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『環保資訊』月刊第45期

我國功能性防火設計之現況與展望

我國功能性防火設計之現況與展望

    

雷明遠

內政部建築研究所

   安全消防組  研究員

 

一、功能式防火設計之簡介

功能式防火設計(Performance-based design/PBD)簡言之乃是為達成法規規範之防火功能目標,應用各種預防火災、被動式(Passive)防火、主動式(Active)防火及避難安全對策及方案之設計。防火功能目標可以是社會共同遵行法規(強制性規定)或者是企業團體採行規範(自願性規定)所訂的防火安全基準。防火設計則是以防火安全工程(Fire safety engineering /FSE)手法為主,所謂FSE設計手法乃是具備以下五項條件:

(1)   依據火災安全目標、損失目標及預期功能進行設計。

(2)   依據火災情景(火災之發生、成長及發展)進行限定性(Deterministic)或概率性(Probabilistic)評估。

(3)   設計符合火災及煙之物理化學性質、原理。

(4)   提供多元化替代設計方案,並能有效定量分析。

(5)   隨時考慮最接近合理成本的防火對策、措施。

由上可知,功能式設計有幾點特質;(1)以目標(的)及功能為導向,(2)知其所以然(先瞭解不同火災危險或風險因素)後再進行設計(目前則是參照條例式規定知其然後,即可設計),(3)多重選擇性(可選擇出既滿足法規,又滿足自訂條件的方案),(4)考慮成本有效性(Cost effectiveness)。

建築物防火安全策略概可分為預防起火、抑制火災成長、探測及滅火、限制火災擴大延燒、煙控及避難、結構耐火保護、消防救助等重點項目。其中的各種火災行為及對應的人類行為(火、煙擴散移動行為、材料受火反應、構件與結構體高溫行為、人類避難行為等)皆可應用FSE手法模擬預測、計算分析,因此上述抑制火災成長、探測及滅火、限制火災擴大延燒、煙控及避難、結構耐火保護、消防救助等,均可發展為各自獨立的PBD方法去達成各自安全目標,或者彼此聯合成為全方位PBD方法。

 

二、國內防火法規之簡介 

我國現行之建築防火法規有建築法規及消防法規,前者以「建築技術規則」相關章節規定為材料、構造、設施、設備設計主要依據,後者以「各類場所消防安全設備設置標準」為探測、警報、滅火、緊急照明、輔助避難等設備設計主要依據。上述法規均是過去參考日本建築基準法(施行令、施行細則)及消防法(施行令、施行細則)制定,基本上屬於條例式法規,對材料、構造、設施、設備之規格嚴格規定,所以又稱規格式法規。這類法規對目前大多數建築物設計不僅不會形成困難(某方面反而利於設計及審查參考),尚且能提供基本安全保障。上述法規亦並非全然是硬性規定,對單項材料、構造、設備不符合法規者,概准予經主管機關審查認可後使用。但不諱言,新建築物型態、新型材料、技術、工法近年紛紛出現,往往不適用於現行之規格式法規,以致令人感到法規欠缺彈性且不利新觀念、新技術之發展。面對此情況,目前政府有關機關除核准個案部分項目可採用替代方案設計,另一方面則積極修訂法規,希望將PBD法源訂在設計規則中。

因應PBD方法的應用技術漸漸成熟,我國審慎引進應用勢必對相關建築、消防法規有所衝擊;原來條例式規定本身便是設計的目標將逐步轉型:

(1)   法規體系中導入功能式條文,如社會安全目標、機能要求,功能要求等。

(2)   設計法規將允許採用替代方案,不限於原本硬性的條文規定。

(3)   原本硬性的規定轉型成為依據經驗原則的指導性規定,據以設計建築物時,仍視為能夠滿足新導入的功能要求,此即所謂「認定適合規定(Deem-to-satisfy provisions)。

