建筑物性能化防火设计讲.ppt

四、建筑物性能化防火设计技术导则,概 述,推动建筑物性能化消防设计与评估技术的应用与发展，指导实际工程的性能化消防设计与评估，并能基本定量地认识建筑物的整体消防安全性能，使其达到预定的消防安全目标，有效地满足社会公众和建筑物业主对建筑物消防安全的要求。针对我国建筑防火设计和管理的现状，在总结分析国内外相关研究成果的基础上，提出建筑物性能化防火设计的总体消防安全目标、各项功能目标及其性能判定标准；提出适合我国特点和便于操作的性能化防火设计程序。,概 述,性能化建筑防火设计导则要解决的主要问题消防安全目标与性能评判量化标准：以建筑设计防火规范、高层民用建筑设计防火规范等技术法规为基础，分析不同类型建筑的火灾危险性以及相应的现行防火规范对建筑防火设计的要求，运用定性的和定量的分析方法确定规范要求的消防安全目标和相应的性能评判量化标准。建筑防火性能设计体系：确立性能设计方法体系的基本组成、设计的基本原则和步骤；建立设计对象的分析、火灾场景的建立、设计火灾过程分析、火灾危害分析、火灾风险分析以及设计报告的编制与审查的基本方法和步骤。,概 述,建筑火灾危害分析技术与方法：建立火灾危害分析的确定性和概率性方法与模型，包括各种类型建筑物内火灾蔓延、烟气流动和人员疏散的分析方法，消防设备对火反应的评价方法；确定建立和使用上述计算方法和模型所需的各种有关参数和数据库。建筑火灾风险分析技术与方法：建立建筑物火灾风险的量化分析方法，建立建筑物火灾风险及成本效益分析评估模型，为评价建筑防火设计的科学合理性，优化设计方案，提供有效的技术手段。,本导则适用范围,工业与民用建筑物的性能化消防设计；新建建筑物的方案设计；新建建筑中某一部分难以满足现行国家标准规定的专门消防问题；现有建筑物因难以满足现行国家标准规定而需改建或其中一部分专门消防问题进行技术评估。其他建构筑物（如甲、乙、丙类液体储罐、隧道、地铁等）的性能化消防设计与消防安全性能评估，可参照本导则进行。,1、导则的结构,1）总则 2）术语与符号 3）性能化消防设计的基本程序与步骤 4）火灾场景与火灾增长分析 5）烟气流动分析 6）人员安全疏散分析 7）建筑结构耐火分析与评估 8）火灾风险分析 9）报告整理及报告的批准,采用性能化消防设计方法前提,建筑物的消防设计在依据国家现行的防火规范及相关的工程建设规范进行的基础上，对现行规范中未明确规定、按照现行规范比照施行有困难或虽有明确规定但执行该规定确有困难的问题，可考虑采用性能化消防设计方法。对于需要进行性能化消防设计的问题，必须按照国家规定程序由规定的公安消防机构核准。必要时，还应组织有关专家及相关国家标准管理机构共同复审确定。按本导则所设计的建筑物所达到的消防安全水平均不应低于现行规范规定的安全水平。,性能化消防设计使用方式,建筑物性能化消防设计可以完全按照性能化消防规范进行，也可以与现行规格式规范结合使用。当在设计和评估中采用模型和方法时，要对其有效性进行验证。,性能化消防设计包括内容,建筑物的性能化消防设计应包括设计、技术评估和方案改进与完善。任何一项性能化消防设计均必须在设计后经过消防安全性能评估。建筑物的消防安全性能技术评估应由有资质的第三方中介技术机构独立进行。,性能化消防设计实施,建筑物性能化消防设计宜在设计方案或扩初设计阶段进行，由设计单位、投资方、公安消防监督机构、消防技术咨询机构等共同参与实施。,2 术语,火灾场景 对一次火灾整个发展过程的定性描述，该描述确定了反映该次火灾特征并区别于其他可能火灾的关键事件。火灾场景通常要定义引燃、火灾增长阶段、完全发展阶段和衰退阶段，以及影响火灾发展过程的各种消防措施和环境条件。设定火灾场景 建筑物性能化消防设计和消防安全性能评估分析中，针对设定的消防安全设计目标，综合考虑火灾的可能性与潜在的后果，从可能的火灾场景中选择出供分析的火灾场景。,设定火灾 对设定火灾场景的火灾特征的定量描述，如对热释放速率、温度、毒性产物产量等一些重要火灾参数随时间变化的定量描述。火灾荷载 设定空间内所有可燃物（包括所有围护体的内表面层）完全燃烧所释放出的总热量。火灾荷载密度 设定空间内单位地板面积上的火灾荷载。,2 术语,火羽流 火灾中由可燃物上方的连续火焰区、间断火焰区和浮力羽流区所构成的空间区域。顶棚射流 火灾的火羽流上升并撞击顶棚后，沿顶棚以下空间流动所形成的水平流动现象。轰燃 局部火灾引燃封闭空间内所有可燃物表面的瞬变状态。安全系数 用以调整工程设计过程中使用的方法、计算和假设中的不确定因素的系数。