工程實務

建築物性能式防火安全工程設計與程序之探討

 

 

  

機 械 部

正工程師

程銘華

中華大學

副 教 授

李友錚

 

 

 

 

  要

從歷史發展沿革與角度剖析,各國防火安全設計及法規執行,皆在互相觀摩學習後,配合國情之需要,進而衍伸為國家法規以成為防災安全設計之最高準則。隨著環境變遷、防災科技創新,傳統條列式法規已面臨挑戰。因此,各國在防火安全設計方面亦逐漸發展為性能式設計走向,而法規解釋面則更傾向於開放,已形成世界防火安全設計之潮流。在設計多元化與自由度之趨勢,建築美觀與防災安全管理兼容並蓄下,先進國家許多高品質建築設計孕育出現代化城市的魅力,繼而帶動防災科技產業蓬勃之發展,這種具有挑戰性之法規發展與策略運用,實有值得我國借鏡與學習的地方。由近年來產官學界共同研討之「建築法規修正與防火安全設計」研討會中,建物安全防災體系已從設計、施工、延伸至維護管理階段,形成建物安全管理系統之生命週期。同時政府在推動性能設計法之草擬方案上已經有了具體成效,這種帶動我國防災觀念新思維,不但影響所及於各級主管機關、相關科所之學術團體,更凸顯建立性能式設計與安全防禦機制之重要性。

一、前言

安全等級的境界是研究如何以較低之造價成本,來提高設計彈性以確保防火安全。因此建築物防火安全設計是否能確保建物安全與美觀,在互相重視機能需求下,彈性化、自由化之性能式設計日漸採用於特種建築物,諸如機場航廈、地下鐵、捷運、購物中心與安全逃生相關之「煙控」技術應用案例等,而軟體工具成為「性能式法規」設計法之計算、模擬與評估之關鍵技術。因此,善用電腦軟體工具之預測與分析能力,來建構一套安全、合理、有效之性能式防災技術,以尋求肇事率與危安因子間因果關係,更需有高階的資訊網絡管理系統之工作平台,以及防火專家之參與方能執行。設計人員則在安全期望值內,模擬發生事故時災害之類型及特性,制定防火策略以使施工成本與生命安全效益獲得平衡。由於軟體計算輸入之值終究需具有防火專業經驗之工程師,以科學知識以及工學技術為基礎。過去防火系統方法與應用計算軟體有FDS、STAR-CD、FLUENT、PHOENICS、CFX4、FLOW 3D 等成熟商品,可成功用來預測複雜形狀建築物內火災延燒現象、高溫煙之流動與煙流擴散行為,也可進行煙層溫度與濃度的計算預測。並將燃燒複雜現象排除次要變數條件,予以簡化煙場模式之建構,使火災煙控性能可經由觀察、推理、假設、檢證等程序,達成一種科學分析方法。惟軟體輸出驗證除應用實證外,在防火安全設計領域之人命安全評量交叉比對中,又以日本避難檢視法、美國費氏動態技術之人命安全曲線與NFPA-130避難規定,最為防火安全專家認同。並用來評估「避難安全分析結果與軟體避難時間計算」之合理性,以做為防火安全人員對煙控「機制」、「決策」、「執行」之維護管理策略,這亦是引用「性能法規」對防火安全設計與程序探討課題最大之貢獻。

二、我國性能法規之發展趨勢與展望

國內建築法規中防火法規主要分為兩大領域,一為建築法體系﹔一為消防體系。建築法體系旨在規範「建築法」及「建築技術規則」,其著重於建物防火區劃、耐火構件時效、樓梯間數量、走廊寬度等主動式建築物防火構造與避難逃生動線設施,以防止初期火災擴大及延燒之條文規定。而消防法體系規範「消防法」及「各類場所消防安全設備設置標準」,則著重於被動式避難逃生與消防滅火設備,諸如消防栓、自動撒水、自動火警警報廣播、煙控等設備,做為人命安全考量。有關建築防火安全法規與消防防火安全規定,長期以來法規條文相互牽制影響,以致消防安全與建築美學孰輕孰重之爭議不斷,導致使人民對安全價值觀之定義落差過大,但不可否認彼此在安全考量因素下,相依度卻是休戚與共。因此如何整合這兩大法規領域,加速融合並建立兩者之良性管理機制,使其具有相乘效果,除需仰賴政府有計畫以法令推動與配合立法外,專家學者可扮演性能法規與設計程序文獻資料供應者,做為政府知識溝通橋樑。同時政府更應將國內代表性之個案研究與應用,有系統的整合發表,提供專業領域之學者腦力激盪與學習課題。如此當可為我國培育專業知識工作者,及激勵有創新思考之人才投入,共創防災安全設計科技產業之新契機。

