建筑防火性能化設計與評估及其科學與技術(shù)基礎

1建筑防火性能化設計與評價及其科學與技術(shù)根底提綱一、性能化防火設計的時代背景二、性能化防火設計的方法與步驟三、性能化防火設計的科學與技術(shù)根底四、性能化防火設計舉例五、終了語23一、性能化防火設計的時代背景3建筑與科技開展對防火設計的新要求2處方式建筑防火設計4性能化防火設計的興起1建筑防火的目的與措施5性能化設計和處方式設計的關(guān)系4建筑防火目的：(1)維護建筑物內(nèi)及其周圍人員生命平安和安康；(2)維護建筑物內(nèi)及其周圍財富并限制火災損失；(3)維護消防人員的平安并可以開展有效的滅火任務；(4)維護環(huán)境〔大氣、水和土壤〕。1.建筑防火的目的與措施5維護人員平安措施：預防火災疏散通道限制火災蔓延盡早發(fā)現(xiàn)火災并進展有效滅火防止發(fā)生轟燃經(jīng)過限制疏散通道的長度、防煙、排煙、排熱以及防止建筑物倒塌等措施減少人員的危險性實現(xiàn)防火的技術(shù)措施6維護財富平安的措施：預防火災減少財富密度盡早發(fā)現(xiàn)火災并進展有效滅火限制火災蔓延防止發(fā)生轟燃經(jīng)過排煙、排熱、防止水呵斥的損失以及防止建筑物倒塌等措施減少財富的損失實現(xiàn)火災防護目的的技術(shù)措施72處方式建筑防火設計定義：處方式建筑防火設計：按照傳統(tǒng)建筑防火設計規(guī)范對建筑物防火分類及其對防火設計的明確要求，對建筑防火系統(tǒng)進展設計的工程。處方式防火設計評價：按照按照傳統(tǒng)建筑防火設計規(guī)范對建筑物防火分類及其對防火設計的明確要求，對建筑防火系統(tǒng)設計進展評價。8特點：普通是指根據(jù)火災事故的發(fā)生、開展和撲救等閱歷教訓和火災科學研討實驗等消防實際總結(jié)出來的，并經(jīng)不斷修正完善的一套有明確防火設計措施和各種詳細的設計參數(shù)要求的規(guī)定。優(yōu)點是清楚明了、簡單易行，對設計和驗收評價人員的要求不高，可以滿足大多數(shù)規(guī)模或功能等要求較簡單建筑的設計與設計監(jiān)視需求。缺陷是它使建筑設計千篇一概，不利于新消防技術(shù)和產(chǎn)品的采用、很難滿足技術(shù)提高的要求，并且無法確切地知道人們以為平安的詳細目的究竟是多少、為滿足這種平安的建立投入與所能到達的平安性能程度之間具有多高的投資效益比。93建筑和科技開展對防火設計的新要求現(xiàn)代建筑的特點：攀高比闊，爭奇斗艷，彰顯時髦，各領(lǐng)風騷10火災科學方興未艾：火災機理日見明晰景象描畫逐漸量化數(shù)值模擬日臻完善研討群體日益強大火災科學和消防技術(shù)的開展為消防工程的變革提供了能夠11消防技術(shù)層出不窮：火災探測智能化火災撲救自動化成套設備系列化消防管理信息化火災科學和消防技術(shù)的開展為消防工程的變革提供了能夠細水霧滅火遙控水炮定義：性能化設計：針對特定建筑對象的消防平安目的，運用消防平安工程學原理，采取計算機?；驍?shù)理推算的方法，并結(jié)合實驗方法，確定合理的消防平安設計。性能化評價：采用確定性或概率方法，基于消防平安工程學的邏輯關(guān)系，對已設計或現(xiàn)有的建筑對象，結(jié)合其消防工程體系的合理性、適用性，數(shù)值化地分析論證其火災危害與風險。124性能化防火設計的興起13特點：只確定建筑要到達的總體目的要求或設計性能程度，規(guī)定一系列性能目的和可以量化的性能準那么和設計準那么，普通附有一個指點設計的技術(shù)文件。設計人員或其他規(guī)范執(zhí)行者根據(jù)設計對象特點，按規(guī)范要求，采用“處方式〞規(guī)范或以性能為根底的設計和評價方法來完成以為可以接受或可以獲得最低規(guī)定平安程度的設計。在大多數(shù)情況下，規(guī)范不明確規(guī)定某項處理方案，而是確定能到達規(guī)范要求的可接受的方法。