高层建筑防火功能评价指标体系研究硕士学位论文.docx

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高层建筑防火功能评价指标体系研究硕士学位论文

高层建筑防火功能评价指标体系研究

摘要

随着高层建筑发展的多样化和功能的复杂化，传统的防火设计规范已经明显滞后于现代建筑的防火安全要求。

仅在运营阶段对火灾风险进行评估不能从根本上解决防火功能设计先天不足的问题，针对这一现象，本文提出应该在设计阶段对设计方案的防火功能进行评价的思想，并针对高层建筑火灾发展的原理和特点建立了科学有效的防火功能评价指标体系。

首先，对高层建筑火灾发展的场景进行了人为界定。

高层建筑火灾是一个不断发展蔓延的过程，本文根据火灾发展动力学的原理将高层建筑的火灾划分为初期增长、防火分区内充分发展和突破防火分区继续发展三个阶段，并针对每个场景火灾发展的特点对其所应具备的防火功能进行了分析，提出高层建筑应能有效的实现初期灭火、防火分区内控制、相邻防火分区隔断和人员安全疏散的功能。

其次，利用事故树分析法总结出防火功能评价指标初集。

高层建筑防火功能评价结果应能真实而科学地反映设计方案的有效性，故障树能分析出导致防火功能失效的各种直接原因和深层次原因。

其中最小割集能完整地体现导致各个阶段防火功能失效的各种可能性，最小径集能体现控制火灾发展的各种措施，通过对割集和径集进行分析和归纳，能使得到的指标体系更加全面而客观。

针对高层建筑防火设计应具备的四个功能，本文得到的指标初集共有41个指标。

最后，利用结构方程模型对指标进行优化和验证。

虽然利用故障树构建的指标初集已经具备相当的完备性，但为了提高指标体系的科学性和可操作性，本文利用结构方程模型对指标进行了筛选和有效性验证。

模型适配有效证明了探索性因子分析的合理性，也即验证了指标分类的合理性，将因子负荷量作为指标筛选的标准，剔除因子负荷量小于0.5的指标，保证所得到的指标都对防火功能的实现具有明显的作用效果，提高了指标体系的有效度。

通过以上的研究，本文提出并论证了在设计阶段对防火功能进行评价的可行性，充分体现了全生命周期的决策思想，为高层建筑防火功能设计决策提供了一种新的思路，也可以为其他功能的设计评价提供参考和借鉴。

关键词：

高层建筑防火功能指标事故树结构方程模型

Abstract

Withthediversityandthecomplicationoffunction,thetraditionalfirepreventiondesignspecificationshavesignificantlylaggedbehindthefiresafetyrequirements.Justevaluatethefireriskinoperationalphasecan’tfundamentallysolvetheproblemthatthefirepreventionisinsufficient.Inresponsetothisphenomenon,thispaperputforwardtheideathatthefirepreventionfunctionshouldbeevaluatedinthedesignstage,andestablishedascientificandeffectiveevaluationindexsystemforthefirepreventionfunctionofthehigh-risebuildings.

First,thisthesisdefinedthefiredevelopmentscenariosofthehigh-risebuildings.Thefiredevelopmentisaprocessofspreading.Accordingtotheprincipleofthedevelopment,thispaperdividedthespreadingintotheearlystage,firefullydevelopedinthefirecompartmentandthefirebreakingthroughthefirecompartment,andthenanalyzedthecharacteristicsanddefinedthefirepreventionfunctionineachscenery.Thehigh-risebuildingsshouldhavethefireprotectionfunctionsuchasfightingfireinearlystage,controllingfireinthefirecompartment,isolatingthefireandensuringtheevacuationofpeople.

Secondly,thisthesissummeduptheinitialindexsystemthroughthefaulttreeanalysis.Theevaluationresultshouldreflecttheeffectivenessofthedesigntrulyandscientifically,atthesametime,thefaulttreecannotonlyanalysethedirectcoursebutalsothedeepreasons.Theminimalcutsetscanfullyreflectthevariouspossibilitiesofthefireprotectionfailure,andtheminimalradiussetsarethemeasuresthatcancontrolthefiredevelopment.Throughtheanalysisandsummaryforthecutsetsandpathsets,theindexsystemcanbemuchmorecomprehensiveandobjective.Basedonthefunctionthatthehigh-risebuildingsshouldhave,thispaperestablished41initialindicators.

Finally,thisthesisoptimizedandverifiedthevalidityoftheindexsystembythestructuralequationmodel.Althoughtheinitialindicatorsestablishedbythefaulttreehavehadconsiderablecompleteness,inordertoimprovethescientificandoperationalnatureofthesystem,thispaperusedstructureequationmodeltooptimizetheindicatorsystem.Thereasonablenessofthedefaultmodelprovedtheeffectiveoftheclassificationoftheindicators.Thispapermadethestandardizedregressionweightsasthecriteriaforoptimizingtheindicators.Whenthestandardizedregressionweightislessthan0.5,theindicatorwouldbeeliminated.Asaresult,thevalidityofindexsystemisimproved.