由上可知,當PBD方法導入原本法規體系時,既不會造成排斥原本的規格法規,反而多一項可以選擇的新材料、新技術、新工法的方案,而且更重要的是殊途同歸的安全目標、功能要求能確保相同的安全水準。因此,誰說PBD不會成為本世紀建築物設計的主流觀念。在可預見的將來,相信我國建築、消防法規會順應潮流轉型成導入PBD的功能性法規。

 

三、功能式防火設計之推廣

不論各國採行性能法規的目的為何,法規的轉型證明已在全球醞釀、發酵。已正式加入WTO的台灣,應有責任降低國際貿易障礙,允許新建築設計概念的開發、新材料與新工法的引進。因此法規的轉型是各界的共識,如何降低法規轉型對社會的衝擊與抵制,同時維持安全保障,相信能由國外的轉型經驗得到借鏡。由各國實施性能法規的經驗,以下五點值得借鏡:

(1)   性能法規的採行,將改變國內建築工業的「文化」,包括建築師的設計概念、建管人員的行政體系、建築工業對建築材料的研發態度等。

(2)   性能法規必須將原有規格式法規架構納入,以增加業界的配合度與熟悉度,減少因新法規的變革產生憂慮,進而抵制。

(3)   性能法規的推行,必須爭取並創造以下幾個要素:

A.     主導權(Leadership)

B.     願景(Visions)

C.     資源(Resources)

D.     技巧(Skills)

E.      誘因(Incentives)

F.      執行計畫(Action Plans)

(4)   性能法規推動成功需要一個完整的教育推展計畫包括如何教導建管人員以更具彈性的眼光與開放的態度審核建築計畫;教導設計者更精練的工程技術;教導業主接納更具彈性的建築方案;教導建築工業研發更具市場競爭力的產品。

(5)   性能法規仍在起步階段,所有技術與制度皆在磨合時期,各國國內有經驗的專家不多,國際合作有其必要性。

國內雖然在部份用途的建築物已有使用PBD方法的多年經驗及成果,然我們不禁要說,這些案例計劃的實現,對於建築物所有人或者業主的難題或許已獲得解決之道,然而公共安全的把關是否也充分展現足夠的對應能力,則應審慎思考,否則PBD方法可能易造成假借替代方案的彈性尺度,造成更大風險設計的漏洞。簡單言之,申請者執行PBD的過程有如下所示三項步驟:

(1)   設計目標及限制條件之設定;

(2)   計劃、架構、材料、工法等之設定;

(3)   驗證規格是否滿足目標、條件。

另一方面,把關的審查機關亦須因應以下三步驟進行查驗:

(1)   查證申請案設計目標及限制條件符合法令所示的功能要求。

(2)   查證申請案所選定計劃、材料、工法不違反公共秩序、安全、衛生…等規定。

(3)   查證申請案所設計之材料、工法規格是否滿足(1)的目標功能。

通常申請者與審查機關可能產生最多歧見的部分,大都會在第(3)項步驟,亦即申請者自行驗證的技術能力常遭到審查機關的挑戰。簡言之,申請者驗證方法所設定之火災情景、火源條件、預測火、煙行為的工具(工程公式或電腦模式)、分析結果…等,能否得到審查機關的認同及核准。依當前歐、美、日先進國家實施PBD的經驗,各國有能力設計及審查的機構、人員均有不足的情形,因此適時尋求國際合作已是司空見慣。鑑此,為免審查階段的查證過程費時費力,各國皆已發展出各自的FSE設計導則以供設計者與審查者共通的參考手冊。設計者倘不依照FSE設計導則完成計畫,則審查機關通常會花費較長時間去查核每項細節,甚至轉委託第三團體機構代為查證。