14可以針對不同的建筑物確定不同的平安程度，能使設計者或監(jiān)視者具有自在發(fā)揚的較大余地，處理“處方式〞規(guī)范中存在的大部分問題，但對于規(guī)范運用者而言那么要求經(jīng)過專門的嚴厲訓練，并要有不同建筑物的火災大小數(shù)據(jù)以及大量建筑資料的熄滅特性數(shù)據(jù)、專門的設計和評價工具等作為支撐。5.性能化設計和處方式規(guī)范的關(guān)系1、兩者的目的是一致的，可以相互驗證；2、兩者各具特點：指令性的簡捷、明確，便于操作，可直觀了解，運用本錢低。性能化的演繹、推理，可以模化，需求了解力，運用本錢高。3、兩者將長期互補共存。性能化順應于新型的、特殊的建筑設計與評價；指令性適用于普通的、普遍的建筑設計與評價。4、兩者可相互變化。性能化的歸納，總結(jié)成律可作為指令性。指令性的細化，數(shù)理表述可化為性能化。15二、性能化防火設計方法與步驟16〔一〕根本概念總體目的：維護生命、維護財富、維護運用功能、維護環(huán)境功能目的：對如何到達總體目的闡明性能要求：資料、構(gòu)件、系統(tǒng)、組件以及建筑方法滿足性能程度要求，從而到達平安總體目的和功能目的性能目的設計目的17總體目的：建筑物在火災條件下不垮塌功能目的：維護鋼構(gòu)件不燒毀性能目的：鋼構(gòu)件有1小時耐火時間性能目的：在1小時內(nèi)，溫度不高于530C設計目的：維護層厚度不小于3mm總體目的：維護人員平安功能目的：遠離起火點的人員有足夠的疏散時間性能目的：限制火災蔓延和控制煙氣聚積與流動。性能目的：熄滅速率小于10MW，40分鐘內(nèi)煙氣層高度3米以上。設計目的：水噴淋1套〔水壓2個大氣壓〕、機械通風300m3/min。二、性能化防火設計方法與步驟確定分析對象的現(xiàn)場情況弄清待評價建筑的構(gòu)造特點識別艱苦火災危險源設計火源功率18二、性能化防火設計方法與步驟確定防火平安的目的和目的保證人員平安減少起火的能夠性防止火蔓延防止火災進一步擴展19二、性能化防火設計方法與步驟選擇適宜的定量分析方法定量分析是性能化分析的根本方法，需求根據(jù)分析的需求選擇適宜的定量方法；火災過程的計算機模擬是一種主要的方法〔CFAST、FDS、FLUENT、PHOENICS〕20二、性能化防火設計方法與步驟詳細分析影響火災平安的要素建筑物的構(gòu)造特點；可燃物的熄滅特性與分布；火災與煙氣蔓延的特點；室內(nèi)消防設備的配置情況；建筑物運用者的特征；消防救援情況21二、性能化防火設計方法與步驟給出分析報告風險分析終了后該當給出客觀、全面的結(jié)論報告；明確指出該建筑物能否符合有關(guān)規(guī)范的要求，原有設計能否需求進展任何修正等；結(jié)論具有很強的時效性22二、性能化防火設計方法與步驟根本的設計步驟：三個階段：設計預備階段；定量評價階段；文件編制階段；八個步驟23二、性能化防火設計方法與步驟24性能化設計步驟表示圖25StepsinthePerformance-BasedAnalysisandtheConceptualDesignProcedureforFireProtectionDesign確定工程詳細內(nèi)容建立性能判據(jù)確定平安總體目的、功能目的、性能目的設計目的：性能目的和設計目的選擇最終設計建立火災場景試設計試設計評價預備設計文件修正設計或目的性能化設計報告闡明、圖紙操作與維護手冊Developinga

FireProtectionEngineering

