中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目：防火延燒性能設計上

利用場模擬溫度評估之研究

A Study on the Simulation of Temperature Estimation by Field Model on the Performance−Based Design in Fire Spread Prevention

系 所 別：建築與都市計畫學系 學號姓名：M09505009 陳俊列 指導教授：江崇誠 副教授

中華民國九十七年七月

謝 誌

伴隨著師長與親友的期許，本論文順利通過碩士論文口試並付梓，願將這份 喜悅呈獻恩師江教授崇誠，並致上最高的謝意。承蒙 恩師一貫治學嚴謹、悉心 指導之下，在漫漫研究路程上一路探索未敢稍加懈怠。恩師的諄諄教誨與鉅細靡 遺的帶領之下，開啟了浩瀚學海的大門，強調學理與實務並重之觀點，遂有此論 文研究主題之產生。碩士學位僅為階段性之歷程，未來仍將秉持嚴謹態度，在學 術、專業與社會服務上持續努力。

感謝 碩士論文之完成，承蒙何教授明錦、林教授慶元及恩師共同組成的論文口 試委員會，使本研究學理與實務更臻堅實與完備。

感謝 系主任陳教授天佑、班導師解教授鴻年、胡教授太山、謝教授偉勳、李教 授威儀、黃教授萬翔、閻教授克勤、李老師少甫與楊老師明玲等諸位先生 的悉心傳授與學理養成。

感謝 AUDPPL 研究室學長曾聖在專業及技術上的支援，博士班清雄學長的鼓 勵，學弟際翔、欣弘及江大哥德煌等在庶務上及精神上的支援，一併致謝。

感謝 碩士班同窗靜怡、維凡、培閔、明溱、家安、怡如、淑萍、玫樺、嘉宏、

懿文等同學在兩年中的相互激勵，還有博士班昌佑學長，我沒忘了你！

感謝 爺爺、奶奶、爸、媽及親愛的姐姐與妹妹等至親，在過程中的照顧與支持。

謹以碩士論文獻給含辛茹苦的父母雙親，感謝家人全力的關懷與支持，激勵 與安慰。最後，再次銘謝於修業其間所有曾惠賜協助的師長、前輩、至親及益友，

願與各位共享榮譽與喜悅。

俊列 謹誌於

新竹、香山、中華大學建築及都市計畫研究所

2008.07

中文摘要

由於建築技術不斷突破，高層化、複合化的大尺度空間建築與時俱增，舊有 法規已無法符合現有建築物的使用需求，法規規範也將限制建築發展的腳步。許 多國家逐漸發展出性能式法規，以彌補現行法規對現今建築技術發展上的羈絆；

對此，國內已於民國九十三年開始實施性能式法規新制來因應。

建築技術規則中防火區劃部分，更能利用性能式法規來突破限制，擴大其區 劃範圍。本研究主要目的為突破法規限制擴大防火區劃範圍，以滿足大型商場、

購物中心等大尺度空間，設計於建築空間中挑高、挑空部分所要表達的空間感，

增加設計時的自由度。

本研究首要分析探討防火區劃性能設計之理論架構，以建築挑高空間為主要 研究對象，利用防火區劃的性能設計公式驗證其延燒防止，並以 FDS（Fire Dynamics Simulator）火災模擬軟體檢證區劃周圍溫度是否與性能設計公式計 算之結果吻合，以確認其防火區劃替代方案之可靠性，以冀作為我國在性能設計 評估時之參考，並應用於工程計畫上。

關鍵字：防火區劃、延燒防止、性能設計、火災模擬、FDS

Abstract

With the continued breakthroughs of construction technology and the increase of high-rising, compound buildings with large scale space, the existing regulations have been not be able to meet the requirements of modern buildings, and even the worse, the norm of regulations could limit the development of building. Therefore, many countries in the world have developing functional regulations to overcome the obstacles made by existing regulations for the development of modern construction technology. In Taiwan, the authorities have implemented functional regulations to respond since 1984.

The part of fire separation of construction technology rules are even better to breakthrough limits and expand the scope of fire separation by the functional regulations. This research aims to break through the limits of regulation in expanding the scope of fire separation to satisfy the demand for greater space from large shopping malls and shopping centers by designing the sense of space that the lofty part of building wants to express and increasing freedom of design.

The research firstly analyzed and explored the theoretical structure of performance-based design of fire separation. With the lofty space in buildings as the subjects of research, the researcher used the performance-based design formula of fire separation to verify its effectiveness in fire spread prevention. The fire simulator software, Fire Dynamics Simulator (FDS), was also used to verify if the temperatures surrounding fire separation areas were consistent with the results calculated by the performance-based design formula to confirm the reliability of alternative plan of fire separation. It is hoped that the results of the research could be references in evaluating the performance-based design of fire separation in Taiwan and applied to the engineering planning.

Keywords：

fire separation, fire spread prevention, function design, fire simulation, FDS

目 次

第一章 緒論

1-1 研究動機與目的

1-1-1 研究動機 ...1-1 1-1-2 研究目的 ...1-3 1-2 研究範圍及方法

1-2-1 研究範圍 ...1-4 1-2-2 研究方法 ...1-5 1-3 研究流程 ...1-6 第二章 文獻回顧

2-1 建築物火災類型與型態

2-1-1 火災成長階段 ...2-1 2-1-2 火災的類型 ...2-2 2-1-3 延燒的型態 ...2-3 2-2 防火區劃與火災延燒

2-2-1 建築物火災安全區劃 ...2-4 2-2-2 防火區劃之目的 ...2-5 2-2-3 防火區劃之性能要求 ...2-6 2-2-4 防火區劃的種類 ...2-7 2-3 現行法規與性能式法規

2-3-1 現行法規之現況 ...2-9

2-3-2 性能式法規之沿革 ...2-10

2-3-3 性能式法規架構與制度 ...2-11

2-3-4 性能式設計可排除之法規 ...2-13 2-3-5 性能式設計程序 ...2-15 2-4 場模擬軟體之探討

2-4-1 場模式之理論架構 ...2-17 2-4-2 場模擬軟體比較分析 ...2-19 2-4-3 場模擬軟體之選定 ...2-23 2-5 相關研究之整理與探討 ...2-25 第三章 延燒理論公式與 FDS 場模擬之探討

3-1 理論實驗公式探討

3-1-1 火源條件之設定 ...3-1 3-1-2 火災持續時間計算 ...3-4 3-1-3 區劃空間延燒理論計算 ...3-9 3-1-4 火焰高度與溫度關係式 ...3-17 3-1-5 熱輻射與溫度之換算 ...3-18 3-2 FDS 火災模擬軟體探討

3-2-1 FDS 相關理論公式 ...3-19 3-2-2 FDS 架構與特性 ...3-26 3-2-3 FDS 操作流程 ...3-27 第四章 案例探討分析

4-1 環境說明與情境設定

4-1-1 案例環境設定 ...4-1

4-1-2 情境設定 ...4-2

4-1-3 模擬情境火源條件 ...4-3

4-1-4 火災持續時間 ...4-4

4-2 火災延燒理論公式計算結果

4-2-1 情境一計算結果 ...4-7 4-2-2 情境二計算結果 ...4-11 4-3 FDS 溫度場模擬結果

4-3-1 模型參數與條件說明 ...4-13 4-3-2 情境一模擬結果 ...4-14 4-3-3 情境二模擬結果 ...4-21 4-4 案例的溫度場模擬與延燒理論計算結果之比較分析

