高层建筑火灾防治理论研究的若干进展及应用.doc

全国公安消防部队高层建筑火灾扑救培训讲义高层建筑火灾防治理论研究的若干进展及应用姚斌中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室十一月二十日第一章前言31.1高层建筑火灾概况31.2高层建筑火灾重点研究的科技问题4第二章高层建筑火灾动力学特性52.1烟囱效应下羽流在竖井内上升时间62.2火灾情况下中性面位置的双区模型82.3烟气的控制10第三章高层建筑结构火灾安全123.1建筑构件耐火性能的拟定123.2火灾钢结构的热力学响应特性143.2.1钢结构受热后的应力变形143.2.2钢构件的有效屈服强度153.3热力耦合作用下典型钢结构火灾安全性能评价新方法16第四章高层建筑人员疏散204.1安全疏散准则204.2人员疏散运动时间的计算方法224.2.1经验公式法224.2.2人员疏散模型234.3模型与疏散演习的对比分析分析25第五章若干高新防治技术简介285.1阻燃聚合物/无机物纳米复合材料285.2玻璃幕墙的安全防护技术295.3防排烟系统有效性热烟测试技术315.4细水雾灭火技术32第一章 前言随着我国城市化的不断发展，大的城市群的形成，城市人口越来越密集。从总体上看，我国大陆已形成了以北京和天津为中心的京津地区特大城市群；以上海为中心、南京和杭州为次中心的长江三角洲特大城市群；以广州和香港（深圳）为中心的珠江三角洲特大城市群。由于城市人口的大量聚集，密度猛增导致了城市生产和生活用房紧张，地价昂贵，高层建筑几乎占据了整个城市建筑面积的30%-40%。高层建筑的发展，节约土地，提高了单位面积的收益率，丰富了城市的建筑类型，在美好城市环境的同时，也显示了一个城市、一个地区，甚至一个国家的建筑结构设计、施工技术设备等一系列的工业水平。城市是一个地方政治、经济和文化的中心，具有生产集中、人员集中、建筑物集中档特点。其重要的安全问题涉及社会安全、工业安全、交通安全、火灾安全、环境安全等，城市火灾是城市安全中最重要的方面，它具有突发性、复杂性、劫难性、和社会性等特点，一旦发生，不仅给人民的生命财产带来严重威胁，更为严重的是它使城市整体遭到破坏，使正常的城市行为失控、城市机能丧失、经济活动失调。由于城市不是脱离区域而独立存在的，所以火灾将会影响城市区域结构的平衡，以致对整个区域的社会经济活动带来不利影响。高层建筑火灾的发生屡见不鲜，1973年巴西圣保罗市焦马大楼发生火灾，起火因素是12层北侧一房间内空调器冒火花，在控制未果的情况下，大楼已经沉浸在一片火海当中，这场火灾死亡179人，伤300余人。尚有1996年香港嘉利大厦发生火灾，是从一个电梯井的底部烧起，由于烟囱效应的影响，火焰迅速蔓延到整个大楼，形成了一场燃烧长达21小时的大火，成为香港开埠以来高层建筑火灾燃烧时间最长，死亡人数最多的火灾。1997年11月新疆维吾尔自治区喀什市工贸中心发生火灾，从大楼南侧2楼开始烧起，不久蔓延至3楼，火焰从这两层的窗户喷出，接着蔓延到了4层，5、6层群众因此受困，在这场火灾中死亡15人，伤21人，其中2人是因跳楼摔死，直接经济损失达400万元。特别是美国9.11事件后，建筑火灾安全问题已经引起国际社会的广泛关注，成为国际建筑火灾研究的前沿和热点。1.1高层建筑火灾概况由于城市现代化水平的迅速提高和建筑行业的迅猛发展，大型、高层、特殊建筑大量涌现，建筑物使用功能日趋复杂化，建筑材料、装修材料多样化。相比之下，现有的火灾安全保障措施及体系发展相对滞后，人们的火灾安全意识也相对淡薄，这些都是高层建筑火灾存在的问题。高层建筑火灾的特点及扑救问题：（1）建筑内部功能不一，室内装饰、装修易燃、可燃材料多建筑内有很多管道、竖井、楼梯间、电梯井等，一旦发生火灾，烟雾和火苗便会通过这些部位迅速蔓延到其他楼层，易形成立体火灾；（2）建筑结构复杂、层数多、垂直和水平疏散距离长，人员需要较长时间才干疏散到安全场合；（3）结构功能复杂，起火因素多，扑救难度大，登高困难，严重制约了火情侦察、火灾扑救、人员救助和物资疏散；（4）建筑高层部位火场供水困难；（5）玻璃幕墙碎裂下落，影响战斗行动，破坏水带等消防器材，甚至导致伤亡；（6）火场指挥部与前沿阵地一线官兵，由于楼层阻隔，往往容易导致通信指挥不畅，导致战术展开及协同作战困难等；（7）也许导致建筑物的局部或整体坍塌。