DesignBrief試設計能否滿足性能規(guī)范否是PSGDSODPCDFSTDFSM?二、性能化防火設計方法與步驟〔一〕設計預備階段根本義務：確定一些根本參數(shù)，包括：評價所設計建筑物的現(xiàn)場情況；確定業(yè)主的損失目的〔定性〕；把業(yè)主的損失目的定量為設計目的；26二、性能化防火設計方法與步驟〔一〕設計預備階段確定建筑防火設計的根本目的：保證生命平安，包括民眾、任務人員和消防人員的平安；維護財富平安，包括建筑構(gòu)造、設備和物品；提供延續(xù)的操作，例如維護系統(tǒng)可以繼續(xù)運作；限制火災與火災防治措施的不良影響。27二、性能化防火設計方法與步驟〔一〕設計預備階段該當確定防火設計目的的優(yōu)先順序：多數(shù)情況下，應優(yōu)先思索人員生命平安；特殊情況下，也可優(yōu)先思索其它目的。如人員少，容易疏散，或存儲高價值物品；該當兼顧多個防火目的。28二、性能化防火設計方法與步驟〔二〕定量評價階段選擇火災場景和設定火災曲線：選擇火災場景；設定火災曲線29二、性能化防火設計方法與步驟選擇火災場景火災場景：對火災開展過程的一種言語描畫，包括對起火、增長、開展到最大程度〔轟燃〕以及熄滅過程的闡明。需求確定的內(nèi)容：歷史資料；實踐火災過程的數(shù)據(jù)；火災實驗數(shù)據(jù)30二、性能化防火設計方法與步驟選擇火災場景主要涉及以下詳細內(nèi)容：起火前的情況點火源初始可燃物二次可燃物火蔓延的能夠性物體的擺放位置室內(nèi)人員情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)31二、性能化防火設計方法與步驟設定火災曲線火災的熱釋放速率是決議火災開展的根本參數(shù)之一；性能化分析中所用的HRR是人為設定的，設定的越合理，計算結(jié)果越可靠；火災開展可分為三種根本方式：不斷增長；穩(wěn)定熄滅；逐漸衰弱32二、性能化防火設計方法與步驟33時間(s)熱釋放速率穩(wěn)定階段增長階段減弱階段設定火災曲線表示圖二、性能化防火設計方法與步驟〔二〕定量評價階段開展與評價初步防火設計：按照確定的火災場景，根據(jù)設定的火災曲線，開展初步設計方案；通常有多個方案；評價、比較這些方案時，應靈敏區(qū)分新建建筑和已有建筑。34二、性能化防火設計方法與步驟〔三〕文件編制階段分析和設計過程的參與者分析或設計的理由設計方法的闡明〔方法、假設和工具〕設計的背景資料業(yè)主的目的闡明性能判據(jù)火災場景設定火災設計替代方案其它資料3536三、性能化防火設計的科學與技術(shù)根底2熱釋放速率模型及其實驗測試方法3羽流模型1火災過程模擬4人員疏散模型5自動報警與滅火系統(tǒng)6煙氣流動與控制系統(tǒng)7建筑構(gòu)件耐火維護371火災過程〔煙氣流動〕模擬方法分類火災防護的工程方法分析方法模擬方法區(qū)域模擬方法場模擬方法38火災模擬方法及其對比分析方法與模擬方法對比分析方法：運用工程根本原理、閱歷和規(guī)范給出詳細工程問題的處理方案。模擬方法：建立火災過程數(shù)學模型，真實近似地再現(xiàn)火災過程，并根據(jù)詳細工程問題的給出處理方案。39火災模擬方法及其對比區(qū)域模擬與場模擬方法區(qū)域模擬方法：通常將火災房間分為上下兩個區(qū)域，即上部的熱煙氣區(qū)和下部的冷空氣區(qū)，并且假設兩個區(qū)域內(nèi)的參數(shù)是均勻的。針對兩個區(qū)域分別列出質(zhì)量守恒和能量守恒方程，區(qū)域之間的質(zhì)量交換主要由羽流和通風口的摻混作用呵斥，能量交換除了由質(zhì)量交換帶來的能量傳送外，還思索輻射和導熱損失場模擬方法：根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒〔N-S方程〕、能量守恒和化學反響定律建立描畫火災過程的控制方程組。為了可以從整體上求解火災過程必需建立火災各主要分過程的實際模型，如受浮力影響的湍流模型、湍流熄滅模型、輻射換熱模型和碳黑模型，從而使場模擬的方程組封鎖。40火災模擬方法及其對比區(qū)域模擬與場模擬方法對比41火災模擬方法及其對比區(qū)域模擬與場模擬方法對比42室內(nèi)火災及熱煙氣開展過程432火源熱釋放速率模型引言火災過程中火源的熱釋放速率是評價火災危險性的重要參數(shù)，也是進展火災模擬研討的根底參數(shù)。