,2 术语,火灾风险 在一定时间内预期损失可能发生的频度及其潜在后果，通常为所有火灾场景中每个火灾场景火灾风险的总和。火灾风险分析 对所有相关火灾场景的发生概率和严重程度进行分析的过程。火灾危害 火灾可能造成的伤害或损失。火灾危害分析 对与一个或多个火灾场景以及一个研究对象（如试设计）有关火灾损失的预测或预期大小进行分析的过程。,2 术语,可用疏散时间 从火灾发生到火灾发展到致使建筑内某个区域达到人的耐受极限的时间。必需疏散时间 从火灾发生到建筑内某区域人员疏散到安全地点所用的时间。报警时间 从火灾发生到火灾报警装置报警之间的时间。预动时间 从人员接收到报警到疏散行动开始之前的这段时间。,2 术语,识别时间 从人员接收到报警并对报警信号进行识别直至人员开始反应之前的时间。反应时间 人员识别报警信号后做出反应至开始朝出口方向行走之间的时间。行走时间 从第一个人员开始朝出口方向行走到所有人员全部到达安全地点的时间。穿行时间 人员从初始位置行走至疏散出口或安全出口所需要的时间。,2 术语,通过时间 人群通过疏散出口或安全出口所需要的时间。安全地点 预先确定的一个地点，人员在该地点可以免受火灾的影响。注意：根据疏散策略，安全地点可能在室内，也可能在室外。有效疏散宽度 疏散通道或疏散出口扣除边界层后能够为人员疏散所用的宽度。,2 术语,3 性能化消防设计的基本程序与步骤,3.1 建筑物性能化消防设计的基本程序3.2 建筑物性能化防火试设计一般程序3.3 建筑物性能化消防设计与计算分析3.4 建筑物性能化消防设计的消防安全目标3.5 建立各设计目标的性能判定标准3.6 对试设计进行评估和修改完善设计3.7 性能化消防试设计中有关问题的处理3.8 建筑物性能化消防设计的基本步骤,性能化消防设计的基本程序与步骤,3.1 建筑物性能化消防设计的基本程序,确定建筑物的使用功能和用途、建筑设计的适用标准；确定需要采用性能化设计方法进行设计的问题；确定建筑物的消防安全总体目标；进行性能化防火试设计和评估验证；修改、完善设计并进一步评估验证确定是否满足所确定的消防安全目标；编制设计说明与分析报告，提交审查与批准。,3.2 建筑物性能化防火试设计一般程序,确定建筑设计的总目标或消防安全水平及其子目标；确定需要分析的具体问题及其性能判定标准；建立火灾场景、设定合理的火灾和确定分析方法；进行设计与计算分析；选择和确定最终设计（方案）。,3.3 建筑物性能化消防设计与计算分析一般应包括下列全部或其中几项,针对设定的性能化分析目标，确定相应的定量判定标准；合理设定火灾；分析和评价建筑物的结构特征、性能和防火分区；分析和评价人员的特征、特性以及建筑物和人员的安全疏散性能；计算预测火灾的蔓延特性；计算预测烟气的流动特性；分析和验证结构的耐火性能；分析和评价火灾探测与报警系统、自动灭火系统、防排烟系统等消防系统的可行性与可靠性；评估建筑物的火灾风险，综合分析性能化设计过程中的不确定性因素及其处理。,3 性能化消防设计的基本程序与步骤,3.1 建筑物性能化消防设计的基本程序3.2 建筑物性能化防火试设计一般程序3.3 建筑物性能化消防设计与计算分析3.4 建筑物性能化消防设计的消防安全目标3.5 建立各设计目标的性能判定标准3.6 对试设计进行评估和修改完善设计3.7 性能化消防试设计中有关问题的处理3.8 建筑物性能化消防设计的基本步骤,消防安全总目标可能包括人员和财产保护等级或者能够提供建筑使用的连续性、古迹或文物保护和环境保护。根据业主的需要，不同工程的消防安全总目标可能互不相同，其表述方式也不尽相同。建筑防火设计的总目标应在进行性能化设计开始之前作为设计的重点问题，由设计单位、建设单位、委托方、公安消防监督机构、消防安全技术咨询机构等共同研究确定。,3.4 建筑物性能化消防设计的消防安全目标,减小火灾发生的可能性；在火灾条件下，保证建筑物内使用人员以及救援人员的人身安全；建筑物的结构不会因火灾作用而受到严重破坏或发生垮塌，或虽有局部垮塌，但不会发生连续垮塌而影响建筑物结构的整体稳定性；减少由于火灾而造成商业运营、生产过程的中断；保证建筑物内财产的安全；建筑物发生火灾后，不会引燃其相邻建筑物；尽可能减少火灾对周围环境的污染。,3.4 建筑物性能化消防设计的消防安全目标,建筑物的消防安全总目标视其使用功能、性质及建筑高度而有所区别，设计时应根据实际情况在上述六个目标中确定一个或者两个目标作为主要目标，并列出其他目标的先后次序。例如，对于人员聚集场所或旅馆等公共建筑，其主要目标是保护人员的生命安全；对于仓库，则更注重于保护财产和建筑结构安全。