根据高层建筑火灾的特点和扑救问题，为了达成高层建筑火灾安全需求，需要加强火灾科学基础及防治技术研究，实现科技减灾；强化消防法律、法规，完善城市建筑设计规范；广泛开展消防安全教育，提高全社会消防安全意识。1.2高层建筑火灾重点研究的科技问题对于关键科技问题的基础研究涉及高层建筑物与城市火蔓延的机理和规律；城市重大火灾发展蔓延模型；轰燃、回燃、火旋风等特殊火行为的非线性动力学机理；火灾烟气运动及有害组分的释放与迁移；热与力综合作用下建筑结构破坏的临界条件及方式；典型公共场合火灾环境下人群行为特性、疏散规律和逃生模型。技术研究有城市火灾安全规划与风险评估方法与技术；火灾安全性能化设计方法与技术；综合性能优化的清洁高效阻燃技术；火灾初期的多信号感知与智能辨认技术；物理化学复合作用下的清洁高效灭火技术；智能烟气控制技术；基于GIS的城市安全规划、安全管理、应急预案和救援决策系统；火灾调查及物证鉴定技术。本文着重从三个方面探讨了高层建筑火灾重点研究的科技问题：火灾动力学、建筑结构安全和人员安全疏散。火灾动力学问题是研究复杂边界条件下重大建筑火灾热环境的形成和对周边建筑构件的传热；建筑结构安全问题是研究热-力耦合作用下建筑结构失效及破坏条件与模式；人员安全疏散问题是研究重大建筑火灾环境下的人员行为与疏散模型。第二章 高层建筑火灾动力学特性2.1建筑物内的烟气流动建筑物内烟气流动的形成是由于风和各种通风系统导致的压力差，以及由于温度差导致气体密度差而形成的烟囱效应，其中温差和温度变化是烟气流动最为重要的因素。（1）建筑物内通风、空调系统对建筑物内压力的影响，取决于送风和排风的平衡状况。假如各处的送风和排风是相同的，那么该系统对建筑物内的压力不会产生影响，假如某部位的送风超过排风，那里便出现增压，空气就从那里流向其他部分。反之，在排风超过供风的部位，则出现相反的现象。因此，建筑物内通风、空调系统可以按照某种预定而有益的方式设计，以控制建筑物内的烟气流动。（2）气体膨胀。温度升高而引起的气体膨胀是影响烟气流动较为重要的因素。根据气体膨胀定律，可推算出着火期间着火区域内的气体体积将扩大3倍，其中2/3气体将转移到建筑物的其他部分。并且膨胀过程发生相称迅速，并导致相称大的压力，这些压力假如不采用措施减弱，就会迫使烟气从着火层向上、向下以及水平方向流动。（3）烟囱效应。烟囱效应是由高层建筑物内外空气的密度差导致的，高层建筑的外部温度低于内部温度而形成的压力差将使空气从高层建筑的某一部位的低处进入，穿过建筑物向上流动，然后从建筑物的高处流出，这种现象称为正热压作用。在低处外部压力大于内部压力，在高处则相反，在中间某一高度，内外压力相同，即存在一个中性压力面。由烟囱效应导致的压力差和气流分布，以及中性压力面的位置，取决于建筑物内分隔物的开口对气体流动的限制限度。火灾时，由于燃烧放出大量热量，室内温度快速升高，建筑物的烟囱效应更加显著，使火灾的蔓延更加迅速。因此烟囱效应对建筑物的空气的流动起着重要作用。（4）室内风向、风力、风速对高层建筑内烟气流动有显著影响，且这种影响随建筑物的形状与规模而变化。简朴地讲，风力作用使得迎风面的墙壁经受向内的压力，而背风面和两侧的墙壁有朝外的压力，平顶层上有向上的压力。这两种压力，使空气从迎风面流入建筑物内，从背风面流出建筑物外，建筑物顶上的负压力对顶层上开口的垂直通风管道有一种吸力的作用。同时正的水平风压力促使中性面上升，负的水平风压力促使中性面下降。高层建筑往往有许多竖井，如楼梯井、电梯井、竖直机械管道及通讯槽等。在这些竖井内，气体的上升运动十分显著。楼梯井是人员疏散的重要竖向通道，保证楼梯间免受烟气侵害对于人员疏散意义重大。在高层建筑中，由于外部强风作用，有也许加剧烟气向走廊和楼梯间的蔓延。