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国外以性能为基础的建筑防火规范研究综述

一、前言

当今世界科学技术日新月异,各种新技术、新材料应运而生。世界经济日趋全球一体化,国际间乃至区域间的经济技术交流日益频繁和加深。各国为了各自的利益,在关税和非关税壁垒方面的斗争日益激烈。但各国的产品标准和测试试验方法、建筑等各种技术规范由于标准制定与执行体制和社会、经济体制及经济技术发展水平不同而异。这在一定程度上限制了国际间的贸易发展和技术交流。

另外,从建筑设计和建筑使用功能来看,以详细技术要求和定量规定为主的“处方式”规范,很难满足某些功能复杂、面积或空间较大的建筑的设计和使用要求。为此,英国等国家从80 年代开始相继以建筑规范和建筑消防安全为研究对象,对其规范模式和规定内容进行了革新或修改,建立性能化规范体系,开发相关的设计指南和评估方法,以适应经济、技术和社会发展的需要,提高本国产品和技术在世界上的竞争力。

本文将试图对国外有关性能化建筑防火规范的研究情况作一回顾,供国内有关同行参考。由于掌握的资料不很充分,尽管还有一些国家也正在开展这方面的工作,本文未详细介绍。即使已作介绍的部分也难免偏颇,敬请专家指教。

二、“处方式”建筑防火规范与“以性能为基础”的建筑防火规范

所谓“处方式”建筑防火规范,一般是指根据火灾事故的发生、发展和扑救等经验教训和火灾科学研究试验等消防实践总结出来的,并经不断修改完善的一套有明确防火设计措施和各种具体的设计参数要求的设计规定。一般,设计者只要按照规范规定进行设计就认为该建筑的防火安全是符合要求的。过去大多数国家的大部分消防安全法规都是以这种“处方”的形式制订的,即建筑设计师和其他规范执行者都是依据详细的规定开展工作,对规范不能有任何偏离。这种规范清楚明了、简单易行,对设计和验收评估人员的要求不高,能够满足大多数规模或功能等要求较简单建筑的设计与设计监督需要。但易使建筑设计千篇一律,不利于新消防技术和产品的采用、很难满足技术进步的要求,并且无法确切地知道人们认为安全的具体指标到底是多少、为满足这种安全的建设投入与所能达到的安全性能水平之间具有多高的投资效益比。

而性能化规范,则是只确定建筑要达到的总体目标要求或设计性能水平,规定一系列性能目标和可以量化的性能准则及设计准则,且一般附有一个指导设计的技术文件。规范使用者可根据设计对象,按规范要求,采用“处方式”规范或性能化设计和评估方法来完成认为可以接受或能够取得最低规定安全水平的设计。在大多数情况下,规范不明确规定某项解决方案,而是确定能达到规范要求的可接受的方法。显然,这种规范可以针对不同的建筑物确定不同的安全水平,使使用者具有很大的弹性,解决“处方式”规范中存在的大部分问题,但要求规范使用者需经过专门的严格训练,并要有不同建筑物的火灾大小数据以及大量建筑材料的燃烧特性数据、专门的设计和评估工具等作为支撑。性能化规范体系,将随着消防安全工程学的逐步建立、计算机科学与计算机火灾模化技术的发展及风险评估技术在消防安全中得到应用而逐步建立、发展与完善。性能化建筑防火规范是社会需求和经济技术发展的结果,处方式建筑防火规范是对某一时间以前的相关科学技术研究成果和建筑防火历史经验教训的总结。两者相互补充,并将可能长期共存。

三、国外开展性能化规范的进展情况

(一)美国

美国消防工程师学会于1996年开始开展性能化规范、标准、消防安全工程与设计方法的研究。此后,美国消防协会、美国标准技术研究院和美国的3 个模式规范制定组织、马里兰州大学等在这方面相继开展了大量研究工作,并为此成立了国际规范理事会,负责规范制定的组织工作。

