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前 言
建筑物的性能化防火设计是近年来国际火灾安全科学研究中发展较快的学科领域。性能化的消防安全设计是建立在消防安全工程学的建筑防火设计新方法，它与传统的设计方法相比，具有很多优越性。它运用消防安全的科学方法，根据建筑物的结构、用途等方面的具体情况，由设计者根据建筑的各个不同空间条件及功能条件，自由选择为达到消防安全目的而应采取的各种防火措施，并将其有机地组合起来，构成该建筑的总体防火安全设计方案，然后用已开发出的工程学方法，对建筑的火灾风险性和危害性进行定量的预测和评估，从而得出最优化的防火设计方案，为建筑提供最合理的防火保护。
为推动适合我国国情的建筑物性能化防火设计方法，相关部门为此作了大量的研究工作。在此背景下，本人有幸参与了国内某知名球幕电影院的消防研究工作，通过运用烟气传播模型和大空间建筑的消防疏散模拟系统BuildEvac模型，对该建筑物进行了火灾蔓延特性和人员疏散时间的定量分析，并在此基础上对建筑物进行消防安全的评估。下面内容将具体阐述一下本次研究过程及相关的成果。
1工程概况及研究基础
该球幕电影院建筑定性为一类高层建筑，建筑物耐火等级为一级；该球幕电影院由三部分组成，入口大厅、展示厅和球幕观众厅。
目前，消防安全对策和评估方法基于以下两种方法：
以《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95 (2006年版)）和《建筑防火设计规范》GB50016- 2006为基础的方法；
为满足消防安全目标而提供的其他可供选择的解决办法（性能化方法）。
2消防设计概况及存在的问题
2.1防火分区
按自然层划分防火分区。入口大厅面积：891㎡，设为一个防火分区；二层展示厅面积：155㎡，设为一个防火分区；球幕观众厅面积：452㎡，其中观众厅室面积：255㎡，设为一个防火分区，每个防火分区的安全出口不少于两个，满足消防要求。
2.2防排烟系统、火灾探测、报警及灭火系统
该大厦属一类高层建筑，在球幕电影院不具备自然排烟条件的一座剪刀楼梯间，设置两套独立的机械加压送风系统，并设有机械排烟系统，排烟量按其体积的6次换气考虑。
本建筑属于一级保护对象，设有火灾自动报警及消防联动控制系统。该系统采用二总线制智能火灾报警产品，系统由三部分组成：火灾自动报警系统、消防联动控制系统、火灾紧急广播及消防对讲系统。
球幕电影院内建筑净空高度大于8m，采用大空间智能型主动喷水灭火系统。该系统由智能型灭火装置、信号阀组、水流指示器等组件以及管道、供水设施组成，能在发生火灾时自动探测着火部位并主动喷水的灭火系统；该系统是近年来我国科技人员独自研制开发的一种全新的喷水灭火系统，采用的是自动探测及判定火源、启动系统、定位主动喷水灭火的灭火方式。
2.3存在的问题
该球幕电影院没有现行有关国家防火设计规范可采用，结合建筑的消防设计概况及提高该部分建筑的消防安全，有必要对这部分建筑的消防设计方案进行调整并进行计算论证。
3研究评估流程
为验证该球幕电影院的消防安全，结合前面的分析，须对球幕电影院的人员疏散及烟气蔓延特性进行模拟计算，以论证分析安全疏散出口和烟气控制的可供选择的解决方案，评估的原则是可用的安全疏散时间（ASET）足以超过需要的安全疏散时间（RSET），如果能满足此条件，则这个可供选择的解决方案便可行。
4人员生命安全验收标准
验收标准最重要的判据是安全疏散时间（ASET）必需大于人员疏散所需的时间(RSET)。可得到的安全疏散时间指的是从火灾发生，至人员无法忍受的灾害环境的时间。人员无法忍受状态（耐受极限）的判据由下列标准组成：
•如果热烟层距地板高度大于2米，则热烟层的温度不超过180℃；
