2023年973標書-城市高層建筑重大火災防控關鍵基礎問題研究

工程名稱：城市高層建筑重大火災防控關鍵根底問題研究首席科學家：孫金華中國科學技術大學起止年限：依托部門：中國科學院一、關鍵科學問題及研究內(nèi)容提升高層建筑對火災的自防自救能力，是實現(xiàn)高層建筑火災平安的最有效途徑和關鍵。為此，本工程擬科學認識高層建筑火災的演化規(guī)律，研究火災對建筑結構與人員等承災載體的影響與作用，揭示高層建筑火災的致災機理；科學認識常用外墻保溫材料的火災特性并建立其火災平安評價方法和標準；開展火災立體蔓延的阻隔技術和建筑結構的抗火方法，提高建筑自身對火災的防御能力；開展耦合煙氣控制的高層建筑多模式協(xié)同人群疏散和優(yōu)化疏導方法，提高火災情況下人群疏散效率和自救能力?；谝陨险J識，確立本工程擬解決如下三個關鍵科學問題，各關鍵科學問題的有機關聯(lián)如圖1所示。一、建筑外墻保溫材料的火災特性和平安設計二、高層建筑的立體火蔓延及其對建筑結構的損傷機制三、高層建筑多作用力耦合驅(qū)動的火災煙氣輸運及多模式協(xié)同的人群疏散材料燃燒與平安設計減災途徑材料燃燒與平安設計減災途徑減災途徑火蔓延阻隔與結構抗火煙氣控制與人群疏散減災途徑圖1關鍵科學問題的有機關聯(lián)和重點突破各關鍵科學問題的科學內(nèi)涵和主要研究內(nèi)容為：關鍵科學問題1：建筑外墻保溫材料的火災特性和平安設計當前我國建筑外墻保溫主要使用聚苯乙烯和聚氨酯泡沫等有機材料，大量火災案例說明，這類保溫材料火蔓延速度非?？欤⑨尫懦龃罅坑卸?、有害煙氣，且聚苯乙烯燃燒易熔融形成流淌火，形成多向蔓延模式，表現(xiàn)出與一般火災向上蔓延模式的不同特點。因此，如何有效降低外墻保溫材料的可燃性和有毒煙氣的釋放是急需解決的關鍵問題。本工程將揭示火災條件下外墻保溫材料的熔融流淌、熱解著火和有毒煙氣生成規(guī)律，建立外墻保溫材料的火災危險性評價方法和標準，在此根底上，從分子設計與結構調(diào)控等方面出發(fā)，探索有效降低燃燒熱釋放速率和有毒有害燃燒產(chǎn)物生成的物理化學原理，開展外墻保溫材料的平安設計方法。本關鍵科學問題的解決，可為“保溫材料平安設計〞的目標提供理論和技術原理支撐。關鍵科學問題2：高層建筑的立體火蔓延及其對建筑結構的損傷機制高層建筑的立體火蔓延危害巨大，其火行為規(guī)律與對建筑結構的損傷機制有待認識。開口火溢流的火焰高度、溫度、流場結構等特性參數(shù)和外立面垂直火蔓延行為不僅受到熱浮力、外界風等的耦合作用，同時還受到建筑結構如挑檐、窗檻墻的影響?；馂牡姆蔷鶆驈娮儫崃鲿垢邔咏ㄖP鍵構件和節(jié)點的溫度、應力、應變呈現(xiàn)復雜分布，誘發(fā)玻璃等脆性材料迅速破裂，并可能造成承重構件等彈塑性材料發(fā)生疲勞損傷和變形，導致結構失效甚至坍塌。因此，亟需科學認識高層建筑外立面火災的引燃過程和機制，建立環(huán)境風及水平、垂直阻隔措施耦合作用下開口火溢流、外立面火蔓延，以及外立面火向室內(nèi)蔓延的行為模型；揭示高層建筑中關鍵構件和節(jié)點在火災作用下的熱力響應規(guī)律與失效機制，開展高層建筑結構失效預測模型，以及關鍵構件和節(jié)點的防護技術與建筑綜合抗火能力評價方法。本關鍵科學問題的解決，可為實現(xiàn)“火蔓延阻隔與結構平安〞的目標提供科學支撐。關鍵科學問題3：高層建筑多作用力耦合驅(qū)動的火災煙氣輸運及多模式協(xié)同的人群疏散有毒有害煙氣是導致火災中人員傷亡的最主要原因。高層建筑電梯井、樓梯等豎向通道的煙囪效應、電梯豎井的活塞效應、環(huán)境風以及熱浮力等耦合作用，對煙氣輸運及控制具有重要影響。高層建筑人群疏散研究不僅需要考慮人員行為，還要考慮火災煙氣蔓延過程和控制措施的效能，人群疏散建模仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的工作。將電梯用于高層建筑火災情況下的人員疏散，是目前被認為可有效提高人群疏散效率的重要途徑，但如何實現(xiàn)火災環(huán)境下電梯疏散的平安保障和優(yōu)化調(diào)度，并綜合考慮樓梯、電梯和避難層〔區(qū)〕的設置，發(fā)揮多信息耦合和智能誘導作用，實現(xiàn)高層建筑多模式協(xié)同疏散及優(yōu)化疏導仍是一大難點。