4-4-1 情境一比較分析 ...4-28 4-4-2 情境二比較分析 ...4-37 第五章 結論與建議

5-1 結論 ...5-1 5-2 建議 ...5-3 參考文獻 ...參-1 附 錄

FDS 場模擬設定參數 ...附-1

圖 次

圖 1-1 研究流程圖 ...1-5

圖 2-1 火災成長歷程示意圖 ...2-1

圖 2-2 燃燒物與空間關係圖 ...2-3

圖 2-3 性能式法規階層架構圖 ...2-12

圖 2-4 性能式設計基本流程圖 ...2-15

圖 2-5 場模式運算流程圖 ...2-18

圖 3-1 火災成長曲線圖 ...3-2

圖 3-2 火災成長模式 ...3-3

圖 3-3 火焰影響範圍 ...3-9

圖 3-4 局部火災火焰高度與範圍 ...3-11

圖 3-5 全面火災火焰長度與範圍 ...3-12

圖 3-6 火源對周邊可燃物熱輻射之示意圖 ...3-13

圖 3-7 圓柱型火源面與對象物相對關係示意圖 ...3-15

圖 3-8 開口部噴出之火焰對於對象物之輻射影響示意圖 ...3-15

圖 3-9 火源面對於對象物之輻射熱影響計算示意圖 ...3-16

圖 3-10 火源上方氣流示意圖 ...3-17

圖 3-11 FDS 與 smokeview 之組織架構與操作流程圖...3-27

圖 4-1 案例模擬範圍 ...4-1

圖 4-2 火災情境位置圖 ...4-2

圖 4-3 沙發燃燒曲線 ...4-3

圖 4-4 專櫃空間配置圖 ...4-4

圖 4-5 FDS 空間模擬圖...4-13

圖 4-6 火焰高度動態模擬 ...4-14

圖 4-7 火焰垂直軸溫度 ...4-15

圖 4-8 局部火災動態模擬圖 50s-300s...4-16

圖 4-9 局部火災動態模擬圖 350s-700s...4-17

圖 4-10 局部火災動態模擬圖 750s-1100s...4-18

圖 4-11 情境一偵測點鋪設示意圖 ...4-19

圖 4-12 沙發短邊之邊緣輻射溫度曲線圖 ...4-19

圖 4-13 沙發短邊之邊緣輻射熱量曲線圖 ...4-20

圖 4-14 沙發長邊之邊緣輻射溫度曲線圖 ...4-20

圖 4-15 沙發長邊之邊緣輻射熱量曲線圖 ...4-20

圖 4-16 噴出火焰長度動態模擬 ...4-21

圖 4-17 噴出火焰長度溫度偵測 ...4-22

圖 4-18 全面火災動態模擬圖 50s-300s...4-23

圖 4-19 全面火災動態模擬圖 350s-700s...4-24

圖 4-20 全面火災動態模擬圖 750s-1100s...4-25

圖 4-21 全面火災動態模擬圖 1150s-1300s...4-26

圖 4-22 情境二偵測點鋪設示意圖 ...4-27

圖 4-23 噴出火焰面之輻射溫度曲線圖 ...4-27

圖 4-24 FDS 沙發火焰動態模擬...4-28

圖 4-25 沙發垂直軸上火焰溫度比較 ...4-29

圖 4-26 沙發短邊溫度比較圖 ...4-27

圖 4-27 沙發長邊溫度比較圖 ...4-27

圖 4-28 沙發兩側偵測點鋪設示意圖 ...4-31

圖 4-29 沙發短邊輻射熱比較圖 ...4-32

圖 4-30 沙發長邊輻射熱比較圖 ...4-32

圖 4-31 火源高度形狀示意圖 ...4-33

圖 4-32 沙發長短邊輻射熱曲線圖 ...4-33

圖 4-33 偵測點高度輻射熱比較圖 ...4-34

圖 4-34 網格 0.2m 時沙發短邊比較圖...4-35

圖 4-35 網格 0.2m 時沙發長邊比較圖...4-35

圖 4-36 網格 0.25m 時沙發短邊比較圖...4-36

圖 4-37 網格 0.25m 時沙發長邊比較圖...4-36

圖 4-38 FDS 噴出火焰長度...4-37

表 次

表 2-1 火災類型分類表 ...2-2

表 2-2 區劃目的分類表 ...2-4

表 2-3 規格式法規與性能式法規優缺點對照表 ...2-9

表 2-4 避難安全性能設計可排除法規 ...2-13

表 2-5 建築技術規則排除部分規定替代方案 ...2-14

表 2-6 NFPA 性能設計程序說明...2-16

表 2-7 場模擬軟體分析表 ...2-22

表 2-8 場模式之火災動態模擬軟體比較分析表 ...2-23

表 2-9 FDS 軟體特色與限制...2-24

表 2-10 國外 FDS 火災模擬軟體相關研究整理 ...2-25

表 2-11 國內 FDS 火災模擬軟體相關研究整理 ...2-27

表 2-12 國內火災延燒相關研究與計畫整理 ...2-29

表 3-1 不同物質之最大熱釋放率與所需時間 ...3-2

表 3-2 火源成長係數表 ...3-3

表 3-3 依房間種類之發熱量 q 區分火災室 ...3-5

表 3-4 室內內裝用建築材料之表面積及平均厚度的平均發熱量 q ....3-6

表 3-5 該房間和鄰接房間之間的熱侵入係數 f ...3-6

表 3-6 氧消耗係數數值表 ϕ ...3-7

表 3-7 火源條件與實驗定數 r、n 之關係式 ...3-11

表 3-8 光波界線表 ...3-23

表 4-1 大廳可燃物條件表 ...4-2

表 4-2 情境一火焰高度計算 ...4-7

表 4-3 沙發短邊火焰輻射熱與溫度計算 ...4-8

表 4-4 沙發短邊火焰輻射熱與溫度統計表 ...4-9

表 4-5 沙發長邊火焰輻射熱與溫度計算 ...4-9

表 4-6 沙發長邊火焰輻射熱與溫度統計表 ...4-10

表 4-7 情境二火焰噴出長度計算參數一 ...4-11

表 4-8 情境二火焰噴出長度計算參數二 ...4-11

表 4-9 噴出火焰輻射熱與溫度計算 ...4-12

表 4-10 噴出火焰輻射熱與溫度統計表 ...4-12

第一章 緒 論

1-1 研究動機與目的

1-1-1 研究動機

長久以來國內建築物使用安全審查，依據「建築技術規則」所訂定之標準，

規則中對於建築設計及安全上的規範均詳細條列說明，此一審查方式優點在於 建築設計時僅需符合建築技術規則中所訂定之規定條文，即可通過審查，以達 到建築使用安全之最基本要求，這類審查機制屬於規格式法規（Specification codes or Prescription-based codes）。但近年來隨著建築工法、技術的進步，

以及建築設計的多樣化，大型特殊空間的與日俱增，諸如：超高層的建築、室 內挑高挑空建築空間、地下捷運空間、巨蛋大型室內設施、高科技半導體無塵 室等空間等，傳統的規格式法規已逐漸不敷使用，更加限制了建築設計的發展。

終於，內政部於民國九十二年開始對「建築技術規則」進行修正，並自民國九 十三年一月一日開始實行與規格是法規具有同等效力之建築防火避難性能式法 規

，以更具成本效益之方法來保障人民生命財產安全。

防火避難性能設計（Performance-Based Design，PBD），係一種輔助建築 設計者使用建築防火避難性能法規（Performance-based codes）而發展出來 的。而防火避難性能設計又分為防火區劃的排除及免適用與避難設施的排除及 免適用等兩種不同項目，通常進行避難設施的排除時所使用的性能設計法為內 政部建研所採行之避難安全計算進行性能設計評估

