性能式設計法規介紹

性能法規詳列防火和消防安全之各項目標 （Goal）、各種手段之 目的（Objectives）以及各種機能需求（Functional Requirements）， 同 時列出各種可符合法規要求的設計方法（Alternative Design Method）。

近年來，世界各先進國家：例如英、紐、澳、加、美等國所推行

1. 社會目標（Social Goal）

社會目標大多站在法規主管事項的立場，對一建築物所需之安全 及舒適水準予以規範。這些規定一般而言極為定性化，但在法規中針 對設計者之設計是否符合法令規定，有關人員可採用經認可的方法或 定量模式予以評估。

2. 機能需求（Functional Requirements）

機能需求敘述內容大多是指一棟建築物或其中各項設施系統功 能如何符合建築物之社會目標 。

3. 性能需求（Performance Requirements）

性能需求為性能法規中規定最詳盡之層級。敘述內容是指建築物 內之建築材料、系統、元件和構造方法等需達到法規中對此建築物之 社會目標和機能需求。

4. 設計方法和基準

設計方法為連接性能需求和可接受之解決方案，此連接關係將成 為性能設計和設立量化判斷標準的接受基準 。

5. 計算方法或評估方法

設計者可使用性能式設計方法，例如：工程計算數據、測試和實 驗等方法，評估是否達到要求。性能法規設計中雖無明確的指出何種 設計方法較好，但近幾年來，最常被使用來驗證其性能的方法為工程 計算方式（Engineering Calculation Method）。

3.2 性能設計法之目的

產生矛盾的狀況，都可加以改善。

手冊」作為避難安全設計。若建築物為百貨公司、市場、量販店、餐 廳、住宅與事務所時（如表 3.1），若這一類的建築物因特殊需求而需 使用性能式設計來替代規格式法規時，在設計階段時，即可依據「建 築物防火避難安全性能驗證技術手冊 」所列之公式，進行相關的安全 避難驗算，然後撰寫建築物防火避難性能設計計畫書，最後再交予內 政部營建署防火性能聯合審查委員會審查，待審查通過後，地方政府 即可發出建築執照。而「建築物防火避難安全性能驗證技術手冊 」可 有效替代之法規則整理如表 3.2 所示。

（3） 途徑 C(高複雜度檢證法):

但建築物防火避難安全性能驗證技術手冊並不適用範圍於醫 院、養老院、幼稚園等無自力避難能力人員集中場所及危險物工廠 、 貯藏庫等高火載量及特殊構造之場所，因此對上述建築物範圍而言 ， 其性能式設計只能採取路徑 C 的方式。而路徑 C 的送審方式，目前 還尚未完全制訂完成，但原則上也是先利用 FDS、CFX、Star-CD 等 計算流體力學軟體模擬火災，並預測煙的流動、火場溫度、CO 濃度、

人 員 可 視 度 與 煙 層 沈 降 至 安 全 高 度 所 需 時 間 等 ， 之 後 再 利 用 SIMULEX、Exodus 等避難安全模擬軟體預估人員避難所需時間 ，並 將避難所需時間與煙層沈降所需時間互相比較，以確保人員於火災發 生時，能安全順利地避難逃生，此外亦需確保火場溫度、CO 濃度等 模擬結果是符合生命安全基準 。

表 3.3 適用建築物防火避難安全性能驗證技術手冊之建築物

表 3.4 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊可替代之法規

法源依據 規定內容概要

第 70 條 建築物主結構之防火時效 第 79 條 防火構造建築物之防火區劃 第 79-2 條 防火構造建築物之垂直區劃

第 83 條 11 樓以上的防火區劃

建築物之防火

第 88 條 建築物之內部裝修材料 第 90 條 直通樓梯開向屋外出入口 第 90-1 條 避難層開向屋外出入口寬度

第 91 條 避難層以外樓層出入口寬度

第 92 條 走廊寬度

第 93 條 到達直通樓梯之步行距離 第 94 條 避難層步行距離 第 98 條 直通樓梯總寬度 第 100 條 排煙設備之設置

建築技術規則（設計施工篇） 防火避難設施及消防設備

第 101 條 排煙設備之構造

3.4 性能式防火安全設計程序

本節採用美國 SFPE Engineering Guide to Performance -Based Fire Protection Analysis and Design 所定義之性能式設計程序[18][19]作基 本架構的介紹。性能式設計程序[20][21]可分為八個步驟，如圖 3.3，

（1） 定義計畫範圍（Define Project Scope）

在進行性能式設計時，應同時對建築物進行性能式防火設計的原 則，此原則必須建立在實質的需要而不是假設，所以原則的敘述應以 可量化來描述。計畫開始之初應著重於建立與建築物相關之場址或計 畫所需之資料，大致可分為下列 10 項：(可以視計畫本身需要增減)

（1） 使用者特性（Occupant characteristics）

（2） 建築物特性（Building characteristics）

（3） 所有物的位置（Location of property）

（4） 消防單位特性（Fire service characteristics）

（5） 公共設施（Utilities）

（6） 環保考量（Environmental considerations）

（7） 歷史（古蹟）的維護（Historical preservation）

（8） 建築物的管理及保全（Building management and security）

（9） 建築物的經濟以及社會價值（Economic and social value of the

building）

（10） 可採行的法規（Applicable regulations）

同時應確認計畫中之全部業主 ，例如：建築物擁有者、建築 物管理者、設計團隊、建築團隊、主管機關等，因為計畫目標之 決定將完全取決於業主的要求 ，因此在計畫開始之初便必須確認 所有參與計畫之業主。

