基于性能评估的历史街区防火体系研究*

黄惠菁

历史街区、历史保护建筑蕴含了古人营城和建造的智慧，是城市历史文化基因的重要载体。从1933年《雅典宪章》、1964年《威尼斯宪章》到2007年《北京宪章》对历史遗产保护理念、方法和制度的探索从未止步。

截至2022年3月，全国拥有141座历史文化名城。广东省共有8个国家级历史文化名城，16个省级名城。2022年广州共有7个名镇名村、26片历史文化街区、828处历史建筑、30个传统村落。存量土地开发的时代，“可持续保护观念”的内涵不仅是简单地把建筑放入或变为博物馆，还需考虑如何将物化品质的保护、提升与生活方式的转变、提升相结合，以达到据实为用、以用促保的目的。面对历史文化遗产，如果像对待新建建筑一样的设计思路，采用现行规范去解决历史保护、品质提升和消防保护等综合性问题，势必会造成实施措施不当，甚至会对历史文化价值要素带来不可逆的破坏。

2019年我国建设工程消防设计审查验收职责由应急管理部移交住建部负责，这一职能管理部门的变化也促进了建筑消防由单一的消防工程学转为建筑科学领域，促进了多学科交叉进行火灾研究成为主要方向。火灾防灾并不是一个新生事物，古人营城的方略中不乏其防灾减灾的科学技术。古代城市及其建筑的防火减灾规划策略、措施总是与其经济发展、城市管理，以及建筑形式、材料、技术的发展是互制互促的（表1）。梁思成在《闲话文物建筑的重修与维护》的文章中均提出了“带病延年”的观念2）。龙庆忠在《建筑图解力学》、《中国古建筑防灾措施》等论著中总结了历朝历代古代城市和“寓救于防、寓防于建”的防灾学观点[1]。两位学者面对历史保护建筑防灾和修缮的问题，共同点在于两个方面：如医治老者，因循其特点和建构逻辑进行保护、修缮和改造，切忌用力过猛；
需系统性地将消防技术措施与预防性管理进行整合，并得以应用。

表1 古代城市与建筑防火技术与现代防火技术措施的关联[2-4]

1.1 国内相关研究

对比国内文物建筑和历史风貌建筑的防火研究，将预防性消防措施纳入历史文化遗产保护措施范畴的论点并不存在异议，但根本性问题在于上位历史保护研究缺乏系统性和多学科融合的法规建设。历史保护的专有名词定义、历史保护的价值要素梳理、历史保护建筑结构受力体系原理、古城市古村落建设原理、技术成因等缺乏深度挖掘，结合项目推进的研究往往颗粒度较粗，导致后续的保护、修缮和改造工作无的放矢，也容易造成历史线索因调研不足，其历史价值被严重低估而遭到破坏的后果。如在永庆坊二期、广州沙面等地段，仅对建筑分类和立面风貌的保护要素进行了梳理，建筑结构、室内构件等要素梳理不具体、不清晰，多交留并考验建设方、建筑师等自身的修养。

1.2 国外相关研究的启迪与局限

我国现行的消防规范主要参照了美国、日本、英国相关法律体系。比较中西建筑消防措施的差异主要在于：

其一，价值理念和研究方法的差异。日本的历史保护的重点在于传统技艺的继承与延续，相比火灾预防措施更重视火灾后可以重修的技术能力。欧美的建筑法律体系，如《加州历史建筑法》、《历史建筑防火》和英《BSI防火标准》BS09999，强调了措施性防火设计（合规性消防设计）和建筑防火性能指标量化设计（特殊消防设计）相结合的方法[5]。国内《建规》均为措施性防火设计，在历史保护存在大量的矛盾性问题（图1）

图1 现行消防规范与历史保护建筑的价值要素保护要求在建筑空间、建造材料和设施的三大矛盾问题

其二，建筑材料和布局的差异。不同于砖石结构，中国传统建筑大多为木结构或砖木结构，建筑群的布局也较欧洲美国古建筑的密度高，美国历史建筑主要为独栋或院落式布局。因此在制定具体消防措施时应基于历史保护建筑的固有特征进行性能的分析，以满足消防安全目标和实现历史保护性目标。