，而使用防火區劃排除時 則是進行防火延燒性能設計。通常，國內建築案例進行防火延燒性能設計時，

皆是以理論實驗公式為基礎，進行案例的評估驗證，本研究將使用另一種驗證

方法，利用場模式（Field Model）電腦模擬進一步評估，倚靠場模擬能對火場

內溫度場參數運算同時以視覺化效果呈現之特性，檢視其火場內相關數據與防

火延燒理論實驗公式計算結果是否產生一致性。

由於近來國內民眾消費習慣的改變，對於休閒購物的需求增加，業者看中 這塊市場而加以投資興建大型購物中心，加上國內政策的鼓勵下，國內大型購 物中心截至 2006 年止，共有 15 家業者投入市場

，例如 Taipei 101、統一夢 時代等；因為建築空間使用特性，常常會帶來大量的人潮，尤其是在周年慶、

大型活動表演的尖峰時刻，具有不特定人數眾多之特性更加顯著，其一旦發生 火災所造成的生命財產損失將更為難以估計，特別是在挑空挑高空間容易造成 煙囪效應，成為火勢迅速延燒的途徑，造成更大的災害

。

有鑑於此，本研究將以大型購物中心為例，對其內部走道之挑高空間進行 防火延燒性能設計，由於大型購物中心較大的空間尺度及新穎的設計工法，進 行建築物安全審查時，傳統規格式法規較不適宜，但可依照建築技術規則

總則編第三條規範適用範圍之建築物，B-2 類組商場百貨類，可採行性能式設 計法進行防火避難安全設計，經檢具建築物防火避難性能設計計畫書及評定書 者向中央主管建築機關申請認可者，得以免除建築技術規則第七十九條一部份 或全部之規定。案例中大型購物中心內部走道挑高空間部分屬於垂直貫穿樓 板，可適用排除第七十九條之二之規定，將不受連跨樓層數在三層以下，且樓 地板面積在 1500 平方公尺以下之挑空、樓梯及其他類似部分之限制。

藉由實際案例的評估，檢視理論實驗公式及場模式電腦模擬之結果是否一 致，並對場模式電腦模擬將來應用於防火延燒性能設計上之可行性提出建議，

以期作為日後性能設計者進行防火延燒性能設計時之參考依據。

1-1-2 研究目的

經由上述動機可得知，既然性能設計已為目前大型挑高空間通常需進行之 驗證，以期確保人民生命財產之安全，為了可提供防火延燒性能設計驗證時之 參考依據，故本研究目的如以下三點：

一、 藉由文獻回顧對挑高建築空間作初步的定義，並透過國內外相關文獻及火 災延燒理論實驗公式與軟體的蒐集，從中對本研究於防火延燒性能設計評 估模擬時之可行性作初步的探討。

二、 選定國內某大型購物中心設計畫中案例，以內部配置空間為例，進行防止 火災延燒性能評估，利用防止火災延燒理論實驗公式的計算及場模式模擬 火場內之溫度進行差異性比較分析。

三、 根據比較分析之結果，將對防火延燒性能設計是否可以 FDS 場模擬當作性

能設計評估工具之可行性提出建議，以期作為防火性能設計者日後評估模

擬上之參考依據。

1-2 研究範圍與方法

1-2-1 研究範圍

經由文獻回顧中得知，防火區劃分為廣義與狹義兩種不同的設計手法。狹 義的防火區劃設計係以硬體之防火構造進行空間區隔；而廣義的防火區劃設計 則係以硬體之防火構造配合空間淨空或單純以空間淨空進行區隔，本研究主要 係以空間淨空的方式進行防火區劃的區隔。

若以空間淨空的方式進行區隔，到底需要多少的距離才屬合理，目前可透 過國外理論實驗公式計算得知，其針對火災發生時，火焰的危害範圍及其輻射 熱影響距離進行探討，並分別就水平區劃與垂直區劃之空間淨空替代方案的適 用性進行評估。故本研究範圍如以下三點：

一、 以不同類型火災可能造成的接焰延燒或熱輻射延燒，進行相關公式的搜集 與探討，以釐清不同類型火災所適用之評估方法，以利於後續案例情境的 假設。

二、 透過案例操作，依照防火區劃之水平區劃及垂直區劃的不同，套用適宜理 論實驗公式進行計算，並同時以場模擬軟體進行交叉評估。

三、 使用大家所熟知並常用於業界之 FDS（Fire Dynamics Simulator）場模 擬軟體，進行防火延燒性能設計評估。主要係以討論空間淨空距離為主，

以硬體阻隔手法則不在研究範圍內。

1-2-2 研究方法

本研究方法係以文獻回顧、代數計算法及電腦數值模擬等方法為主，茲分 述如下：

一、 文獻回顧

藉由既有的文獻理論資料，進行挑空中庭之定義與相關法規之蒐集，

並探討性能設計之規範及其評估方法，作為後續研究場模式與火災延燒之 評估時的參考依據。

二、 數值計算法

許多先進國家都已研擬發展出完整之性能式法規，並將性能式驗證方 法以工程觀念及數學經驗公式表示。本研究主要係以日本學者所提出之理 論實驗公式計算火災延燒可能範圍，包括火焰高度、寬度以及熱輻射量之 計算等。

三、 電腦數值模擬

以 FDS（Fire Dynamics Simulator）場模式電腦模擬程式為主，建

立選定案例之空間數值資料，透過電腦軟體模擬發生火災後之火場相關數

據，如：溫度、輻射熱量等，並結合火災延燒理論實驗公式所得結果，以

進行交叉比對評估。

1-3 研究流程

圖 1-1 研究流程圖

第二章 文獻回顧

2-1 建築物火災類型與型態

當建築物發生火災時，不同的火災類型與延燒的型態在火災的預測會有所 差異，本節主要針對火災的成長階段、火災的類型和延燒的型態進行探討，藉 以為後續案例操作進行火源設定時的依據。

2-1-1 火災成長階段

圖 2-1 火災成長歷程示意圖^【6】

火災就整個發展過程分別為起火期、成長期、全盛期和衰退期然後到最終 熄滅，等四個時期，如圖 2-1 所示。由於因為燃料特性的關係，所以每個起火 期的時間各有不同，如液體和氣體火災甚至沒有起火期；在火災的成長期，會 隨著持續燃燒時間的延長，如無外界條件干涉，則會有越來越多的可燃物參與 燃燒，火災的溫度、熱釋放率也相應不斷增大，當火災發展到一定程度，因為 可燃物數量以及種類的不同，還可能出現閃燃現象，火災開始進入全盛期，隨 後一段時間內的火災熱釋放率則保持穩定，其最大熱釋放率主要取決於燃料的 數量與性質、著火空間的通風條件等，火災經過一段時間的持續發展後，隨著

全面性燃燒

（閃燃）

成長期

火災溫度 火源著火 起火 火焰延燒 發生閃燃 最高溫度 嚴重燒損 燒失熄火

起火期 全盛期 衰退期

局部燃燒

燃燒面積擴大

嚴重燃燒

燃料數量的減少，火災最終進入衰退期，當燃料全部耗盡後火災隨之熄滅。

就火災成長階段可以知道，火災成長期是造成火勢是否擴大的關鍵期，本 研究主要目的也就是在限制成長期的發展，避免火災延燒的情況發生造成火勢 擴大。

2-1-2 火災的類型

建築物火在的預測需要藉由火災類型的不同進行火源的設定。當火災發生 於區劃空間時，會受到可燃物配置以及開口供氣等因素的影響，使得火災危害 的程度與方式皆有所不同，根據文獻針對空間特性與可燃物數量的多寡，將火 災的類型予以分類，如表 2-1。