目前,美国的研究已完成性能目标和基本完成性能级别分级的确定,并将于今年发布《国际建筑性能规范》和《国际防火性能规范》。

从美国的研究看,性能化规范要清楚地规定反映社会期望的总体目标、功能目标和性能要求以及相关的标准或准则。标准和准则是提供满足规范要求的可接受方法,包括处方式方法(例如“视为满意”),或经过认可使用性能化评估工具和方法按要求所进行的设计和验证。性能化规范中含有经验式设计要求的规定,以及为减少不必要的性能分析所需附件—“批准的文件”。“批准的文件”一般都是过去的“处方式”规范规定。规范的总目标包括防止火灾发生或延缓火灾增长与扩散、保护建筑使用者不受火灾影响及其疏散安全、减少火灾灾害、保障消防设施正常运行等功能目标。规范中用于评估性能化目标的方法趋向于采用以确定事件概率为主的危险评估方法。

(二)加拿大

加拿大的建筑法规因地区不同而异,但建筑模式规范由加拿大建筑和防火规范委员会负责制修订,有关性能化设计消防安全评估方面的工作始于80 年代初。1994 年又制定了一项长远战略规划,

确定了建筑规范在未来几年里保证其适用性和有效性的几个基本特性,如应用上更灵活、o 条款更清晰、结构更简单、使用更方便、o 减少修订次数、能使新建或改建建筑更容易等。

加拿大的研究表明,如果性能化规范的结构要能为其每一条款提供清楚的解释需要很长时间才能完成。现行的加拿大规范编写是先确定目标框架、并使其内容能清楚解释每一目标要求,然后把这些目标中的每一目标都同更高级别的总体目标相联系。每一目标要求都包含一个或更多的规格式或性能化的“可接受”方案。对规范中的某些特殊要求,可以采用规格式方案或性能化方案。

因此,其规范的框架包括以下3部分:一套不断明确的目标、具有明确功能和目标的强制性要求以及与此要求有关的可接受解决方案和批准的文件。加拿大将于今年发布其性能化的建筑规范和防火规范,其要求将以不同层次的目标形式表述。

每层都包括一些与规范总目标有关的功能目标,每个功能目标又由许多性能要求以及相关的详细性能准则和判据组成。为满足目标要求而建立的“可接受解决方案”既采用了规格式语言,也采用了性能化语言表述。一般,每项要求都附有以1995年NBC 规定为基础的规格式“可接受方案”,只在某些地方增加了性能化“可接受方案”。

(三)巴西

巴西于1996 年提出,1999 年颁布了新的《钢结构防火设计》和《对建筑构件耐火极限的要求》两部标准。这是南美首次制定的建筑标准,由Sao Paulo 大学、Minas Gerais 大学和Ouro Preto 大学编制。标准中引入了如时间计算方法与风险评估方法以及其他消防安全工程设计方法等性能化的新概念,允许建筑物的火灾安全根据其火灾荷载、建筑物高度、建筑总面积以及灭火设备的安装与否等条件确定,而对建筑物的耐火等级不做要求。

(四)英国

英国于1985 年完成了建筑规范,包括防火规范的性能化修改。新规范规定“必须建造一座安全的建筑”,但不详细规定应如何实现这一目标。因此,根据这样的规定,只要建筑审核官员认为设计所采用的消防措施能提供不低于规格式规范规定的安全水平,建筑设计者就可以采取任何消防措施。与此同时,英国还编制了建筑规范“火灾安全”的支持文件—《批准的文件B》,对火灾预防和为大多数常见的火灾场景设计作了处方式的规定。其中大部分引用了处方式的英国标准,但规定了如能证明某项性能化建筑设计方案是合理时,可以采用性能化设计方法。英国在编制性能化规范时,由于缺乏相应完善的消防安全评估方法和工具,开展消防安全工程学基础教育对于普及性能化规范十分重要。为此,1993 到1994 年,英国组织编写了《国家消防安全工程(FSE)基础课程》,并在兰开夏大学、South Bank 大学(伦敦)和利兹大学开设了相应的学位课程。爱丁堡大学在1973 年就设立了消防安全工程理学硕士课程。近几年还编制了一部实施标准规范,即BSDD240《火灾安全工程原理应用指南》,为消防安全工程学的应用提供统一的框架。目前,有关人员正在征求意见的基础上对该标准草案进行评审,将于最近发布其正式版本BS 999。BS DD240引入了风险分析方法,并将其作为评估总体危险的重要技术,确定了单座建筑内不同消防措施之间的相对重要性,推荐组织设计评审组方式将建筑作为一个整体来评估其安全性能。该指南建立了一个“路线图”,人们可以沿该“路线图”将问题逐一解决,并系统地为每个问题指出解决方法。但要为设计者提供所需数据,在这些系统化的解决方法中,仍存在许多需进一步研究的问题。