一旦烟气进入楼梯井，将导致致命伤害，因此，研究该情况下的烟气运动规律和适应于高层建筑的加压送风系统的问题很故意义和必要。在开放竖井中，由烟囱作用下羽流在井内流动的全尺寸和小尺寸实验结果对比如图2.2所示，z表达羽流高度，D表达竖井内直径，得出平均羽流无量纲量上升时间： 图2.2 全尺寸与小尺寸实验结果对比当z/D3.6时，羽流无量纲量上升时间：开放竖井中封闭竖井中 开放空间中由上述式子可以看出羽流上升速度在开放竖井中最快，封闭竖井中最慢。图2.1 封闭竖井和开放竖井内的烟气运动2.2火灾情况下中性面位置的双区模型在建筑物内，内外静压相等的建筑水平面称为中性面。中性面是高层建筑发生火灾时很重要的位置，它决定了烟气运动规律，以及人员疏散的途径，对建筑火灾中人员疏散及放排烟设施的设计及安装起着重大作用。有关烟囱效应作用下中性面定义的传统理论重要局限性在于它是在非火灾情况下建立的模型，并且假设竖井内温度均一。如图2.4，图中的灰色区域表达火源区域，由于与火源距离较近，此区域内平均温度比竖井其他部分高很多。根据这些局限性，提出了双区模型理论。双区模型（TZ1 mode）的重要建模思想就是把竖井提成两个区域：火源区（与火源较近的竖井区域）和非火源区（与火源较远的其他区域），在每个区内的温度是均一的。火灾燃烧的控制形式涉及通风控制燃烧和燃料控制燃烧，在起火初期，火区的大小与受限空间的大小相比是很小的，空气供应充足。燃烧状况处在燃料控制燃烧阶段。通风控制是受限空间的开口大小处在一定范围、火区发展到一定规模出现的现象。通风控制火灾和燃料控制火灾的临界值为：表达空气密度，是重力加速度，通风口面积，通风口高度，燃烧面积。 (2-1)在补气充足的情况下，燃料控制燃烧。通过建立质量守恒方程，可以拟定中性面的位置：竖井高度，中性面高度，为处在火源区域的竖井内高度，为非火源区域竖井内的均一温度，为火源区域竖井内的均一温度，为环境温度。 （2-2）图2.4 火灾条件下的正烟囱效应（水平箭头表达气流方向）当起火前室内的补气局限性时，火源的燃烧状况转变为由通风控制燃烧，竖井内的温度分布也许会发生改变，进而影响到中性面的位置，由式(2-4)可以看出，进入竖井内的质量流率由起火前室的开口尺寸决定，因此采用改变开口大小来研究通风条件对中性面的影响。不同通风条件下的新双区模型（TZ2 model），同样运用质量守恒定律，中性面的位置由下式计算得出： （2-3）为了验证推导的数学模型的准确性，采用美国NIST（National Institute of Standards and Technology）开发的FDS（Fire Dynamic Simulator）程序进行模拟验证。FDS是重要针对火灾驱动下的流体流动进行模拟计算。它重要采用大涡模拟(LES)方法数值求解低速的、热驱动下流动的Navier-Stokes方程,重点在于火灾中的烟气和热量的传输计算。数值模拟结果如假设相同，除了近火源区域，竖井内的温度分布是均一的，并与竖井高度成反比，与火源的释放速率成正比。根据竖井内的温度分布，可以在竖直方向上把竖井分为三个区域：近火源区、 过渡区和稳定区。由于距离火源近，所以近火源区是三个区中温度最高的。在补气充足的情况下，近火源区上方出现了一个过渡区。在这个区域，高速运动的羽流在此处撞击墙壁后形成墙壁羽流，速度方向发生改变。再向上就进入稳定区，此区内基本为速度较稳定的湍流运动。TZ1模型只合用于起火前室补气充足的情况，从图2.5可以看出，TZ2模型比TZ1模型更接近于模拟计算结果。因此，可以认为TZ2模型是判断中性面位置的一般性结论。图2.5 中性面位置随通风因子变化曲线模拟计算（CFD）结果显示出中性面高度与竖井高度之比和通风因子的关系可以被提成两个区域来讨论。在通风因子小于0.4的区域内，通风条件是决定中性面位置的重要因素，此时燃烧为通风控制；当通风因子增长到0.4以上时，起火前室的补气充足，通风条件可以被忽略，中性面高度与竖井高度之比基本不随通风因子而改变，此时燃烧为燃料控制。临界通风因子不是一个固定值，而与火源面积、火源类型等因素有关。2.3烟气的控制控制烟气有“防烟”和“排烟”两种方式。