大空间建筑物的火灾特点与性能化防火设计
陈延军
（新疆消防总队哈密支队，新疆 哈密）
摘要：大空间建筑物是当前主要的建筑形式之一，其火灾危险性也与普通建筑火灾有很大差别。对于大空间建筑，传统的防火设计方法并不适用。因此，本文在总结大空间建筑火灾特点的基础上，介绍了性能化防火设计方法。性能化防火是大空间建筑的消防设计的重要思路，能有效保护其消防安全。
关键词：大空间建筑物；火灾特点；性能化防火设计
1 引言
火是光明与热量的象征，在人类的发展中起到了至关重要的作用。与此同时，火也给人类的生产生活带来了重要威胁和破坏，火灾是最常见的一种事故形式。随着建筑物朝着巨型化、超高层的方向发展，建筑物内人员密度越来越高，因火灾造成的人员伤亡和才惨损失也越来越严重。
据统计，世界范围内，每年因火灾造成的损失达到整个国民生产总值0.2％～1％。随着我国社会经济的发展，火灾的数量与规模也有扩大的趋势。例如20世纪90年代发生的克拉玛依友谊馆大火和洛阳东都商厦火灾，造成了大量的人员伤亡与恶劣的社会影响。尤其是大型化具有现代化、大型化和非标准化的大空间建筑不断出现，结构复杂，功能繁多，导致火灾隐患多，而且危险大。例如，2004年巴拉圭一大型超市发生特大火灾，造成超过500人死亡，400多人受伤。造成重大人员伤亡的主要原因就是商场安全出口的设计存在缺陷。设计容量为2000人的大型建筑的安全出口数量严重不足，而且消防设计和施工等方面都存在严重的问题。
长期以来，建筑物的消防设计方法都是依据格式化的建设法规与消防设计规范，例如建筑物防火设计规范，地下车库消防设计法规等。格式化的消防设计简单明了，流程清晰，方便设计与施工单位操作实行。这种简单的消防设计方式对于减少建筑火灾的发生，提高建筑物的防火耐火等级起到了重要作用。然而，随着社会的不断发展，一些非常规的大型建筑越来越多，传统的消防设计方法已经不再适用。因此，性能化防火设计的概念就应运而生了。
本文首先对大空间建筑物的火灾额点进行了总结，然后介绍了性能化防火设计的基本理论，最后以案例应用的形式进行说明。
2 大空间建筑火灾的特点
所谓大空间建筑物的标志就是内部空间很大，例如商场、剧院、礼堂、大型仓库和一些超高层建筑物的中庭等等。大空间建筑物具有宽敞舒适、功能多样化的优点，已经成为主流的设计方式之一。在国内，对于空间高度大于5m，容积大于10000m3的建筑物都成为大空间建筑。例如，北京机场航站楼，建筑面积约为30万平方米；上海浦东机场航站楼，建筑面积为28万平方米；上海大剧院，建筑面积为7万平方米；建筑总高度40m。一般情况下，大空间建筑可以分为四类［1］。
（1）占地面积大，高度相对较低，例如商场。
（2）占地面积大，具有一定的高度，例如大型会场、礼堂。
（3）具有一定的面积和高度，例如超高层建筑物的中庭。
（4）占地面积超大，且高度大于10m，例如机场航站楼，大型仓库。
对大空间建筑进行建筑防火设计时，需要明确了解该类建筑的火灾特点，以及火灾发展规律，才能针对性的做好防火工作。大空间建筑物具有独特的空间特点，因此其火灾特点与普通建筑火灾有很大的区别，总体来说，主要有以下三个特点［2，3］。
（1）火灾发展不受空间限制。一旦发生火灾后，由于建筑空间巨大，防火分隔非常困难。而且大空间的对流会带来充足的空气，使火焰蔓延迅速，非常容易发展成大规模的火灾，从而造成重大人员伤亡与经济损失。
（2）毒性大，燃烧猛烈。大空间建筑物一般都属于功能性较为复杂或者人员较为密集的场所，可燃物种类较多，而且存在大量易燃高分子装修材料。这些材料在燃烧过程中，会产生大量的有毒气体，例如CO、H2S、HCN等，在很短时间内就会致人死亡。
（3）传统消防器材难以发挥作用。首先，由于建筑较高，在火灾发生初期，烟气上升到顶棚时密度已经大大降低，普通的感烟和感温探测器很难检测到。等探测系统动作时，火灾已经初具规模，自动喷水灭火系统也会由于高度过高所起作用不大。主要原因有两个：一是空间太高，自动喷水系统在下落过程中很快被蒸发；二是高温火场会很快破坏管道，系统很难持续灭火。
（4）安全疏散困难。大空间建筑物内，火灾蔓延速率很快，烟气与随之扩散，建筑物内的能见度下降很快。而且此类建筑物中一般人员较多，大部分人对逃生路线不熟悉，建筑中心与安全出口的距离也会比较远，很容造成人员心理恐慌，引发重大人员伤亡事故。
（5）灭火扑救困难。大空间建筑物一般都是位于建筑群中，或者被其他部分包围，发生火灾后，消防人员很难直接进入现场灭火。而且由于火灾和烟气蔓延较快，很难判断火源的准确位置。另外，着火面积较大，容易导致消防供水不足，消防器材数量不足。
（6）容易发生倒塌事故。以钢结构为主体的大空间建筑物，在火灾发生后，刚才本身由于火场的热效应，其屈服强度下降很快。据实验测定，当温度为550℃时，钢材的屈服强度下降一半，到600℃时，钢材的全部强度和刚度就会丧失，即使经过专门的防火涂料进行处理，在高温下仍是一大隐患。所以大空间建筑物更容易发生倒塌事故。
3 性能化防火设计基本方法
3.1 基本概念