因此，亟需揭示高層建筑多作用力耦合驅(qū)動下火災煙氣的輸運規(guī)律，開展適用于不同空間尺度、復雜性結構和邊界〔初始〕條件的高層建筑火災煙氣輸運數(shù)值預測方法，以及多技術協(xié)同的火災煙氣控制方法；研究高層建筑樓梯與電梯區(qū)域人群運動的根本特征，以及火災煙氣和疏導信息對人群疏散行為的影響機制，揭示高層建筑中綜合樓梯、電梯、避難層〔區(qū)〕的人群多模式協(xié)同疏散規(guī)律，開展基于多信息耦合和智能誘導的動態(tài)疏導方法。本關鍵科學問題的解決，可為實現(xiàn)“煙氣控制與人員平安〞目標提供科學支撐。二、預期目標1.總體目標〔1〕科學認識高層建筑火災的致災機理，提升我國火災科學理論水平，完善火災科學理論體系。通過本工程的研究，將在科學認識高層建筑火災的演化規(guī)律，揭示火災〔火與煙氣〕對承災載體〔建筑、人〕的作用機制，實現(xiàn)高層建筑火災的綜合防控這三個方面取得突破，進而通過研究這三者間的相互關聯(lián)性，構筑高層建筑火災平安的理論體系，提升我國火災科學研究的理論水平，為實現(xiàn)我國高層建筑火災平安提供理論支撐?！?〕提升高層建筑自身對重大火災的防控能力和火災平安度。本工程面向城市高層建筑重大火災防控的迫切需求，首先科學認識常用外墻保溫材料的火災危害性，開展外墻保溫材料的平安設計方法；其次將耦合建筑結構設計與防滅火設施，實現(xiàn)有效控制高層建筑火與煙氣蔓延的目標；最后將開展火災環(huán)境下人群的多模式協(xié)同疏散和優(yōu)化疏導方法，提高人群疏散的效率和平安性。即本工程將從三個層次構筑起高層建筑重大火災防控的三道防線，實現(xiàn)火災防治技術途徑的創(chuàng)新和突破?！?〕凝聚一支具有承當國家重大任務和國際競爭力的研究團隊。通過工程的研究，將凝聚一支在我國火災科學和消防工程研究領域具有創(chuàng)新思想、團結進取，以及具有承當國家重大任務和國際競爭力的研究團隊，使我國火災平安科技整體研究水平保持世界前列，在國際火災科學界持續(xù)占有重要的一席之地。2.五年目標理論層面的目標揭示外墻保溫材料的引燃機制、有毒有害氣體的生成機理以及多參數(shù)耦合作用下的火蔓延規(guī)律。揭示熱浮力、慣性力和環(huán)境風等作用下建筑外立面火蔓延行為規(guī)律，建立環(huán)境風作用下高層建筑外立面火蔓延的理論模型。揭示外立面火向建筑內(nèi)部蔓延的行為規(guī)律，以及建筑外墻結構對立體火蔓延的阻隔機制。揭示高層建筑中關鍵構件和節(jié)點在火災非均勻強變熱流與力共同作用下的熱響應規(guī)律、失效機制，以及構件的破壞與整體結構失效之間的關聯(lián)性。揭示高層建筑復雜空間內(nèi)多作用力耦合驅(qū)動下火災煙氣的輸運規(guī)律，開展高層建筑火災煙氣輸運的多尺度數(shù)值計算方法。闡析高層建筑樓梯與電梯區(qū)域人群運動根本特征和火災條件下人群疏散的規(guī)律性，揭示火災煙氣對高層建筑人群疏散行為的影響機制。技術根底層面的目標開展外墻保溫材料的火災危險性評價技術方法和標準，及其平安設計方法。開展耦合建筑結構設計、水噴淋等的高層建筑立體火蔓延阻隔技術。開展耦合加壓送風、水〔霧〕幕分隔、機械和自然排煙等多技術協(xié)同的高層建筑火災煙氣控制方法。開展高層建筑關鍵構件和節(jié)點的失效預測、防護技術與綜合抗火能力評價方法。開展火災環(huán)境下耦合電梯、樓梯及避難層〔區(qū)〕的多模式協(xié)同人群疏散技術。研究成果和人才培養(yǎng)的具體指標編寫學術專著2-3部。發(fā)表學術論文300篇以上，SCI、EI論文200篇以上，其中在國際燃燒和火災科學領域頂級期刊以及SCI高影響區(qū)期刊論文50篇以上。主持或參與起草〔修訂〕國家標準或標準3項以上，申請〔或授權〕創(chuàng)造專利20項以上。通過工程的實施，凝聚一支團結合作、富有朝氣和創(chuàng)新精神的火災科學根底理論和高新技術的研究團隊，培養(yǎng)1-2名在本研究領域具有國際影響力的科學家，力爭有2-3名學術骨干入選各類國家級人才方案，培養(yǎng)博士和出站博士后80人以上。三、研究方案1.學術思路本工程通過分別研究高層建筑火災的演化規(guī)律、火與煙氣對承災載體的作用和高層建筑火災防控方法所包含的共性關鍵科學問題，以及上述三者間的相互影響與關聯(lián)性，提出了如圖2的“三角形〞總體學術思路。火災演化火災演化高層建筑火災平安高層建筑火災平安綜合防控承災載體綜合防控承災載體圖2工程的“三角形〞總體學術思路高層建筑火災的演化規(guī)律。