“防烟”是防止烟的进入，是被动的；相反，“排烟”是积极改变烟的流向，使之排出户外，是积极的，两者互为补充。目前采用的烟雾控制有如下措施：（1）限制烟气的产生量。防烟最佳的办法在于消除发烟的源头。因此，在高层建筑中，应设计火灾报警系统及自动灭火系统，以便尽早发现火灾，在大量浓烟产生之前扑灭火灾或控制火灾发展。同时，在选用房屋建材及装饰材料、家具时，应尽也许采用发烟性小的材料，以便火灾时，发生烟量小，发烟速度慢，现场人员相对地有较富余的逃生时间，减少对生命的威胁。（2）运用建筑物内的固定排烟设施排烟。高层建筑的排烟设施如固定的排烟机、烟塔、室内的鼓风机、电扇等都可用来排烟。高层建筑的排烟设施，是根据设计条件决定的，有的采用自然排烟方式，有的采用机械排烟方式。尚有的将自然排烟作为机械排烟的补充。自然通风排烟就是运用空气对流排烟的一种方法。着火时，可打开门窗或烟口即可排烟，必要情况下也可在建筑顶层适当位置破拆排烟口。采用此法时，应注意防止高温烟气流入建筑内的其它部位，加速烟火的扩大蔓延。机械设备排烟，除固定排烟设施外，还可运用移动的设备排烟，但使用时，要防止排烟口的热气流引燃邻近建筑及可燃物，导致二次灾害事故。因此要考虑着火房间周边的情况，烟火有无蔓延的也许，根据现场情况选择安全地段，必要时配备一定灭火力量，防止火灾蔓延扩大。由于影响排烟效果的各种因素较多，因此我们在运用建筑物排烟设施时，要根据火场实际情况和排烟设施的具体条件，有选择的加以运用。通常情况下，火灾时应迅速启动送风设备，及时排除着火层以上各层的烟雾；对楼梯间要保持正压送风；降下防烟卷帘、活动挡烟垂壁，关闭各层竖井门和防火门，防止烟气扩散，引导烟气向对灭火有利的方向流动；设有水幕设备的要启动喷洒设备，增长阻止焰火的效果。（3）喷雾水流排烟。喷雾水流排烟是一种既方便又有效的一种排烟手段和方法。这种方法，既有助于灭火，又能净化空气，还能减轻烟气对消防员的危害。使用时，一般规定是：选择在进风口的一面设立喷雾水枪，下风的一面为排烟口。并注旨在排烟口附近设立一定水枪保护，方可实行排烟。喷雾水流排烟的技术规定比较高。在走廊内排烟时，喷雾水流应将走廊的截面积所有遮住，阻止烟气的倒流，排烟时应逐步推动；在房间内排烟时，应以房间的入口处作喷雾前端，规定在能所有覆盖入口的位置上固定水枪。进入室内要注意形成负压，以防烟火倒流；如在面积较大的空间排烟时，应充足运用防火分隔物，依托防火分隔缩小进风口截面积，然后喷射水流。对于排烟一侧，需将开口部位所有开放。第三章 高层建筑结构火灾安全火灾是破坏建筑物结构安全的重要因素之一。在火灾产生的高温作用下，建筑构件的力学性能将会迅速变坏，乃至失去支撑或隔断能力。建筑结构耐火的重要作用是保证建筑物遭受火灾时仍然具有足够的整体安全性。所谓整体安全性指的是建筑主体结构不会坍塌、局部结构不受破坏。建筑物一旦发生坍塌，那么预定在该建筑物内进行的各种活动便丧失了开展的也许。在2023年美国的“911”事件中，飞机的强烈撞击使钢结构的防护层发生松动，并向建筑物倾倒了大量的燃油.在这种情况下，大楼钢构件和钢框架在燃油迅速燃烧的强烈火作用下快速软化并失去稳定性和承载能力，直至大楼整体坍塌，导致了2千多人的死亡及数千亿美元的直接损失。在2023年湖南衡阳“113”特大建筑火灾坍塌事故中，20名消防队员英勇牺牲。其主线因素是：大火燃烧时，在衡州大厦西部偏北的5根柱子损毁比较严重，5根柱子所处的地方有大量的聚乙烯，燃烧的温度比其它地方高。这5根柱子承载能力下降，在重载的压力下倒塌，继而引起3000多平方米的建筑的倒塌。建筑物是由多种类型的建筑构件组合而成的，柱、梁、墙、地板、隔板等是一些重要的构件。对于现代化建筑来说，钢结构材料已经成为重要的建筑材料。建筑构件在火灾情况下，出来承受一定的外荷载作用，还要承受热的作用。因此建筑构件必须具有足够的强度，这是保证建筑物整体安全完整性的基本条件。建筑构件的强度取决于建筑材料的性能，而建筑材料的性能会随着温度的升高而发生很大变化。例如，到550 左右时，钢材便会软化到完全丧失支撑能力。