（2） 確立目標（Identify Goals）

此步驟需透過制定確認所需火災安全防護的目標 ，達成訂定

（3） 定義目標（Define Objectives）

定義目標主要是為了進行細部的工程分析和設計，必須將前一步 驟中所決定的業主目標轉換成可以使用火災防護用語來量化的項 目，這些項目就是用來制定性能規範的設計目標。而量化的過程可以 是決定性（deterministic）或是機率性（probabilistic）。

（4） 發展性能要求（Develop Performance Criteria）

火災安全防護的性能要求可以是一個確切的數值，或是一個數值

度。 應分析（Failure Mode and Effect Analysis, FMEA ）、失效分析

（Failure Analysis）、歷史資料、手冊、查核表、相關的統計

（Hazard Analysis）以及風險分析（Risk Analysis）兩種方法。

（6） 發展試驗設計（Develop Trial Designs）

試驗設計是由數個相互關聯的子系統（Sub System, SS）所組成，

共計有六種，代稱分別為 SS1~SS6。

（1） SS1 為火災的發生與成長（Fire Initiation and Development），

其目標為減少引燃發生的機率以及降低火災成長 （包含火災 產生的煙氣及熱量）的速率。而可提供防護的概念有管制火 源及可燃物質、良好的火災安全管理措施、物品的堆放情形、

房間的尺寸等。

（2） SS2 為煙層的擴散及控制（Spread, Control, and Management

of Smoke），其目標為經由限制煙氣的產生量、控制煙氣的流

動情形來降低因為煙氣所造成的危害 。可藉由建築物內外所 用材料的管制、蓄煙設備或結構、排煙設備以及加壓控制，

達到煙層的擴散及控制，並確保人員逃生以及救災時的安全。

（3） SS3 為火災偵測（Fire Detection），其中又可以分為兩部分，

一為火災探測，目的在及早發現火災的發生，可以有充足的

（4） SS4 為火災抑制（Fire Suppression），目的在於及早進行控制 或抑制火災的成長，降低火災所造成的損失。SS4 與 SS3 的

（5） SS5 為人員行為及逃生避難（Occupant Behavior and

Egress），目的在於使建築物內部人員在發生火災時能夠平安

的逃生至安全的地方。相關的議題如：不論火災發生於建築 物內部何處，人員都必須能夠經由出口逃生 、逃生通道應該 經由防護的手段保持在人員可以安全使用的狀態等 ，都是必 須考慮的要點。

（6） SS6 為被動式火災防護（Passive Fire Protection），目的在於 (a) 評估試驗設計（Evaluate Trial Designs）

(b) 選擇符合性能要求的設計（Selected Design Meets Performance Criteria）

(c) 修改設計或目標（Modify Design or Objectives）

(d) 選擇最終設計（Select Final Design）

其相互之間的程序關係可以由圖 3.4 表示。這四個子步驟屬於性

就是選擇最終設計的重要因素，業主所願意付出的建造成本決定了試 性分析可分為傳統風險分析（Classic Risk Analysis）以及總體風險分 析（Risk Binning Analysis）。在傳統的風險分析中，每一個設計火災 情境的發生機率以及每一個防火元件的可靠性都必須加以量化進行

底如何估計尚無明確的定論，因此僅能藉由部分資料的參考數值來加 幾乎不發生(Beyond Extremely Unlikely) 發生頻率＜10^-6/年^＊

＊為舉例數值

表 3.5 風險等級矩陣

近年來由於電腦科技的不斷進步，同時火災模式也在積極的研究

8. 準備性能設計文件及報告（Prepare Design Documents）

完成性能評估以及選定最終設計之後，最後的階段就是撰寫性能 設計報告書，提供業主了解整個建築物防火設計的成果、維護以及持 續性。性能設計報告（Performance Design Report）必須詳細且清楚且，

由於報告是提供給計畫中的所有業主參考，有些業主並不具備火災防

圖 3.1 性能式法規階層架構圖

圖 3.2 避難安全驗證方式

圖 3.3 性能式設計基本流程圖

圖 3.4 評估試驗設計流程圖

第四章 模擬軟體之基礎理論與判定標準

4.1 火災模擬軟體(FDS)

FDS(Fire Dynamics Simulator) ，是由美國國家標準與科技研究所 (National Institute of Standards and Technology ；NIST)發展之模擬火場 計算軟體。於西元 2000 年 2 月公開發表第一版;現於西元 2008 年 7 月公開發表 5.2.2 版。

FDS 是 NIST 發展於低馬赫數的火災計算流體力學程式，可以計 算三維空間火災行為，它的計算運作方式是先將整個空間分割成許多 細小的格點，再以質量、動量、能量、燃燒與熱傳守恆等統御方程式 下去求解。當計算完成後在利用後處理軟體 Smokeview【14】將流場 可視化做靜態或動態的輸出。FDS 更可以將建築物內之煙控系統，針 對特定之設計條件，計算其對空間火災行為之影響 ，因此 FDS 較一 般計算流體力學軟體，更具實際應用上之價值，也因此其廣泛被應用 在學術研究及工程設計上。

在使用 FDS 時必須先輸入至一文字檔(*.data)，裡面包含模擬之 幾何形狀、材料特性、火源大小、排煙設備、補氣口、大氣溫度、模 擬時間以及邊界條件等…，再由 FDS 軟體開始計算，由於 FDS 本身 並沒有將流場可視化之功能，故需要再利用 Somleview 軟體來讀取 FDS 所計算出之數據來做進一步的分析與探討 。圖 4.1 為 FDS 流程 圖，圖 4.2 為 FDS 與 Somkeview 之組織架構。

FDS 所使用之數值方法與其主要的統御方程式如以下所介紹 。