其三，法规编制和监管体系的差异。美国FM和NFPA系列规范是保险公司监督和实施的主要依据，中国消防法规的编制和实施、监管等工作均由政府相关部门为主导，因此在防控观念上存在着防火止损和全面保护的差异，在技术领域存在着侧重研究与测试和侧重全面措施的差异。

历史保护涉及到历史街区、历史地段、历史保护建筑和历史文化名村、名镇、工业遗产等，以及其划定范围内的所有价值要素，在可持续的保护观念[6]的前提下，防火的目标需兼顾保护历史遗产（即价值要素）与人身生命安全。

然而，明清时期及解放前所保存下来的建筑多为砖木结构，大量钢木结构构件和装饰构件被列为价值要素受到保护（表2），而活化利用的功能调整行为导致区域人员密集场所[7，8]和火灾危险性场所迅速增加，原有建筑耐火等级较低，火灾时，因火灾荷载较大极易发生大面积火灾蔓延[9]。木质受力构件受到火烧或高温辐射后，承载能力受损将产生结构性倒塌，同样威胁到生命安全。历史街区高密度的地段肌理被列为历史保护价值要素，狭窄曲折的巷道为不熟悉场地的客人带来了极大的风险，大型消防车道难以进入并及时到达火场，也增加了消防扑救和人员疏散难度（图2、3）。

表2 历史街区整体消防措施体系与商业步行街消防设计体系的借鉴关系

图2 永庆坊二期恩宁路历史文化地段文化保护元素分布示意图

图3 广州永庆坊二期现场调研报告照片

面对以上的矛盾问题，通过模拟计算进行性能化评估，确定建筑耐火性能（包括建筑构件燃烧性能和耐火极限，结构体系防火安全性能）、疏散时间与距离、扑救抵达时间与距离3个性能指标，以判断火灾风险等级，最后确定达到中低风险等级的整体性能化策略和具体措施。性能化策略着重4个关键技术的研究，以达到预期整体防火性能目标。第一，构建历史保护、活化利用、消防保护三者的顶层设计逻辑、互制体系和工作措施，形成历史保护评价的全体系框架，为前期定性评估提供依据；
第二，在查验、检测和定性定量评估的基础上，建立综合评估体系、火灾风险评估指标体系，并作为智慧消防监控平台的需求框架；
第三，基于防止火灾蔓延的关键技术和热辐射强度实验模拟，提出了全专业、全过程适宜性措施和性能化结合的整体消防防控方法；
最后，通过明确实施原则和制定工作流程，实现政策性试验平台的搭建。

2.1 整体消防策略

历史街区整体消防策略[10]与措施体系主要借鉴了地下商业步行街消防设计体系思路。分别从消防基础设施总体布局、防止火灾蔓延的措施、保障安全疏散与火灾救援、配置消防设施设备、防排烟设计要求、消防全周期管理6个方面，采用性能化火灾风险评估的手段进行推演（表2）。

2.2 建筑分类及顶层逻辑建设

历史街区内的建筑类型较为复杂，作为研究对象，除新建建筑和原址复建建筑外，将其统称为历史保护建筑4），并按照保护价值分为三类。同时，整合《广州市历史文化名城保护条例》等相关规定，将预保护期内的线索建筑纳入保护分类[14-16]，目的是减少因无知而导致的历史保护建筑被人为损害的风险。其中，在保护一类中除文物建筑外增加了有特殊保护要求的历史保护建筑，二者均需依照文物保护的相关规定。保护二类包括了历史建筑以及预保护期内的历史建筑线索，适用于保护工程、功能活化的工程行为，但不适用于利用工程。保护三类包括传统风貌建筑以及预保护期内的传统风貌建筑线索，历史街区、村落等保护规划中保护线内的其他建筑，包括非生产类、非仓储类的工业遗产建筑，以及因城市肌理要求而受到保护的建筑）。第三类适用范围最广，包括保护、功能活化与利用工程。

历史保护、消防保护、活化利用建设行为三者的相互限定措施（图4、表3）是指对于历史保护要求严格的项目，如果其消防措施不能满足相关规范、标准，其消防水平无法达到性能化目标时，则要求对其工程建设行为，即其场所的使用功能进行限定，特别是老幼病残等行为不便人士（特殊人群）活动场所和火灾危险性场所。例如人员密集场所，幼、老、无障碍人士功能性场所，医疗、教育等共六类业态场所，既属于火灾危险性较高的场所，也属于人员密集或特殊人群场所[7，8]。在规划设计方面，需要优先布局在消防车可达的区域或者室外安全区域一侧；
在管理方面，如不能满足国家规范中的二类耐火等级或疏散要求的任何一条，均需要实行人员限定措施，同时须对用火、用电等行为加强监管，或者不得在此场所设置上述功能，以保障消防监控和救援的到位。

