国家自然基金标书-城市高层建筑重大火灾防控关键基础问题研究.DocVIP

项目名称： 城市高层建筑重大火灾防控关键基础问题研究 首席科学家： 孙金华 中国科学技术大学 起止年限： 2012.1-2016.8 依托部门： 中国科学院 一、关键科学问题及研究内容 提升高层建筑对火灾的自防自救能力，是实现高层建筑火灾安全的最有效途径和关键。为此，本项目拟科学认识高层建筑火灾的演化规律，研究火灾对建筑结构与人员等承灾载体的影响与作用，揭示高层建筑火灾的致灾机理；科学认识常用外墙保温材料的火灾特性并建立其火灾安全评价方法和标准；发展火灾立体蔓延的阻隔技术和建筑结构的抗火方法，提高建筑自身对火灾的防御能力；发展耦合烟气控制的高层建筑多模式协同人群疏散和优化疏导方法，提高火灾情况下人群疏散效率和自救能力。 基于以上认识，确立本项目拟解决如下三个关键科学问题，各关键科学问题的有机关联如图1所示。 一、建筑外墙保温材料的火灾特性和安全设计 二、高层建筑的立体火蔓延及其对建筑结构的损伤机制 三、高层建筑多作用力耦合驱动的火灾烟气输运及多模式协同的人群疏散 材料燃烧与安全设计减灾途径 材料燃烧与安全设计 减灾 途径 减灾 途径 火蔓延阻隔与结构抗火 烟气控制与人群疏散 减灾 途径 图1 关键科学问题的有机关联和重点突破 各关键科学问题的科学内涵和主要研究内容为： 关键科学问题1：建筑外墙保温材料的火灾特性和安全设计 当前我国建筑外墙保温主要使用聚苯乙烯和聚氨酯泡沫等有机材料，大量火灾案例表明，这类保温材料火蔓延速度非常快，并释放出大量有毒、有害烟气，且聚苯乙烯燃烧易熔融形成流淌火，形成多向蔓延模式，表现出与一般火灾向上蔓延模式的不同特点。 因此，如何有效降低外墙保温材料的可燃性和有毒烟气的释放是急需解决的关键问题。本项目将揭示火灾条件下外墙保温材料的熔融流淌、热解着火和有毒烟气生成规律，建立外墙保温材料的火灾危险性评价方法和标准，在此基础上，从分子设计与结构调控等方面出发，探索有效降低燃烧热释放速率和有毒有害燃烧产物生成的物理化学原理，发展外墙保温材料的安全设计方法。 本关键科学问题的解决，可为“保温材料安全设计”的目标提供理论和技术原理支撑。 关键科学问题2：高层建筑的立体火蔓延及其对建筑结构的损伤机制 高层建筑的立体火蔓延危害巨大，其火行为规律与对建筑结构的损伤机制有待认识。开口火溢流的火焰高度、温度、流场结构等特性参数和外立面垂直火蔓延行为不仅受到热浮力、外界风等的耦合作用，同时还受到建筑结构如挑檐、窗槛墙的影响。火灾的非均匀强变热流会使高层建筑关键构件和节点的温度、应力、应变呈现复杂分布，诱发玻璃等脆性材料迅速破裂，并可能造成承重构件等弹塑性材料发生疲劳损伤和变形，导致结构失效甚至坍塌。 因此，亟需科学认识高层建筑外立面火灾的引燃过程和机制，建立环境风及水平、垂直阻隔措施耦合作用下开口火溢流、外立面火蔓延，以及外立面火向室内蔓延的行为模型；揭示高层建筑中关键构件和节点在火灾作用下的热力响应规律与失效机制，发展高层建筑结构失效预测模型，以及关键构件和节点的防护技术与建筑综合抗火能力评价方法。 本关键科学问题的解决，可为实现“火蔓延阻隔与结构安全”的目标提供科学支撑。 关键科学问题3：高层建筑多作用力耦合驱动的火灾烟气输运及多模式协同的人群疏散 有毒有害烟气是导致火灾中人员伤亡的最主要原因。高层建筑电梯井、楼梯等竖向通道的烟囱效应、电梯竖井的活塞效应、环境风以及热浮力等耦合作用，对烟气输运及控制具有重要影响。高层建筑人群疏散研究不仅需要考虑人员行为，还要考虑火灾烟气蔓延过程和控制措施的效能，人群疏散建模仍然是一个具有挑战性的工作。将电梯用于高层建筑火灾情况下的人员疏散，是目前被认为可有效提高人群疏散效率的重要途径，但如何实现火灾环境下电梯疏散的安全保障和优化调度，并综合考虑楼梯、电梯和避难层（区）的设置，发挥多信息耦合和智能诱导作用，实现高层建筑多模式协同疏散及优化疏导仍是一大难点。 因此，亟需揭示高层建筑多作用力耦合驱动下火灾烟气的输运规律，发展适用于不同空间尺度、复杂性结构和边界（初始）条件的高层建筑火灾烟气输运数值预测方法，以及多技术协同的火灾烟气控制方法；研究高层建筑楼梯与电梯区域人群运动的基本特征，以及火灾烟气和疏导信息对人群疏散行为的影响机制，揭示高层建筑中综合楼梯、电梯、避难层（区）的人群多模式协同疏散规律，发展基于多信息耦合和智能诱导的动态疏导方法。 本关键科学问题的解决，可为实现“烟气控制与人员安全”目标提供科学支撑。 二、预期目标 1. 总体目标 （1）科学认识高层建筑火灾的致灾机理，提升我国火灾科学理论水平，完善火灾科学理论体系。通过本项目的研究，将在科学认识高层建筑火灾的演化规律，揭示火灾（火与烟气）对承灾载体（建筑、人）的作用机制，实现高层建筑火灾的综合防控这三个方面取得突破，进