Throughtheresearchabove,thisthesisproposedanddemonstratedthefeasibilityoftheevaluationforthefireprotectionfunctionindesignstage,embodiedthewholelifecycleofdecision-makingthought.Itnotonlyprovidesanewtrainofthoughtforthefireprotectionbutalsoprovidessomereferencesforevaluationofotherfunctions.

Keywords：

High-riseBuilding,IndicatorofFireProtection,FaultTreeAnalysis,StructuralEquationModel

目录

第一章绪论1

1.1研究背景及研究问题提出1

1.1.1研究背景介绍1

1.1.2研究问题提出2

1.2研究问题界定3

1.2.1高层建筑界定3

1.2.2防火功能界定4

1.3本文研究目的及意义5

1.3.1研究目的5

1.3.2研究意义5

1.4本文主要研究内容6

1.4.1论文的关键问题6

1.4.2论文的研究方法和技术路线6

1.4.3论文的主要创新点8

第二章文献综述与理论基础9

2.1高层建筑火灾风险分析9

2.1.1高层建筑火灾特点研究9

2.1.2高层建筑火灾危害性分析10

2.2防火功能的设计方案评价研究11

2.2.1防火功能实现影响因素分析11

2.2.2防火功能设计方案评价方法研究12

2.2.3防火功能评价指标体系研究14

2.3本章小结15

第三章高层建筑防火功能评价指标体系研究设计17

3.1火灾发展场景描述17

3.1.1火灾发展阶段及特点17

3.1.2高层建筑火灾发展场景分析及功能设定18

3.2防火功能评价指标体系构建研究设计19

3.2.1评价指标体系构建的原则19

3.2.2评价指标体系构建的依据20

3.2.3评价指标体系构建的方法21

3.2.4评价指标体系有效性分析24

3.2.5评价指标体系构建的技术路线25

3.3本章小结26

第四章基于事故树分析法的防火功能评价指标初选研究27

4.1事故树原理介绍27

4.2事故树基本分析28

4.2.1事故树的结构函数28

4.2.2割集和径集28

4.3高层建筑防火功能评价指标的初步建立29

4.3.1初期灭火功能评价指标的初建30

4.3.2防火分区内控制功能评价指标的初建38

4.3.3相邻防火分区隔断功能评价指标的初建43

4.3.4人员安全疏散功能评价指标的初建48

4.4本章小结53

第五章防火功能评价指标的筛选确定及相关关系研究54

5.1结构方程模型简介54

5.1.1结构方程模型产生的背景54

5.1.2结构方程模型的优点55

5.1.3结构方程模型的构建过程55

5.2问卷的发放及回收57

5.2.1问卷调查的目的及程序57

5.2.2问卷数量的确定57

5.3初期灭火功能评价指标确定60

5.3.1模型建立60

5.3.2模型的有效性验证61

5.3.3指标的筛选确定及相关关系研究61

5.4防火分区内控制功能评价指标确定63

5.4.1模型建立63

5.4.2模型的有效性验证64

5.4.3指标的筛选确定及相关关系研究65

5.5相邻防火分区隔断功能评价指标确定67

5.5.1模型建立67

5.5.2模型的有效性验证68

5.5.3指标的筛选确定及相关关系研究68

5.6人员安全疏散功能评价指标确定70

5.6.1模型建立70

5.6.2模型的有效性验证71

5.6.3指标的筛选确定及相关关系研究71

5.7本章小结73

结论与展望75

参考文献77

附录81

附录Ⅰ：

历年高层建筑火灾情况统计81

附录Ⅱ：

高层建筑防火功能评价指标调查问卷84

附录Ⅲ：

某项目设计方案防火功能评价87

发表论文和科研情况说明90

致谢91

第一章绪论

一.3研究背景及研究问题提出

一.3.1研究背景介绍

随着我国社会经济和城市化进程的不断推进，城市人口增长与城市土地资源有限的矛盾日渐突出，高层建筑凭借其节约用地、容纳人数众多等特点如雨后春笋般出现并投入使用，几乎占据城市建筑面积的30—40%[1]。

高层建筑作为商业化、工业化的结果，日渐发展成一种城市现代化的标志，也是建造业主实力雄厚的象征。

根据统计，我国目前共有各类高层建筑13.4万幢，其中超高层建筑（高度大于100m）2453栋。

与此同时，高层建筑火灾带来的损失也呈现出上升的趋势，近年来高层建筑火灾发生频繁，给我国的国民经济和社会发展造成了极其恶劣的影响，2000-2009年高层建筑火灾情况及造成的损失如表1-1所示，部分高层建筑火灾情况见附录Ι。