•如果热烟层距地板高度小于2米，则热烟层的温度不超过50℃，且能见度不小于10米；
•二氧化碳浓度不得超过1%（体积百分比），一氧化碳浓度不得超過2500ppm。
5 人员安全疏散时间计算
5.1计算对象描述
重点分析人员在现有疏散出口布置情况下人员的安全疏散情况，同时结合计算出的烟气的蔓延情况，考察其安全性。由于本球幕电影院四个出口分布在两个不同平面，在做疏散计算时，按照影院座位的排列方式把整个影院分为上部和下部分别作为两个计算对象。
计算对象A：该计算对象为球幕电影院上半部分，本区域总疏散人数95人。见图1：
图1计算对象A建筑示意图
计算对象B：该计算对象为球幕电影院下半部分，本区域总疏散人数最大为90人。见图2：
图2计算对象B建筑示意图
5.2人员安全疏散时间计算
人员疏散时间按火灾报警时间、人员的疏散预动时间和人员从开始疏散到到达安全地点的行动之和计算：RSET =Td + Tpre + Tt
其中：Td — 为报警时间；Tpre — 为人员的疏散预动时间；Tt — 为人员疏散行动时间
5.2.1报警时间
报警时间Td应根据建筑内所采用的火灾探测与报警装置的类型及其布置并考虑设定火灾场景下的人员密度及人员的安全意识与清醒状态等因素综合确定。由于该影院内设置大空间智能型火灾报警系统，该系统采用智能型红外线探测组件，对火灾发生的探测反应较快，所以报警时间相应比较短，本工程取报警时间10s。
5.2.2人员的疏散预动时间
人员的疏散预动时间为人员从接到火灾警报之后到疏散行动开始之前的这段时间间隔，包括识别时间和反应时间。
1．识别时间为从火灾报警或信号发出后到人员还未开始反应的这一时间段。
本建筑设有火灾自动报警及消防联动控制系统，该系统采用二总线制智能火灾报警产品。由于本电影院面积不大，一旦火灾发生很容易根据视觉等感官察觉到火灾的发生，故根据相关数据，本次计算预动时间取30s。
2. 反应时间为从人员识别报警或信号并开始做出反应至开始直接朝出口方向疏散之间的时间，一般从数秒钟到数分钟不等。由于计算对象为电影院，其出口布置较明确，所以人员从发生火灾到开始疏散之间的反应时间很短，可取30 s。
因此，人员的疏散预动时间Tpre= 30s + 30s = 60s。
5.2.3人员疏散行动时间的计算
本研究采用大空间复杂建筑防火安全计算机模拟软件BuildEvac进行计算。
计算对象A：
1．软件模拟结构示意如图3：
图3计算对象软件模拟结构示意图
2．本场景基本参数设置如表1：
表1计算对象基本参数
3．出口的人数—时间步模拟步长为0.25s：
模拟显示编号d23的出口人数—时间步，经过时间步TimeStep=203，即50.75s，该疏散出口完成疏散，总疏散人数46人。
表2各疏散出口完成时间
则计算对象人员疏散完成时间为50.75s。
计算对象B：
1．软件模拟结构示意如图4：
图4计算对象软件模拟结构示意图
2．本场景基本参数设置如表3：
表3计算对象基本参数
3．出口的人数—时间步模拟步长为0.25s：
模拟显示编号d39的出口人数—时间步，经过时间步TimeStep=383即95.75s，该疏散出口完成疏散，总疏散人数43人。
表4各疏散出口完成时间
则计算对象人员疏散完成时间为：95.75s
5.3 避难总时间
由于本次疏散计算中两个计算对象属于同一电影院，所以总疏散时间应取两个计算对象中时间较长的计算对象B，即避难总时间如下表：
表5避难总时间统计
6烟气蔓延计算
6.1参数设定
6.1.1火灾危险性分析
在球幕电影院中，可能的火灾起源有电器故障、可燃物过热、易燃品管理不善或操作不当、故意纵火、吸烟等；燃料包括座椅、观众带入的可燃物、电器缆线等。
6.1.2设计火灾场景