目前各國出版的設計導則有紐西蘭Fire Engineering Design Guide (1994),澳洲Fire Engineering Guidelines (1996),英國DD240: Fire Safety Engineering in Building, Part 1, 2 (1997),美國SFPE Engineering Guide to Performance -Based Fire Protection Analysis and Design (1998),日本建設省告示1433號「有關耐火性能檢證法計算方法之規定文件」(2000)及告示1441號「有關避難安全檢證法計算方法之規定文件」(2000)。有鑑於此國際主流趨勢,我國內政部建築研究所自1994年參與國際防火研究合作論壇(FORUM for International Cooperation on Fire Research)會議受到啟發,其後筆者先後參加1995年ISO TC92會議及第一屆PBD國際研討會(加拿大),體認到FSE研究的必要性,其後1998年第二屆PBD國際研討會(美國),第三屆PBD國際研討會(瑞典)國內均派員參加。內政部建築研究所結合幾所大學的專家學者以分工合作方式進行研究,初期完成「火災成長及延燒防止」、「煙控與避難」、「結構耐火」性能設計法等三案。各案皆就當前歐、美、日主要使用之FSE手法進行檢討。此三案最終之研究成果將集成為我國FSE設計導則(草案),而這些設計導則並將以實大尺寸試驗及模擬分析的雙頭並進方式逐步驗證及修正。如前述國內目前使用PBD方法的案例,僅偏重煙控及避難安全設計方面之應用,未來我國的FSE設計導則完成後,將可提供全方位的PBD應用,並提供設計者與審查機關達成共識的共通基本參考資料。

 

四、國內使用功能式防火設計之經驗與成果

我國近十年來社會進步,經濟表現及人民生活水準日益接近歐美日等先進國家,政府對於維護公共安全之努力不曾鬆懈,因此對於防火安全科技之研究需要將與日俱增。環顧世界先進國家在防火科技的發展動向,近幾年來可顯見到建築物防火設計採用新觀念、新技術的功能式設計的潮流。此波防火科技發展的趨勢,我國並未缺席,政府機關、研究機構、大學乃至民間公司陸續積極參與探討,甚至應用在特殊性建築物的規劃設計。

國內近幾年重大公共交通設施興建,捷運系統、地下鐵系統、高速鐵路系統等車站建築物因為地下化設計,且與軌道隧道系統連通,其防火安全要求與一般地下建築物未盡相同,其火災情景,特別著重於軌道車輛起火對車內及月台候車人員的加害危險。而如何有效安全輸送及疏散人員,乃是緊急應變計畫的重要課題。其煙控及避難設計倘應用傳統建築、消防法規,勢必難滿足安全需求。其次,國內電子產業蓬勃,高科技廠房(特別是半導體晶圓廠)建築物之內部空間必須配合生產設備配置特性加以規劃,又製造原料常屬高危險物質,此與一般工業廠房情形迥然不同。目前一般建築物適用的防火區劃、消防安全設備等規定完全難以滿足其安全需求。又其次,國內近來休閒、育樂商業日漸發展中,大型購物商場(中心)、育樂設施已陸續出現,其建築設計多趨向於大面積、大空間挑高中庭及中、高樓層(國外購物中心普遍為低樓層)的型態。其建築防火設計雖然可以勉強依照現行條例式規格規定辦理,但常造成使用空間區劃過多、安全梯數量嫌多且配置不理想、逃生通道不明顯且路徑零亂、消防設備功能不彰等結果,不僅建造成本虛增及使用管理人力增加,尚可能在火災時不一定能確保安全。再則,國內公共育樂設施的大型體育館,基於緊急疏散觀眾人群的需要,亦面對安全梯數量及配置合理化的問題;此外,圓弧式屋頂體育館內部挑高、大跨距空間,亦令傳統消防安全設備難以發揮功能。綜上所述的建築物用途,實難以完全依據現行建築、消防法規的條例式規定,達成確保防火安全的設計。鑑於「符合規格法規,未必安全安心」的缺憾,上述用途的建築物確實有必要選擇其他替代方案的設計方式。這種替代方案設計就是PBD方法,差別之處在於其設計完成的建築物能維持與傳統法規所要求之同等安全水準,但成本更少。或成本相同,但PBD方法可使防火安全設計更加合理有效,更能針對建築物本身的火災問題提供最適切的解決方案。