建筑火灾具有确定性和随机性的双重特性，无论采取什么措施，一座建筑物的消防安全总是相对的。因此，上述安全目标所反映的是与将要发生的消防投入水平相一致的相对安全水平。这实际上反映了投资方以及社会公众的安全期望和建设投资的关系。建筑物的消防安全水平应依据现有规范的规定和建筑物的实际情况，由设计单位、建设单位、委托方、公安消防监督机构、消防安全技术咨询机构等共同研究确定。,3.4 建筑物性能化消防设计的消防安全目标,设计时应首先将消防安全总目标进一步转化为可量化的性能目标，包括：火灾后果的影响人员伤亡财产损失温度燃烧产物的扩散等,3.4 建筑物性能化消防设计的消防安全目标,3 性能化消防设计的基本程序与步骤,3.1 建筑物性能化消防设计的基本程序3.2 建筑物性能化防火试设计一般程序3.3 建筑物性能化消防设计与计算分析3.4 建筑物性能化消防设计的消防安全目标3.5 建立各设计目标的性能判定标准3.6 对试设计进行评估和修改完善设计3.7 性能化消防试设计中有关问题的处理3.8 建筑物性能化消防设计的基本步骤,设计目标的性能判定标准应能够体现由火灾或消防措施造成的人员伤亡、建筑及其内部财产的损害、生产或经营被中断、风险等级等的最大可接受限度。常见的性能判定标准包括：生命安全标准：热效应、毒性、和能见度等；非生命安全标准：热效应、火灾蔓延、烟气损害、防火分隔物受损和结构的完整性和对暴露于火灾中财产所造成的危害等。,3.5 建立各设计目标的性能判定标准,性能判定标准是一系列在设计前把各个明确的性能目标转化成用确定性工程数值或概率表示的参数。这些参数包括：构件和材料的温度、气体温度、碳氧血红蛋白（COHb）含量、能见度以及热暴露水平。人的反应，如决策、反应和运动次数在一定的数值范围内变动。当评估某疏散系统设计是否可行时，需要为计算选择或假设合适的数值以考虑人员暴露于火灾的判定标准。,3.5 建立各设计目标的性能判定标准,一项设计目标可能需要多个性能判定标准来验证，而一个性能判定标准也可能需要多个参数值予以支持。但并不是每一个性能目标都能达采用这种方式表达，因此，在量化时应主次有别，把握关键性参数。,3.5 建立各设计目标的性能判定标准,3 性能化消防设计的基本程序与步骤,3.1 建筑物性能化消防设计的基本程序3.2 建筑物性能化防火试设计一般程序3.3 建筑物性能化消防设计与计算分析3.4 建筑物性能化消防设计的消防安全目标3.5 建立各设计目标的性能判定标准3.6 对试设计进行评估和修改完善设计3.7 性能化消防试设计中有关问题的处理3.8 建筑物性能化消防设计的基本步骤,3.6 对试设计进行评估和修改完善设计,在对试设计进行评估时，应将所设计的建筑物作为一个整体，对其消防措施在可能的火灾场景下能否达到设定的设计目标进行分析评价。在对试设计进行评估时，不能为了确保试设计达标而随意改变性能判定标准，并应验证以下主要设计参数：所确定的火灾场景及其设定火灾的合理性与典型性；所设定的性能判定标准是否合适；所选择的分析方法和工具是否适用、有效；火灾风险分析和不确定性分析是否科学、完整、可靠。,若试设计不能满足设定的消防安全目标或低于规范规定的性能水平，则需要对其进行修改与完善，并重新进行评估直至其满足设定的消防安全目标为止。否则，该试设计应被淘汰。,3.6 对试设计进行评估和修改完善设计,工程范围总目标子目标试设计性能判定标准设定火灾场景以及分析方法性能设计报告详细的说明书和图纸火灾风险管理等,3.6 对试设计进行评估和修改完善设计,3 性能化消防设计的基本程序与步骤,3.1 建筑物性能化消防设计的基本程序3.2 建筑物性能化防火试设计一般程序3.3 建筑物性能化消防设计与计算分析3.4 建筑物性能化消防设计的消防安全目标3.5 建立各设计目标的性能判定标准3.6 对试设计进行评估和修改完善设计3.7 性能化消防试设计中有关问题的处理3.8 建筑物性能化消防设计的基本步骤,建筑的周围环境条件，如规划的建筑场地、相邻建筑的相对关系、周围的消防道路与消防给水、城市规划要求、市政设施情况等条件；所设计建筑的规模与平面形状、建筑高度、建筑师的构想（或改建的方式及范围）、建筑内部平面布置等；所设计建筑的功能和用途（或改建后的用途）、预计使用人员的特性与数量以及建筑的重要程度等；业主或投资方的要求、建筑（改造）预计投资大小、计划工程进度；建筑设计所遵循的标准与法规等；当地公安消防机构的消防装备、人员素质、应急响应时间和第一出动力量等消防力量。