綜合考慮高層建筑的結構特點和復雜環(huán)境因素，剖析高層建筑火災的共性規(guī)律和特殊性，科學認識高層建筑外墻保溫材料的火災危險性和多參數(shù)耦合作用下火蔓延和煙氣輸運的動力學行為。火與煙氣對承災載體的作用。揭示火災作用下高層建筑關鍵構件和節(jié)點的失效機制，開展高層建筑結構抗火能力綜合評估方法；揭示高層建筑內(nèi)火災煙氣對人群疏散的影響規(guī)律，開展高層建筑人群疏散模型。高層建筑火災的防控方法。以火災對承災載體〔建筑、人〕的影響和作用機制研究為突破點，開展火災立體蔓延的阻隔技術和建筑結構的抗火方法，以及耦合煙氣控制的高層建筑多模式協(xié)同人群疏散和優(yōu)化疏導方法。以上高層建筑火災的演化規(guī)律、火災對承災載體的作用和火災的防控方法研究彼此相互關聯(lián)，互為支撐。本工程的研究方案正是針對以上各種關聯(lián)關系中剖析出的關鍵問題逐步開展的。技術途徑〔圖3〕圖3工程的總體技術方案外墻保溫材料火災危險性及其平安設計方法綜合利用同步輻射光電離質(zhì)譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、熱分析儀等，捕捉常用外墻保溫材料分解、燃燒過程中的中間產(chǎn)物，分析其氣相產(chǎn)物生成規(guī)律，揭示HCN等毒性產(chǎn)物生成機理，建立其燃燒和熱解的動力學模型；利用火災早期特性、火蔓延等實驗臺和全尺寸熱釋放速率實驗臺，研究材料在復雜環(huán)境因素作用下的著火和火蔓延特性，開展其火災平安性評價方法和標準，并建立其火災特性數(shù)據(jù)庫。在此根底上，從分子設計與結構調(diào)控等方面出發(fā)，探索有效降低其燃燒熱釋放速率和有毒有害燃燒產(chǎn)物的物理化學原理，開展外墻保溫材料的平安設計方法。高層建筑的立體火蔓延行為及其阻控機制利用圖像〔高速及紋影攝像和粒子示蹤技術〕分析技術，結合離子探針及微細熱電偶測量技術，研究測量表征固體外表火蔓延本質(zhì)特性的氣相火焰結構、固體可燃物內(nèi)部熱解區(qū)結構的變化規(guī)律；根據(jù)高層建筑的結構特點，利用高層建筑外立面開口火溢流實驗臺、高層建筑火災模擬實驗樓等大〔全〕尺寸實驗平臺，并結合火蔓延傳播機制研究的精細實驗臺，模擬高層建筑外立面可燃物條件，開展復雜條件下的相似性模擬實驗和全尺寸實驗，研究高層建筑火災中強熱流和復雜氣流等耦合作用下火蔓延規(guī)律，受限空間外立面開口火溢流的卷吸機理，以及環(huán)境風作用下高層建筑外立面火蔓延以及外立面火向室內(nèi)蔓延的行為規(guī)律，進而研究防火挑檐、窗檻墻等對火蔓延的阻隔機制及其關鍵技術參數(shù)。高層建筑內(nèi)多作用力耦合驅(qū)動下火災煙氣的輸運規(guī)律與控制利用全尺寸大空間實驗廳、建筑火災模擬實驗樓和高層建筑豎井、樓梯井模擬實驗臺等，建立高層建筑復雜結構形式的縮尺比例模型，開展不同燃料條件、內(nèi)部建筑結構、復雜環(huán)境氣流和強熱流耦合條件下火災煙氣輸運過程模擬實驗研究，并利用現(xiàn)有高層建筑，開展熱煙蔓延的全尺寸驗證性試驗，開展高層建筑火災煙氣輸運的動力學模型。在理論分析的根底上，實驗研究加壓送風、水幕、機械排煙和自然排煙的效能和耦合作用機制，開展多技術優(yōu)化協(xié)同的高層建筑火災煙氣控制方法和人員疏散路徑保護方法。借助數(shù)值模擬技術，重點開展耦合前處理網(wǎng)格運算和動網(wǎng)格運算〔動態(tài)分層模型、局部重劃模型等〕的適于火災浮力驅(qū)動的動態(tài)網(wǎng)格運算優(yōu)化模型，將區(qū)域模擬、網(wǎng)絡模擬與基于多級過濾的多尺度大渦模擬〔LES〕、雷諾平均〔RNS〕的場模擬方法相結合，研究適用于不同空間尺度、復雜性結構和邊界〔初始〕條件的高層建筑內(nèi)火災煙氣輸運數(shù)值預測方法。火災非均勻強變熱流作用下高層建筑結構的損傷機制與防護技術利用水平構件抗火試驗爐、豎向構件抗火試驗爐、開合可移動式整體結構抗火試驗爐、熱力耦合實驗臺和結構抗火實驗系統(tǒng)，研究建筑構件在火災非均勻強變熱流條件下的溫度場與應力場變化規(guī)律，以及溫度場和應力場耦合的熱-力響應規(guī)律，揭示火災條件下建筑結構的失效機制。