表 2-1 火災類型分類表^【7】

特性 可燃物 燃燒型態 代表性場所 全面火災

時間長而 發熱速度 慢

區劃內可燃物 分佈均勻。

供氣支配型 火災

賣場專櫃、展示 品集中的店舖空 間

局部火災

時間短而 發熱速度 快

可燃物稀少，

空間大且分佈 獨立。

燃料支配型 火災

捷運車站、體育 館、大型挑高空 間等

當一個區劃空間大而可燃物配置分散且稀少時，在發生火災時由於供氣充 足的關係，可燃物火勢會在某的區域突然增大，但是也因為可燃物配置較為分 散的關係，所以不易造成引燃及延燒，只會在區劃內的局部產生火災，而區劃 內的溫度也因此不一致；或是可燃物的體積與空間體積相對較小者，就算區劃 內發生火災，也僅於局部發生，詳圖 2-2，此類火災稱之為局部火災。

相反的，當可燃物的分佈密集且數量多時，各個可燃物間引燃較為容易，

火災是會造成全面性的燃燒於整個區劃空間。由於可燃物的體積相對於空間體

積較大，造成火災發生時，建築物的構造限制了釋熱的火焰，使區劃空間內溫

度較為一致，此時的火災受到開口部供氣量的影響，這類型的火災火場內的溫

度差異不大，詳圖 2-2，稱之為全面火災。

圖 2-2 燃燒物與空間關係圖

2-1-2 延燒的型態

在建築物的延燒型態中，通常分為接焰延燒、輻射引燃以及飛火等三種原 因

。而接焰延燒與輻射引燃兩者通常是相互作用，同時發生進行的，尤其 是近距離之延燒，火焰直接接觸造成加熱及輻射熱；距離稍大者則是輻射熱先 行加熱，木質材料等可燃性材料溫度升到一定的溫度之後，一旦火焰前端接觸 時，瞬間即造成引燃。若是距離較遠者，則受到輻射加熱或未受到輻射加熱之 木質材料，皆可能接觸飛散之火星而引發火災。但是，當可燃物承受大量的輻 射熱時，也可能會於沒有火焰接觸的情況下自行起火引燃。

飛火的情況多發生在整棟木構造建築物的延燒或是對流較強的地區，如建

築物內部之天井、電扶梯等垂直通道或是挑高空間。但由於飛火危害的距離這

部分相關研究較少，故本研究僅針對區劃空間內防止火災延燒型態中的接焰延

燒與輻射引燃進行計算評估。

2-2 防火區劃與火災延燒

防火區劃對於限制火災延燒實為重要，藉由前一節依據火災型態與類型的 不同，再配合此節防火區劃所要求的性能，以便進行案例的空間條件設定與防 止火災延燒評估。

2-2-1 建築物火災安全區劃

建築物中為了火災安全而區劃的主要目的，乃在於阻止火災中產生之熱焰 與煙氣的蔓延擴散，使人員得以順利逃生，同時使生命財產損失降到最低。區 劃在建築物中就其防範之對象物為熱焰或為煙氣，一般分為防火區劃與防煙區 劃，而同時可防範熱焰煙氣者就稱為防火防煙區劃，本研究主要為防止火災延 燒，故評估對象係以防火區劃為主。

其各個定義表格說明如下表 2-2：

表 2-2 區劃目的分類表

區劃類型 區劃目的 區劃構成

防火區劃

以防止火焰擴大及侷限延燒範圍為目的。要求 具有一定時間以上之耐火性（主要為遮焰性），

亦可兼具遮煙性（兼防煙區劃） 。

以耐火構造之牆 壁、樓梯、防火門構 成為原則。

防煙區劃

為控制煙的擴散及流動而設置的區劃，並不須 要求如同防火區劃一般的遮焰性，但須要求遮 煙性。一般被認定為與防火區劃或安全區劃不 同之垂壁區劃。

以具有氣密性不燃

材料構成區劃為原

則。另玻璃垂幕等亦

可開放採用。

2-2-2 防火區劃之目的

由於防火區劃的目的係將火勢侷限在一定的空間範圍下，限制其燃燒波及 的最大範圍。因此防火區劃的設計就針對區劃之用途、規模所產生的溫度與時 間的條件，以構造（牆、樓地板、防火設備）與淨空等防火區隔防止火災蔓延，

適當的設計區劃配置，達到限制火勢之目的。在日本建築學會的建築物火災安 全設計指針

上也有相類似的名詞：火災安全上的獨立，型態上或法規上，一 棟建築物或建築物部分或其他部分在火災發生時相互不會影響。單體建築物的 其他部分滿足火災安全上的獨立部分。

傳統防火區劃的設計，多半是以防火構造等實質硬體來區劃設計。但越來 越新的建築技術與多樣複雜的建築型態及要求，例如購物中心、大型展覽場、

量販店、大型停車場等。防火設計上如果只限於硬體區隔的方式會使得設計的 彈性與自由度都受到限制，無法突顯出性能設計的優勢，以防火性能概念為導 向，只要設計可以達到防止火勢蔓延的手法，都可以為區隔的手法。在區劃設 計上，除了可以應用於新材料與工法上，更可獲得更大的彈性與自由度。

由既往的研究中

，將防火區劃分為狹義與廣義兩種設計手法。狹義的手

法也就是以硬體的方式區劃（牆、柱、樓板等） ，來阻止火災蔓延，另外也可以

利用空間的區劃（防火遮斷帶區）或合併其他方式做為設計的手法，此類稱為

廣義的手法，而本研究主要係以空間淨空距離來預防火災延燒的情況發生。

2-2-3 防火區劃的性能要求

防火區劃不論是狹義的以硬體或廣義（硬體配合空間距離）的防火區劃，

都要具備部分或全部之基本要求，於火災區劃的兩側，在遭受火災時間內，其 部材所應該具有的性能要求如下，其中遮焰性及阻熱性也為本研究中主要計算 模擬評估的重點。

一、遮焰性（Integrity）

火災室區劃部材與接合處要防止產生龜裂與縫隙，所產生火焰洩漏，非加 熱側的木質要能夠避免著火造成高溫洩漏。當火災發生時，區劃構件不會因為 熱焰之貫穿，而引起接焰延燒之危險。遮焰性亦為防火區劃必要之基本性能。

二、阻熱性（Insulation）

火災發生時，區劃構件能有效阻隔火災現場之高溫，不會因為區劃構件之 輻射熱，而引起相鄰其他空間可燃物延燒。在單純利用硬體構件的防火區劃設 計上，該項性能為防火區劃構件、部品必須具備之性能，但如以硬體構件配合 空間淨距的火災遮斷帶區劃設計，其隔熱性能的要求可相對地放寬。

三、構造安定性（Stability）

防火性能上要避免因火害高溫而造成破壞與變形。當火災發生時，火災現場

的高溫對於區劃構件之構造不會造成崩壞的現象。另外有一考量則為當消防隊

在火災現場滅火時，消防高壓噴水對於區劃構件及部品，亦不會產生破壞之情

形。

2-2-4 防火區劃的種類

依建築技術規則的規定防火區劃有下列五種類型：面積區劃、用途區劃、樓 層區劃、垂直區劃與特定目的區劃，各項說明如下：

一、 面積區劃

一定樓板面積以內實施之防火區劃，用以局限火災之火焰於單一區劃內，通 常以防止水平方向之延燒為目的，亦即在一定較大面積之樓層做分區區劃，使發 生火災區域與同樓層之其他區域隔離。

面積區劃依照建築技術規則建築設計施工篇第七十九條規定：防火構造建 築物總樓地板面積在 1500m²以上者，應按每 1500m²，以具有一小時以上防火時 效之牆壁、防火門窗等防火設備與該處防火構造之樓地板區劃分隔。

面積區劃的規定除一般構造建築物外，在建築高層部分第八十三條與地下 建築二百零二條中，也有相關規定以一定面積內區劃。其目的除阻止火勢的蔓 延外，也兼具避難之要求。

二、 用途區劃

為了防止危險性因子相乘應予以區劃。起火危險（如堆放易燃物場所、鍋爐 房）應於延燒危險（如倉庫等)較高的場所須與其他部分隔離，此外避難者較多 時可能造成避難混亂的場所亦須與其他部分隔離加以保護。