（1）火灾荷载：火灾荷载一般可分为以下两类，不可移动的燃料：如地板、墙壁上的可燃物，房间的装饰设备；可移动燃料：如桌椅、纸张、货物，货架等。本研究参考日本的调查结果并结合我国实际情况，得到计算对象的火灾荷载为600MJ/m2。
（2）火灾发展：火灾在经历了早期的发展之后，将进入完全燃烧阶段，在这个阶段火灾的热释放速率将达到最大。在火灾安全评价中，一般假设水系统有效控火条件下最大热释放速率保持不变。结合计算结果，选取热释放速率中的较大值作为设计最大热释放速率。
（3）模拟时间：结合人员疏散时间，本报告的火灾模拟时间取1200s。
6.2烟气蔓延特性模拟计算
6.2.1火灾场景A烟气流动特性预测
室内净空高度：15.2m；火灾最大规模：6MW；设计火灾类型：非稳态；火灾发展速率：0.0599kW/s2；排烟标准：体积的6次/h换气；起火地点：影院观众厅中部。
对烟气温度、CO2浓度、CO浓度、能见度的模拟分析，可得到表6模擬结果：
表6模拟结果统计表
6.2.2火灾场景B烟气流动特性预测
室内净空高度：15.2m；火灾最大规模：6MW；设计火灾类型：非稳态；火灾发展速率：0.0599kW/s2；排烟标准：在原基础上增加1/3排烟量；起火地点：影院观众厅中部。
对烟气温度、CO2浓度、CO浓度、能见度的模拟分析，可得到表7模拟结果：
表7模拟结果统计表
7安全性分析
7.1研究采用的判据
•如果热烟层距地板高度大于2米，则热烟层的温度不超过180℃；
•如果热烟层距地板高度小于2米，则热烟层的温度不超过50℃，且能见度不小于10米；
•二氧化碳浓度不得超过1%（体积百分比），一氧化碳浓度不得超过2500ppm。
7.2针对人员安全性的结果分析
结合人员疏散时间和烟气蔓延特性的计算结果，对人员的安全性分析如下：
火灾场景A：人员最大安全疏散时间为<165.75s ，根据计算结果，在疏散结束时，火灾发展到致使环境条件达到人体耐受极限的时间小于165.75s，安全余量<0s，人员没有足够的时间逃生。
火灾场景B：人员最大安全疏散时间为205.2s，根据计算结果，在疏散结束时，火灾发展到致使环境条件达到人体耐受极限的时间的安全余量为39.45s，人员有足够的时间逃生。
综上分析，由于原方案不能保证人员的安全逃生，故研究中增加了1/3的排烟量，通过模拟再次测试后，烟气温度、沉降高度、CO浓度、CO2浓度将不会对该区域的人员构成危险，人员能够安全逃生。
8消防安全措施
在对整个建筑进行综合分析的基础上，结合球幕电影院的消防设计方案，本报告进行了人员疏散和烟气蔓延特性的模拟计算，根据模拟论证结果可以得到以下几点结论和建议：在人员的安全疏散方面，计算对象A、B需要的最大安全疏散时间分别为<165.75s 和205.2s；设置大空间智能型主动喷水灭火系统；通过计算，原排烟量按其体积的6次换气考虑不能满足消防安全的需要，应按其体积的8次换气考虑。
9结束语
目前我国对建筑物所制订的消防技术规范对于我国的建筑物防火起到了积极的作用。但是，现行规范在执行中出现不少问题：一是由于规范是明细条款式的规定，设计人员在确定建筑物的使用功能后，只能根据消防规范逐条对照落实消防措施，限制了设计构思的自由发挥。二是由于规范的强制性和局限性，生产的新工艺、建筑新结构都难于发挥运用。
现行的消防技术规范在科学性、合理性以及经济性等方面都存在许多有待解决的问题。因而，近年来提出了“性能化消防设计”这一新概念，其主要思想就是完善现行规范不适应现代建筑及其消防设计的规定，在保证消防安全的前提下，以尽量少的投资，使建筑的安全性能与空间造型、使用功能等各方面达到最大的和谐统一。希望本篇研究论文能对这一领域的消防问题带来一些新的思路，在此欢迎各位同行相互交流并多多指正。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开
