基于韌性的建筑設(shè)計(jì)防火技術(shù)的探討

楊琦

引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，建筑的規(guī)模和數(shù)量不斷增加，建筑設(shè)計(jì)防火的技術(shù)也面臨著新的挑戰(zhàn)。作為事故災(zāi)難類(lèi)突發(fā)公共事件，火災(zāi)事故是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件，同時(shí)也會(huì)造成一定的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)損失。從韌性的角度思考，探討建筑設(shè)計(jì)防火技術(shù)，引入韌性防火的新概念，有助于控制風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)害損失，有助于協(xié)調(diào)建筑設(shè)計(jì)防火各系統(tǒng)之間耦合和關(guān)聯(lián)的關(guān)系。韌性防火可以擴(kuò)展到韌性消防的全過(guò)程綜合治理之中，避免了傳統(tǒng)防火思維將各種各樣的不確定性拒之于外的弊端，提高防火的效率。堅(jiān)持主體自主能動(dòng)性基礎(chǔ)上，讓防火系統(tǒng)有多樣性和自治性，形成足夠的冗余讓建筑設(shè)計(jì)防火的韌性變得越來(lái)越強(qiáng)，為韌性城市提供城市安全運(yùn)行的保障。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建韌性防火的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)評(píng)判建筑設(shè)計(jì)防火的能力具有積極的意義。

韌性的概念

（一）韌性

韌性（Resilience）較早出現(xiàn)在材料力學(xué)中，它表示材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力。在材料試驗(yàn)中有三個(gè)階段，即彈性階段、屈服階段、破壞階段（圖1），其中破壞階段又分為強(qiáng)化階段和局部變形階段。彈性階段遵循胡克定律，即拉伸彈性模量E＝σ（應(yīng)力）/ε（應(yīng)變）。材料分為脆性材料、塑性材料，超過(guò)a點(diǎn)（比例極限荷載）后就有失效風(fēng)險(xiǎn)。b點(diǎn)為最大屈服強(qiáng)度，c點(diǎn)為極限荷載處。其性能的判定有強(qiáng)度要求、剛度要求、穩(wěn)定性要求。

圖1 材料試驗(yàn)中應(yīng)力與應(yīng)變之間的不同階段

要判斷材料的韌性，只要看屈服階段。在屈服階段，如果從開(kāi)始進(jìn)入屈服點(diǎn)，到徹底破壞，這個(gè)延長(zhǎng)階段比較長(zhǎng)，證明材料的韌性比較好，反之為脆性材料。韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。

彈性（Elasticity）則是描述一個(gè)物體在外力的作用下如何運(yùn)動(dòng)或發(fā)生形變，在除去使其變形的外力作用后即刻恢復(fù)原狀的能力。兩者均為運(yùn)動(dòng)或發(fā)生形變的屬性描述，具有吸收屬性和恢復(fù)屬性。

（二）韌性城市與韌性防災(zāi)

在《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中，提出了“韌性城市”的概念。 韌性城市（Resilient City）通常指城市對(duì)災(zāi)害的承受能力、應(yīng)對(duì)和恢復(fù)能力以及對(duì)未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的適應(yīng)能力。聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)署（UNDRR）在2013年3月提出，城市必須在制定低碳可持續(xù)發(fā)展路線的同時(shí)，采取提高其韌性應(yīng)對(duì)災(zāi)害能力的措施。這也是聯(lián)合國(guó)提出的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)之一。韌性城市包括生態(tài)韌性、經(jīng)濟(jì)韌性、社會(huì)韌性和工程韌性。它可以建立災(zāi)害模型，對(duì)防災(zāi)系統(tǒng)的韌性進(jìn)行評(píng)估與規(guī)劃，提出韌性決策模型和措施的評(píng)價(jià)。