在建筑火灾中，起火室的温度往往可高达1000 左右，这样的高温势必对建筑构件的强度产生严重的影响。因此所有的建筑承重构件和重要的分隔构件都必须具有足够的抗火性。3.1建筑构件耐火性能的拟定数年来，建筑构件的耐火性能是用耐火极限表达的。所谓耐火极限指的是将建筑构件置于标准火灾环境下，从其开始受热算起到其失去支撑能力、或发生穿透性裂缝、或背火面的温度升高到设定温度(一般取为220)所经历的时间。一般选择耐火实验的标准温升曲线作为室内温升的参照值。标准火灾环境是一种人为设计的炉内燃烧环境。实验炉内的气相温度按照规定的温升曲线变化，这种温度时间变化曲线称为标准火灾温升曲线，简称标准火灾曲线。现在，耐火极限的测定已有国际标准。国际标准化组织(ISO)规定的标准火灾温升速率表达式为： (3-1)式中：为实验时间，为实验开始时刻的温度，为时刻的温度，应在540的范围内。图3.1 ISO标准规定的火灾温升曲线图3.1为相应的标准火灾温升曲线。但是有些国家也根据自己的传统和需要，制定了本国的标准。我国关于建筑构件耐火极限的国家标准中的标准火灾曲线与国际标准是一致的。为了真实反映构件性能在高温影响下的变化，通常应当用全尺寸建筑构件的试样进行实验。假如也许，还应在试件上面加上相应的荷载，例如对墙、柱和梁应垂直加载，对楼板和屋顶应均匀加载。在实验中还应对构件施加适当的边界条件和约束条件。虽然建筑构件暴露在实际火灾中与在标准实验炉中所经受的情况不一致，甚至有时相差较大，但是由于实际火灾曲线的多变性和复杂性，在建材工业部门中仍然广泛使用标准火灾曲线法来检查材料的耐火性。在需要讨论的防火分区内，所有也许受到火灾影响的耐火构件都要进行分析。构件的耐火性能重要是依据该构件在火灾中的温升状况拟定的。这些构件重要是那些所有暴露和部分暴露在火灾高温时条件下的构件。若在有导热作用下，其它一些构件也有较明显温升的话，则也应当对它们进行计算。选择合适的设定火灾功率是分析构件温升的前提。如前所述，火灾发展过程受到所在分区的环境条件与面积大小、通风口的形状与尺寸、壁面材料的热特性、室内可燃物的种类与数量状况、消防设施的类型和工作状况等多种因素的影响。应当客观考虑所有实际的因素，并且应当选择适当的方法计算火灾的发展过程。 当建筑构件置于某种特定的火灾环境中时，它的温度便会逐渐升高，由此可以求出该构件到达危险极限的时间。为了防止建筑物结构受到损坏，必须在接近此危险极限之前将火灾控制住或将火灾扑灭。假如在设定的火灾条件下，原先选用的构件在预定期间内无法避免构件到达危险极限，那么就必须对其采用其它的保护措施，甚至更换构件材料。3.2火灾钢结构的热力学响应特性一、钢结构受热后的应力变形受到火灾作用后，不同建筑构件的性能变化状况是不相同的。对于框架结构，应力变形是需要考虑的重要方面。建筑构件受到火灾的加热后，其温度将迅速上升，并发生膨胀。对于较长的构件，这重要体现为其长度伸长；另一方面，也许由于构件横截面上的温度场分布不均匀而发生弯曲。对于端部不受约束的单体构件来说，这种变形会自然表现出来；假如构件的端部受到约束，则构件内部便会出现附加热应力。当火灾加热速率很高时，这种应力可导致构件屈服强度的减少，乃至受到破坏。钢构件的导热性能好，且横截面通常不大，故其横截面上的温度分布也比较均匀，因而可以不考虑构件由于弯曲而产生的热应力。但是构件的长度变化较大，假如其端部存在限制伸长的约束，则构件内便会产生很大的热应力。 （1）端部受约束构件构件的热应力近似随着温度的升高而线性增长，当达成由细长比决定的压曲应力极限时，构件便发生压曲变形。对于一般的构件来说，其变形状况取决于施加约束的构件的力学强度。当构件端部的约束度（K值）很大时，则构件自身将发生弯曲，即使温度不是很高；当构件端部的约束度较小时，则受热构件自身不会发生大的变形，但施加约束的构件却会发生严重破坏。图3.2简要说明这两种情况。对于前者，假如无法控制梁的弯曲，势必会导致屋顶坍塌；对于后者，假如不能防止柱体向外侧的变形，就也许导致建筑物墙壁的倒塌。