

基于性能化的高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間防火設(shè)計(jì)有諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，針對(duì)高層建筑特殊空間設(shè)計(jì)和功能分區(qū)的特點(diǎn)，在開展規(guī)范的性能化防火設(shè)計(jì)研究時(shí)，應(yīng)立足于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，增大消防設(shè)備設(shè)施投資，全面使用合格的施工材料，同時(shí)加強(qiáng)消防管理，以達(dá)到滿足國(guó)家規(guī)范規(guī)定的目標(biāo)。