性能化防火设计起源于英文performance-based design（以建筑物表现为依据的设计），就是以建筑物的具体使用功能和结构特点为依据采取针对性的防火设计与措施［4］。性能化防火所的主要原理就是一句火灾科学、燃烧学和建筑结构学等，根据建筑物的使用功能和结构特点，对建筑物的火灾场景进行模拟，得出火灾发生、发展和熄灭的规律，已经火场对建筑物结构的影响的数据；然后运用消防工程学的方法，确定建筑物的性能指标和设计指标；最后，考虑不同火灾场景下人员的额疏散以及消防设施的配备情况，确定相应的消防设计方案。
美国消防工程师协会编写的防火工程手册（Handbook of Fire proteetion Engineering，SFPE）是公认的消防性能化防火设计的重要依据［5］。根据该手册的介绍，性能化防火设计的主要程序如图1所示。
图1 SFPE中性能化防火设计的主要步骤
3.2 性能化防火设计的内容
根据图1的流程图可以看出，性能化防火设计主要包括准备阶段，定量计算阶段、方案评估和报告编制阶段。下面本文对这几个阶段进行详细阐述［6］。
3.2.1 准备阶段
准备阶段的主要任务就是对建筑物进行评估，得出和消防设计的项目参数，确定防火目的与目标，然后根据具体的工程设计目标评估备选方案的可用性。性能化防火设计第一个重要的内容就是确定防火目的，这主要包括［7］：①保证人员的生命安全；②保护财产和资产；③保证建筑物的功能正常运行；④最大限度降低火灾损失。
当对设计项目进行评估和确定了防火设计目标后，设计人员就可以把防火设计的工作转化为一系列具体的参数。表1给出了防火目的、火灾损失目标以及工程设计目标的示例要求。由表1可以对项目性能化设计的各个方面进行确定，防火目标、设计目标与判定依据示例见表2。
表1 防火目的、减损目标和设计目标示例
表2 防火目标、设计目标与判定依据示例
3.2.2 定量计算阶段
定量计算阶段就是以项目火灾场景为基础，选择适合的火灾发展曲线，通过计算机模拟得到火灾发展情况［8］。
火灾场景就是对火灾发生、发展到熄灭的一种描述，包括这个过程中建筑物内烟气温度等参数变化情况。设置火灾场景主要考虑的因素包括以下几个方面：①起火前状况；②点火源与可燃物；③火灾蔓延途径与方式；④室内人员分布情况。
火灾是一种燃烧过程，这个过程的任意时间点上有产物生成和能量释放。火灾发展过程释放出的能量一般用热释放速率表示，受到可燃物燃烧热，建筑物空间状态以及通气情况等多方面因素的影响。一般情况下，这个过程可以设定为一段增长、一段稳态和一段减弱的连续曲线，如图2和图3所示。
图2 一般火灾发展曲线示例图
图3 结合烟气发展情况的火灾发展曲线示例图
最后利用火灾模拟工具或软件对火灾的发展进行数值模拟，就可以得到可能发生的火灾过程的发展变化情况［9］。目前国内外用于火灾模拟的软件很多，比较常用商业软件或者开源软件的有CFAST、FDS、FLUENT。
3.2.3 方案评估与报告编制
根据性能化设计的目的和标准，以及火灾发展情况，就可以尝试性的制定出数套套防火方案。每个设计方案应该针对至少一种火灾场景，然后根据设计标准，对不同的方案进行评估，最终，经过优化改进得出一个最佳设计方案［10］。
得出设计方案后就可以正式编制性能化分析和设计报告。报告内容应包括以下几个方面：设计工作人员；目的；采用方法；工程资料；性能判定依据；火灾场景；火灾发展曲线；采用的工具与算法；设计改进方案。
4 结论
本文首先总结了大空间建筑物火灾的特点，主要有：火灾发展不受空间限制；毒性大，燃烧猛烈；传统消防器材难以发挥作用；安全疏散困难；灭火扑救困难；容易发生倒塌事故。由于与普通建筑火灾的显著差别，需要对大空间建筑进行性能化防火设计。然后本文详细地介绍了性能化防火设计方法，为大空间建筑物的消防安全设计提供参考。
参考文献
［1］ 贾红刚.大空间建筑火灾特点与防火对策.湖北警官学院学报，2013，（9）：134-135.
［2］ 谢正良.大空间建筑性能化防火设计研究.上海：同济大学，2007.
［3］ 李引擎.建筑性能化防火设计.北京：化学工业出版社，2005.
［4］ 刘晓平.高大空间建筑火灾性能化设计中的数值模拟，合肥：中国科学技术大学学位论文，2005.
［5］ The SFPE guide to performance-based fire protection analysis and design，draft for comment，Society of Fire Protection Engineers，1998.
［6］ 蒋永混高层建筑火设计手册.北京：中国建筑工业出版社，2000.
［7］ 田玉敏.论“性能化”防火设计中的“设计火灾场景”.火灾科学，2003，12（1）：44-50.
［8］ 廖曙江.火灾场景确定原则和方法.消防科学与技术，2004，23（3）：249-252.
［9］ 周榕，李树生，顾阳.FDS软件在大空间火灾风险评估中的应用.哈尔滨工程大学学报.2009，30（5）：508-512.
［10］ 范维澄，孙金华，陆守香.火灾火灾风险评估方法学.北京：北京科学出版社，2006.