(五)欧洲标准委员会(CEN)

欧洲标准委员会主要负责编制全欧洲的通用标准,以清除欧洲各国间的非关税贸易壁垒。CEN标准不能推翻任何成员国的法规规定,但其中任何一个成员国,都可以申请编制一部欧洲标准(EN)。草案一经通过,CEN 所有成员国都必须将其当作标准执行,并替代所有现行国家标准中的相关内容。CEN至今还未同意制订欧洲消防安全工程标准。ISO/TC92/SC4 的研究成果将可能促使CEN 制订该标准,但目前在各国间的协调还有许多困难,如德国和法国就认为他们的标准必须是完全处方式的标准,而芬兰、挪威、意大利、西班牙、丹麦等国则已开始性能化规范的编制。瑞典的建筑规范改动很大,整体上是以性能化的语言表述。1994 年发布的新规范包括了设计标准,制定了一个在结构上类似于英国新规范的设计指南,包括功能性的规定、计算方法及实例。

(六)澳大利亚

为了使建筑设计方案能采用风险评估方法,既在性能上符合规范要求,又经济合理,澳大利亚于1989 年成立了建筑规范审查工作组起草性能化的《国家建筑防火安全系统规范》。1996 年颁布了性能化的《澳大利亚建筑规范—1996》(BCA96),并自1997年陆续被各州政府采用。BCA96 包含了BCA90 中的技术指标(即仍然有一些处方式的规定要求),并对其进行了“性能分级”:

1、目标:通常指保护人类生命和相邻建筑或其他财产安全的需要。

2、功能要求:指如何期望建筑达到目标的要求(或社会的期望)。

3、性能要求:给出了一个合理的性能水平。建筑材料、组件、设计和施工方法等都必须达到这个水平,从而使建筑既能够满足相关的功能要求,又能达到相关的目标。

4、建筑方案:指满足性能要求所采用的方法和手段。

随着性能规范的实行,目前澳大利亚面临许多关于教育和考核消防安全工程师的问题,以及一些有关进行消防安全工程评估的时间和花费问题。

(七)新西兰

新西兰的性能化规范研究始于80年代末,1992 年发布了性能化的《新西兰建筑规范》。新规范中保留了处方式的要求,并作为可接受的设计方法。该规范是外国正在制订的性能规范中比较典型的,它为人们要建筑的设施规定了明确的目标、功能要求和具体性能要求。

另外,为方便使用,由新西兰坎特伯雷大学高级工程中心研究制订了一与建筑规范配套使用的《消防安全设计指南》,用于进行性能设计的工程计算。性能化设计自1991 年10 月以来,已作为建筑设计者的一种选择在新西兰得到应用,同时也可使用以建筑业机构文件为基础的处方式方案。

(八)日本

80 年代开始研究性能化的建筑法规体系。1982~1987 年开展了“建筑物消防安全性能评估方法的研究”,并于1989 年出版了《建筑物综合防火设计》。该书由综合防火设计方法、防止起火及防止火势扩大设计方法、安全疏散设计方法和耐火设计方法等内容构成。所谓综合防火设计方法是通过有关建筑物中所采取的防火措施,用工程学的方法预测某建筑物一旦发生火灾时的火灾性状,并判断其结果是否与所规定的安全评价标准相一致。其目的就是改进当时日本防火设计中存在的问题,以达到设计的合理化。