建筑物的性能化防火设计是近年来国际火灾安全科学研究中发展较快的学科领域。性能化的消防安全设计是建立在消防安全工程学的建筑防火设计新方法，它与传统的设计方法相比，具有很多优越性。它运用消防安全的科学方法，根据建筑物的结构、用途等方面的具体情况，由设计者根据建筑的各个不同空间条件及功能条件，自由选择为达到消防安全目的而应采取的各种防火措施，并将其有机地组合起来，构成该建筑的总体防火安全设计方案，然后用已开发出的工程学方法，对建筑的火灾风险性和危害性进行定量的预测和评估，从而得出最优化的防火设计方案，为建筑提供最合理的防火保护。
为推动适合我国国情的建筑物性能化防火设计方法，相关部门为此作了大量的研究工作。在此背景下，本人有幸参与了国内某知名球幕电影院的消防研究工作，通过运用烟气传播模型和大空间建筑的消防疏散模拟系统BuildEvac模型，对该建筑物进行了火灾蔓延特性和人员疏散时间的定量分析，并在此基础上对建筑物进行消防安全的评估。下面内容将具体阐述一下本次研究过程及相关的成果。
1工程概况及研究基础
该球幕电影院建筑定性为一类高层建筑，建筑物耐火等级为一级；该球幕电影院由三部分组成，入口大厅、展示厅和球幕观众厅。
目前，消防安全对策和评估方法基于以下两种方法：
以《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95 (2006年版)）和《建筑防火设计规范》GB50016- 2006为基础的方法；
为满足消防安全目标而提供的其他可供选择的解决办法（性能化方法）。
2消防设计概况及存在的问题
2.1防火分区
按自然层划分防火分区。入口大厅面积：891㎡，设为一个防火分区；二层展示厅面积：155㎡，设为一个防火分区；球幕观众厅面积：452㎡，其中观众厅室面积：255㎡，设为一个防火分区，每个防火分区的安全出口不少于两个，满足消防要求。
2.2防排烟系统、火灾探测、报警及灭火系统
该大厦属一类高层建筑，在球幕电影院不具备自然排烟条件的一座剪刀楼梯间，设置两套独立的机械加压送风系统，并设有机械排烟系统，排烟量按其体积的6次换气考虑。
本建筑属于一级保护对象，设有火灾自动报警及消防联动控制系统。该系统采用二总线制智能火灾报警产品，系统由三部分组成：火灾自动报警系统、消防联动控制系统、火灾紧急广播及消防对讲系统。
球幕电影院内建筑净空高度大于8m，采用大空间智能型主动喷水灭火系统。该系统由智能型灭火装置、信号阀组、水流指示器等组件以及管道、供水设施组成，能在发生火灾时自动探测着火部位并主动喷水的灭火系统；该系统是近年来我国科技人员独自研制开发的一种全新的喷水灭火系统，采用的是自动探测及判定火源、启动系统、定位主动喷水灭火的灭火方式。
2.3存在的问题
该球幕电影院没有现行有关国家防火设计规范可采用，结合建筑的消防设计概况及提高该部分建筑的消防安全，有必要对这部分建筑的消防设计方案进行调整并进行计算论证。
3研究评估流程
为验证该球幕电影院的消防安全，结合前面的分析，须对球幕电影院的人员疏散及烟气蔓延特性进行模拟计算，以论证分析安全疏散出口和烟气控制的可供选择的解决方案，评估的原则是可用的安全疏散时间（ASET）足以超过需要的安全疏散时间（RSET），如果能满足此条件，则这个可供选择的解决方案便可行。
4人员生命安全验收标准
验收标准最重要的判据是安全疏散时间（ASET）必需大于人员疏散所需的时间(RSET)。可得到的安全疏散时间指的是从火灾发生，至人员无法忍受的灾害环境的时间。人员无法忍受状态（耐受极限）的判据由下列标准组成：
•如果热烟层距地板高度大于2米，则热烟层的温度不超过180℃；
•如果热烟层距地板高度小于2米，则热烟层的温度不超过50℃，且能见度不小于10米；