,3.7 性能化消防试设计中有关问题的处理,在试设计时，应完整、等效地将消防安全总目标转化为设计目标及其性能判定标准，并确保分析过程中所选用方法的有效性，明确其限制条件和在设计中如何消除这些限制条件所带来的影响。,3.7 性能化消防试设计中有关问题的处理,在比较和选择试设计方案时，应综合考虑防火分隔措施的有效性和可靠性、消防系统的安装、维护和方便使用、消防的投资效益等因素，经过有关部门按照国家规定的程序组织的评审最后确定。,3.7 性能化消防试设计中有关问题的处理,试设计中假设和限制条件,在试设计过程中所采用的假设和可能的限制条件，均必须能够通过一定途径保证其有效和可实现，并应在最终设计文件中给以明确说明。此外，还应明确指出如改变设计使用功能或用途以及建筑设计可能带来的危害。,3.7 性能化消防试设计中有关问题的处理,4 火灾场景与火灾增长分析,4.1 火灾场景4.2 设定火灾4.3 火灾增长分析4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法,火灾场景的特征必须包括对火灾引燃、增长和熄灭的描述，同时伴随烟和火蔓延的可能途径以及任何灭火设施的作用。此外还要考虑每一个火灾场景的可能后果。,4.1 火灾场景,确定火灾场景的原则,火灾场景的确定应根据最不利的原则确定，选择火灾风险较大的火灾场景作为设定火灾场景。如火灾发生在疏散出口附近并令该疏散出口不可利用、自动灭火系统或排烟系统由于某种原因而失效等。火灾风险较大的火灾场景一般为最有可能发生，但火灾危害不一定最大；或者火灾危害大，但发生的可能性较小的火灾场景。,4.1 火灾场景,火源位置及着火房间特征,在设计火灾场景时，应指定设定火源在建筑物内的位置及着火房间的空间几何特征，例如火源是在房间中央、墙边、墙角还是门边等以及空间高度、开间面积和几何形状等。,4.1 火灾场景,选择疏散场景考虑因素,疏散场景的选择应考虑建筑的功能及其内部的设备情况、人员类型等因素，反映可能的火灾场景而对影响人员疏散过程的人员条件及环境条件。,4.1 火灾场景,确定火灾场景的方法,故障类型和影响分析 故障分析如果怎么办分析相关统计数据工程核查表危害指数危害和操作性研究初步危害分析故障树分析事件树分析原因后果分析可靠性分析等。,4.1 火灾场景,4 火灾场景与火灾增长分析,4.1 火灾场景4.2 设定火灾4.3 火灾增长分析4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法,设定火灾时考虑的阶段,在设定火灾时，一般不考虑火灾的引燃阶段、衰退阶段，而主要考虑火灾的增长阶段及全面发展阶段。例外：在评价火灾探测系统时，不应忽略火灾的阴燃阶段。在评价建筑构件的耐火性能时，也不应忽略火灾的衰退阶段。,4.2 设定火灾,设定火灾采用描述火灾增长的模型。目前主要有火灾模型的温度描述和火灾模型的热释放速率描述两类。时间温度曲线主要用于计算构件温度，热释放速率模型主要用于计算烟气温度、构件温度和运用区域模型进行火灾模拟等。在设定火灾时，可采用用热释放速率描述的火灾模型和用温度描述的火灾模型。在计算烟气温度、浓度、烟气毒性、能见度等火灾环境参数时，宜选用采用热释放速率描述的火灾模型，如 或；在进行构件耐火分析时，宜选用采用温度描述的火灾模型，如 或。,4.2 设定火灾,建筑物基本情况,在设计火灾时，应分析和确定建筑物的以下基本情况：建筑物内的可燃物；建筑的结构、布局；建筑物的自救能力与外部救援力量。,4.2 设定火灾,可燃物分析时着重分析因素,潜在的引火源；可燃物的种类及其燃烧性能；可燃物的分布情况；可燃物的火灾荷载密度。,4.2 设定火灾,分析结构布局时着重考虑因素,起火房间的外形尺寸和内部空间情况；起火房间的通风口形状及分布、开启状态；房间与相邻房间、相邻楼层及疏散通道的相互关系；房间的围护结构构件和材料的燃烧性能、力学性能、隔热性能、毒性性能及发烟性能。,4.2 设定火灾,自救能力与外部救援力量,建筑物的消防供水情况和建筑物室内外的消火栓灭火系统；建筑内部的自动喷水灭火系统和其他自动灭火系统（包括各种气体灭火系统、干粉灭火系统等）的类型与设置场所；火灾报警系统的类型与设置场所；消防队的技术装备、到达火场的时间和灭火控火能力。烟气控制系统的设置情况。,4.2 设定火灾,确定火灾发展模型时考虑参数,初始可燃物对相邻可燃物的引燃特征值和蔓延过程；多个可燃物同时燃烧时热释放速率的叠加关系；火灾的发展时间和火灾达到轰燃所需时间；灭火系统和消防队对火灾发展的控制能力；通风情况对火灾发展的影响因子；烟气控制系统对火灾发展蔓延的影响因子；火灾发展对建筑构件的热作用。