利用ISO9705標準實驗臺和玻璃受熱破裂分析系統(tǒng)，研究玻璃及幕墻結構在火災非均勻受熱和風壓等條件下的破裂機理，開展火災環(huán)境下防止玻璃內(nèi)部產(chǎn)生熱應力的技術方法。在理論分析和實驗研究的根底上，開展熱-力耦合作用下建筑構件〔結構〕內(nèi)的溫度、應力、應變復雜分布規(guī)律的數(shù)值預測方法，建立火災誘發(fā)建筑結構失效的預測模型和綜合抗火能力評價方法?；馂沫h(huán)境下高層建筑中人群的多模式協(xié)同疏散及優(yōu)化疏導首先，設計和開展疏散實驗，研究測定人員在使用高層建筑的疏散樓梯、電梯和避難層〔區(qū)〕過程中的人群運動特征，揭示高層建筑火災不同階段的典型疏散行為〔如向上避難、歸巢行為等〕及其演變特征。在認識這些特征的根底上，綜合電梯、樓梯、避難區(qū)和避難層，并考慮綜合視頻傳感信息、人員群體行為、火警信息、全路徑平安評估、博弈行為決策等條件，通過理論分析建立完整的高層建筑智能疏散體系的物理模型和模擬方法。進而，基于火災演化規(guī)律、人員定位技術、建筑結構信息〔疏散樓梯、避難層、疏散電梯等〕，建立建筑內(nèi)的綜合危險度分布函數(shù)，然后通過構造該危險度分布函數(shù)的勢函數(shù)，根據(jù)該勢函數(shù)梯度分布研究最優(yōu)化的疏散路徑方向和疏散方案；該疏散方案一方面會通過建筑內(nèi)的多種智能疏散指示標志將疏散路徑信息告知樓內(nèi)的受困人員，另一方面會提供應參與現(xiàn)場救援的指揮控制人員，由他們進行人工疏散指揮，從而實現(xiàn)人與計算機的綜合決策，并利用疏散模型結果將人員的運動趨勢反應到綜合危險度分布函數(shù)中，更新優(yōu)化疏散路徑，調(diào)整疏散方案。最后，綜合考慮火災動力學演變規(guī)律，開展各種疏散路徑保護方法，并通過實驗和模型的比照研究，開展多信息智能誘導動態(tài)優(yōu)化疏導方法。本工程的創(chuàng)新點與特色與國內(nèi)外同類研究相比，本工程的創(chuàng)新點及特色表達在：本工程針對高層建筑重大火災防控的關鍵根底問題，提出了高層建筑火災平安的“三角形〞學術思想，系統(tǒng)研究高層建筑復雜條件下重大火災的演化規(guī)律、火災對承災載體的作用機制和火災的綜合控制方法及其三者間的相互影響與關聯(lián)性，這是同國內(nèi)外同類研究相比在科學思想上的創(chuàng)新。在火災的演化規(guī)律方面，本工程將揭示外墻保溫材料在輻射、環(huán)境風等因素耦合作用下的引燃與火蔓延機理，以及毒性氣體的生成機制；揭示開口火溢流熱浮力、慣性力和環(huán)境風等作用下建筑外立面火蔓延，以及外立面火向建筑內(nèi)部蔓延的行為規(guī)律；揭示高層建筑內(nèi)多作用力耦合驅(qū)動下火災煙氣的輸運規(guī)律，開展適用于高層建筑復雜空間和邊界條件的火災煙氣輸運多尺度數(shù)值預測平臺。這是對建筑火災動力學演化理論的開展和完善。在火災對承災載體的作用機制方面，本工程將揭示建筑外墻結構對立體火蔓延的阻隔機制，開展多技術優(yōu)化協(xié)同的高層建筑火災煙氣控制方法；構建火災條件下高層建筑關鍵構件和節(jié)點的力學行為模型，開展高層建筑結構失效預測方法。由原有的標準火條件下單一建筑構件失效研究向火災環(huán)境下建筑結構整體變形、破壞乃至坍塌的失效行為研究拓展。在火災綜合防控方面，本工程擬從“保溫材料平安設計〞、“火蔓延阻隔結構平安〞和“煙氣控制與人員平安〞三個方面取得突破，開展高層建筑重大火災的防控技術和方法，這是系統(tǒng)提升高層建筑自身對重大火災的防控能力的技術思路突破。在“保溫材料平安設計〞方面，本工程將在系統(tǒng)研究外墻保溫材料火災危險性的根底上，建立其火平安性評價方法和標準；綜合利用分子設計、結構調(diào)控等技術手段，開展外墻保溫材料的火災平安設計方法。在“火蔓延阻隔與結構平安〞方面，本工程將開展耦合建筑結構設計〔窗檻墻、防火挑檐等〕和控〔滅〕火技術的高層建筑立體火蔓延的阻控方法，提出對建筑關鍵構件和節(jié)點的防護方法。在“煙氣控制與人員平安〞方面，本工程將研究高層建筑樓梯與電梯區(qū)域人群運動根本特征和規(guī)律性，揭示火災煙氣對高層建筑人群疏散行為的影響機制，開展耦合電梯、樓梯及避難層〔區(qū)〕的多模式疏散與優(yōu)化疏導技術。