在建築物中將使用上或是管理上差異較大的空間予以區劃，其目的將火勢 限制於發生火災的用途空間，而避免火勢蔓延至該空間以外用途的空間。

在建築技術規則建築施工篇第七十九條之一有條列規定特定用途使用的 防火構造建築物，無法區劃分隔部分，可以免受面積區劃的限制，而自成一個 區劃。

三、 樓層區劃

為防止火災向其他樓層，特別是向上樓層延燒擴大在各樓層所設定之區劃。

此層間區劃之構成，以樓地板層（防止室內向其他樓層之延燒）及外壁拱肩牆、

屋簷等（防止自建築物周圍向其他樓層之延燒）為基本構造。一般要特別注意，

在樓地板內埋設的給(排)水管、電線(纜)管等管路，可能成為火災區劃疏漏保護 之處。於建築技術規則建築設計施工篇第七十九條之二規定：樓層區劃必須以連 續完整面的防火構造，並應突出建築物外牆五十公分以上，或是與樓地板交接處 之外牆高度有九十公分以上，且外牆構造具有與樓地板同等以上防火時效者。將 樓層之間以固定的淨空距離區隔，避免火焰接焰延燒到其他樓層。

樓層區劃主要是以樓層與樓層之間的防火區劃，避免火勢由起火樓層蔓延 至其他樓層。由於火災垂直向度的延燒較水平向度的延燒，為害的嚴重性與速 度都更快。此區劃方式對於現今高層化的建築物特別重要。

四、 垂直區劃

樓梯間、排煙道、豎井（垂直管道間）等非水平樓板區劃部份皆可視為垂 直區劃。由於垂直的空間在高層建築使用上具有重要的機能，其穿透樓層區劃 的空間，容易造成煙囪效應，導致火煙流竄的途徑，經由垂直空間向其他樓層 蔓延，造成防火區劃的弱點，所以應特別慎重加以區劃。

所以建築技術規則建築設計施工篇七十九條之三中，就有垂直空間加以特 別規定區劃之。防止此類空間成為延燒的途徑。

五、 特定目的區劃

依據其特殊需求與目的，諸如：火氣使用、所有權等。避免火災的危害影 響。將這些空間特別區劃開來，方便管理避免使用方的混亂。

建築技術規則建築設計施工篇第八十六條中，就有針對所有權、分間牆、

使用火氣與指定區劃加以規定。

2-3 現行法規與性能式法規

藉由現行法規的了解，與性能式法規的差異進行比較，透過文獻回顧得出 性能式法規的適用性，及其可免除或排除的範圍，並對其設計程序進行探討，

藉以成為後續案例設計評估時之依據。

2-3-1 現行法規之現況

目前建築物安全使用依據仍係以規格式法規為主，但自從國內於民國九十 二年藉由建築技術規則之修訂後，可依據建築技術規則總則篇第三條「…經檢 具申請書、建築物防火避難性能設計計畫書及評定書向中央主管建築機關申請 認可者，得不適用本規則建築設計施工編第三章、第四章一部或全部，或第五 章、第十一章、第十二章有關建築物防火避難一部或全部之規定。」 ，此即為性 能式法規之初。

綜合性能法規之發展過程及其目的、方式等，與規格式法規相互對照之下，

可歸納出規格式及性能式法規的優缺點，如下表 2-3：

表 2-3 規格式法規與性能式法規優缺點對照表^【13】

法規類型 優點 缺點

規格式法規

◎符合規定，簡單且直接的評估 方法。

◎不需要高層次的工程專業知 識。

◎一致的標準，易於讓地方建管 人員執行。

◎規定為述及明確目標。

◎法規結構繁複。

◎不能提升經濟成本。

◎前提假設只有一種符合等級的 方法。

◎限制新工法新技術之開發。

性能式法規

◎建立清楚的目標並將達成這些 目標的方法流帶設計者選擇發 揮。

◎提供僅需符合性能規定的創新 設計方案空間。

◎清除技術性貿易障礙，促進商 品流動。

◎促進國際法規系統統一調和。

◎助長採用新知識。

◎使設計兼具成本、效率和彈性。

◎沒有繁複的規定。

◎能促進新工法新技術的開發。

◎能快速將新技術導入市場。

◎極難定義量化安全等級（性能 基準）。

◎需專業知識，特別在開始應用 的階段要加以教育。

◎難以評估是否符合其設立的目 標。

◎需要用電腦模式來評估其性 能。

◎若無足夠的檢測設備則無法證 實所提之性能。

藉由性能式設計免除建築技術規則中部分法規，這讓建築設計更佳的自由 與彈性，透過性能設計的手法達到與規格式法規同等以上之安全條件。性能式 法規在排除及免適用上又分為避難設施的排除及免適用以及防火區劃的排除及 免適用，而本研究主要係以防火區劃的排除及免適用為主要評估對象，目前在 防火區劃的排除及免適用通常以防止火災延燒安全性能驗證進行性能評估，主 要係以理論實驗公式計算為基礎。

2-3-2 性能式法規之沿革

建築防火法規制度是建築設計時對火災安全要求的依循，綜觀國內外近年 防火安全設計及法規執行，大致上可以區分為規格式法規及性能性法規兩個領 域，早期建築物用途及形式較為單純，過去世界各國家在執行方法及經驗累積 考量下均採用強制性規格式的法規，一來是能符合建築使用需求，再者則是便 於主管機關查核；但隨著整體環境發展及變異，當建築物發展朝向超高層化、

複合化、及特殊需求化趨勢，傳統規格式法規出現適用上的不足，即發展出所 謂的性能式法規，就是在達成傳統規格式法規要求的防火功能目標前提下，允 許應用各種預防火災、被動式防火、主動式防火及避難安全對策及方案之設計，

提供多元選擇方式。以現行法規的說法，即為可排除規格式防火法規條文一部 分或全部之適用。

國內於修訂建築技術規則之初，內政部建研所於民國八十二年提出第一個防

火計畫開始至民國九十二年間，陸續進行了「建築物性能法規與技術規範之規劃

研究」 、 「建築物火災模式應用及架構評估研究」與「建築物防火安全技術開發與

應用研究」等研究，更明確地將性能防火法規作為計劃內容的主軸，配合相關的

措施，如防火工程設計及評估方法、火災模擬程式的開發以及防火實驗室的設

立、檢測認證制度的建立等工作項目，來建立我國發展防火安全工程及其設計方

法所需的策略及相關必要項目的規劃，並建議國內尚待加強之相關研究課題，讓

我國決定實行防火性能法規時，已有完整的架構規劃。

性能式法規發展的主要因素係建築物為因應使用需求有高層化、複合化及 特殊化等多元的使用演變，而傳統式的法規因為修訂牽涉範圍極為廣泛，所以 在達到相同規範的需求下漸漸發展出不同的途徑。尤其防災科技的進步亦提供 了更多的選擇性，所以傳統條列式法規勢必面臨挑戰。因此世界各國在防火設 計方面均逐漸發展為性能式走向，且對於傳統法規的解釋上抱持開放的態度，

此已為世界防火安全設計之潮流。另外性能式法規在設計上提供多元化及自由 度，使得建築美觀與防災安全管理可以相生相容，創造出現代化城市的獨特性 及特殊魅力。

2-3-3 性能式法規架構與制度

由各國性能式法規訂定的架構來看，多以階層式架構，來分層描述不同層次 的目標需求，如圖2-3所示。理論上，架構之最上層為與基本社會事務（social objects）有關的目標為主，像健康、安全、舒適，而這些目標則界定了法規的 範圍。在第二階層則是依據第一層所提目標加以描述，強調建築物所應具備的機 能性需求（functional requirements）。在第三層次目標，則依第二層目標所 衍生的性能需求（performance requirement）而訂定，通常是以可計算或測定 的值為指標加以記述，亦可用規格說明予以記述。第四層級是具體的設計方法

（design methods），這個階層大致上可分為兩種設計方法可供選擇。方法一，

依第三層級規定的性能要求基準，提出之設計方法，而此方法需經第五層級中所

定義之計算方法（calculation methods）或試驗方法（test methods）來加以

驗證。假若依此設計方法所提出之方案，經驗證合乎性能要求之基準，便無需受

既有法規限制，可在設計上獲得最大的自由度。方法二，則是「被視為必然符合

規定」的設計方法。

圖2-3 性能式法規階層架構圖^【13】 

1.

