第三章 性能式防火設計方法
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 。
4.1.1 流體力學之統御方程式
Y：物種之質量分率
6. 擴散 LES(Large Eddy Simulation)模型
2
其中Pr：普郎特常數（Prandtl number）
Sc：舒密特常數（Schmidt number）
4.1.2 差分方程式 1. 時間之離散
對時間項的離散，FDS 採用 Second order predictor-corrector scheme。在每個 time-step 開始的時候，n、Yin、un、Hn與p0n均為已
2. 空間之離散
所有空間項的離散皆採用二階中央差分法 （Second order
central difference）。整個計算的範圍是一個被長方體格點分割的長
方體。每個格點裡面，用i、j和k分別代表格點的 x、y及z方向。
所有線性的量（如密度）都是在格點的中心給定，例如ijkn 代表的 是第n個 time-step 格點i、j、k裡的密度。向量的值則是在格點的 表面給定。
4.1.3 燃燒模式
FDS 中提供混合比燃燒模式( Mixture Fraction Combustion Model;
MFCM )及有限速率反應模式，主要差別在於 MFCM 是以氧消耗率之 原理來計算熱釋放率，有限速率反應模式則是使用有限速率化學反應 方程式來描述燃燒之化學反應 。
混合比燃燒模式( Mixture Fraction Combustion Model )
Zf
其中B：反應常數( pre-exponential factor for arrhenius reaction )
E：活化能（kJ/mol）
其中Ib,n Fn
min,max
T4 （4.29） ：史蒂芬–波茲曼( Stefan-Boltzman constant ) 對於牆面之熱輻射，FDS 採用之邊界條件如下：
式，敘述各種相異邊界因受熱所產生的化學變化，再進一步計算其對 關。當液體表面蒸氣之分壓等於 Clausisus-Clapeyron 壓力時，將達平 衡狀態。
條件上的計算上皆採用大渦流模擬法 ( Large Eddy Simulation，LES ) 計算方法，LES 法是將流體物理量區分為大尺度 ( grid-scale )及次網格 尺度( sub-grid scale，SGS )兩部份。對於大尺度的物理量在 LES 中直 接由 Navier-Stokes 方程式求解；而在次格點尺度內的物理量，將小 於網格尺寸之漩渦或紊流以次網格紊流模式 ( Sub-grid Turbulence Model )表示，並直接計算流場暫態變化。另依方面 FDS 亦提供了 DNS 之計算方法，但由於 DNS 法需大量實驗資料作驗證而在計算上同時 也需要相當龐大之硬體設備。因此為符合學術上與工程上之實用性與 經濟效應，本研究採用 FDS 技術手冊上建議使用之 LES 模式，DNS 法相關之模式內容亦未列舉於本論文中 。
4.2 逃生模擬軟體(Simulex)
Simulex 為英國 Illuminating Engineering Society 所研發高層建築 物避難的電腦動態模擬程式，其使用人員間的距離來決定步行的速
建築物空間的配置可藉著匯入 AutoCad 案例圖檔（*.dxf）來達 成，同時設定出口與連結的位置。 象，距離與步行速度之關係如圖 4.6。Simulex 也可針對不同場合，
依據人群不同屬性，其男女分布百分比作基本設定如表 4.2 所示。此 一設定將會影響模擬人群之體型 、分布與個人行走最大速度。
至於 Simulex 同時也可模擬避難過程中步行速度較快的人超過前 方步行速度較慢的人之情況，以使模擬結果符合實際的狀況。當電腦 模擬避難進行當中，若身處前方的人員步行速度較慢或甚至停止不動 時，後方的人員便進行判斷是否超越的可行度。首先，程式會模擬後 方人員先以1與2判斷新的方向是否有障礙物或其他避難人員 ，如 果沒有阻礙，後方人員就會向1或2方向行進直到超越前方的人 員，超越過後再轉往出口方向進行，如圖 4.7 所示。圖 4.8 為 Simulex 模擬不同方向阻礙下之超越路線圖 。
表 4.1 Simulex 提供之人體尺寸
種類 R(t) [m] R(s) [m] S [m]
男性 0.27 0.17 0.11
女性 0.24 0.14 0.09
平均 0.26 0.155 0.10
表 4.2 Simulex 提供不同人群模式之男女分布表
人群模式 平均％ 男性％ 女性％ 兒童％
辦公室員工 30 40 30 0
乘客 30 30 30 10
購物者 30 20 30 20
學童 10 10 10 70
老人 50 20 30 0
所有男性 0 100 0 0
所有女性 0 0 100 0
所有兒童 0 0 0 100
圖 4.1 FDS 分析執行計畫流程圖
圖 4.2 FDS 與 Smokeview 之組織架構與工作流程圖
開始
結束 讀取圖檔
設定出口／
連結、數目 位置與寬度
設定避難 人員位置
計算避難路徑
模擬避難過程 回顧避難過程
圖 4.3 Simulex 模擬避難流程
軀 幹
R(s)
R(t)
肩 膀
S ＝
圓 心
圖 4.4 電腦模擬人體尺寸示意圖
圖 4.5 人員間的接觸距離
圖 4.6 人員間距離與步行速度之關係
圖 4.7 避難人員超越之角度
圖 4.8 Simulex 模擬不同方向阻礙下之超越路線圖
第五章 結果與討論
空間使用，其中共設置有 RECITAL HALL（演奏廳）、LYRICTHEATER（戲劇院）、PLAY HOUSE（中劇院）、CONCERT HALL
THEATER（戲劇院）、PLAY HOUSE（中劇院）、CONCERT HALL