可行性分析本工程根據(jù)目前我國高層建筑火災的特點及其防控關鍵環(huán)節(jié)中的理論和技術需求，凝練出了關鍵科學問題，提出了工程研究內(nèi)容；各關鍵科學問題和研究內(nèi)容之間緊密關聯(lián)，并共同效勞于提升高層建筑對重大火災的自防自救能力的總目標。并提出了實現(xiàn)高層建筑火災平安的“三角形〞學術思想，工程目標明確，定位準確，思路清晰，研究方案合理可行。根據(jù)擬解決的關鍵科學問題和研究目標，遴選出了承當本工程的優(yōu)勢單位，包括中國科學技術大學、清華大學、同濟大學、中國建筑科學研究院、公安部〔天津、上海、四川、沈陽〕消防研究所、安徽建筑工業(yè)學院等科研單位，具備本工程研究所需的先進研究平臺，為本工程提供了完備的支撐條件。本工程的研究隊伍是在2002年啟動的973工程“火災動力學演化與防治根底〞〔2002-2006〕研究隊伍的根底上經(jīng)過優(yōu)化組合，并吸收了同濟大學、中國建筑科學研究院、安徽建筑工業(yè)學院等國內(nèi)火災研究的優(yōu)勢單位，形成了一支以高水平的學術帶頭人為核心，以年輕博士群體為骨干，擁有多領域多學科交叉的特色、根底研究與應用研究相結合、老中青相結合的研究隊伍。長期以來，形成了良好的團隊合作精神和自由、創(chuàng)新的學術氣氛，各單位間已建立起良好的合作關系，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補和強強聯(lián)合。本工程的研究對象和研究內(nèi)容是上一個973工程的拓展和延伸。上一個973工程積累了一批具有我國特點的根本數(shù)據(jù)資料，取得了一批在國際上有影響的研究成果，在本工程的相關研究方面已有豐富的成果積累，為本工程奠定了堅實的工作根底。本工程具有良好的國際交流與合作氣氛，研究隊伍已與美國、歐盟、日本、澳大利亞、香港和臺灣等國家和地區(qū)建立了實質(zhì)性合作網(wǎng)絡，為本工程在把握國際前沿方面奠定了堅實根底。綜上所述，本工程直接面向國家高層建筑重大火災防控的迫切需求，在科研積累、實驗裝備、信息資料、研究隊伍建設和國內(nèi)外學術合作等諸方面已經(jīng)有了很好的根底，在凝練科學問題、研究目標和技術路線方面已有成熟思路，具備了在高層建筑火災的致災機理與防控根底研究方面取得重大突破的能力。課題間的關系課題的設置思路按照工程目標和主要研究內(nèi)容，考慮到承當單位的優(yōu)勢及相對獨立地承當課題，本工程設置5個課題。各課題的研究內(nèi)容有機關聯(lián)、緊密協(xié)同，共同效勞于提升高層建筑對火災的自防自救能力這一總目標，工程的目標、關鍵科學問題和課題之間的層次與相互關系如圖4所示。關鍵科學問題關鍵科學問題城市高層建筑重大火災的致災機理、減災途徑與防控方法國家重大需求課題設置工程總目標高層建筑多作用力耦合驅(qū)動的火災煙氣輸運及多模式協(xié)同的人群疏散建筑外墻保溫材料的火災特性和平安設計高層建筑的立體火蔓延及其對建筑結構的損傷機制課題1：建筑外墻保溫材料的火災特性和平安設計課題5:高層建筑火災中人群的多模式協(xié)同疏散及優(yōu)化疏導課題4：多作用力耦合驅(qū)動的高層建筑火災煙氣輸運規(guī)律與控制課題2：高層建筑立體火蔓延行為及其阻隔機制課題3火災作用下高層建筑關鍵構件和節(jié)點的損傷機制與防護提升高層建筑對火災的自防自救能力圖4.目標、關鍵科學問題與課題的層次關系課題設置與總目標的集成關系針對建筑外墻保溫材料火災平安問題設置1個課題。重點研究常用外墻保溫材料的火災危險性，建立外墻保溫材料火災危險性評價及其平安設計方法，該課題主要解決關鍵科學問題1，可為課題2、3、4提供研究根底。針對高層建筑火災行為及結構平安問題設置2個課題〔課題2、3〕。課題2重點研究高層建筑立體火蔓延的行為規(guī)律，開展火蔓延的有效阻隔方法；課題3主要研究火災環(huán)境下高層建筑關鍵構件和節(jié)點的熱力響應規(guī)律、失效機制和防護方法，以及建筑構件與整體結構失效之間的關聯(lián)性，建立高層建筑綜合抗火性能評價方法。這兩個課題緊密關聯(lián)，共同解決關鍵科學問題2。課題2是課題4的研究根底，課題3可為課題5提供關鍵參數(shù)。針對高層建筑煙氣蔓延與人員平安問題設置2個課題〔課題4、5〕。