,4.2 设定火灾,火灾增长模型,对于建筑物内的初期火灾增长，可根据建筑物内的空间特征和可燃物特性采用下述方法之一确定：实验火灾模型；火灾模型；MRFC火灾模型；按叠加原理确定火灾增长的模型。在有条件时应尽量采用实验模型，但由于目前很多实验数据是在大空间条件下大型锥形量热计的实验结果，并没有考虑维护结构对实验结果的影响，在应用中应注意实验边界条件和通风条件与应用条件的差异。,4.2 设定火灾,轰燃时的临界热释放速率,对于面积较小的着火空间，判断达到轰燃时的临界热释放速率可采用公式41计算。对于面积较大的着火空间，可采用空间内热烟气层的温度达到500600或单位地板面积接受的辐射热流量达到20kW作为着火房间达到轰燃的标志。,对于从轰燃到最高热释放速率之间的增长阶段，可以假设当轰燃发生时，热释放速率同时增长到最大值，此时房间内可燃物的燃烧方式多为通风控制燃烧，热释放速率将保持最大值不变。,4.2 设定火灾,灭火系统的灭火效果,在灭火系统的作用下，火灾最终熄灭。火灾被控制到恒稳状态。在灭火系统的作用下，热释放速率的不再增长，而是以一个恒定热释放速率燃烧。火灾未受限制。这代表了灭火系统失效的情况。,4.2 设定火灾,灭火系统的有效控火时间,对于自动喷水灭火系统，可采用顶棚射流的方法确定喷头的动作时间，再考虑一定安全系数（如1.5）后确定该系统的有效作用时间。对于智能控制水炮和自动定位灭火系统，水系统的有效作用时间可按火灾探测时间、水系统定位和动作时间之和乘以一定安全系数计算。对于消防队控火，从火灾发生到消防队有效地控制火势的时间可按15min.考虑。,4.2 设定火灾,4 火灾场景与火灾增长分析,4.1 火灾场景4.2 设定火灾4.3 火灾增长分析4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法,在一定种类可燃物分布和相应的通风条件下，火灾发展的最大热释放速率主要受最大的火源面积控制。点火初期火源的面积对火灾的增长将产生较大影响，可以将点火初期的火源面积理解为点火源的能量。用参数计算的方法确定火灾热释放速率随时间的变化时需要最大火源面积这一参数。可燃物的火焰蔓延速度是指可燃物点火后沿水平和空间方向的蔓延速度，由于可燃物在空间上的蔓延速度及其对火灾蔓延的影响十分复杂，目前多采用水平方向的蔓延速度描述火灾发展的面积。,4.3 火灾增长分析,可燃物的点火性能，通常采用单位面积可燃物在一定辐射功率条件下的点火时间表示，s；可燃物的热值，Kg/Kg；单位面积上的质量损失速率，Kg/m2.s；单位面积上的热释放速率，KJ/m2；毒性气体的生成率，Kg/Kg；烟气的遮光性，一般采用减光系数表示，1m-1。,可燃物燃烧性能的主要参数,4.3 火灾增长分析,可燃物的状况及火灾荷载密度,可燃物的状况主要考虑可燃物的形状、分布、堆积密度、高度及湿度等。建筑物内的火灾荷载密度用室内单位地板面积的燃烧热值表示，见公式42：,一个空间内的火灾荷载密度也可以参考同类型建筑内火灾荷载密度的统计数据确定，在进行此类统计时，应该至少对5个典型建筑取样。,4.3 火灾增长分析,火灾荷载密度是可以比较准确地衡量建筑物室内所容纳可燃物数量多少的一个参数，是研究火灾全面发展阶段性状的基本要素。在建筑物发生火灾时，火灾荷载密度直接决定着火灾持续时间的长短和室内温度的变化情况。建筑物内的可燃物可分为固定可燃物和容载可燃物两类。固定可燃物的数量很容易通过建筑物的设计图纸准确地求得。容载可燃物数量很难准确计算，一般由调查统计确定。目前国内尚无火灾荷载密度方面的调查统计数据，其他国家,如美国、加拿大、日本等有一些这方面的调查统计数据。,4.3 火灾增长分析,可燃物的火焰蔓延速度,火灾发展的面积可采用可燃物水平方向的火焰蔓延速度表示，见公式43：或,4.3 火灾增长分析,通风口的形状和分布,着火房间内烟气层的中性层位置，随热烟气温度和开口位置而变化。在中性层上方，着火房间内部的气体压力大于相邻房间或外部的气体压力；在中性层下方，着火房间内部的气体压力小于相邻房间或外部的气体压力。通风口的形状、大小和分布影响着火房间内的燃烧类型，气体流动状态和火灾烟气及热的排放。,4.3 火灾增长分析,4 火灾场景与火灾增长分析,4.1 火灾场景4.2 设定火灾4.3 火灾增长分析4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法,在运用火灾模拟模型进行性能化消防设计与评估时，主要依据火灾的热释放速率模型。