目標 object

2.

機能性需求 Functional Requirement

3.

性能需求 Performance Necessity

4a.

設計方法 Design Methods

5.

計算方法或評估方法 Calculation Methods,

Assessment Methods

4b.

符合規定的規格或 技術規範

強制性規定選擇性規定

性能式防火法規

2-3-4 性能式設計可排除之法規

國內於民國九十一年起藉建築技術規則總則編第三條及相關條文之增訂，

開始實施性能式設計法之防火避難安全計畫審查新制。倘若進行防火避難安全 設計時，依照建築技術規則總則編第三條規定其適用於範圍內之建築物，經提 具建築物防火避難性能設計計畫書，送至中央主觀建築機關認可者，得不適用 建築技術規則第四章一部份或全部之規定。目前國內進行避難安全性能驗證 時，應依照表 2-4 所列可減免之四大區塊檢討必須之防火避難安全設施，以達 到與條文規則同等以上之安全性能。

表 2-4 避難安全性能設計可排除法規^【2】

項目 條文 項 規定概要

防火區劃

79 防火構造建築物之防火區劃 79-2 1 防火構造建築物之垂直區劃

83 1 款 11 樓以上的防火區劃 內裝限制 88 建築物之內部裝修材料

避難設施

90 直通樓梯開向屋外出入口 90-1 避難層開向屋外出入口寬度

91 避難層以外樓層出入口寬度 92 走廊寬度

93 2 款 到達直通樓梯之步行距離 94 避難層步行距離

98 直通樓梯總寬度 排煙設備 100 排煙設備之設置 101 排煙設備之構造

由於建築避難安全性能設計所採行之方式為日本 route B 方式，此方式對 於性能設計無法完全適用，其原因為避難安全性能驗證主要計算為煙層下降時 間及人員避難時間，而以延燒防火性能設計來說，則需考慮區劃空間之遮焰、

阻熱性及構造安定性等，故可排除之法規項目會有所差異。為了能便於確認性

能設計時之可適用排除條款，內政部建築研究所於研究報告中，將建築技術規

則中可排除之部分法規整理如表 2-5，以供性能設計時之參考。

表 2-5 建築技術規則排除部分規定替代方案^【16】

項目 條文 項 規定概要 驗證法之排除規定

排除理由 驗證法說明 建築

構造 70 防火構造建築物主要 之防火時效

建築物結構耐火 性能檢證

整棟避難安全性能（含 樓層避難安全性能）

防火 區劃

79 防火構造建築物之防 火區劃

建築物火災延燒 防止性能驗證 79-2 1 防火構造建築物之垂

直區劃 83 1

款

11 樓以上的防火區 劃

內裝

限制 88 建築物之內部裝修材

料 樓層避難安全性能

避難 設施

4-1-90

直通樓梯開向屋外出 入口之寬度、高度、

位置、個數

1、 提 供 合 式 避 難逃生路徑 2、 提 供 足 夠 出

口逃生容量 3、 提 供 易 於 接

近出口設置 4、 提 供 避 難 路

徑照明 5、 避 難 路 徑 通

風安全 6、 計 算 避 難 時

間

整棟避難安全性能驗 證法、經公告認可之避 難驗證軟體驗證法、建 築物現場全尺寸避難 4-1-90-1 測試法

避難層開向屋外出入 口寬度、高度及出入 口門開啟方式 4-1-91 避難層以外樓層出入

口寬度

4-1-92 走廊寬度、牆面及樓 地板之防火性能 4-1-93 2

款

到達直通樓梯之最小 步行距離

4-1-94 避難層樓梯口至屋外 出入口步行距離 4-1-98 直通樓梯總寬度

排煙 設備

4-2-100 1

款 排煙設備之設置

1、 維 持 健 康 狀 態 下 避 難 和 保 護 免 於 火 煙的傷害 2、 具 有 煙 控 的

性能 3、 具 有 人 最 大

忍受 4、 具 有 逃 生 路

徑可見度 5、 控 制 有 毒 空

氣 在 一 定 值 下 能 排 除 火 災 產 生 之 熱 氣體

樓層避難安全性能驗 證法、經公告認可之避 難驗證軟體驗證法、建 築物全尺寸煙層下降 時間與避難行動測試 法、煙層下降時間小模 型試驗法、經公告認可 之代數方程式法或火 災電腦模擬計算法，計 算其煙層下降時間或 可視距離或煙層毒性 分析

2

項 防煙垂壁下垂高度 樓層避難安全性能驗

證法、建築物全尺寸煙 層下降測試法、縮小模 型試驗法、經公告認可 之代數方程式法或火 災電腦模擬計算法，計 算其煙霧之產生量煙 層流度分析

4-2-101 1

款 防煙區劃面積

2-3-5 性能式設計程序

若僅靠性能設計的法規或標準，是無法真正的反應性能式設計的優點，也 就是對於設計彈性及安全性仍將受到牽制。一個完善的性能設計流程，與防火 工程技術發展及性能式法規相互配合，才可保障民眾生命財產的安全，更增加 建築設計的經濟效益。其基本設計流程如圖 2-4 所示。

圖 2-4 性能式設計基本流程圖^【17】

NFPA（National Fire Protection Association）之性能設計法則中，更 將性能設計程序分成八項，如表 2-6。進行性能設計時，可根據設計程序逐項 進行，同時依照其項目自我檢測，以期性能設計結果能更加完善。

建立防火設計的原則

評估建築物內使用人數、設施、裝修、

設備等與防火安全設計相關的項目

潛在危險確認

建立性能設計的目標及標準

選擇適當的計算法則或火災模式

提出可行的性能設計方案

評估所提出的性能設計方案

方案獲得審議許可或證明

性能式法規或標準性能式設計計畫

表 2-6 NFPA 性能設計程序說明^【17】

項 目 說 明

一、建立防火設計原則

在未來進行性能式設計的同時，先為建築物進行性能式防火設計 原則，此原則必建立在實質上的需要，不是從假設而來，所以原則的 敘述應以可量化的字眼來描述。

二、性能設計目標

為了達成訂定的防火安全原則，性能設計目標為一連串的手段，

包括防止結構體因高溫的損壞、起火點現場無人員傷亡、逃生時間內 人員不受火勢影響以及防止火勢蔓延等。

三、性能設計標準

性能設計目標常需以安全工程設計，且已可量化的數據來評估其 功能完成的等級，此時需依靠性能設計的標準，例如：溫度、輻射熱、

曝露等可量化的項目。而此類項目的設計值則為火災模式計算重要的 參考值，也是設計方案是否可執行重要參考依據。

四、安全係數 此安全係數可根據性能設計標準來調整，不過調整後的安全係數 必須能夠涵蓋火災模是預測的不準度及假設條件所帶來的誤差。

五、火災情境模擬

火災條件的假設須滿足該建築物的防火設計原則，而火災情景模 擬所考慮的條件有：起火源、火載量、通風情況、人員分不及位置、

結構之稱與強度及室內設備裝修等。

六、火災模式

採用工程及物理模式來計算火式的發生及延燒過程，同時預測期 可能的煙流量及溫度，由於此一過程相當繁複，所以目前常以套裝軟 體的方式配合前處理的數據輸入及後處理的圖形介面輸出，來分析建 築體內火勢行為。