三、我國建築物性能式防火法規整體架構

我國建物性能式法規的架構,係參考各先進國家在建築物防火工程及性能防火法規之發展重點,並配合國內社會民情、產業需求及法規體系等條件,復參酌先進國家過去建築物防火研究發展的策略及經驗綜合而成。因此內政部建築研究所自86年起著手規劃研究相關課題,其中以86年所提出「建築物防火安全技術開發與應用研究5年(87.07-92.06)計畫」【註2】,更明確將性能式防火法規作為計畫之主軸,並以「建築技術規則」、「各類場所消防安全設備設置標準」等規格式法規條文為架構,檢討如何納入性能式設計法之工作範疇於法規條文項目,使其成為未來我國性能法規架構藍圖。該研究研析我國國情之性能式法規設計架構,其主要綱要包括:(1)性能防火規範﹔(2)防火設計準則與評估方法﹔(3)檢驗認證與評估審查﹔(4)火災模擬驗證。至於權責單位及相關執行要點論述如下;

(一)性能防火規範

1. 研修現行建築及消防之防火法規

(內政部建築研究所草擬中)

2. 材料防火(防焰、耐燃)性能規定

(中華民國商檢局,依據消防法施行細則第七條第四項規定)

3. 構建與構造之耐火性能規定

(內政部營建署,建築技術規則施工編相關條文規定)

4. 消防設備與設施之滅火設備性能規定

(內政部消防署審議審查委員會)

5. 煙控與避難逃生之防火功能性能規定

(內政部消防署審議審查委員會)

(二)防火設計準則及評估方法

1. 綜合防火設計與評估

(性能法規之應用工具)

2. 防止起火與成長設計與評估

(性能法規之應用工具)

3. 避難安全設計與評估

(性能法規之應用工具)

4. 耐火構造設計與評估

(性能法規之應用工具)

5. 結構耐火災後安全評估

(性能法規之應用工具)

(三)檢討認證與評估審查

1. 檢測認證制度

(內政部營建署與消防署)

2. 檢驗標準與試驗基準

(內政部營建署與商檢局)

3. 審核認可與審查作業

(內政部營建署與消防署)

4. 建築防災計畫書評估審查

(內政部營建署與消防署)

(四)火災模擬驗證審查

1. 火災反應模式

(性能法規之應用工具)

2. 自動警報設備之反應系統

(性能法規之應用工具)

3. 緊急避難逃生模式

(性能法規之應用工具)

4. 火災危險安全評估模式

(性能法規之應用工具)

5. 生命安全評估模式

(性能法規之應用工具)

以上顯見整體防火安全設計與程序規章制度是否落實,涉及範圍包括政府組織體系及產官學界理論與實務面之技術層級,是否能與世界防火工程領域接軌。由於國家正已全面著手各種綱要施行細則架構基礎,透過產官學協同合作,並適度修正採購法防弊限制條件以興利為目標,在如此誘因下,性能式防災安全設計必然發生革命性觀念改變。當設計目標更為明確,在政府主導下將「性能法規」之設計程序推向法律地位,並學習民間企業化經營理念,以「效率觀點」與「技術本位」為出發點之結合,形成一場「觀念革命」,其影響層面極為深遠,當可預見能將整體防災科技產業供應鍊(supply chain)管理最大之價值,這亦是提升未來國家競爭力重要之關鍵成功因素(key success factor)。