火灾提供的热量外加载荷P梁支柱变 形变 形a) K值较大 b) K值较小图3.2 梁的约束度与热变形火灾提供的热量外加载荷P变 形变 形梁支柱（2）钢结构框架A1A2Ai-1AiAi+1Ank1k2kiki+1knx1x2xi-xi+1-xn+1火灾火灾l1l2li-1lili+1ln图3.3 n跨钢梁框架在火灾条件下的变形对于钢梁或钢柱，还应当重点关心构件的允许屈服强度。当温度达成500以上时，钢材的屈服强度将大大减少。在许多大型建筑中，为了建造大跨度的屋顶，经常使用钢结构框架，一旦钢梁出了问题便很容易导致建筑物的坍塌。图3.3为n跨的钢梁框架的平面示意图，其下方受到火灾的作用。二、钢构件的有效屈服强度在计算处在高温作用下的钢构件的承载能力时，一般取钢材的有效屈服强度作为构件的强度指标。有效屈服强度指的是钢材在温度T时的实际屈服强度，此值的大小随着温度的变化而变化。通常按下式拟定钢材的屈服强度： (3-2)式中 ：钢材在20时的屈服强度 钢材的温度（）。在实际耐火计算中，人们最关心的是钢材温度在300750范围内的变化。钢构件在有效荷载和火烧的共同作用下达成承载能力极限状态时的正应力称为钢构件的初应力，通常用表达。在耐火计算中可认为此应力等于钢材的有效屈服强度。与材料极限状态相相应的温度称为该构件的临界温度。再用构件的设计强度f代替其在常温下的屈服强度，于是可得： (3-3)对于受到不同荷载作用的构件，其初应力的计算方法会略有差别。3.3热力耦合作用下典型钢结构火灾安全性能评价新方法热力耦合作用下典型钢结构火灾安全性能评价新方法研究真实火灾对钢结构屋面系统的影响，给出了桁架结构型式典型钢结构屋面系统的火灾安全性能评价新方法及防火设计修正算法。该方法以建筑物的火灾性能为基础设计火灾场景，计算热、力荷载共同作用下钢结构的应力应变情况，给出工程实用的抗火设计分析计算方法。该方法一方面分析并设立合理的火灾场景，用CFD软件模拟火灾场景，得到钢结构所处的温度场分布，并计算钢结构在火灾中的温升，然后计算钢结构在热力耦合作用下的应力响应特性，判断在火灾情况下结构是否失效，从而对钢结构屋面系统的火灾安全性能进行评价。若钢结构不能达成预期的耐火极根规定，则对钢结构的防火设计进行修正，然后分析钢结构在当前保护状态下抗火有效性，从而拟定合理的防火保护措施，如适当的保护面积和涂层厚度。对也许影响整体结构的关键构件,要加强保护,而受火威胁小的构件, 甚至可以不作保护。该方法的分析计算过程见图3-4。一、火灾场景及温度场的拟定一方面分析火灾危险源，拟定也许的火灾场景。根据建筑物的结构形式、功能及可燃物的分布、着火特性、数量等根据建筑物的结构、功能等情况，拟定也许发生火灾的位置、火源的大小等。通过对建筑结构、通风情况等的分析，得出是否会发生某些使火灾危险显著增大或火灾行为发生明显改变的特殊火灾场景，如火旋风、玻璃破裂等。对也许导致火灾加速、扩大，增长火灾危险的特殊场景进行重点分析。如火旋风不仅能增大火灾功率并且能使火羽流高度显著增长，使火焰直接威胁到钢结构的安全；若发生玻璃破裂等情况，则将改善通风条件而使火灾规模增大。进而分析建筑内积极防火保护系统（如水喷淋等）的合理性及有效性，结合其也许的失效概率，进一步 拟定火灾的大小和危险性等。结合上述情况，运用场模拟软件（如FDS等）对火灾过程进行模拟计算，拟定钢结构所处位置的温度场分布。二、钢结构中构件温升的计算由于钢是导热性很好的材料，轻型钢构件可假定其截面的温度分布是均匀的。无保护轻型钢构件的温升可用下式计算 （3-4）式中：为当前步的钢构件的温升；为当前步烟气温度值；为当一步钢构件温度值；为步长；为钢的比热；为钢的密度；为单位长度构件的受火表面积；为单位长度构件的体积；为对流传热系数，对于纤维类燃烧，可取；为以辐射方式由空气向构件表面的传热系数：为与着火房间有关的辐射系数；为构件表面特性有关的辐射系数。其中有保护轻型钢结构采用厚涂型防火涂料保护时的温升可用下式计算 （3-5）式中：为保护层的导热系数；为保护层的厚度；为保护层的比热；为保护层的密度；最终设计方案否是热的作用热的作用真实火灾场景局部火，侧面火等特殊火行为(火旋风等)结构形式修正结构破坏准则结构火安全设计力的作用载荷(自重、风载荷等)构件失效？