Tính toán Thiết kế theo Hiệu năng (PBD) theo SFPE Handbook

1. PBD khác gì với thiết kế theo quy định (prescriptive)?

Thiết kế theo quy định (prescriptive design) áp dụng các yêu cầu định lượng có sẵn trong quy chuẩn — ví dụ chiều rộng lối thoát nạn tối thiểu, khoảng cách tới lối ra gần nhất, hoặc số lượng cầu thang thoát nạn — dựa trên loại công năng và quy mô công trình. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ kiểm tra, nhưng các thông số trong quy chuẩn được xây dựng cho các trường hợp điển hình và có thể không phù hợp với công trình có hình dạng, công năng hoặc quy mô đặc biệt.

PBD là phương pháp thay thế hoặc bổ sung, áp dụng khi công trình không đáp ứng một hoặc một số yêu cầu định lượng của quy chuẩn, hoặc khi cần chứng minh một giải pháp thiết kế khác đạt mức an toàn tương đương. Thay vì kiểm tra "có đáp ứng thông số X không", PBD trả lời câu hỏi "trong kịch bản cháy được xác định, người sử dụng công trình có đủ thời gian thoát ra trước khi điều kiện môi trường trở nên nguy hiểm không". Câu trả lời được chứng minh bằng tính toán kỹ thuật, không phải bằng việc đối chiếu một bảng số liệu.

Tại Việt Nam, PBD được quy định là một phương pháp được phép áp dụng trong các trường hợp công trình không đáp ứng yêu cầu của QCVN, với điều kiện hồ sơ thiết kế phải có luận chứng kỹ thuật riêng và thường cần ý kiến của hội đồng chuyên gia hoặc cơ quan có thẩm quyền.

2. Vai trò của SFPE Handbook

SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, do Society of Fire Protection Engineers (Hiệp hội Kỹ sư Phòng cháy Hoa Kỳ) biên soạn, là tài liệu kỹ thuật tổng hợp các phương pháp tính toán dùng trong kỹ thuật PCCC. Đây không phải một quy chuẩn hay tiêu chuẩn bắt buộc áp dụng, mà là tài liệu tham khảo kỹ thuật (engineering reference) — tương tự vai trò của một sổ tay tính toán kết cấu trong ngành xây dựng.

Các nội dung trong SFPE Handbook thường được sử dụng khi tính toán PBD bao gồm:

• Phương pháp xác định và mô tả kịch bản cháy thiết kế (design fire scenarios)
• Các mô hình tính toán tốc độ giải phóng nhiệt (heat release rate) theo loại vật liệu và bố trí cháy
• Phương pháp tính lan truyền khói, nhiệt độ và tầm nhìn trong không gian công trình
• Phương pháp tính thời gian thoát nạn, bao gồm thời gian phát hiện, thời gian phản ứng và thời gian di chuyển
• Các ngưỡng giới hạn chịu đựng của con người (tenability criteria) đối với nhiệt độ, nồng độ khí độc và tầm nhìn trong khói

Trong thực hành, các nội dung này được áp dụng thông qua phần mềm mô phỏng — phổ biến nhất là FDS (Fire Dynamics Simulator) cho mô phỏng cháy và khói, và Pathfinder hoặc các phần mềm tương tự cho mô phỏng di chuyển thoát nạn.

3. Quy trình tính toán PBD

3.1. Xác định mục tiêu an toàn và tiêu chí chấp nhận

Bước đầu tiên là xác định mục tiêu thiết kế cần đạt được — thông thường là bảo đảm an toàn tính mạng cho người sử dụng công trình, hỗ trợ hoạt động chữa cháy và cứu nạn, và hạn chế thiệt hại tài sản. Từ mục tiêu này, các tiêu chí chấp nhận định lượng được xác định, ví dụ: nhiệt độ tại vùng đầu người không vượt quá một giá trị nhất định, nồng độ CO không vượt ngưỡng gây nguy hiểm trong thời gian thoát nạn, và tầm nhìn trong khói đủ để người sử dụng định hướng tới lối thoát.