從剛性到彈性、韌性，針對(duì)的是易損性到恢復(fù)性、適應(yīng)性。工程韌性在于響應(yīng)和恢復(fù)的彈性，其目標(biāo)是恢復(fù)到原狀態(tài)中的一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)能力，重點(diǎn)是效率穩(wěn)定性和可預(yù)測(cè)性，其注重低頻率高影響的干擾分析，韌性（彈性）防災(zāi)與脆弱性和適應(yīng)性是相互聯(lián)系又有區(qū)別的。

韌性防災(zāi)正是基于韌性的理論在應(yīng)對(duì)災(zāi)害中采用的對(duì)策，其評(píng)價(jià)可采用不同的維度、目標(biāo)和指標(biāo)。韌性防災(zāi)的主要特征和維度有：魯棒性（抵御災(zāi)害和減輕損失的能力）、冗余性（備用設(shè)施和資源的補(bǔ)充能力）、包容性（功能、產(chǎn)業(yè)、文化和社會(huì)的多樣性）、恢復(fù)性（受災(zāi)后盡快恢復(fù)的能力）和適應(yīng)性（從以往災(zāi)害中獲得的災(zāi)害適應(yīng)能力）?；馂?zāi)災(zāi)害也是城市災(zāi)害的維度之一，韌性防火有利于保障城市的可持續(xù)發(fā)展，有利于應(yīng)對(duì)各種變化或沖擊，減少城市發(fā)展過(guò)程中防火的不確定性和脆弱性，該理念可以應(yīng)用于建筑的防火設(shè)計(jì)。

韌性防火與建筑設(shè)計(jì)

（一）韌性防火

韌性防火就是提高防火功能的韌性，在應(yīng)對(duì)火災(zāi)災(zāi)害中有更強(qiáng)的適應(yīng)性、安全可靠性，可以及時(shí)得到功能恢復(fù)。韌性防火主要包括以下三個(gè)能力：各防火系統(tǒng)吸收災(zāi)害并維持建筑基本運(yùn)轉(zhuǎn)的能力、各防火系統(tǒng)能自我適應(yīng)并抵御災(zāi)害的能力、消防系統(tǒng)從災(zāi)害中恢復(fù)并提升抵御未來(lái)更嚴(yán)重災(zāi)害的能力。

1.韌性防火的設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過(guò)韌性防火的設(shè)計(jì)，需要達(dá)到以下四個(gè)目標(biāo)：發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠最大限度地保障人民生命安全；保障城市或建筑機(jī)能承受巨災(zāi)沖擊，并維持整個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性；最大限度地保障公共設(shè)施安全，最大可能地減少災(zāi)害損失；盡可能快速實(shí)現(xiàn)災(zāi)后恢復(fù)重建。這就要求從防火設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)防火的觀點(diǎn)轉(zhuǎn)變。

2.韌性防火的特征

韌性防火應(yīng)具有靈活性（flexible）、冗余性（redundant）、魯棒性（robust）、機(jī)敏性（resourceful）、反射性（reflective）、包容性（inclusive）、集成性（integrated）的特征。如在消防設(shè)施上，強(qiáng)調(diào)可維護(hù)性；在滅火劑的選擇上，需要有可恢復(fù)性。

韌性防火與傳統(tǒng)防火是有區(qū)別的。在防火系統(tǒng)上，從分離元素到功能關(guān)聯(lián)，從獨(dú)立系統(tǒng)到耦合系統(tǒng)。在防火層次上，從安全控制到功能控制，從工程領(lǐng)域到社科政經(jīng)。在防火體系上，從被動(dòng)抗火到主動(dòng)防火，從各自為政到協(xié)同聯(lián)動(dòng)。在防火教育上，從重點(diǎn)領(lǐng)域到全面防火，從被動(dòng)學(xué)習(xí)到智慧學(xué)習(xí)。