否抗火保护结构形式增强抗火保护构件破坏准则图17 大剧院立面图增长积极保护措施或提高其有效性结构失效？是火灾下结构安全分析标准火水喷淋等积极保护措施的有效性钢结构屋面系统图3.4 典型钢结构屋面系统的防火设计评估方法 三、钢构件失效判据钢构件及结构失效的判据重要有：刚度判据、稳定性判据、强度判据等。刚度判据为钢构件及结构在载荷作用下所产生的形变或挠度达成或超过一定的限度，构件或结构的变形速率成为无限大。构件的稳定性重要由构件的长细比决定，长细比越大，则越容易失稳。强度判据为钢结构榀架中构件的最大应力达成或超过该温度下的屈服强度，屈服强度可由ECCS给出的高温下结构钢的屈服强度公式拟定： (3-6) (3-7)式中 常温度下钢材的屈服强度经计算分析，若所有构件都不失效，则结构安全；若部分构件失效，则进一步分析失效构件失去作用后整个结构是否失效。若整个结构不会失效，则仍认为结构安全，若结构失效，则需对结构形式进行修正或加强保护。保护形式可以是增长保护涂层从而提高构件的耐火时间、增长水喷淋等积极保护措施及提高其有效性从而限制火灾规模。最后结合建筑设计防火规范所规定的耐火时间，对达不到规范规定的情况，对结构形式进行修正或加强保护，并反复计算，直到满足规范的规定，从而拟定合理的钢结构抗火保护方案。第四章 高层建筑人员疏散随着经济的蓬勃发展和科技的日新月异，国内外高层和超高层建筑不断涌现，随之所产生的安全隐患也不断增长。在这些场合中，最大的特点就是人员众多、密集，人员流动性大，一旦发生紧急情况，就也许导致大量的人员伤亡，表4-1汇总了90年代以来重大火灾事故的人员伤亡情况。时间火灾场合失火因素直接财产损失（万元）死亡/受伤（人）1991.5.30 广东东莞兴业制衣厂烟头引燃19072/471993.2.14河北唐山林西百货大楼电焊引燃40186/631993.11.19广东深圳致丽玩具工艺厂电线短路30084/401993.12.13福建福州马尾高福纺织公司人为纵火60461/141994.6.16广东珠海前山纺织城电线短路950093/1561994.11.27辽宁阜新艺苑歌舞厅吸烟引燃30233/201994.12.8新疆克拉玛依市友谊宾馆照明引燃100323/1301995.4.24新疆乌鲁木齐水产蛋禽公司录像厅电线短路12551/142023.3.29河南焦作天堂影视厅点气引燃2074/2200.12.25河南洛阳东都大厦违章电焊150309/72023.5.7北方航空公司B2138号客机人为纵火-112/02023.2.15吉林市中百商厦烟头引燃-54/70表4.1 重大事故的人员伤亡情况由于高层建筑中热风压的存在和高层建筑火灾中火风压的产生，导致高温火烟沿各种通道，自起火层向上下部空间蔓延扩散。假如初期灭火失败，高层建筑会快速形成一根冲天火柱，危及楼内人员生命和财产安全。另一方面建筑内结构复杂，层数多、垂直和水平疏散距离长，火灾发生后，建筑物内人员如何以最短的时间安全地疏散到安全地带，是人员疏散成功的重要环节。4.1安全疏散准则常用的人员安全疏散准则如图4.2所示，当建筑物的可用安全疏散时间（ASET）大于必需安全疏散时间（RSET）时，则认为建筑物中人员可以安全疏散。图4.2 通用的人员安全疏散时间判据一、可用安全疏散时间ASET可用安全疏散时间ASET是指从起火时刻到火灾对人员安全构成危险状态的时间，重要取决于建筑结构及其材料、控火、或灭火设备等方面，与火灾的蔓延以及烟气的流动密切相关。火灾中的危险状态是指火灾环境对建筑物内人员导致严重伤害的状态。一般情况下，可用热辐射通量、烟气温度以及烟气中有毒气体的浓度来表达危险状态。热辐射通量：热通量表达辐射到表面（如人体皮肤）的有效热值的数量。实验表白，当人体接受的热辐射通量超过0.25w/cm2并连续3min以上时将导致严重灼伤。烟气温度：当上部烟气层的温度高于180时，它对人体的辐射危险将对人员导致严重伤害；当烟气层下降到与人体直接接触的高度时，对人体的危害将是直接灼伤，这种临界值约为100以上。