七、可行設計方案

此可行設計方案必須能夠達成最後建築物防火設計原則，且應以 量化數據說明其所有的設計項目，以利其後續的評估審議是否能滿足 該建築物的防火設計原則。

八、評估審議

一般的審議機制可包刮下列步驟：

(1) 確認經由防火設計方案的建築體可符合防火設計則。

(2) 確認該建築體在施工過程當中符合當初的設計項目及數據。

(3) 確認完成防火設計方案的單位或團體為合格的設計者。

(4) 確認該防火設計方案內所採用的預估模式測試方法及任何計算 方法為正確且適當。

(5) 確認該防火設計方案所採用的輸入數據正確且用法正確。

2-4 場模擬軟體之探討

在電腦高科技發達的今日，利用電腦模擬來進行火災研究已成為世界各國 一項主要的設計分析方法。CFD（Computational Fluid Dynamics）即是利用電 腦分析出流體流動和有關熱傳導上的問題，計算流體力學的技術，是一種在工 程上新興的數值分析方法

，它包括數學、電腦科學、工程及物理方法，並利 用這些提供流動模式的模擬方式，從中得知火場資訊，如火場溫度、煙層高度、

煙層擴散、一氧化碳濃度…等

。由這些近於真實情況的資料，除了可加強對 火場的認知外，亦可做為防火措施改善、人員避難逃生或是新設建物的設計參 考。

2-4-1 場模擬軟體之理論架構

場模式（Field Models）又稱為計算流體動力學模式（Computational Fluid Dynamics，CFD） ，其將空間劃分為大量的小格點，可為二維或三維空間的模擬。

其發展的基礎為計算燃燒學，且利用數值方法描述火災現象的動量、質量及組 成成份，並利用紊流參數等非線性偏微分方程式離散化成代數方程式，帶入輸 入條件，重複迭代計算模擬空間中細小格點之物理特性，預測火災發生過程中，

每個隔點的速度、壓力、溫度、濃度值。這些結果可用以推測當火災發生時是 否有造成向外延燒現象之可能性。

其紊流模擬方式通常可分類成三種：直接數值模擬（DNS，Direct Numerical Simulation） 、雷諾平均數值模擬（RANS，Reynolds Averaged Navier-Stokes）

以及大尺度渦流模擬（LES，Large Eddy Simulation） 。而直接數值模擬（DNS，

Direct Numerical Simulation）是直接求解流場之三維瞬態控制方程式 Navier-Stokes equations，直接得到紊流的瞬時流場，即各種尺度的隨機運 動，並非以近似解來模擬紊流，但為了模擬小尺度紊流，網格必須非常小，這 是目前電腦容量和速度都難以實現的。RANS 法則是使用紊流疏運模式

（Turbulence transport model）求解整體時間平均數之 Navier-Stokes 方程

式。大尺度渦流模擬（LES，Large Eddy Simulation）是在 1970 年初所開發作 為氣象氣流模擬應用，其假設紊流運動可以分為大尺度渦流以及次格點尺度渦 流兩部分，分別加以計算。屬於介於 DNS 與 RANS 間的一種紊流數值模擬方法。

場模式應用在室內區劃火災與室外空間火災的差別性在於初始值與邊界條 件的設定，而其所運用的計算原理原則是相同的，其運算流程如圖 2-5 所示。

圖 2-5 場模式運算流程圖^【21】 建立控制方程

確立初始條件及邊界條件 劃分計算網格、生成計算結點

建立離散方程

給定求解控制參數 求解離散方程

顯示與輸出計算結果 解是否收斂 離散初始條件及邊界條件

否

2-4-2 場模擬軟體比較分析

本研究經由蒐集電腦模擬軟體之相關文獻，彙整以場域模式計算之火災動態 模擬軟體，整理場域模式中模擬軟體的種類及各軟體之特性，分述如下：

1.CFX4

英國 AEA 公司所研發之 CFX4 場域流體模擬程式，乃針對流場、溫度場以及 濃煙分布，來建立包含連續方程式、動量方程式、能量方程式以及質傳方程式的 統御用方程式。導入有限差分法或有限體積法來做為其計計算之法則。本軟體可 以用來計算可壓縮及不可壓縮流場、層流與擾流問題、暫態與穩態、化學變化、

多相流之問題、Bubble 問題、熱傳、輻射和 moving grid。且此軟體提供許多的 users subroutines 可供使用者輸入其所需的物理參數與邊界條件設定，亦可隨 意加入 source terms 以適應使用者所需。

CFX4已被化工和製造公司認為解決流體流動、傳熱、多相流、化學反應、燃 燒等問題的工程模擬軟體，且廣泛用於工業設計中。

2.STAR-CD

Star-CD 由英國 Computational Dynamics Ltd 所研發，是一個 CFD 流體力 學的系統程式。用來計算代碼系統為可變的流程、熱和質量傳遞和化學反應的演 算在產業和環境。它是可適用的對多數類型流程，包括平穩或瞬變、層流或動盪、

不可壓縮或可壓縮－所有速度並且唯一或多層流體。

熱傳遞藉由多孔的介質來傳導及對流、傳導和輻射。STAR-CD 特別適用與複 雜與不規則用來通過對"任意" 無特定結構的濾網，可能動態地並且變形。系統 提供充分前後處理設施，包括濾網系統和結果顯示。

為一泛用型計算流體力學軟體，針對流場結構提供了精確的分析並作定性及 定量上的探討，並針對特殊問題提供各式模型方便使用者設定，如旋轉機械，燃 燒行為，兩相傳輸等。並可進行暫態，靜態的分析以及移動網格等設定。

3.PHOENICS

PHOENICS 軟體由英國 D.B.Spalding 所出版，是世界上第一套計算流體與計

算傳熱學商用軟體，它是 Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series 幾個字母的縮寫，只要有流動和傳熱都可以使用 PHOENICS 程式來類比計算。除了通用計算流體/計算傳熱學軟體應該擁有的功能 外 PHOENICS 軟體有自己獨特的功能：

（1）開放性：PHOENICS 最大限度地向用戶開放了程式，用戶可以根據需要任 意修改添加用戶程式、用戶模型。PLANT 及 INFORM 功能的引入使用戶不再 需要編寫 FORTRAN 根源程式，GROUND 程式功能使用戶修改添加模型更加任 意、方便。

（2）CAD 介面：PHOENICS 可以讀入任何 CAD 軟體的圖形檔。

（3）MOVOBJ：運動物體功能可以定義物體運動，避免了使用相對運動方法的局 限性。

（4）大量的模型選擇：20 多種湍流模型，多種多相流模型。

4.FDS

由 NIST/BFRL（美國國家標準暨技術協會火災實驗室）所研發之火災動態模 擬軟體 FDS 的理論法則是採用直接數值模擬 DNS 以及大渦流模擬 LES （Large Eddy Simulation）兩種方式，利用“空間平均＂求解 Navier-Stokes 流體方程式，該 方程式是屬於符合質量守恆、動量守恆、物種守恆以及能量守恆的流體方程式。

可提供的物理模式包括室內外之各種火災問題、建築物之排煙系統、撒水頭動 作、火災探測以及其他非壓縮流體之熱對流現象，在消防工程領域，FDS 早已經 證明它有能力模擬各種不同的火災情境。

5.JASMINE

由英國 BRE ( Building Research Establishment Ltd. )的火災及風險科 學部門所發展( Fire and Risk Sciences, FRS )，並遵循計算流體力學的方式 撰寫。著重於煙的流動、浮力、熱對流、伴隨空氣、紊流、燃燒、熱輻射及邊界 熱傳導等的模式。由於長時間的投入，JASMINE 成功的被利用到各種建築案中，