韌性防火的要素包括主體性、多樣性、自治性、冗余、慢變量管理、標(biāo)識(shí)幾個(gè)方面。其中，慢變量管理需要通過(guò)微計(jì)量和智慧防火的方法，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的手段建立模型，大數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展。標(biāo)識(shí)系統(tǒng)可以在火災(zāi)發(fā)生后引導(dǎo)人員的疏散、減少火災(zāi)造成的次生災(zāi)害損失。韌性防火有利于預(yù)防“黑天鵝”事件（極不可能發(fā)生但實(shí)際上又發(fā)生的重大影響事件），也可以預(yù)防“灰犀?！笔录ù蟾怕是矣绊懢薮蟮臐撛谖C(jī)事件）。

（二） 防火設(shè)計(jì)

防火設(shè)計(jì)包括建筑防火、結(jié)構(gòu)抗火和消防設(shè)施，共同組成相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。它與建筑特征、使用的人與設(shè)備運(yùn)行狀況、外部環(huán)節(jié)、救援能力密切相關(guān)（圖2）。韌性防火的設(shè)計(jì)就是在防火設(shè)計(jì)中提升能夠應(yīng)對(duì)、吸收、適應(yīng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)有效地從火災(zāi)災(zāi)害影響中得到恢復(fù)的能力。

圖2 防火設(shè)計(jì)中防火內(nèi)部系統(tǒng)與外部因素的關(guān)系

根據(jù)曾杰先生的研究表明，在建筑防火的耦合性方面，從消防科學(xué)、消防技術(shù)、消防工程，以“合”的法則構(gòu)劃建筑防火的層面與角度；從績(jī)效的建筑防火目標(biāo)設(shè)置、關(guān)聯(lián)的建筑防火技術(shù)合成、冗余的建筑防火策略優(yōu)化，以“和”的法則追求建筑防火的整合與控制；從性能化評(píng)估是化解突破與規(guī)定矛盾的明智稀釋劑、市場(chǎng)化服務(wù)是化解落實(shí)與執(zhí)行矛盾的理想黏合劑、第三方公正是化解運(yùn)營(yíng)與監(jiān)督矛盾方面，以“中”的法則凸顯建筑防火的化解與過(guò)渡。

在建筑消防設(shè)施的關(guān)聯(lián)性方面，滅火系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)之間是相互關(guān)聯(lián)的，報(bào)警系統(tǒng)控制模式的啟動(dòng)時(shí)間、部位與排煙系統(tǒng)密切相關(guān)，排煙系統(tǒng)的熱量、溫度、煙氣層的高度直接影響到自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)灑水噴頭的啟動(dòng)，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的預(yù)作用系統(tǒng)需要由報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)以保護(hù)財(cái)產(chǎn)防止誤噴和水漬。

在滅火的系統(tǒng)選擇方面，需要結(jié)合建筑、火災(zāi)和水滅火的特點(diǎn)，考慮系統(tǒng)的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性和水消防節(jié)能減排、環(huán)保的原則。在滅火救援中，韌性的防火設(shè)計(jì)要確?；馂?zāi)中不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌。

韌性防火的評(píng)價(jià)指標(biāo)與展望

（一）韌性防火的評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.韌性防火的評(píng)估指標(biāo)體系

韌性防火是防災(zāi)體系的一部分，火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)處無(wú)時(shí)不在。防火要轉(zhuǎn)向具有韌性的火災(zāi)防御、減少火災(zāi)損失，提升火災(zāi)的免疫力。韌性的防火措施可分為工程措施和非工程措施，工程措施中又可分為建筑防火、結(jié)構(gòu)抗火、消防設(shè)施幾個(gè)方面。

韌性防火需要評(píng)估以判斷其不同的能力。評(píng)估指標(biāo)選取原則考慮層次完整性、典型代表性、可行可獲性和客觀可量化?，F(xiàn)提出韌性防火的指標(biāo)體系，根據(jù)韌性的特征，建議分為一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)，對(duì)韌性防火評(píng)估指標(biāo)按重要性排序、一致性檢驗(yàn)賦予權(quán)重，構(gòu)建完整的評(píng)估模型，具體見(jiàn)表1。