在评估温度对人体皮肤的烧伤时，需要综合考虑皮肤的表面温度和在该温度上的暴露时间，有资料显示，导致皮肤2级烧伤时，71的皮肤暴露时间是60s，82为30s，100则为15s。有毒气体浓度：在烟气层下降到人员呼吸高度时（一般认为是1.5m左右），可根据某种有害燃烧产物的临界温度浓度判断是否达成临界危险状态，如CO浓度达成0.25%就可以对人构成严重伤害。二、必需安全疏散时间RSET必需安全疏散时间RSET是指从起火时刻起到人员疏散到安全区域的时间。紧急情况下的RSET涉及火灾探测时间、预动作时间和人员疏散运动时间，其中预动作时间又涉及结识时间和反映时间两部分。火灾探测时间采用火灾蔓延模型以及探测系统的特性可以进行计算和预测，人员疏散运动时间重要取决于人员密度、人员疏散速度、安全出口宽度等，也可以运用简朴的经验公式或者计算模型进行预测。而预动作时间则很难被准确估计，这是由于预动作时间与人员的心理行为特性、人员的年龄、对建筑物的熟悉限度、人员反映的灵敏性、甚至与人员的集群特性密切相关。4.2人员疏散运动时间的计算方法4.2.1经验公式法一、Togawa公式Togawa经验公式重要应用于人员密集的公共场合的工程计算，如式4-1。该公式中涉及两个时间要素，即人流时间和穿行时间。将人群距最近的门的距离表达为，人群的步行速度表达为V，假设当队列中的第一位疏散对象到达该出口后，队列的疏散是连贯的。则人员疏散运动时间： （4-1）式中：C表达通过疏散门的单位流量（人/ms）；表达疏散总人数；表达疏散运动时间；表达最后一道门距疏散队列之首的距离（m）；V表达人群的步行速度。式4-1可以方便地计算广泛采用楼梯的建筑物的最短疏散时间。例如，一幢设有两座出口楼梯间（有效宽度均为0.8m）的高层办公楼，至出口楼梯间的距离为40m（即假设出口离其办公位置较近）。在本案例中进行建筑物的未加控制的安全疏散时，设定楼梯的有效宽度内的平均流量为1.1人/（m.s），并设未受阻的速度为1.0m/s（沿楼梯斜面）是合理的。于是人流时间为568s，穿行时间为40s，则最短疏散时间为608s或10.13min。二、Melinek和Booth公式Melinek和Booth提出的人员疏散经验公式重要用来计算高层建筑的最短总体疏散时间。公式中考虑两个不同的情况：人口密度较低的建筑物中，两楼层之间的穿行时间大于同一层楼上的所有人进入出口的人流时间；人口密度较高的建筑物中，人员从同一楼层进入出口的人流时间大于楼层间的穿行时间。将多层建筑视作一简易模型，并假设所有建筑物中待疏散人员均等候在出口楼梯处，然后开始疏散，离开地面层的人并不会减少从上面楼层下来的人流速率。Melinek和Booth的经验公式中的安全疏散时间有人流时间和穿行时间两部分时间组成，其中人流时间表达人群通过楼梯的排队等候时间，而穿行时间则是人员穿过楼梯的时间。完整的经验公式如4-2所示 （4-2）其中表达r层及以上楼层人员的最短疏散运动时间；表达第i层上的人数；表达人第r-1层和第r层之间的楼梯间的宽度；C表达下楼梯时单位宽度的人流速率（即楼梯的通行速率）；为行动不受阻的人群下一层楼的时间，通常设为16s。公式4-2右边第一项为人流时间，第二项为楼梯中的穿行时间。公式4-2给出了（r=1n）的n个值，就整幢建筑物而言，最短疏散运动时间等于这些中的最大值。假如每层楼上的人数和楼梯间宽度均相等时，那么所以r层中的，式4-2将演变为： （4-3）若，那么当r=1时，为最大值，则 （4-4） 若，那么当r=n时，为最大值，则 （4-5）4.2.2人员疏散模型人员疏散模型的研究建立在人员正常情况和紧急情况下运动的量化研究的基础之上，国内外的研究人员开发了一系列各具特色的人员疏散模型。这些模型有其各自的合用场合。例如Fire-CAMTM合用于办公楼及公寓楼式建筑、EXIT89合用于高层建筑、BFIRES重要针对医疗类型的建筑。 人员疏散模型共有四种分类方法，分别为按照模型的应用、人员特性的表达方法、人员行为的决定方法和物理空间的模化方法。按