課題4重點研究熱浮力、復雜氣流慣性力和環(huán)境風壓等多作用力耦合驅(qū)動下高層建筑復雜結構內(nèi)火災煙氣輸運規(guī)律，開展多技術協(xié)同的火災煙氣控制方法；課題5主要研究火災條件下高層建筑內(nèi)人群疏散的規(guī)律性，開展電梯、樓梯及避難層〔區(qū)〕等多模式協(xié)同的疏散和疏導技術方法。這兩個課題緊密關聯(lián)，共同解決關鍵科學問題3。同時，以上課題的設置又緊緊圍繞“提升高層建筑對火災的自防自救能力〞這一總目標，課題1、2、3重點從建筑保溫材料平安設計、火蔓延阻隔與結構抗火方面提升高層建筑對火災的自防能力，課題4、5那么重點從煙氣控制、降低其對人員的危害和人群高效疏散方面提升高層建筑火災時人員的自救能力；“自防〞與“自救〞緊密關聯(lián)，“自防〞為“自救〞提供更充裕的時間保證，而“自救〞那么反過來又對“自防〞提出更進一步的優(yōu)化要求，兩者相互耦合、協(xié)同促進，共同效勞于高層建筑火災平安的國家重大需求。課題設置課題1：建筑外墻保溫材料的火災特性與平安設計研究目標：揭示常用外墻保溫材料的燃燒行為與火災危險性；探索抑制外墻保溫材料熔融、分解和流淌、降低燃燒熱釋放速率、抑制和消除有毒有害產(chǎn)物的物理和化學耦合作用機制；開展外墻保溫材料的火災平安性評價和設計方法。研究內(nèi)容：常用外墻保溫材料的燃燒行為與火災危險性研究EPS、XPS、PU等常用有機外墻保溫材料在溫度、風速、輻射強度等多因素耦合影響下的受熱熔融、分解、著火和燃燒行為，以及HCN等有毒有害氣體的生成機理和條件，建立其燃燒速率、產(chǎn)煙速率和毒性氣體生成速率的理論預測模型。外墻保溫材料的火災平安性評價方法與標準研究不同環(huán)境條件下外墻保溫材料組成和結構的演變規(guī)律及其燃燒特性的變化規(guī)律；開展外墻保溫材料火災特性的多尺度模擬實驗方法與分析技術，建立外墻保溫材料的火災平安性評價方法。外墻保溫材料的平安設計方法從分子設計與結構調(diào)控等方面出發(fā)，探索抑制外墻保溫材料熔融、分解和流淌、促進快速交聯(lián)成炭、降低燃燒熱釋放量、抑制和消除有毒有害產(chǎn)物的物理和化學耦合作用機制，開展外墻保溫材料的平安設計方法。課題承當單位：中國科學技術大學、天津消防研究所、四川消防研究所課題負責人：胡源主要學術骨干：張和平、張清林、齊飛、李風、謝啟源經(jīng)費比例：20%課題2：高層建筑立體火蔓延行為及其阻隔機制研究目標：建立高層建筑外立面典型可燃材料的引燃臨界判據(jù)和數(shù)學物理模型；揭示在不同建筑結構、燃料條件和環(huán)境風作用下建筑開口火溢流、外立面火蔓延及其向建筑內(nèi)部蔓延的行為規(guī)律；開展有效阻隔外立面垂直火蔓延與內(nèi)外相互蔓延的技術方法。研究內(nèi)容：高層建筑外立面的引燃機制研究不同邊界和環(huán)境條件下高溫顆粒〔焊花、煙火等〕引燃典型可燃保溫材料的機制、臨界判據(jù)和數(shù)學物理模型；研究建筑開口火溢流的卷吸行為、流場結構與特征參數(shù)分布特征；揭示開口火溢流對外立面保溫材料和系統(tǒng)的引燃機制。外立面火蔓延及其向室內(nèi)蔓延行為揭示高層建筑外立面火蔓延的傳熱主控機制，建立耦合熱浮力、環(huán)境氣流、外墻結構特征與外墻保溫材料熔融特性的外立面火蔓延模型；揭示環(huán)境風與熱浮力等耦合作用下外立面火向建筑內(nèi)部蔓延的行為規(guī)律。高層建筑立體火蔓延的阻隔方法分析熱浮力和環(huán)境風耦合作用下，窗檻墻、防火挑檐等外墻結構對開口火溢流特征參數(shù)與垂直火蔓延規(guī)律的影響，揭示水噴淋對外立面火及其向內(nèi)部蔓延的抑制機制，開展耦合窗檻墻、防火挑檐和水噴淋的立體火蔓延阻隔技術方法。課題承當單位：中國科學技術大學、中國建筑科學研究院課題負責人：孫金華主要學術骨干：劉乃安、李引擎、張永明、胡隆華、陳海翔經(jīng)費比例：24.1%課題3：火災作用下高層建筑關鍵構件和節(jié)點的損傷機制與防護研究目標：揭示火災強變熱流作用下高層建筑關鍵構件和節(jié)點的熱力響應規(guī)律與失效機制，及其與結構整體失效的關聯(lián)性；建立火災作用下高層建筑結構失效的預測模型，開展關鍵構件和節(jié)點的防護技術與綜合抗火能力評價方法。研究內(nèi)容：火災作用下玻璃幕墻的破裂機制及其防護技術研究非均勻受熱條件下玻璃破裂與脫落的隨機性和確定性規(guī)律，揭示玻璃幕墻的安裝方式與參數(shù)對玻璃破裂行為的影響機制；揭示防護膜對玻璃破裂與脫落時間的延遲機理。