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高层建筑消防安全设计的几点思考
摘要：在任何与提供安全有关的主题领域，失败通常是引发快速改革的最有效机制，也是对专业机构内公认的操作方法和标准的反思性评估。在高层建筑领域，历史上最显著的事故，如世贸大厦的火灾事故，被广泛认为是火灾引起的，但并没有在很大程度上影响到它们的消防安全设计。自2001年以来，高层建筑数量的激增清楚地反映了这一点。世界贸易中心调查的规模和时间尺度，加上缺乏有意义的指导，强烈暗示了在这样先进的基础设施背景下，当前消防工程实践作为一门学科是过时的。这进一步反映在世界许多地方从规范设计到基于性能的设计的不断转变中，越来越多的人接受这些建筑超出了规范指导的适用范围。然而，为了实现真正的基于性能的工程，需要为这些结构建立特定的性能目标。这项工作旨在突出高层建筑消防安全战略的关键元素，从而试图突出一些具体的全球性能目标。为了评估当前设计在满足这些目标方面的有效性，进行了一项高层建筑火灾调查，并根据这些条款分析了当前高层建筑的消防安全设计指南。为了实现高层建筑的性能目标，并为这些独特的结构提供真正创新、可靠的防火安全，必须解决的关键知识缺口是如何正确定义开放式隔间防火设计。
关键词：高层建筑、消防安全策略、基于性能的设计
- 引言
高层建筑的数量越来越多(图1)。在高度、建筑材料、用途和分区组成方面都在发展。高度的变化是惊人的，直到2010年1月为止，最高的建筑(台北101)高508米，而现在最高的建筑是828米的哈利法塔。越来越多的600米以上的建筑正在规划设计中，这导致了最近出现了超高层这个词。根据高层建筑和都市人居委员会(2012)的统计数据，截至2011年底，世界上最高的100栋建筑中有17栋是在2011年建成的。尽管这一进步背后的驱动力不可避免地是金融、政治和环境因素，但正是现代技术的发展，包括结构和材料，真正使这些建筑得以持续发展。今天的高层建筑与十年前完全不同，在不久的将来会发生更大的变化。结构工程的发展使得建筑的高度、尺寸和复杂性的增加、成本和碳足迹的减少以及建筑想象力和经济用途成为可能。在即将到来的高层建筑时代，最近数量的激增已经导致许多工程师和政府组织特别关注这一类型，尤其是从消防安全的角度。
在过去的30年里，唯一记录的高层建筑结构失效与地震和火灾相关，而在地震导致的机械失效的情况下，是未能遵守建筑规范要求或公认的工程实践产生了不良结果。在规范严格执行和/或工程适当运行地方，大地震不会对高层建筑造成重大破坏，因此有一种强烈的感觉，即结构设计，特别是关于地震荷载的设计，正在随高层建筑的转变同步发展。在过去的十年里，不同结构形式的高层建筑因火灾而倒塌的案例明显不同。在这一时期我们已经看到了钢铁建筑的倒塌，比如世贸大厦1、2、5和7号中心大楼（美国），混合建筑如温莎塔（西班牙）的部分倒塌，以及混凝土建筑如代尔夫特大学办公室（荷兰）和加拉加斯“中央”塔（委内瑞拉）。此外，我们已经看到了经典的规范解决方案已经无法控制烟雾，即使使用最先进的消防工程也未能遏制火灾的全面蔓延。
这些火灾的法医分析已经表明，现代高层建筑的需求超出了现行消防安全法规和工程实践的适用范围。上海一场大火烧毁了整个28层住宅楼(15/11/10)，造成58人死亡(华尔街日报，2010)，清楚地说明了没有充分考虑或纳入设计过程的灾难性后果。大火通过外墙迅速蔓延到整栋大楼的安全出口。这一失败强调了在快速发展的建筑行业中，除了消防安全(在本例中是能源)之外的其他问题是缺乏确保安全所需的适当设计工具即创新的主要驱动力。对其中几个故障的分析和当前的设计实践表明，消防安全法规并不一定能够为现代高层建筑快速发展的需求提供隐含的安全性，并被未经验证的基于性能的设计方法广泛取代。这项工作旨在为高层建筑提供最先进的消防安全工程评估。它旨在定义具体的性能目标，以实现一个成功的高层建筑消防安全战略，并评估失效统计数据，为我们在目前的能力下成功地解决问题提供一个指示。
建筑物数量