火灾的热释放速率曲线能否代表火灾的真实情况直接影响性能化消防设计与评估的可靠性及其应用。热释放速率曲线可直接通过火灾实验获得，但由于实尺寸火灾实验的费用较大，此类可用的实验数据较少，而较多的是中型火灾实验与实验室规模的火灾实验数据（如锥形量热计(ISO5660)、墙角实验(ISO9705)、SBI实验、大型锥形量热计和基于质量损失速率的测试方法）。,4.1 火灾场景,a)实际火灾实验,通过实际的火灾实验，获得的火灾热释放速率曲线，在应用中应注意实验的边界条件和通风条件与应用条件的差异。因为目前很多实验数据是在大空间条件下大型锥形量热计的实验结果，并没有考虑维护结构对实验结果的影响。实验结果表明，在一个大约和ISO9705房间大小相当的房间内燃烧带座垫的椅子，当考虑从1001000KW范围的火灾时，要比在敞开式大空间内的燃烧速率增加20。,4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法,b)类似实验,如果缺少有待分析的可燃组件的实验数据，可以采用具有类似的燃料类型、燃料布置及引燃场景的火灾实验数据。当然，进行实验时所采用的实验条件与实际要考虑的情况越接近越好。,4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法,c)稳态火灾,对于稳态火灾，在其整个发展过程中，火源的热释放速率始终保持一个定值。火灾发展过程中的充分发展阶段可以近似看成是稳态火灾。某些时候，为了简化计算，一般保守地设定火灾为稳态火灾，尤其是在进行排烟系统的计算时，这种方法可以为防排烟系统的设计提供相对保守的结果。稳态火灾的火灾热释放速率可采用公式44计算：,稳态火灾的热释放速率应该对应预期火灾增长的最大规模，因此稳态火灾的热释放速率也可以基于在自动喷水灭火系统的第一个洒水喷头启动时的火灾规模。当评估探测系统或感温灭火系统（如自动喷淋）的反应时间时，不应采用恒稳态设定火灾。,4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法,d)模型,模型描述火灾过程中火源热释放速率随时间的变化过程，当不考虑火灾的初期点燃过程时，可用公式45表示：,4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法,e)MRFC软件中应用的模型,MRFC模型是火灾与烟气在建筑物内蔓延的多室区域模拟软件。该软件中运用可燃物火焰蔓延速度及其燃烧特性参数计算热释放速率，其计算公式为公式46或公式47：,或,4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法,f)热释放速率曲线叠加模型,当房间内某可燃物着火后，会因火源和热烟气层的热辐射作用，而在一定时间内引燃其周围可燃物，使热释放速率增长。此时的热释放速率应为原着火可燃物的热释放速率和被引燃可燃物热释放速率的叠加。距火源中心距离为R处所接收到的火源辐射热流量和火源热释放速率的关系可用公式48表示：,邻近可燃物与火源中心的距离可按公式49计算：,4.4 火灾增长过程中热释放速率曲线的确定方法,5 烟气流动分析,5.1 烟气流动与火灾发展的关系5.2 分析烟气流动应考虑的因素5.3 烟气流动分析5.4 烟气层有关参数计算5.5 烟气流动的计算方法及模型选用原则,在一定的建筑结构和火灾规模条件下，烟气的生成量主要取决于羽流的质量流量，它是进行火灾模拟、火灾及烟气发展评价和防排烟设计的基础。由于火灾烟气的复杂性，目前的羽流计算多采用基于实际火灾实验的半经验公式，比较著名的有Zukoski模型、Thomas-Hinkley模型、McCaffrey模型等，但这些模型有着各自不同的实验基础和适用条件，对同一问题各模型得出的结果往往存在着差异，世界上几个著名的建筑火灾区域模拟软件（如CFAST、MRFC等）都采用了不同的羽流模型，这给火灾的评价造成困难。,5 烟气流动分析,Zukoski(1)、Zukoski(2)和NFPA模型适用于小面积火源条件下的羽流质量流量计算，Thomas-Hinkley模型适用于大面积火源条件下的羽流质量流量计算，McCaffrey模型既适用于小面积火源也适用于大面积火源条件下的羽流质量流量计算。另外，各国还在积极开发新的烟气运动分析模型，如场模型、场-区-网模型等。