四、火災安全設計基本概念與對策

火災安全設計所要求之基本概念與層級架構,一般來說為了達成建築法規防火安全的目的,其表現之方法以日本學者田中踍義【註6】與歐美學術團體為代表性,大致上可分為機能式要求、規格基準、性能基準式等方式。當今國內專家學者正研擬性能式火災安全設計方式草案,終究係學習國外設計流程,以「設計目的」「基本要件」「技術基準」做為層級架構。亦即定義建物火災安全設計目的,以求證各項目性能之實質內容符合安全設計(詳圖一)。

以某機場建物火災安全設計為例,設計基礎與方法即專注於建築使用機能導向、並以條例式法規規格為基準。雖已依消防法規所規定設置滅火設備、火警警報、避難方向指標等設計,惟現行法規中,因機場建築物使用用途特殊、規模與內部空間免不了超出某一法規限度之些微差距,主管機關因此常限於法規基準「一慣性」思考邏輯,使得本案從嚴解釋執行審(勘)驗工作。而這種延伸思維較為容易發生執法者之差別待遇,亦很難適切的因應機場建物多元的設計條件。本案環境特殊,在無法完全符合現行法令功能之範圍前提下,選擇引用「各類場所安全設備設置標準」第二條條文,以新工法、新技術之防火設計體系,才適時彌補這一部份缺口,以符合現有法規規定。雖然這亦表示某種程度它是可保障人民生命財產最低限度的立場,同時亦凸顯表達「性能設計法」其與「建築法」、「消防法」皆具有互補性之地位。然而初始在執行性能式火災安全設計之要件與技術基準審議簡報階段中,業主與審議委員在如何解釋法令規章間存在之安全認知差異做出客觀之評估基準,以期能符合火災安全標準,通常需以防火專業角度來驗證與釐清。故有關本案例引用「性能法規」相關之防火安全設計與程序與心得所獲得之三點共識與工作心得歸納如下,提供產業界對未來選擇「性能式法規」時之參考。

(1)設計機能式方面要求

經由消防審議委員會專案審查方式處理,給予設計者最大創意之價值所在,個案因設計目標清楚,則雙方對專業合理判斷形成共識度高。

(2)設備規格基準方面要求

在適法上因需高技術能力及消防科學學理與知識說明,在安全方面之設備投資考量才有意義。

(3)系統性能基準式方面

若需採用較高之技術能力,因專業背景不一,則可能遭遇審查較為嚴謹之困擾,但相對卻能激勵設計者提供相當之設計自由度與創新需求之設計理念。

(4)案例心得

過去有關機場航廈性能式煙控設計法之審議進行簡報中,使用FDS軟體工具雖已能充分反應電腦模擬預測火災成長現象,但由於電腦軟體仍有一定程度之限制條件及作業瓶頸,無法面對多重真實火災情境之現場實際模擬。尤其當今廣為使用之流場模式(Field model)性能設計策略,電腦模擬時仍存有無法以自然對流方式,及熱空氣所引起之火焰延燒行為與燃燒情境。因此,若能輔以實證拍攝錄影研析(相片一)(相片二),強化模擬參數之合理輸入,此種理論與實務結合方法,可完善解決火災避難廣播引導充滿較不確定因子,形成清楚之避難引導逃生時間策略。故未來火災安全現場勘驗時,若能適用於同一尺度燃燒情境時,雙方在公平基準原則下,先行對設計目標達成合理共識。至於必須採取何種規格等級的避難逃生安全對策,雖不在書面審議限制條件,但可想像將在取決於建物功能性規範與業方認知防火安全品級之需求條件下,透過專家學者舉證以優於法令最低規定之審議制度獲得共識自然而解決。

五、性能式法規之發展目的與經濟貢獻

就各國性能式設計方法之發展,近年來國際間發表若干有關性能法規之論文,足以說明一般人對「性能法規」高度興趣,特別在防火安全工程領域。引用性能式設計須先了解性能式安全設計之設計目標與法源,方可建構良好之研究方向與優質之操控對策。由於性能設計體系中,北歐法規委員會,【註2】所創導NKB(Nordic Committee on Regulations)之五階層圖統一法規,其發展目的旨在規範 (1)從人命安全為設計目的之概念緣起﹔(2)人員避難手段以確保所具備之功能要件﹔(3)性能設計要求定量化與定性化﹔(4)建構性能式法規之設計準則﹔(5)利用工程方法驗證或實驗方法驗證予以評估。故綜觀各國發展性能式防火法規架構,大都以此基準而加以修正,而融合自己特有文化成為法規條文之對策如圖二