图1.该图展示了超过200米和300米的高层建筑数量的演变。统计数据来自世界高层建筑与都市人居学会（世界高层建筑与都市人居学会，2012）
- 从处方到性能:消防安全工程师的工具
最成功的调查是在一种氛围中进行的，在这种氛围中，所有参与者都有足够的知识来充分利用调查，并将新知识转移到设计过程中。消防工程知识的最大飞跃可能来自于这样的失败调查。然而，在这个例子中，它是由二战期间双方进行的广泛研究，特别是故意制造失败。人们对火灾可能导致故障的方法理解的广泛发展意味着以后，在广泛的国际研究合作之后，这可以转化为最先进的设计指导。这个例子也说明了与消防安全相关的社会责任在历史上是如何转化为规范和标准的，从而建立了对建筑物的规范性要求。
规定性要求通过将设计输出限制在预先建立的范围内来引入安全系数。对其具体形式进行了研究，确定了其性能范围。可以确定一个可接受的性能目标，从而确定表单可以更改的程度，同时仍然可以实现性能目标。这种方法形成了由规定性规则所暗示的界限。如果设计师遵循了这些规则，它们就会落在界限之内，设计的安全性就会得到体现。实现的解决方案天生就具有重要的安全系数，因为它必须对规定性规则范围内允许的变化保持健壮性。然而，这个安全系数的大小从来没有明确定义过。重要的是，这个系统是建立在最初的形式确定的分析;彻底改变系统，安全系数就不再是隐含的了。有一段时期，规范和标准有足够的嵌入式知识，它们可以应对建筑创新的所有变体。在这些阶段中，基础设施可以被全面地分为一些组，这些组由一组特定的规则完全处理。很少有例外出现在规范和标准之外，需要个性化的解决方案。二战后时期可能是这方面最显著的例子。在城市发展或技术发展的时期，规范和标准并不能覆盖建筑行业驱动因素带来的发展，基于性能的解决方案是必要的。
基于性能的设计允许实践者应用以合理的工程方法提供生命安全和财产保护的目标。这是通过确定特定的目标来实现的，功能目标和性能要求。然后，工程师可以使用可接受的解决方案、认可的计算方法或基于性能的替代设计来证明所需的性能。因此，明确定义了具体目标的实现。世贸中心是创新的缩影，所涉及的大多数技术解决方案都是使用当时最复杂的工程工具进行评估的；那是一个消防安全仍然以纯粹规定的方式建立的时代。在世贸中心倒塌后，高层建筑社区转向调查，以获得必要的教训，从而能够进行充分的性能基础分析。然而，从失败中提取必要的知识，并将这些知识传达到设计过程中，需要最低限度地了解哪里出了问题，以及如何在未来的设计中充分防范这些问题。世贸中心前所未有的规模和新奇的故障让消防安全和结构团体措手不及。有些不祥的是，尽管它们仍在挖掘将知识转换为相关设计的方法和工具的能力，但这种能力的缺乏已被广泛建筑团体忽视，并且过去十年是高层建筑全面创新和数量激增的时期(图1)。
这强烈地表明，消防安全工程实践作为更广泛的建筑行业的整体驱动力是不重要的。同样，这也揭示了实践无法证明我们的解决方案与该行业的相关性。结果，出现了新的要求，并不总是因为需要它们，或者因为社区准备好定义它们，而是主要是因为社会需要某种形式的答案。高层建筑是创新超越规定（隐含）安全的最佳例子。对于如此复杂和独特的情况，不能考虑一刀切的方法。在现代消防安全工程的大多数方面，这已经成为一个越来越被接受的事实，最近世界上许多地方向基于性能的框架的转变证明了这一点。由于高层建筑是一种独特的场景，在尝试进行这样的设计之前，确定具体的高层建筑相关的性能目标是至关重要的。只有这样，实践者才能理解他们实际需要实现什么，建立基于绩效的层次结构的目标，并评估他们所建议的系统的绩效水平。为了确定关键的高层建筑性能目标，我们首先必须定义高层建筑特定的、固有的消防安全问题。
- 高层建筑的消防安全策略