•二氧化碳浓度不得超过1%（体积百分比），一氧化碳浓度不得超過2500ppm。
5 人员安全疏散时间计算
5.1计算对象描述
重点分析人员在现有疏散出口布置情况下人员的安全疏散情况，同时结合计算出的烟气的蔓延情况，考察其安全性。由于本球幕电影院四个出口分布在两个不同平面，在做疏散计算时，按照影院座位的排列方式把整个影院分为上部和下部分别作为两个计算对象。
计算对象A：该计算对象为球幕电影院上半部分，本区域总疏散人数95人。见图1：
图1计算对象A建筑示意图
计算对象B：该计算对象为球幕电影院下半部分，本区域总疏散人数最大为90人。见图2：
图2计算对象B建筑示意图
5.2人员安全疏散时间计算
人员疏散时间按火灾报警时间、人员的疏散预动时间和人员从开始疏散到到达安全地点的行动之和计算：RSET =Td + Tpre + Tt
其中：Td — 为报警时间；Tpre — 为人员的疏散预动时间；Tt — 为人员疏散行动时间
5.2.1报警时间
报警时间Td应根据建筑内所采用的火灾探测与报警装置的类型及其布置并考虑设定火灾场景下的人员密度及人员的安全意识与清醒状态等因素综合确定。由于该影院内设置大空间智能型火灾报警系统，该系统采用智能型红外线探测组件，对火灾发生的探测反应较快，所以报警时间相应比较短，本工程取报警时间10s。
5.2.2人员的疏散预动时间
人员的疏散预动时间为人员从接到火灾警报之后到疏散行动开始之前的这段时间间隔，包括识别时间和反应时间。
1．识别时间为从火灾报警或信号发出后到人员还未开始反应的这一时间段。
本建筑设有火灾自动报警及消防联动控制系统，该系统采用二总线制智能火灾报警产品。由于本电影院面积不大，一旦火灾发生很容易根据视觉等感官察觉到火灾的发生，故根据相关数据，本次计算预动时间取30s。
2. 反应时间为从人员识别报警或信号并开始做出反应至开始直接朝出口方向疏散之间的时间，一般从数秒钟到数分钟不等。由于计算对象为电影院，其出口布置较明确，所以人员从发生火灾到开始疏散之间的反应时间很短，可取30 s。
因此，人员的疏散预动时间Tpre= 30s + 30s = 60s。
5.2.3人员疏散行动时间的计算
本研究采用大空间复杂建筑防火安全计算机模拟软件BuildEvac进行计算。
计算对象A：
1．软件模拟结构示意如图3：
图3计算对象软件模拟结构示意图
2．本场景基本参数设置如表1：
表1计算对象基本参数
3．出口的人数—时间步模拟步长为0.25s：
模拟显示编号d23的出口人数—时间步，经过时间步TimeStep=203，即50.75s，该疏散出口完成疏散，总疏散人数46人。
表2各疏散出口完成时间
则计算对象人员疏散完成时间为50.75s。
计算对象B：
1．软件模拟结构示意如图4：
图4计算对象软件模拟结构示意图
2．本场景基本参数设置如表3：
表3计算对象基本参数
3．出口的人数—时间步模拟步长为0.25s：
模拟显示编号d39的出口人数—时间步，经过时间步TimeStep=383即95.75s，该疏散出口完成疏散，总疏散人数43人。
表4各疏散出口完成时间
则计算对象人员疏散完成时间为：95.75s
5.3 避难总时间
由于本次疏散计算中两个计算对象属于同一电影院，所以总疏散时间应取两个计算对象中时间较长的计算对象B，即避难总时间如下表：
表5避难总时间统计
6烟气蔓延计算
6.1参数设定
6.1.1火灾危险性分析
在球幕电影院中，可能的火灾起源有电器故障、可燃物过热、易燃品管理不善或操作不当、故意纵火、吸烟等；燃料包括座椅、观众带入的可燃物、电器缆线等。
6.1.2设计火灾场景