表1 韌性防火的評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.可靠性與可靠度

建筑需要從全生命周期保障其防火的安全性、可靠性，從延長(zhǎng)其正常工作時(shí)間來(lái)提高產(chǎn)品可用性，而消防設(shè)施的維修性是從縮短其停機(jī)時(shí)間來(lái)提高可用性?？煽啃钥梢詫?duì)防火的不確定性進(jìn)行預(yù)測(cè)，消防設(shè)施可靠性指標(biāo)主要有無(wú)故障性、宜修性和耐久性?？煽啃缘亩ㄐ苑治鲂枰煽慷鹊亩矿w現(xiàn)，按其邏輯關(guān)系量化出可靠性，采用可靠度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

消防設(shè)施的冗余性上對(duì)關(guān)鍵的功能設(shè)施應(yīng)具有一定的備用模塊。例如，在消防給水系統(tǒng)中，消防給水管網(wǎng)可能同時(shí)有市政給水或消防水池經(jīng)消防水泵向管網(wǎng)供水、高位消防水箱向管網(wǎng)供水、消防水泵接合器向管網(wǎng)供水，備用模塊宜采用不同的類(lèi)型作為補(bǔ)充。

（二）韌性防火的展望

安全是人類(lèi)永遠(yuǎn)的話題，防火安全是生活、城市運(yùn)行的底線之一。根據(jù)馬斯洛需求層次理論，安全需求處于生存的功能性層面。在面臨著越來(lái)越多的不確定性中，如何讓建筑防火安全。韌性防火作為一種新的發(fā)展理念，有助于應(yīng)對(duì)城市、建筑危機(jī)的新模式和可持續(xù)發(fā)展的新方向。

在宏觀面上，構(gòu)建基于韌性的城市與建筑防火基本理論框架與分析方法，創(chuàng)建多元參與和消防救援的新模式（圖3），將韌性防火應(yīng)用到消防的全生命周期工作中。在中觀面上，開(kāi)展建筑防火承載力評(píng)估適應(yīng)城市更新與既有建筑改造的需求，分析結(jié)構(gòu)抗火性能及安全性，研究消防設(shè)施可靠性及維護(hù)管理策略，引入復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)（CAS）新方法對(duì)外界的干擾做出自適應(yīng)反應(yīng)以提高建筑韌性，探討防火功能退化模型與時(shí)變可靠度，形成消防設(shè)施的耐久性評(píng)估與設(shè)計(jì)。在微觀面上，提倡建筑防火的智慧韌性，利用建筑消防安全的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展防火大數(shù)據(jù)深度的計(jì)算和分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)預(yù)警、決策分析服務(wù)、監(jiān)測(cè)薄弱環(huán)節(jié)、防護(hù)處置救援，建立建筑防火設(shè)計(jì)的方法，完善設(shè)計(jì)原則、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、性能化、設(shè)計(jì)導(dǎo)則、設(shè)計(jì)指南與手冊(cè)，研究加強(qiáng)消防設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)措施。

圖3 韌性防火的多元參與和消防救援模式示意圖

結(jié)語(yǔ)

建筑設(shè)計(jì)的不斷變化，給建筑設(shè)計(jì)防火帶來(lái)新的挑戰(zhàn)、提出了新的要求。這種外部不確定性的增加需要我們深入思考，如何讓建筑防火在應(yīng)對(duì)沖擊時(shí)做出積極響應(yīng)、實(shí)現(xiàn)自我的快速恢復(fù)。

韌性防火可以提高抵御火災(zāi)災(zāi)害的能力，通過(guò)建立評(píng)估指標(biāo)體系、模型，規(guī)劃、設(shè)計(jì)防火的韌性，從而使城市在面對(duì)沖擊和壓力時(shí)仍然能夠保持基本的功能、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和特征不變，讓城市和建筑基于安全韌性，追求活力宜居、綠色可持續(xù)，營(yíng)造安全、高效、宜居的生活環(huán)境。