究其原因，一方面是高层建筑的平面布局、立体结构及人员环境复杂，致火因素众多，火灾安全隐患大；而且由于高层建筑的烟囱效应显著，一旦发生火灾，火灾蔓延速度很快，对人员疏散和财产保护造成很大的威胁和挑战。

更为重要的原因在于我国高层建筑的防火设计更注重成本控制，防火功能设计与消防安全需要难以匹配，设计单位和业主不能有效地对防火方案进行科学的评价，导致在后续使用过程中防火功能不足或防火功能不能得到充分发挥，无法有效地预防并控制火灾的发生和发展以减少人员伤亡和财产损失。

表1-12000-2009年高层建筑火灾情况

Table1.1High-riseBuildingFiresHappenedfrom2000to2009

年份

火灾总数

高层建筑火灾

死亡人数

受伤人数

财产损失（万元）

2000

189185

18432

736

1166

33846.3

2001

216784

15270

614

910

22840.5

2002

258315

16349

652

459

20909.6

2003

253932

16999

690

775

24006.6

2004

252804

19023

793

658

22867.8

2005

235941

18032

666

494

19989.4

2006

231881

19095

501

359

19649.1

2007

163521

11979

505

268

17935.5

2008

136835

16125

631

263

75401.9

2009

128331

11060

366

185

36459.3

资料来源：

根据文献[2-11]绘制

一.3.2研究问题提出

我国《高层民用建筑设计防火规范》GB50045—95（2005年版）、《建筑设计防火规范》等相关规范对防火设计作了相应的规定，如对建筑物的耐火等级、防火分区、安全疏散、防排烟系统、自动喷水灭火系统等功能指标的设计均规定了具体的参数，对于我国高层建筑的防火安全设计具有重大的作用的意义，为保证我国建筑火灾安全做出了重大的贡献。

但是，这些规定多数是直接引自国外或根据国内已经建成的建筑状况提出的[12]，是一种经验性总结，而对于建筑物总体的防火功能目标并没有作出明确的规定。

随着经济的迅速发展，建筑物的类型趋于多样化，其内部空间及功能模块千变万化，使规范表现出严重的滞后性；而且规范之间也存在着一些矛盾和分歧，使得设计者在很多时候不知如何适用。

我国传统的设计规范存在的不足主要表现在以下几个方面：

1.设计方案受限

每座建筑物都是独特的，其结构、用途、内部火灾危险的分布、大小都是各不相同的，居住者和使用者的素质和条件也都各异。

完全照搬现行规范给定的参数和指标做出的设计方案，未必是最科学、最合理的选择。

而且，要套用规范中对的参数设计，客观上限制了设计的灵活性，使建筑结构死板。

2.单独设防，缺乏综合考虑

现行的规范在消防给水、防排烟等方面层层设防[13]，单独考虑[14]，而未能针对各单独的建设项目统一布局各子系统，不仅可能造成消防投资的极大浪费，也可能不能良好的实现消防疏散的目的。

3.不利于新技术、新材料的使用

随着科学技术的突飞猛进，新技术、新材料不断推陈出新，计算机和通讯技术的迅速发展，都极大的推动了防火设计的发展。

而现行的处方式设计规范对很多结构材料和技术标准均做出了硬性的规定，在很大程度上限制了新产品、新工艺的开发利用[15]。

4.条文规范之间相互对立、互不沟通

由于各种原因，我国现行的各类设计方法和规范尚未形成完整而统一的系统，使得设计人员有时会无从着手，不知应以哪种规范为准。

各部分之间自成系统[15]，不能兼顾，如若完全照搬，不仅可能导致不必要的浪费，甚至会使得整体的防火性能不能得到有效的判定。

而且随着科技的不断发展，高层建筑的结构形式都发生了显著的变化，经常遇到规范中的设计空白，使其防火问题形势严峻。

鉴于这种传统防火设计方法的不足，我国也开始引进国外的性能化防火设计以提高建筑物的防火性能。

性能化防火设计就是利用火灾安全工程学的原理，通过制定整个建筑物的防火系统需要达到的性能目标，针对所要设计建筑物的实际情况，采用各种有效方法对建筑物所具有的防火能力进行定性或定量地预测与评估，从而找到最佳的防火设计方案[16]。

可见，性能化防火设计是一种以功能为导向的安全设计[17]，即通过可靠地设计手段达到工程安全性质指标的目的[18]。

性能化防火设计一个很重要的部分就是对设计方案进行评价比较，这就促使了性能化设计方案防火功能评估的发展。

防火功能的评估包括指标体系的建立和评估方法的选择两个方面。

设计方案评价指标体系不仅是评估工作中的非常重要的核心内容，也是评估中的基础性工作。

指标体系的建立需要以广泛的调查研究和深入细致的分析综合作为基础。

具体地说，就是把影响防火功能实现的主要因素归纳总结成一系列概念明确、边界清晰和便于把握的指标，并把这些指标按照内在的联系及隶属关系组织起来，构造出评估的指标体系。