由於安全在火災安全設計上相對的概念,並非絕對可到無災害的境界,為達到此防火安全設計目標,所投入的經濟成本風險,在知識與技術透明化下,官方所推動「性能式法規」理當應有科學、合理的分析與說明才能獲取產業界之支持與認同。基於人命安全與投資成本互為消長之本質,安全又經濟之設計在理論上或許是不存在的,因此,透過最佳化的模式來求得兩者或更多互為消長因子之間的平衡點,性能式設計法是值得嘗試的解決方法,亦是政府發展「性能式法規」之目的。

經濟學的理論明白指出,一個國家在經濟發展的過程中會不斷進行結構的改變,有些產業會逐漸失去國際競爭利基。而新的產業必須持續發展出來,故成功之經濟發展必須有成功之產業轉型升級,諸如「性能式法規」允許採用性能式設計法於防火安全設計工程領域,就是讓我們去除傳統思維,改變為「創新需求」以利科技產業有效導引,進而發展成為高度之經濟行為。因此近年來世界各防火先進國家,防火工程其設計目的乃希望經由觀察、推理、假設、檢證等程序,達成一種科學分析方法【註7】,促使現有法規或設置標準能不斷追求創新需求,民間力量則持續改進防火科技材料,以減低不合理防火限制,使得大自然有限的防火資源獲得最佳邊際替代率。因此,「功能式法規」在進行目標管理,應以「創新需求」、「彈性設計」、「彈性價格」三大產出組合,在預算彈性化下更追求效用極大【7】,並維持人命安全效用水準,使我國「性能式法規」得以邁向「性能設計」方法之第一步。而產業界在國家防火安全設計政策目標確定後,才會激勵市場之供需力量,而願意在「市場均衡」發展下投入該領域之研發,這亦就是經濟學家用以分析觀察市場機能之經濟現象與功能式法規對經濟層面之貢獻。

六、性能式與規格式設計目標研析與比較

國內現階段引用之性能式審議制度,由於成員來自具有不同專業背景的專家學者,內政部消防署常以廣徵社會賢達人士,以約聘制度將其納入人力資源管理,並接手處理民間引用性能式案例之審議業務。但由於各專家學者非專職之限制,且開會審議討論週期性過長,因而形成所受理案件曠日費時。故對講求效率之企業界,普遍對性能法規設計存有無法認同之心態,這對國內推動「性能式法規」邊際效益,實為負面表象。因此,期待政府法令之宣導與立法盡快催生,以發揮邊際效能來補償這些缺失,使政府與企業有透明化之知識溝通平台,普遍瞭解接受性能式設計法,設計彈性化可帶來之經濟效益與確保生命財產安全。由於國內性能式設計案所引用「性能法規」剛在起步階段,大都僅以無法符合「條例式法規」條文之範圍項目,而引用「性能法規」做為防火安全設計理念。衡諸過去案例使用時機與策略,皆以「煙控與避難安全設計」為替代方案訴求提案,尚無將整體建物以「性能式法規」全面性規模提出檢討,因此可預期一但政府立法後,國內防火安全科技產品與防火知識必能快速建立起來,相信未來在這一領域將有極大之揮灑空間。

本章節如1旨在淺顯比較性能法規與條例法規之優缺點,其目的是闡述應用性能設計目標,是要求在合乎各界所求的安全管理最佳解(平衡點)給予產官學另類邏輯思緒。圖三圖四旨在介紹英國與美國如何以科學的方法論,經由現象、觀察、事實與驗證【註7】邏辑流程方塊圖,來擷取有價值之系統知識。卓參有關美英兩國對建築物防火安全設計程序與目標,經設計流程交叉比對其共通點可歸納如下,提供類似案例引用參考。