3.2. Xây dựng kịch bản cháy thiết kế

Kịch bản cháy thiết kế (design fire scenario) mô tả vị trí phát sinh cháy, loại vật liệu cháy, tốc độ phát triển của đám cháy theo thời gian (đường cong heat release rate), và trạng thái của các hệ thống PCCC trong công trình tại thời điểm xảy ra cháy — ví dụ hệ thống chữa cháy tự động hoạt động hoặc không hoạt động, cửa ngăn cháy đóng hoặc mở. Việc lựa chọn kịch bản cần phản ánh các tình huống có khả năng xảy ra và mang tính bất lợi hợp lý cho công trình, không phải kịch bản cực đoan nhất về lý thuyết.

3.3. Mô phỏng cháy và khói — tính ASET

Với kịch bản cháy đã xác định, mô hình hóa được thực hiện bằng phần mềm FDS để tính toán sự lan truyền của khói, nhiệt và khí độc trong không gian công trình theo thời gian. Kết quả mô phỏng cho phép xác định thời điểm các tiêu chí chấp nhận (nhiệt độ, tầm nhìn, nồng độ khí độc) bị vượt ngưỡng tại từng vị trí trong công trình. Thời điểm sớm nhất mà điều kiện môi trường trở nên không còn an toàn cho người sử dụng được gọi là ASET (Available Safe Egress Time) — thời gian thoát nạn khả dụng.

3.4. Mô phỏng thoát nạn — tính RSET

Song song, mô hình thoát nạn được xây dựng bằng phần mềm như Pathfinder để mô phỏng quá trình người sử dụng di chuyển từ vị trí ban đầu tới lối thoát nạn an toàn. Thời gian này — RSET (Required Safe Egress Time) — bao gồm tổng của thời gian phát hiện cháy, thời gian cảnh báo và phản ứng của người sử dụng (pre-movement time), và thời gian di chuyển thực tế tới khu vực an toàn. Các thông số đầu vào như mật độ người, đặc điểm vận động (bao gồm người có khả năng vận động hạn chế nếu có), và độ quen thuộc với công trình đều ảnh hưởng đến kết quả tính toán.

3.5. So sánh ASET và RSET

Điều kiện an toàn được coi là thỏa mãn khi ASET lớn hơn RSET với một hệ số an toàn (margin of safety) phù hợp — hệ số này phản ánh các yếu tố bất định trong dữ liệu đầu vào và mô hình tính toán. Nếu ASET nhỏ hơn hoặc gần bằng RSET, phương án thiết kế cần được điều chỉnh — ví dụ tăng số lượng hoặc chiều rộng lối thoát nạn, bổ sung hệ thống hút khói, hoặc thay đổi bố trí công năng — và lặp lại quá trình tính toán cho đến khi đạt yêu cầu.

4. Khi nào công trình cần tính toán PBD

PBD thường được áp dụng cho các trường hợp sau:

• Công trình có chiều cao hoặc khối tích vượt giới hạn áp dụng trực tiếp của quy chuẩn (nhà siêu cao tầng)
• Không gian lớn, trần cao, khó áp dụng các thông số ngăn cháy hoặc hút khói theo quy định cứng (sảnh atrium, ga tàu, nhà ga sân bay, trung tâm thương mại)
• Công trình có hình dạng mặt bằng hoặc bố trí lối thoát nạn không điển hình
• Công năng hỗn hợp với mật độ sử dụng hoặc đặc điểm người sử dụng đa dạng
• Trường hợp chủ đầu tư đề xuất giải pháp thiết kế khác với quy chuẩn nhưng cần chứng minh mức an toàn tương đương

Trong các trường hợp này, báo cáo luận chứng kỹ thuật PBD là một phần của hồ sơ thiết kế trình thẩm duyệt, bên cạnh các tài liệu thiết kế PCCC thông thường.