指标体系是否科学合理，直接关系到评估的作用和功能是否能够正常发挥，进而影响到评估能否被认可，能否提高防火安全水平的目的。

因此，建立一套科学、合理的指标体系，是一项非常重要的工作。

一.4研究问题界定

一.4.1高层建筑界定

高层建筑是随着国家经济的不断发展，城市人口的增多、建设用地的减少、地价的持续攀升、电梯的发明使用、钢筋混凝土等级不断增强而得到发展的。

近代高层建筑起源于美国，是社会经济和科学技术发展的产物，至今已有100多年的历史。

大约在20世纪50年代左右，我国才能自行建造高层建筑。

但之后，我国的高层建筑的发展取得了辉煌的成绩。

不少高楼大厦林立而起，摩天大楼也不再是神话，已经成为中国乃至亚洲的重要景观。

在不同的国家和不同的发展时期，对于高层建筑有着不同的定义。

目前，世界各国对于高层建筑的分类并没有达成一个统一的标准。

联合国教科文组织所属的世界高层建筑委员成立于1972年，该组织按照层数和高度将高层建筑划分为四类：

第一类，层数为9至16层，高度不大于50m；

第二类，层数为17至25层，高度不大于75m；

第三类，层数为26层至40层，高度不大于100m；

第四类，40层以上，高度大于100m。

随着高层建筑的不断发展，我国对高层建筑的划分标准也一直在做相应的调整。

我国相关法律规范对高层建筑的界定如表1-2所示。

为了简化对高层建筑的统计口径，从1984年起，我国住房和城乡建设部对住宅和非住宅建筑一律以10层作为划分高层建筑的起点。

本文中所指的高层建筑与我国防火设计规范中规定的范围相一致，为十层及以上的住宅建筑和高度超过24m但不高于250m的民用建筑。

表1-2我国相关法规对高层建筑的界定

Table1.2TheDefinitionofHigh-riseBuildinginRelatedRegulations

时间

法规

规定

1980.10.1-

1983.6.1

《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定》JGJ3-79

第一章第3条：

适用于八层及八层以上的高层民用建筑钢筋混凝土框架结构、框架-剪力墙结构和现浇剪力墙结构。

续表1-2

时间

法规

规定

1983.6.1-

1987.10.1

《高层民用建筑设计

防火规范》GBJ45-82

第1.0.3条：

适用于十层及十层以上的住宅建筑（包括底设置商业服务网点的住宅）和建筑高度超过24m的其他民用建筑。

第1.0.4条：

不适用于单层主体建筑高度超过24m的体育馆、会堂、剧院等公共建筑以及高层建筑中的人民防空地下室。

第1.0.5条：

当高层建筑的建筑高度超过250m时，建筑设计采取的特殊的防火措施，应提交国家消防主管部门组织专题研究、论证。

1987.10.1-

至今

《民用建筑设计通则》

JGJ37-87（现行为GB50352-2005）

第1.0.5条：

住宅建筑10层以上为高层；公共建筑及综合性建筑高度超过24m者为高层；超过100m时为超高层（现行为第3.1.2条）。

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002

10层或10层以上、高度在28m或28m以上的民用建筑。

资料来源：

自绘

一.4.2防火功能界定

功能，即使用价值，是事物或方法所能发挥的有利作用。

在人类的设计发展过程中，注重功能一直是一条贯穿其中的主线[19]。

功能主义者认为设计的风格和形式应该依赖于功能，而非功能依赖于形式，设计将始终遵行“满足人们的功能需求”这个首要准则。

各学者对防火功能目标进行了相应的界定，如表1-3所示。

表1-3学者对防火功能目标的界定

Table1.3TheDesignFeaturesforFireProtection

学者

防火功能目标

蒙慧玲

（1）防止火灾的发生或蔓延、火灾增长与扩散；

（2）保护建筑物内的居民免受火灾影响；

（3）减少火灾破坏性；（4）保障消防队的灭火救援行动。

李斌

（1）将火灾隐患降至最低；

（2）能最快了解火情并利用消防设施自动灭火；

（3）保证建筑结构的耐火强度，以保证人员的安全疏散。

杨高尚

人员能不受到火灾中烟气和火焰热的侵害，任何人都能从任何位置安全到达疏散通道

朱杭

总体目标

（1）保障建筑物人员的逃生安全和进行搜救的消防人员的安全；

（2）保障火灾不因结构的破坏而蔓延至其他区域；（3）减小建筑火灾损失。

功能目标

（1）某些部位的结构构件或子结构及结构整体在火灾发生后的一定时间内不能坍塌，以保证人员有足够的时间逃生，