图4 历史保护、活化利用、消防保护三者顶层逻辑示意图

表3 历史保护价值要素的火灾影响因子[11]54-57

2.3 多学科综合评估体系与火灾风险评估体系

考虑到岭南地区山水相依、湿热多虫的地理气候特征和历史街区建筑密度大的特点，砖木结构的安全需要将木结构防火、防止火灾蔓延与防范虫害和水、潮汽引起的结构性损害结合考量。另一方面，传统木结构、钢木结构体系多为超静定结构，在进行结构体系或的构件耐火验算时，需先行建立温度场与结构应力场耦合关系对结构整体的稳定性和承载力进行定量评估，而后才能确定其加固和防火保护方案。因此，针对不同领域功能需求、技术规范、实施措施相互割裂、不系统的问题，提出了先诊断后给方的工作流程，并确立了历史价值、结构安全（包括抗震、防风等）、消防等、防洪、防虫、防潮、防水相结合的综合评估体系。为实现最小干预、整体适度消防的双保护目标，事前、事中、事后评估均可采用同一火灾风险评估清单[17]，特别是事前综合评估可实现先诊断后给方的工作流程。

调研和前期评估的目的是从源头厘清引发火灾的诱因和风险源，列出火灾风险隐患清单。虽然据广州市应急支队2020年发布的《近十年群死群伤火灾情况分析》统计，超过一半的火灾发生于商业娱乐建筑内，大部分原因是电气设备老化引起的，但火灾统计数据仍显不足，因此，火灾风险评估采用半定量方法[18]，通过三级评价因子进行火灾风险等级的综合评估。

设计评估阶段，还需根据分类建立火灾模型和疏散计算软件对建筑火灾后果进行模拟计算，即在设计措施实施前提下对火灾蔓延的面积、速度以及人员疏散的时间进行模拟计算和进行对比评估，以作为性能达标与否的判定依据，由此明确适宜性消防措施[19]。模拟计算中，在设计火灾场景时，火源所在位置、根据可燃物情况预估火灾发展速率、火灾最大热释放速率[18]、消防设施配备和反应动作的速率等要素，由此，设计之前，对查勘评估的信息摸查和建筑材料的耐火等级试验，尤为重要。

由于文物建筑有其独立的主管部门和法规[13]，评估主要用于保护二类、三类建筑，包括工程基本信息、消防救援能力与设施（占比25%）、防火能力及人员疏散能力（占比35%）、机电系统及设施（占比15%）、火灾危险源管理及布局情况（占比15%）、防排烟（占比3%）、管理（占比10%）6个方面，28个二级分项，多项三级评估项[11]50-53。同时，综合考虑政策和管理力度，结合心理学、行为学方面的研究，提出了火灾风险评价的修正因素、性能化优选措施（表4）。具体项目可以根据消防救援条件、建筑防火及疏散条件、消防设施、火灾危险源控制、防排烟设施、管理，共6个方面的具体分值进行评估，总分值少于70分或二级分项单项缺失，则列为高风险项目，需要进行重新设计整改和评估。

表4 火灾风险评价的修正因素、优选措施（历史街区及其历史保护建筑）

这一思路也具体体现在结构安全鉴定和防火性能的评估中，对于钢结构或木结构构件来说，往往既有严格的历史保护要求，又有严格耐火极限要求，难以两全。因此，消防设计评估需根据建筑场所的业态、空间高度、通风情况等使用功能和材料物理特质，进行构件或结构体系的承载力和耐火验算，以确定其加固和防火保护方案，并结合实验进行专项消防设计评估。

2.5 防控火灾蔓延的建筑设计策略

历史街区的建筑密集，建筑中大量采用易燃的木材作为梁柱等受力构件，室内火灾极易从门窗洞口以及屋顶处烧穿，通过飞火和热辐射向邻近建筑蔓延火灾[10]。古人多采取封火墙、不可燃的瓦质材料进行屋面隔火，并在室外设置水缸、房前引入水源、挖池塘等措施以利灭火并防止火灾蔓延。经改造后，历史街区拥有大量人流和大量商业餐饮功能，大量使用明火，室内可燃物增加并呈随机离散布置的状态，而河涌等水体因水量、水质均无法保障而不能被利用，这无疑都大大提高了区域的火灾危险性[20]。