火災環(huán)境下高層建筑關鍵構件和節(jié)點的損傷機制基于結構魯棒性，開展影響高層建筑整體平安和穩(wěn)定性的關鍵構件和節(jié)點識別方法，研究關鍵構件和節(jié)點在火災熱流—應力作用路徑下的抗火能力與敏感性因素，建立關鍵構件和節(jié)點等的失效預測模型。高層建筑綜合抗火能力評價方法基于結構體系的整體集成度、傳力路徑的冗余度、關鍵節(jié)點的平安度，分析火災環(huán)境下高層建筑結構的易損性，以及建筑構件與整體結構失效之間的關聯(lián)性；研究火災作用下高層建筑結構體系的失效指標和概率，建立高層建筑綜合抗火能力評價方法。課題承當單位：清華大學、同濟大學、安徽建筑工業(yè)學院課題負責人：韓林海主要學術骨干：程樺、肖建莊、陸新征、何陵輝經(jīng)費比例：15.3%課題4：多作用力耦合驅(qū)動的高層建筑火災煙氣輸運規(guī)律與控制研究目標：揭示熱浮力、慣性力和環(huán)境風壓等多作用力耦合驅(qū)動下高層建筑內(nèi)火災煙氣輸運規(guī)律，開展適用于不同空間尺度、復雜性結構和邊界〔初始〕條件的高層建筑火災煙氣輸運數(shù)值預測方法，以及多技術協(xié)同的火災煙氣控制方法。研究內(nèi)容：多作用力耦合驅(qū)動的高層建筑復雜空間火災煙氣輸運規(guī)律揭示高層建筑內(nèi)電梯豎井活塞效應、豎向通道煙囪效應對火災煙氣蔓延的影響機制；研究火災熱浮力、機械通風、環(huán)境風壓等多作用力耦合驅(qū)動下火災煙氣的輸運規(guī)律，建立高層建筑復雜空間火災煙氣輸運模型。高層建筑火災煙氣輸運的多尺度數(shù)值預測方法耦合靜態(tài)和動態(tài)網(wǎng)格運算，將區(qū)域模擬、網(wǎng)絡模擬、雷諾平均〔RNS〕與大渦模擬〔LES〕方法相結合，建立適用于不同空間尺度、復雜性結構和邊界〔初始〕條件的高層建筑火災煙氣輸運數(shù)值預測方法與平臺。多技術協(xié)同的高層建筑火災煙氣控制方法揭示加壓送風、水〔霧〕幕分隔、機械和自然排煙等對高層建筑火災煙氣蔓延的耦合影響機制，建立多技術協(xié)同的火災煙氣控制方法，開展高層建筑火災煙氣控制系統(tǒng)的效能評估模型與優(yōu)化設計方法。課題承當單位：中國科學技術大學、清華大學課題負責人：楊立中主要學術骨干：范維澄、蔣勇、王喜世、楊銳、紀杰經(jīng)費比例：19.2%課題5：高層建筑火災中人群的多模式協(xié)同疏散及優(yōu)化疏導研究目標：研究高層建筑樓梯與電梯區(qū)域人群運動的根本特征，以及火災煙氣和疏導信息對人群疏散行為的影響機制，揭示高層建筑中綜合樓梯、電梯、避難層〔區(qū)〕的人群多模式協(xié)同疏散規(guī)律，開展基于多信息耦合和智能誘導的動態(tài)疏導方法。研究內(nèi)容：高層建筑火災煙氣環(huán)境中樓梯與電梯區(qū)域人群疏散行為研究高層建筑樓梯和電梯區(qū)域人群疏散的個體和群體運動行為，以及人群運動受火災煙氣的影響規(guī)律，揭示高層建筑火災不同階段的典型疏散行為〔如向上避難、歸巢行為等〕及其演變特征。多模式協(xié)同的高層建筑人群疏散規(guī)律與模型研究火災情況下高層建筑內(nèi)人群的水平、垂直及相向運動的相互作用機制，綜合考慮電梯、樓梯、避難區(qū)〔層〕，并耦合視頻信息、火警信息、路徑平安信息、人員博弈與決策行為，建立多模式協(xié)同的高層建筑人群疏散模型和模擬方法?；诙嘈畔Ⅰ詈虾椭悄苷T導的高層建筑動態(tài)疏導方法揭示聲、光和圖形等誘導信號對高層建筑人群疏散行為的耦合作用規(guī)律，研究人員分布、電梯和樓梯的使用比例以及避難層〔區(qū)〕設置參數(shù)對疏散效率的影響；研究結合火災動力學規(guī)律的疏散路徑保護技術，開展基于多信息耦合和智能誘導的動態(tài)疏導方法。課題承當單位：清華大學、上海消防研究所、沈陽消防研究所、中國科學技術大學課題負責人：張輝主要學術骨干：宋衛(wèi)國、閔永林、宋希偉、翁文國、陳濤、朱霽平經(jīng)費比例：21.4%四、年度方案研究內(nèi)容預期目標第一年開展廣泛的文獻查閱和國內(nèi)外相關科技調(diào)研工作；尤其是充分調(diào)研國外高層建筑防火研究和實踐已有的經(jīng)驗和成果。研究EPS、XPS、PU等常用外墻保溫材料在溫度、風速、輻射強度等多因素耦合影響下的受熱熔融、分解、著火和燃燒行為。