1. 工程運用計算皆採用決定論模式(deterministic),提供量化資料結果與概率論 模式(probabilistic)技術,將完成之成果互相比對防火設計安全性。

2. 防火安全設計目標皆以生命安全為基準,如CO、HCN、O2、CO2、熱輻射、煙層溫度、可見度等因子,做為設計者確保建物內收容人員能有足夠時間,完成避難行為之設計安全策略。

3. 性能設計方法與評估模式旨在評估性能設計有關之工學手法所能預測之煙控避難安全、防止起火擴大、耐火設計及防止它棟延燒為評估策略。

4. 各種方法論所引用之理論學說及步驟工學計算模式,較缺乏完整之實證機制之環境,故正當性仍待考驗。

七、結論與建議

(一)結論

綜觀國內性能式法規發展策略與做法,其執行面仍以條例式法規為防火安全設計依歸,即建築物安全防火設計均以被動式及主動式防火設備規範為技術範疇。由於我國消防科學發展軌跡早期傾向學習日本條列式消防法規為基準,1990年代以來則在保險公司及中生代消防專家與學者漸進式導向學理性較佳之NFPA消防法規,形成執行多年法規條文之科學合理性遭受挑戰。過去防災安全執行層面只要能依法執行,無需耕耘理論基礎,長期以來墨守成規已為常態。在缺乏專業素養激勵下,防災安全設計工作當然只能流於型式,業者更因不具有相關專業知識而盲目投資,淪為妥協法規條文之產物或配合官方消檢及建物發照時討價還價之工具,導致防災與消防專業地位普遍不受重視。然而隨著防災知識的演變與累積教訓,政府體認民眾在防災認知落差過大之錯誤思維下,新的防災法規須不斷修正。因此,今天性能設計方法之適時推動,將可預見吸引更多高知識技術背景人力從事防災安全工作,如此永續發展之工程設計制度實為提升防災科技之新契機。

(二)建議

近年來世界各防火先進國家均以防火工程 (ISO/TC 92/SC Fire Safety Engineering,FSE)為設計基礎,做為指導與未來開發研究工作方針,其目的乃希望以科學方法,促使現有法規或設置標準不斷創新,並改進防火材料與科技,以減低不合理防火限制,使得有限的防火資源獲得經濟合理安全有效。因此,性能式法規便成為防火工程的設計領域共同努力的方向。然而建物火災構成因素頗為複雜,許多防火安全策略應先建立設計目標與情境,運用科學技術加以研析。這個工作目的就是使設計者和法規執行官員能清楚瞭解法規背後一些基本原理,而有助於建物性能設計的評估步驟及支持全尺度驗證正當性。我國在產官學界對「規格式法規」與「性能式法規」,雖各有其認知上之優點與缺點,但審查制度之合理性,即所謂防火專家所提出的經驗判斷之適當性不致被產生質疑,故建議應強化審查人員之法規素養,非依循審議人員「盲目」之思考邏輯,而是先定位設計目標為宗旨,取得彈性創新設計來取得安全與經濟之平衡點。如此才可能鋪陳我國性能式法規設計法跨出彈性設計之第一步。產業界在國家防火安全設計政策目標確定後,才會更願意投入該領域之研發費用,如此良性互動將有助於我國性能式法規之導入與提升我國防火科學工程技術地位。

參考文獻

(1) 交通部運輸研究所,「我國國際機場緊急應變與救助措施之調查與評估」1998年。

(2) 內政部建築研究所,「 建築物防火法規與防火安全設計研討會」論文集1999年。

(3) 內政部建築研究所,建築物防災準則之編訂-以挑空中庭建築物為例,1994年9月。

(4) 中華顧問工程司,「中正國際機場二航廈北候機廊廳新建工程」機械排煙與自然排煙設備系統,

     審查文件2002年5月。

(5) 中央警察大學消防學系,中正國際機場航站大廈消防安全改善研究計畫成果報告書,1995年8月。

(6) 田中踍義 性能的火災安全設計之概要。

(7) 毛慶生等 基礎經濟學,2001年5月。

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