借鉴古人营城防灾学理念，提出了3个层次的防止火灾蔓延界面：第一，设置防火分区。第二，延用建筑组团防火，提出建筑组团占地面积总和不宜大于2500m2。第三，结合地下大型商业防火分隔的理念和地段消防车通行的间距要求，增设防火控制区，多层建筑占地不宜超过20000m2，高层建筑占地不宜超过5000m2，进一步将火灾规模控制在消防车可达区域，并鼓励采用消防车道、河道以及广场等开敞空间进行分隔，部分可采用防火墙分隔。

火灾的蔓延方式有飞火、延烧、热传导、热辐射等。高密度的建筑布局肌理是受历史保护的价值要素，建筑之间、组团之间的防火间距难以按照《建规》相关规定执行。在永庆坊二期的项目中，FDS模拟（火灾动力学模拟工具）通过计算墙体热辐射强度（图5），进而推算火灾热传递过程的增长、蔓延速度，以联合判定与疏散时间的耦合关系[10，21]。因此，设计评估中通过根据建筑构件材料情况、室内设置自动喷水系统的情况和模拟计算的热辐射强度指标，综合建筑耐火时间、疏散路径与时间、扑救抵达路径与时间，才能判断不同间距条件下建筑外墙门窗洞口处防止火灾蔓延的技术措施[22]39，是否满足人员安全和遗产安全的性能目标。

图5 建筑侧墙不同距离处热辐射强度分布图[15]59-60

2.6 多义的巷道空间设计

虽然微型消防站和消防水池、消防泵房、消防控制室等区域消防基础设施的研究业已成熟，并发挥了良好的效应[21][22]28-29，在研究中依旧进一步深化了3分钟救援体系，要求配备专职消防队员。

街区的巷道狭窄、曲折、建筑间距小等因素将导致巷道内浓烟、飞火和热辐射等威胁[23]31，这些威胁同时作用于消防救援与疏散人员的生命安全。因此，研究借鉴商业步行街的消防理念，历史街区内建筑室外的巷道不能视作安全区域，其疏散距离应包括人员从室内最不利点到达室外的距离（图6），还应包括到达室外安全区域的距离（图7），室外疏散距离不应超过60m。由此，研究首次提出含有两级疏散的“整体疏散原则”，同时要求巷道兼做扑救和疏散的路径，配套设置指向区域疏散安全区的疏散指示标志、障碍警示标志、照明和消防应急广播设施，提出排烟限定要求，同时要求室外安全区（包括宽阔的道路和广场）的宽度应符合防火间距要求，广场或开放空间的净面积不应小于169m2。

图6 广州宾馆改造后防烟楼梯间示意图

图7 佛山岭南天地一期巷道内人员疏散方向示意图

以上两项措施保障了区域消防救援与人员疏散的可行性和高效性。

2.7 技术、管理双控

借鉴古人设计与管理双控的理念，在项目运营阶段建立了安全风险预警机制，根据建筑功能业态的风险等级实施消防管理，其重点在于危险源管控和人员管控[12]。将火灾风险评估与日常安全管理、物联网技术相结合[20]，目的是将消防智慧管理平台被纳入体系化建设的范畴，以形成全专业、全过程适宜性措施和性能化整体消防防控方法[24]，全面提升消防预、控、救水平。

体系建设还包括了优化工作流程和政府各部门职能分工的梳理。通过明确实施原则和制定适应营商环境的工作流程、提交资料要求，明确消防设施建设管理责任，确立住房城乡建设、规划和自然资源、公安、消防救援、应急管理、市场监管、文化广电旅游等部门和各区政府部门的职责分工，进行政策性试验试行。

综合以上思路，历史街区基于火灾风险和性能评估的整体防火策略，其创新性在于3个方面：

第一，将消防安全工程学与规划学、建筑学、城市防灾、古建研究等知识体系进行整合。通过研究火灾统计数据和古建筑营城、建造的经验，揭示高密度历史街区建筑发生火灾内、外在影响因素。针对历史街区保护要求模糊，而群体建筑的密度高、耐火等级低易延烧，且难以实施扑救的矛盾问题，建立了保护建筑分类、价值要素分类、工程建设行为分类、活化利用业态火灾危险性分类，四个分类体系，为历史保护建筑的前期定性评估提供依据，并形成历史保护、活化利用、消防保护三者的顶层设计逻辑、互制体系和工作措施。