在過去的20多年時間里，火災過程中熱釋放速率的測試方法法較大的開展，出現(xiàn)了基于氧耗費原理的熱釋放速率測試方法，如小尺寸熱釋放速率實驗的ISO5660規(guī)范、全尺寸墻角實驗的ISO9705規(guī)范，一些火災實驗室還開展了基于氧耗費原理的大型熱釋放速率測試方法。此外，基于質(zhì)量損失速率的熱釋放速率測試方法可以作為基于氧耗費原理測試方法的補充。與此同時，基于區(qū)域模型〔ZoneModel〕的火災模擬方法也得到了長足開展，目前比較著名的火災模擬軟件有CFAST、MRFC、Jasmine、Sophie等，部分軟件曾經(jīng)可以在Windows9.x和Windows2000界面下運轉(zhuǎn)。上述火災模擬軟件曾經(jīng)成為建筑火災研討和火災危險性評價的重要工具，部分軟件已被勝利地運用于隧道火災的研討和評價。但區(qū)域模型的中心是如何構(gòu)造接近于實踐情況的火源熱釋放速率模型。44幾種常用的熱釋放速率模型t2模型—CFAST軟件中運用的模型45幾種常用的熱釋放速率模型t2模型—CFAST軟件中運用的模型46幾種常用的熱釋放速率模型t2模型—CFAST軟件中運用的模型47幾種常用的熱釋放速率模型t2模型—CFAST軟件中運用的模型48幾種常用的熱釋放速率模型MRFC軟件中運用的模型49幾種常用的熱釋放速率模型MRFC軟件中運用的模型50幾種常用的熱釋放速率模型51幾種常用的熱釋放速率模型FFB運用的模型52幾種常用的熱釋放速率模型FFB運用的模型533熱釋放速率的實驗測試方法基于氧耗費原理的測試方法氧耗費原理是指大多數(shù)固體資料完全熄滅每耗費一單位質(zhì)量的氧氣所釋放的熱量根本一樣〔13.1±0.05MJ/kgO2〕54熱釋放速率的實驗測試方法錐形量熱計55熱釋放速率的實驗測試方法錐形量熱計實驗原理56熱釋放速率的實驗測試方法大型基于氧耗費原理的測試安裝57熱釋放速率的實驗測試方法小汽車火災熱釋放速率測試結(jié)果58熱釋放速率的實驗測試方法家具火災熱釋放速率測試結(jié)果59熱釋放速率的實驗測試方法基于質(zhì)量損失速率原理的測試方法60熱釋放速率的實驗測試方法房間木垛火災熱釋放速率測試結(jié)果61主要結(jié)論火災過程中火源的熱釋放速率是評價火災危險性的重要參數(shù)，也是進展火災模擬研討的根底參數(shù)。在實踐建筑〔包括工業(yè)建筑〕火災中，可燃物種類繁多如木材、塑料、紡織品、橡膠、油品等，多數(shù)火災往往是上述多種可燃物的混合。運用實驗的方法研討單一可燃物和混合可燃物的熄滅過程，獲得這些資料在火災過程中的熱釋放速率，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，用于實踐火災的評價和模擬研討任務是非常必要的?；馂膶嶒炇且环N破壞性實驗，大型火災實驗耗費往往很大。運用目前較為成熟的數(shù)學模型用于火災模擬研討任務是真實可行的，如CFAST和MRFC軟件中運用的模型，但要求運用者應具有豐富的閱歷。模型化的方法雖然處置問題較粗糙，但假設相關(guān)參數(shù)選用合理，也可滿足相關(guān)火災研討任務的需求。624幾種常用的羽流模型Zukoski模型〔1〕63幾種常用的羽流模型Zukoski模型〔2〕64幾種常用的羽流模型Thomas-Hinkley模型65幾種常用的羽流模型McCaffrey模型66幾種常用的羽流模型NFPA模型67羽流模型對比羽流溫度近似計算對兩個火源上方溫度一樣的點，由溫度分布方程得到：利用該方程可以進展模擬實驗。羽流溫度模擬實驗測定68羽流模型對比熱煙氣層的體積變化率69羽流模型對比計算例如算例1：單位面積上的熱釋放速率為800kW/m2，火源面積為0.5m2，火源直徑為0.8m，火源的熱釋放速率為400kW，對流熱流量為火源熱釋放速率的80%，可燃物高度為0m?；鹧娓叨葹?.42m，虛擬點火源距可燃物外表高度為-0.025m。