研究抑制外墻保溫材料熔融、流淌、熱解、燃燒和火蔓延的物理和化學耦合作用機制。研究不同邊界和環(huán)境條件下高溫顆粒引燃外立面典型可燃材料的機制。研究建筑外立面開口火焰溢出的條件，分析高層建筑外立面火蔓延的傳熱過程。研究非均勻受熱條件下玻璃破裂與脫落的隨機性和確定性雙重規(guī)律。分析高層建筑的典型結構形式，并基于結構魯棒性，分析影響其整體平安和穩(wěn)定性的關鍵構件和節(jié)點。研究高層建筑內(nèi)電梯豎井活塞效應、豎向通道煙囪效應對火災煙氣蔓延的影響規(guī)律。研究高層建筑樓梯和電梯區(qū)域人群疏散的個體和群體運動特性，并統(tǒng)計分析其行為規(guī)律。揭示常用保溫材料在溫度、風速、輻射強度等多因素耦合影響下的火災燃燒特性。揭示抑制典型外墻保溫材料熔融、流淌熱解、燃燒和火蔓延的作用機制。建立高溫顆粒引燃特性的表征模型，揭示外立面開口火焰溢出的臨界條件，揭示外立面火蔓延的傳熱主控機制。揭示玻璃幕墻參數(shù)對玻璃破裂行為的影響機制。建立影響高層建筑整體平安和穩(wěn)定性的關鍵構件和節(jié)點識別方法。建立活塞效應、煙囪效應作用下高層建筑豎向通道內(nèi)的火災煙氣輸運模型。獲得高層建筑樓梯和電梯區(qū)域的人群疏散行為特征。發(fā)表論文50篇，SCI、EI論文37篇，其中在國際燃燒和火災科學領域頂級期刊以及SCI高影響區(qū)期刊論文9篇，申請創(chuàng)造專利2項以上，培養(yǎng)博士或者博士后14名。第二年研究不同環(huán)境條件下常用保溫材料組成、結構和燃燒特性的變化規(guī)律，獲取相關的火災特性根底數(shù)據(jù)。研究降低外墻保溫材料的可燃性和燃燒熱、抑制其有毒煙氣生成和促進成炭的物理和化學耦合的作用機制。研究高溫顆粒引燃外立面可燃材料的臨界條件；以及熱浮力、環(huán)境氣流、外墻結構特征等對外立面火蔓延的影響。研究外立面開口火溢流的火焰高度、溫度等特征參數(shù)的分布和演化規(guī)律。研究火災環(huán)境下不同防護措施作用下玻璃幕墻的耐高溫性能。研究關鍵構件和節(jié)點在火災熱流—應力作用路徑下的抗火能力與敏感性因素。研究火災熱浮力、機械通風、環(huán)境風壓等多作用力耦合驅(qū)動下火災煙氣的輸運規(guī)律與數(shù)值計算方法。研究高層建筑樓梯和電梯區(qū)域人群疏散運動受火災煙氣的影響規(guī)律。研究火災情況下高層建筑內(nèi)人群的水平、垂直及相向運動的相互作用機制。研究不同環(huán)境條件下常用保溫材料組成、結構和燃燒特性的變化規(guī)律，獲取相關的火災特性根底數(shù)據(jù)。揭示降低外墻保溫材料的可燃性和燃燒熱、抑制其有毒煙氣生成和促進成炭的作用機制。建立不同邊界和環(huán)境條件下高溫顆粒引燃典型可燃材料的機制、臨界判據(jù)和數(shù)學物理模型。揭示外立面開口火溢流的特征參數(shù)演化規(guī)律，并建立其數(shù)學物理表征模型。揭示外立面垂直火蔓延的主控傳熱機制并建立其預測模型。揭示防護技術對玻璃破裂與脫落時間的延遲機理。揭示高層建筑中關鍵結構連接節(jié)點的耐火性能，確定其荷載-變形-受火時間關系模型。建立高層建筑復雜空間火災煙氣輸運模型。建立人群受火災煙氣影響規(guī)律模型和建筑內(nèi)的綜合危險度分布函數(shù)。發(fā)表論文67篇，SCI、EI論文41篇，其中在國際燃燒和火災科學領域頂級期刊以及SCI高影響區(qū)期刊論文13篇，申請創(chuàng)造專利6項以上，培養(yǎng)博士或者博士后14名。完成工程的中期評估。第三年研究常用有機外墻保溫材料燃燒速率、產(chǎn)煙速率和毒性氣體生成速率與外界環(huán)境、材料特性參數(shù)的關聯(lián)關系。研究不同環(huán)境條件下外墻保溫材料熔融、流淌、熱解、燃燒、火蔓延、發(fā)煙等火災特性的尺度效應與形成機制。研究環(huán)境風與熱浮力等耦合作用下外立面火向建筑內(nèi)部蔓延的行為規(guī)律。研究熱浮力和環(huán)境風耦合作用下，窗檻墻、防火挑檐等外墻結構對開口火溢流特征參數(shù)與垂直火蔓延規(guī)律的影響?；诮Y構體系的整體集成度、傳力路徑的冗余度、關鍵節(jié)點的平安度，分析火災環(huán)境下高層建筑結構的易損性。耦合靜態(tài)和動態(tài)網(wǎng)格運算以及多種數(shù)值計算方法，研究高層建筑復雜條件的火災煙氣蔓延