除核能電廠外，其他尚有醫院、運動場、隧道、捷運、飛機和船艦等場所。

6.SMARTFIRE

由英國GREENWICH大學的消防工程小組(Fire Safety Engineering Group，

FSEG)遵循計算流體力學的方式所撰寫之火災模擬軟體，本軟體不只為數值模擬 分析套裝軟體，也是專為火災模式所設計之軟體。SMARTFIRE軟體使用之特性如 下：

（1） SMARTFIRE的設計理念是希望這套軟體對非計算流體力學的專家也能很容 易的使用，軟體中內建智慧型的計算流體力學程式碼和智慧型的知識資料 庫。

（2）SMARTFIRE是一開放式的平台架構，可撰寫其他功能程式與其相結合。

（3）SMARTFIRE可使用結構型或非結構型網格，因此SMARTFIRE可處理複雜的火 場形狀。

（4）SMARTFIRE有和善的使用者介面(Graphical User Interface, GUI)，方便 使用者輸入火場資料。

（5）SMARTFIRE有自己的繪圖引擎(CADEngine)，可讀取AutoCad的DXF檔，可以

很容易的讓使用者建立模擬火場的形狀，節省使用者的時間與精力。

依據上述場模擬軟體之探討，針對軟體之類型與運算內容進行綜合分析，如 表2-7。

表 2-7 場模擬軟體分析表^{【30】【31】}

軟體名稱 軟體特性 運算內容

CFX4

針對流場、溫度場以及濃煙分布，來建立 包含連續方程式、動量方程式、能量方程 式以及質傳方程式的統御用方程式。

1.可壓縮及不可壓縮流場、層 流與擾流問題

2.暫態與穩態 3.多相流之問題

Star-CD

為一泛用型計算流體力學軟體，針對流場 結構提供了精確的分析並作定性及定量 上的探討，並針對特殊問題提供各式模型 方便使用者設定。並可進行暫態，靜態的 分析以及移動網格等設定。

1.熱傳分析 2.流體分析

3.不規則體之流體運算

FDS

採用直接數值模擬 DNS 以及大渦流模擬 LES 兩種方式，求 Navier-Stokes 流體方 程式解，符合質量、動量、物種以及能量 守恆的流體方程式。

1.火災成長模式 2.建築物之排煙系統 3.撒水頭動作 4.煙流運算 5.熱流運算 PHOENICS

為世界上第一套計算流體與計算傳熱學 商用軟體，只要有流動和傳熱都可以使用 PHOENICS 程式來類比計算。

1.模擬流體流動 2.熱傳遞 3.質量傳遞

JASMINE

著重於煙的流動、浮力、熱對流、伴隨空 氣、紊流、燃燒、熱輻射及邊界熱傳導等 的模式。

1.火災成長模式 2.煙的流動、浮力 3.熱對流

4.燃燒、熱輻射 2.邊界熱傳 SMARTFIRE

SMARTFIRE 可使用結構型或非結構型網 格，因此 SMARTFIRE 可處理複雜的火場形 狀

1.計算流體力學

2.火災模式所設計之軟體

2-4-3 場模擬軟體之選定

在選定本研究之火災動態模擬軟體的過程中，在對場模擬軟體中選定六款 軟體進行比較分析，分別為 CFX4、Star-CD、FDS、PHOENICS JASMINE 與 SMARTFIRE，如表 2-8，並選出一個適合之模擬軟體，作為本研究防火延燒模擬 運算評估之軟體。

表 2-8 場模式之火災動態模擬軟體比較分析表^{【30】【31】}

軟體名稱 計算內容 用途 設計目的

CFX4

1.多相流之問題 2. 可 壓 縮 與 不 可

壓縮之流場 3.暫態與穩態 4.層流與擾流

CFX4 已被化工和製造公司認為解 決流體流動、傳熱、多相流、化 學反應、燃燒等問題的工程模擬 軟體，廣泛用於工業設計中。

流體模擬

Star-CD

1.熱傳分析 2.流體分析 3. 不 規 則 體 之 流

體運算

具有幾何計算能力，可以生成和使 用任意可以想像形狀的貼體網 格，如六面體、金字塔形甚至多面 體網格。

不規則形 態之流體 力學模擬

FDS

1.火災成長模式 2.建物排煙系統 3.撒水頭動作 4.煙流運算 5.熱流運算 6.溫度運算

1.可提供室內外之各種火災問 題、建築物之排煙系統、撒水 頭動作、火災探測以及其他非 壓縮流體之熱對流現象。

2.在消防工程領域，FDS 早已證明 它有能力模擬各種不同的火災 情境。

建築火災 模擬

PHOENICS

1.流體模擬 2.熱傳導 3.質量傳遞

廣泛應用於航空航太、船舶、汽 車、暖通空調、環境、能源動力、

化工等。

流體模擬 方程式

JASMINE

1.火災成長模式 2.煙的流動 3.燃燒、熱對流、

輻射

JASMINE 被利用到各種建築案 中，除核能電廠外，其他尚有醫 院、運動場、隧道、捷運、飛機 和船艦等場所。

建築火災 模擬

SMARTFIRE 1.流體分析 2.火災模式

不只為數值模擬分析套裝軟體，

也是專位火災模式所設計之軟 體。

火災模式

經由上述表格分析，在場域模式的眾多軟體中，本研究選定FDS為場模擬主

要模擬軟體，研究中將軟體特色與限制詳細說明如下表2-9。

表2-9 FDS軟體特色與限制^【28】

使用軟體 FDS

特 色

軟體取得容易，且更新快速，FDS 可直接至NIST 網站免費下載 (http://www.nist.org），可省下不少費用，因此使用者眾多，

有機會成為強勢的火場模擬軟體。

FDS 為一開放原始碼（open source）軟體，整個程式都可為大 眾所檢視，集大眾之力可加速程式碼的正確性。

FDS 是至目前為止，較為完整且專門為火場模擬所撰寫的軟 體，在火場的模擬設定上比較簡單、迅速，可輕易建構複雜的 空間，面對複雜的火場資訊，FDS 常常可用簡單的程式即可完 成描述。

程式撰寫者與使用者間的溝通管道暢通，可為使用者遭遇的問 題作迅速的回應，並接受使用者的建議進行程式修改，因此功 能愈來愈齊全。

FDS 為一場模式火災模擬軟體，相較於區域模式，對火災現場 有更精確的模擬，而隨著電腦科技的不斷進步，逐漸解決了FDS 對電腦運算能力的要求，運算處理時間大大縮短。

NIST 建有廣泛的火場實驗資料庫，FDS 可與這些實驗進行比 對，因此程式的可靠度、準確度頗佳，足供工程使用。

FDS 具有其他軟體所沒有的撒水頭模式（Sprinkler Mode），

可以模擬裝設撒水設備對火災發展的影響，增加模擬結果的可 信度。

FDS 具有強大的後處理程式SMOKEVIEW，對火場內之溫度場、速 度場、熱傳導、熱輻射、熱對流、CO濃度、CO2濃度、能見度等 參數均能以優越的3D立體視覺效果呈現。

限 制

在FDS 的模擬情境中，不能建構圓、弧、三角形等非矩形方塊 的物體，解決辦法是利用多塊細小的矩形方塊去組合出我們想 要的物體，如此一來，和實際情形一定會有出入，自然會有誤 差。

在模擬出的暫態結果連續輸出中，若有物體在燃燒過程中燒毀 殆盡，並不會從動畫中自動移除掉，所以造成我們觀察上的困 難。

FDS 大都是依小型的火場實驗數據發展完成，因此對於相對大

型的火場的紊流解析可能會有誤差。