,5 烟气流动分析,烟气流动计算包括内容,在火灾模拟计算中，烟气流动计算主要包括羽流流动、顶棚射流和开口流动的计算。描述羽流流动状态和顶棚射流状态的经验公式均与火源的热释放速率密切相关。开口流动宜先计算中性层的位置，再计算中性层上、下方流出与流入着火房间的烟气流量和空气流量。当烟气在相邻房间之间流动时，流入的热烟气即为相邻房间能量计算的源项。中性层位置的计算、开口的对流计算均取决于热烟气层和冷空气层的温度，而温度的计算取决于与火源热释放速率密切相关的能量守恒。,5.1 烟气流动与火灾发展的关系,烟气流动计算分析的阶段,对烟气流动的计算分析一般分为轰燃前和轰燃后两个阶段。在轰燃发生前，采用两区域模型或FDS模型能够较好地描述建筑火灾的烟气发展情况。在轰燃发生后，采用单区域模型能够较好地描述建筑火灾的烟气发展情况。目前，烟气流动分析主要有基于火灾最大发展规模的简化计算方法和基于质量及能量守恒模拟计算方法。简化计算方法是一种保守计算方法，它不能反映火灾随时间的发展过程；模拟计算方法能够近似地反映火灾随时间的发展过程。使用者可以根据自己的知识水平和工程实际需要选择合适的计算方法。,5.1 烟气流动与火灾发展的关系,墙体羽流处理方式,羽流的质量流量与火源的位置密切相关，当火源靠近墙壁、内外墙角时由于因会受墙体的影响而使羽流的质量流量减少。在火灾分析时，宜将墙体羽流按非受限羽流处理。,5.1 烟气流动与火灾发展的关系,火源的位置及其热释放速率；环境大气温度和热烟气温度；房间的空间结构和围护结构及其换热条件；房间的通风口形状、分布及其开启状态；自然排烟条件与机械排烟条件；房间达到轰燃的时间。,5.2 分析烟气流动时考虑因素,5 烟气流动分析,5.1 烟气流动与火灾发展的关系5.2 分析烟气流动应考虑的因素5.3 烟气流动分析5.4 烟气层有关参数计算5.5 烟气流动的计算方法及模型选用原则,羽流质量流量计算中的几个参数,a)羽流对流热流量 羽流对流热流量可采用下式计算：,b)平均火焰高度 火焰区由稳定火焰区和间歇火焰区组成，平均火焰高度指的是间歇性函数的值降为0.5时所对应的可燃物表面以上的火焰高度，用下式计算。,5.3 烟气流动分析,c)虚点源 对于点火源羽流的起始点即为火源处；而面火源存在一个虚拟点源，火焰上方羽流看上去好像发自这个点源，简称为虚点源。虚点源即可能在可燃物表面下方，也可能在可燃物表面上方。虚点源的实际位置取决于火源的热释放速率和火源直径，可用下式求解虚点源的位置。,羽流质量流量计算中的几个参数,5.3 烟气流动分析,羽流质量流量计算,羽流的质量流量由可燃物的质量损失速率、燃烧所需的空气量及上升过程中卷吸的空气量三部分组成。在火灾规模一定的条件下，一定高度上羽流的质量流量主要取决于羽流对周围空气的卷吸能力。a)小面积轴对称羽流 对于 及 的小面积圆形和矩形火源可以作为点源处理，其计算公式见公式54。,对于 较小的火灾，实际应用中公式54可简化为公式55。,5.3 烟气流动分析,公式55也适用于 的线性火源（D表示为长边长度）。,羽流质量流量计算,当火源靠近边墙时，公式55改写为：,当火源靠近内墙墙角时，公式55改写为：,5.3 烟气流动分析,b)大面积轴对称羽流 对于 和 kW/m2条件下大面积火源羽流质量流量的计算公式见下式。c)线性羽流 对于长边长度 的线性火源，可采用公式59所示羽流质量流量计算公式。,羽流质量流量计算,5.3 烟气流动分析,d)阳台溢流羽流 对于如图1所示的阳台烟气溢流情况，可采用下式计算的烟气质量流量：,羽流质量流量计算,5.3 烟气流动分析,e)门窗羽流 对于如图2所示的门窗羽流情况，可采用公式511计算的烟气通过门窗后在门窗上檐之上一定高度处的质量流量。,羽流质量流量计算,5.3 烟气流动分析,羽流温度,羽流的温度是预测起火房间内环境状态的重要特征参数，火灾产生的烟气在上升过程中卷吸周围的空气，由于空气的进入，烟气被稀释冷却，在羽流的中心线上，随着高度的增加温度逐渐降低。建议采用下式计算羽流中心线上的平均温差。,5.3 烟气流动分析,顶棚射流,在商业、生产车间、仓库和现代居住等建筑的顶棚附近都安装了火灾探测器和自动喷水灭火系统的喷头。一旦发生火灾，可燃物上方火羽流中垂直上升碰到顶棚，热烟气由垂直流动改变水平流动，并沿顶棚下部向四周蔓延，这个过程我们称之为顶棚射流。此时，安装在顶棚下的感烟、感热探测仪和喷淋设备将（它们淹没在燃烧产物的热气流中）做出反应，为建筑物提供最基本的防火保护。顶棚射流中的最大温度和速度是估算火灾探测器和灭火喷头热响应的重要基础。