（1）火灾荷载：火灾荷载一般可分为以下两类，不可移动的燃料：如地板、墙壁上的可燃物，房间的装饰设备；可移动燃料：如桌椅、纸张、货物，货架等。本研究参考日本的调查结果并结合我国实际情况，得到计算对象的火灾荷载为600MJ/m2。
（2）火灾发展：火灾在经历了早期的发展之后，将进入完全燃烧阶段，在这个阶段火灾的热释放速率将达到最大。在火灾安全评价中，一般假设水系统有效控火条件下最大热释放速率保持不变。结合计算结果，选取热释放速率中的较大值作为设计最大热释放速率。
（3）模拟时间：结合人员疏散时间，本报告的火灾模拟时间取1200s。
6.2烟气蔓延特性模拟计算
6.2.1火灾场景A烟气流动特性预测
室内净空高度：15.2m；火灾最大规模：6MW；设计火灾类型：非稳态；火灾发展速率：0.0599kW/s2；排烟标准：体积的6次/h换气；起火地点：影院观众厅中部。
对烟气温度、CO2浓度、CO浓度、能见度的模拟分析，可得到表6模擬结果：
表6模拟结果统计表
6.2.2火灾场景B烟气流动特性预测
室内净空高度：15.2m；火灾最大规模：6MW；设计火灾类型：非稳态；火灾发展速率：0.0599kW/s2；排烟标准：在原基础上增加1/3排烟量；起火地点：影院观众厅中部。
对烟气温度、CO2浓度、CO浓度、能见度的模拟分析，可得到表7模拟结果：
表7模拟结果统计表
7安全性分析
7.1研究采用的判据
•如果热烟层距地板高度大于2米，则热烟层的温度不超过180℃；
•如果热烟层距地板高度小于2米，则热烟层的温度不超过50℃，且能见度不小于10米；
•二氧化碳浓度不得超过1%（体积百分比），一氧化碳浓度不得超过2500ppm。
7.2针对人员安全性的结果分析
结合人员疏散时间和烟气蔓延特性的计算结果，对人员的安全性分析如下：
火灾场景A：人员最大安全疏散时间为<165.75s ，根据计算结果，在疏散结束时，火灾发展到致使环境条件达到人体耐受极限的时间小于165.75s，安全余量<0s，人员没有足够的时间逃生。
火灾场景B：人员最大安全疏散时间为205.2s，根据计算结果，在疏散结束时，火灾发展到致使环境条件达到人体耐受极限的时间的安全余量为39.45s，人员有足够的时间逃生。
综上分析，由于原方案不能保证人员的安全逃生，故研究中增加了1/3的排烟量，通过模拟再次测试后，烟气温度、沉降高度、CO浓度、CO2浓度将不会对该区域的人员构成危险，人员能够安全逃生。
8消防安全措施
在对整个建筑进行综合分析的基础上，结合球幕电影院的消防设计方案，本报告进行了人员疏散和烟气蔓延特性的模拟计算，根据模拟论证结果可以得到以下几点结论和建议：在人员的安全疏散方面，计算对象A、B需要的最大安全疏散时间分别为<165.75s 和205.2s；设置大空间智能型主动喷水灭火系统；通过计算，原排烟量按其体积的6次换气考虑不能满足消防安全的需要，应按其体积的8次换气考虑。
9结束语
目前我国对建筑物所制订的消防技术规范对于我国的建筑物防火起到了积极的作用。但是，现行规范在执行中出现不少问题：一是由于规范是明细条款式的规定，设计人员在确定建筑物的使用功能后，只能根据消防规范逐条对照落实消防措施，限制了设计构思的自由发挥。二是由于规范的强制性和局限性，生产的新工艺、建筑新结构都难于发挥运用。
现行的消防技术规范在科学性、合理性以及经济性等方面都存在许多有待解决的问题。因而，近年来提出了“性能化消防设计”这一新概念，其主要思想就是完善现行规范不适应现代建筑及其消防设计的规定，在保证消防安全的前提下，以尽量少的投资，使建筑的安全性能与空间造型、使用功能等各方面达到最大的和谐统一。希望本篇研究论文能对这一领域的消防问题带来一些新的思路，在此欢迎各位同行相互交流并多多指正。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开