第二，基于查验、检测方法的火灾风险评估的指标和权重体系，也成为智慧消防智控平台的需求框架。通过模拟进行火灾风险评估，并采用Delphi法和层次分析法，以构建评估指标及权重体系。一方面，用以支撑关于历史保护建筑消防的跨领域系统性解决方案；
另一方面，对于修缮项目，在优于原安全水平的基础上，在建设时序上需保障权重较高的子项优先实施。

第三，基于对建筑改造利用情况、防火性能、火灾危险性的定性、定量研究，运用火灾安全工程学原理，提出整体消防防控方法的同时，兼顾提升了规划、建筑消防设计的灵活性与经济性，提出技术与管理相结合的适宜性消防设计措施，包括防止火灾蔓延，消防扑救与疏散合一，技术、管理双控三个关键技术。包括了防止火灾蔓延，消防扑救与疏散合一，技术、管理双控三个关键技术。

随着城市化进程和存量经济时代的来临，基于火灾风险和性能评估的整体防火体系的应用在两方面具有拓展的前景。其一，这一方法论不仅适用于历史街区和历史保护建筑，对于既有建筑的改造项目也具有借鉴价值（图8）。既有建筑也可视为老者医病，先体检评估再诊断，根据改造、修缮、室内装修等建设行为的分类需求，采取适宜的防火措施。其二，对于高密火灾风险的评估则逐步需要与城市灾害（地震、风灾、水灾等）评估相结合，避免城市灾害的连锁效应；
消防措施的选定也从建筑单体逐渐转向区域规划尺度的资源统筹，进行辅助决策，最终形成一个数字化智慧管理平台。

图8 贵港人民医院学术交流中心新旧建筑之间防火间距示意

图、表来源

表1：作者基于参考文献[4-6]整理绘制；

表2：作者绘制（其中，“历史街区整体消防措施体系重点措施”基于参考文献[1]整理绘制；
“《建规》中商业步行街的消防设计措施”基于参考文献[10]整理绘制；

表3：作者基于参考文献[1]整理绘制；

图2：引自国家消防工程技术研究中心《广州恩宁路历史文化地段永庆坊二期改造项目特殊消防设计研究报告》；

图7：作者基于香港瑞安集团《佛山岭南天地特殊消防设计研究报告》整理绘制；

图8 作者基于华南理工大学建筑学院陈坚提供资料整理绘制；

其余图、表均由作者绘制。

注释

1）“基于性能评估的历史街区防火体系研究”是2019年住建部2020-R-024基于绿色发展导向的城市人居环境质量评价研究的一个子课题；
《历史保护建筑防火技术规程》是子课题的研究成果之一。

2）现行国家消防规范、标准主要指的是《建筑设计防火规范》GB 50016、《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251、《建筑给水排水设计规范》GB50242等。

3）根据原有研究成果，确定当室内采用自动喷水灭火系统时，可提高建筑外维护结构达到与自动喷淋系统相同时间的耐火极限，因此可认为建筑整体耐火等级达二级。

4）历史街区内的建筑类型较为复杂，为厘清研究对象并分类制定相关消防措施，除新建建筑和原址复建建筑外，将其统称为历史保护建筑（existing historical building），即有历史保护要求的建筑，以明确价值要素、区别于“假古董”，并避免受到人为破坏。历史保护建筑包括文物保护单位、不可移动文物、历史建筑和传统风貌建筑等，以及在各类历史文化街区、历史风貌区、历史文化名镇、历史文化名村、传统村落保护规划划定的核心保护范围内的法定保护对象、与历史风貌无冲突的其他建筑物（含预保护期内的历史建筑线索和传统风貌建筑线索）、与历史风貌有冲突并采取拆除重建方式以符合历史风貌保护要求的其他建筑物。其中，文物保护单位、不可移动文物均需依照文物保护的相关规定执行。

5）贵港人民医院学术交流中心为华南理工大学建筑学院陈坚老师与广东省规划设计研究院有限公司联合创作的既有建筑改造项目。

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