算例2：選用德國熱與煙氣排放規(guī)范第五部分〔DIN18232-5〕中的第三組火源描畫，火源面積為20m2，火源直徑為5.05m，火源的熱釋放速率為12000kW，對流熱流量為火源熱釋放速率的80%，可燃物高度為0m。70火災羽流模型對比羽流質(zhì)量流量71火災羽流模型對比羽流溫度變化72火災羽流模型對比羽流體積流量73火災羽流模型對比羽流質(zhì)量流量74火災羽流模型對比羽流溫度變化75火災羽流模型對比羽流體積流量76火災羽流模型對比主要結(jié)論火災過程中的羽流模型是進展火災模擬、火災及煙氣開展評價和防排煙設計的根底。本文總結(jié)了幾種常見的羽流模型和適用條件，運用算例對幾種常見的羽流模型進展了對比分析。結(jié)果闡明，對同一問題各模型得出的羽流質(zhì)量流量存在著差別，而這些差別必然對煙氣流量和溫度的計算產(chǎn)生影響，這給火災的評價呵斥困難。雖然不同的羽流模型有著不同的適用條件，但這些條件的界限并不非常清楚，運用者很難把握。此外，大部分羽流模型是基于早期實驗的研討成果，如Thomas-Hinkley模型是1963年發(fā)表的，由于受當時實驗條件、測試儀器程度以及人們對火災問題的科學認識程度的限制，這些成果的適用性需求重新進展實驗和實際評價，以促進火災研討及運用技術(shù)的開展。77火災溫度——時間關(guān)系規(guī)范火災溫度曲線：Lie的溫度—時間關(guān)系表達式：開口因子當當和/或Tg等于的值，直到燃料耗費終了。t—轟燃后的時間，小時。對重物質(zhì)〔密度大于或等于1600kg/m3〕，C=0；對輕物質(zhì)〔密度小于1600kg/m3〕，C=1。且5耐火維護78鋼構(gòu)件耐火維護層的厚度計算輕質(zhì)維護資料：重質(zhì)維護資料：干維護資料：計算時不思索含水量對構(gòu)件溫度的影響。濕維護資料：計算時思索含水量對構(gòu)件溫度的影響。79重質(zhì)資料維護層導熱方程：輕質(zhì)資料維護層導熱方程：差分方式為：當火災溫度隨時間變化的關(guān)系知，且構(gòu)件的耐火溫度和耐火時間知時，就可以按照上式計算維護層的厚度Br’。四、性能化防火設計舉例

濟南遙墻國際機場新航站樓火災風險評價80工程概述危險源辯識火災危害性評價鋼構(gòu)造維護工程概述81新航站樓建筑面積為8萬平方米；在建筑方式上，用簡單的幾何大跨度構(gòu)造發(fā)明出一個大空間體。工程概述82保證生命平安：發(fā)生設定的火災時確保一切人員可以平安疏散；保證財富平安：經(jīng)過早期探測和高效撲救來降低火災的直接和間接損失。83分析新航站樓內(nèi)火災危險源的分布、著火特性及熱釋放速率；分析火災動力學特性和建筑構(gòu)造的火災呼應特性，對火災到達危險形狀的時間進展評價；分析人群疏散特性，計算出人員疏散終了時間，并結(jié)合到達危險形狀時間對人員能否平安疏散進展評價；分析不同火災探測報警方法，對不同火災探測方法在航站樓大空間內(nèi)的適用性進展評價；分析不同滅火系統(tǒng)的效能，對其延伸到達火災危險形狀時間、降低火災損失、維護環(huán)境的作用進展評價。研討內(nèi)容危險源辨識84分析新航站樓內(nèi)火災危險源的分布、著火特性及熱釋放速率分析設計圖紙→按照功能區(qū)進展危險源辨識；→確定可燃物著火特性和熄滅熱值；→計算火災荷載及火災增長因子；→按時間平方類型火災計算熱釋放速率。85實踐大空間中會存在一些可燃物聚集的區(qū)域，火災荷載密度較大，需根據(jù)可燃物的空間分布特性對危險源進展進一步辨識，思索其發(fā)生火災后的熱釋放速率和火災蔓延情況。

大空間內(nèi)火災熱釋放速率地點火源面積（m2）等效直徑（m）火災增長因子a（kW/s2）可燃物全部被引燃時間（s）最大熱釋放速率（MW）二層商亭4×440.0883339.76行李堆3×22.40.046892001.88辦票臺7.5×45.20.011274332.12夾層（行李）1.8×1.61.70.046891420.95一層（行李堆）3×22.40.04689