高层建筑的整体消防安全策略基本上是时间的函数。它包含两个主要部分：出口策略和建筑性能。建筑性能可进一步细分为结构性能和减少火灾蔓延(如分隔)。疏散策略涉及到确定安全疏散所有建筑物内人员所需的时间。建筑性能关注的是结构能够承受火灾影响的时间，以及分隔保持在原位和功能的时间。在日常设计场景中，这两个组件通常可以分别处理。与疏散相关的时间通常以分钟为序，而结构/分隔时间通常以小时为序。因此，通常固有的结构和分隔将在一段时间内保持完整，以方便实施出口策略。然而，对于高层建筑来说，情况并非如此。不断增加的高度加上有限的垂直逃生路线导致了这两个部分的耦合。疏散时间延长到与结构元件加热时间相当的数量级，并由此扩展到这些结构的潜在失效时间。因此，疏散和结构/分隔故障存在重叠的风险，就像世贸大厦的情况一样。随着建筑物越来越高、越来越复杂，这个问题只会进一步恶化。这些主要组成部分在这里与从国际上发生的大约50起高层建筑火灾的报告中收集的辅助数据一起讨论.这项调查是为了评估与消防安全策略相关的趋势，并帮助确定设计中的基本假设是否可信。所调查的事件清单载于附录A。
3.1高层建筑火灾事件调查
这项调查总共考虑了50座10到110层的建筑，其中第一座建筑于1924年完工，其他大多数建筑都是在过去30年内完成的。大部分的火灾事件发生在过去20年，发生在包括英国、美国、泰国、香港、中国、加拿大、西班牙和委内瑞拉在内的国家。调查中包含的建筑清单以及与本文相关的细节选择，在论文末尾的附录中给出。重要的是要认识到，这个选择深受信息的可用性的影响。特别是在北美，美国国家消防协会已经委托对几处高层建筑火灾进行火灾调查，火灾调查报告已公开。美国联邦紧急事务管理局已经对几座高层建筑进行了火灾调查，相关报告已公之于众。另一个资料来源是美国各消防当局所作的因公死亡调查报告。火灾调查报告的质量、数量和细节各不相同，但总体而言，报告包括建筑物构造的一般细节(包括消防功能)、火灾事件(包括原因和起因)、火灾和烟雾蔓延情况、灭火行动(包括搜救)。尽管一些报告并提供消防系统的轮廓细节,必须应用一定程度的谨慎，因为不能认为仅仅因为一个功能通过报告没有解决，就没有必要意味着它并不存在,其次大多数报告没有调查设计标准，安装或维护等功能。
3.2疏散
就疏散而言，安全是用时间来衡量的。主要是所有人到达建筑物外面所需的时间。时间越短，建筑就越安全。许多现代高层建筑的高度，加上有限的垂直逃生路线，延长了逃生时间，因此楼梯井必须作为外部。它们必须被指定为“安全区”，一旦到达，应保证居住者的安全，并允许安全转移到建筑物内外的避难所。实际上，高层建筑变成了单层建筑的集合。这就允许不同的疏散理念适用于高层建筑。此外，这些距离将疏散时间延长到与结构元件加热时间相当的程度，并由此扩展到与潜在故障时间相当的程度。增加垂直逃生规定(楼梯数量和宽度)和新技术(出口电梯等)不会产生足够的影响，以防止这种重叠。住户在楼梯间逗留的时间相当长，这意味着任何防火策略要想成功，楼梯间必须保持无烟无热，并且整个建筑结构健全。没有足够的保护，楼梯井的数量和宽度是无关紧要的，因为有烟雾的楼梯井是不可用的，因此消防安全策略是无效的。图2显示了楼梯井可支撑性水平的过早损失率。火灾调查报告显示，至少一个楼梯井内即使浓烟严重，但仍被住户用作出口。报告中反复出现的一个问题是，虽然没有给出确切的故障时间，但故障发生在疏散过程的早期。另一个原因是，大约三分之一的故障报告与消防活动有关。
频率
失败
成功
图2.该图表显示了对50座高层建筑火灾的火灾报告进行的调查所报告的楼梯井可支撑性过早丧失的比率。
确保楼梯间无烟的一种常用方法是提供加压系统。楼梯加压技术是在1960-70年代通过实验工作发展起来的。这项工作确定了能够定义压力范围(上限和下限)的标准。然后设计系统，使楼梯间和周围环境之间的压力差在日常和操作条件下保持在这个范围内，以保持无烟的要求。上限压力的存在是为了确保居住者不用费力打开通向楼梯的门，从而不会妨碍疏散。这种压力通常是由普通人所能施加的力来定义的。下限压力的设计是为了维持气体从楼梯井到周围环境的流动。因此，它是根据火灾产生的压力来定义的。如果火灾引起的压力大于下部边界的压力，烟雾将通过门和较小的间隙和开口进入楼梯井，从而使楼梯井无法使用。因此，正确确定典型火灾可能产生的压力是至关重要的。由于现
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