1993~1998 年,开展了“消防安全性能评估方法的研究”,制定了性能化建筑消防安全框架。其中功能要求包括防止火灾的发生、安全疏散措施、防止倒塌、消防基础设施和通道要求以及防止火灾相互蔓延5 部分。每一功能要求都需要评估方法和标准,在《建筑标准法》中提供了疏散安全和结构耐火评估方法2 种验证方法。

1996 年,开始修改《建筑标准法》并向性能化规范转变,并于2000 年6 月发布实施。该标准法既有性能化方法,也有处方式方法。所保留的处方式方法对测试方法或有关条款作了一定修改,有的采用ISO 标准代替,并尽量与性能化评估方法一致。1999 年日本内政部消防和灾害管理局组织开展了“火灾危险的消防安全对策研究”,其目标是:利用最新技术评估防火措施的火灾风险,从技术上系统地检验现有消防安全措施并验证其有效性,研究开发有关消防安全措施的可能性,如综合灭火设备、火灾防损和控制管理、建筑结构类型等,开发防止火灾发生、火灾探测和报警、灭火、安全疏散与救援等方面的评估方法,根据这些方法验证这种新的性能化消防安全技术。2000 年1 月,《消防安全实施令》公开征求意见。该令包含了建筑物综合消防安全设计和建筑材料与结构的火灾性能评估方法。

    四、结束语

从国外已制订的性能化规范看,大部分是从解决现实中影响建筑设计和建设投资较大的建筑规范(其中包括建筑防火的设计要求)入手,新规范均较原版本简单,且结构和内容相似。在很多国家,用来确保符合规范要求的方法基本都采用规格式要求,并被称为批准的文件或认为合格的解决方法。另外,为了能更好地使用性能化规范,大都研究编制了相应的设计指南或评估方法,如澳大利亚的《消防工程指南》、新西兰的《消防安全设计指南》、英国的《消防安全工程原理在建筑消防安全设计中的应用发展草案》即BS DD240、北欧NKB 消防安全委员会的《消防安全性能要求和计算验证技术指南》、日本的《建筑综合消防安全设计系统》、ISO 的《消防性能概念在设计目标中的应用》以及美国的《消防安全评估系统》(NFPA)、《建筑消防安全评估方法》(WPI)、《SFPE 性能化消防安全分析与设计指南》(SFPE)等。在所有使用性能化规范的情况中,都存在可以采用性能化的替代方法。如果选用了性能化的替代方法,其结果就是性能化设计。从国外性能化规范的研究过程看,大部分是首先或同时研究与性能设计有关消防安全设计评估技术,只有少数国家是先修改规范,后开发设计指南。从性能规范使用情况看,提高人们对性能化建筑设计和性能化建筑规范的认识,培训能够熟练使用规范和相关评估技术的专业人员,十分重要。我国性能化规范与设计研究工作,早在80 年代初就已开始,但后来一度中断。1996 年国家开始组织有关单位和人员系统地开展相关研究。目前已取得一些成果。从建筑消防规范和目前建筑设计中遇到的消防问题看,我国可借鉴国外(如澳大利亚、新西兰、美国)的做法,在有关研究成果的基础上编制新的性能化建筑防火规范体系,并且使该体系与现行规范并行使用。同时,开展消防安全评估方法与技术的开发与研究。建议先制定一本统一的性能化建筑防火规范和相关的性能化设计指南,确定我国的建筑消防安全总目标、防止火灾蔓延等防火设计、人员安全疏散、灭火等设施设计等方面的功能要求和相应的性能准则,开展大型公共建筑(包括地下和地上)、大空间建筑、高层民用建筑、高火灾危险工业建筑和储罐区、建筑内的烟气控制和人员安全疏散的性能化设计和评估技术研究。此外,建议在大学中增设包括火灾化学与火灾物理、火灾动力学、火灾预防与灭火技术、被动防火技术(建筑结构的防火保护、防火分隔、防火建筑材料与构件等)、建筑防火设计、人在火灾中的行为(心理、生理反应等)、火灾风险评估等内容的火灾科学和消防安全工程学课程,培养专门人才。在这方面,英国和新西兰的经验值得借鉴。

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