,5.3 烟气流动分析,可用公式51316计算顶棚射流中的最大温度和速度。,顶棚射流,5.3 烟气流动分析,起火房间内外的烟气流动,a)单区域连续开口的气体流动 单区域连续开口是指将起火房间作为一个区域（见图3），区域内气体的温度和密度等参数均相同，热烟气和冷空气之间通过开口进行质量交换。,5.3 烟气流动分析,流出起火房间烟气的质量流量和流进起火房间的冷空气的质量流量可以通过公式517,18求得：,起火房间内外的烟气流动,5.3 烟气流动分析,b)两区域连续开口的气体流动 两区域就是把起火房间内部空间分为上下两个区域，即上部热烟气层和下部冷空气层（见图4）,起火房间内外的烟气流动,5.3 烟气流动分析,流出起火房间烟气的质量流量和流进起火房间的冷空气的质量流量可以通过公式519,20求得：,起火房间内外的烟气流动,在稳定火源的条件下，可假定流入烟气层烟羽流质量流量与流出起火房间烟气的质量流量相等公式521。,5.3 烟气流动分析,c)房间顶部开口的气流流动 房间下部的开口为进风口，面积用表示，房间顶部开口为自然排烟口，面积用表示。此种排烟方式在大型工业厂房、库房和超市中经常用到。流出房间的烟气质量流量和流入房间冷空气的质量流量可以用公式522计算求得。,起火房间内外的烟气流动,5.3 烟气流动分析,公式522的适用条件如下：烟气层温度不变（可取最大值）；不考虑外部风的影响；底部应有足够的进风口面积，建议；顶部排烟口不能进风。注：在实际模拟计算过程中，顶部开口过大会出现顶部开口中间进风的现象。,起火房间内外的烟气流动,5.3 烟气流动分析,羽流上升的最大高度,当顶棚高度处的环境空气温度远远高于与火源同水平环境空气的温度时，烟羽流向上的运动就会停止，由于缺少浮力，就会产生层化现象。轴对称羽流上升的最大高度为：,5.3 烟气流动分析,5 烟气流动分析,5.1 烟气流动与火灾发展的关系5.2 分析烟气流动应考虑的因素5.3 烟气流动分析5.4 烟气层有关参数计算5.5 烟气流动的计算方法及模型选用原则,5.4 烟气层有关参数计算,a)烟气层温度 在忽略维护结构热量损失的前提下，烟气层温度可由下式近似计算,b)烟体积流量 在忽略维护结构热量损失的前提下，烟气层温度可由下式近似计算,C）烟密度 对于一个给定体积的材料，其规定质量的燃烧产物所生成的烟密度可根据以下公式计算:,5.4 烟气层有关参数计算,d）烟气中的能见度1)烟气中一般物体的能见度 下式可以计算出烟气中一般物体的能见度:,5.4 烟气层有关参数计算,当有反光标志时,能见度约增加到2.5倍,如公式528所示,2)烟气中发光标志和反光标志的能见度 Tadahisa Jin在经过多年的研究后，提出了一种简单的火灾烟气中标志能见度的模型。,5.4 烟气层有关参数计算,发光标志中：,反光标志中：,在515m的能见度范围内，能见度V和烟气光密度Cs的乘积几乎为常数。此乘积主要由标志的反射率与光亮的亮度所决定。标志的能见度V由下式计算：,5.4 烟气层有关参数计算,发光标志中：,反光标志中：,（：在无刺激区内),（：在刺激区内）,在刺激性烟气中，烟气光密度超过一定值时，能见度急剧下降。在高浓度的刺激性烟气中，人们只能短时间睁开眼睛，并流出大量眼泪，以至于不能看到标志上的文字。刺激性烟气中的能见度可以通过以下近似关系式表达：,e)一氧化碳质量浓度 CO的质量浓度可以根据公式536计算,5.4 烟气层有关参数计算,f)一氧化碳的百分比浓度 20C时CO的百分比浓度可以通过公式5-37或公式538得到,可以直接将所得结果与表2中的耐受判定标准相比较。对于设计,当CO是所测量的唯一毒性气体时,CO的耐受判定标准应独自除以5。,5 烟气流动分析,5.1 烟气流动与火灾发展的关系5.2 分析烟气流动应考虑的因素5.3 烟气流动分析5.4 烟气层有关参数计算5.5 烟气流动的计算方法及模型选用原则,烟气流动的计算方法及模型,室内烟气流动的模拟方法主要有：简化计算方法和质量及能量守恒计算方法。简化计算方法比较保守，它以火灾最大发展规模为依据，不能反映火灾的发展过程。质量及能量守恒计算方法能够近似地反映火灾的发展过程。火灾烟气计算机模拟模型有经验模拟（专家系统）、半物理模拟（区域模拟）和物理模拟（场模拟）三类。,5.5 烟气流动的计算方法及模型选用原则,选用模型时基本原则,相似性、精确性、简洁、经济和运算时间不应过长；当起火房间内烟气分层比较明显，需要研究烟气层高度及温度等情况对人员的影响，而且要求精度不是很高时，应