1、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
2、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
3、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
4、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
5、，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
6、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
7、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，进而通过研究这三者间的相互关联性，构筑高层建筑火灾安全的理论体系，提升我国火灾科学研究的理论水平，为实现我国高层建筑火灾安全提供理论支撑。（2）提升高层建筑自身对重大火灾的防控能力和火灾安全度。本项目面向城市高层建筑重大火灾防控的迫切需求，首先科学认识常用外墙保温材料的火灾危害性，发展外墙保温材料的安全设计方法；其次将
8、耦合建筑结构设计与防灭火设施，实现有效控制高层建筑火与烟气蔓延的目标；最后将发展火灾环境下人群的多模式协同疏散和优化疏导方法，提高人群疏散的效率和安全性。即本项目将从三个层次构筑起高层建筑重大火灾防控的三道防线，实现火灾防治技术途径的创新和突破。（3）凝聚一支具有承担国家重大任务和国际竞争力的研究团队。通过项目的研究，将凝聚一支在我国火灾科学和消防工程研究领域具有创新思想、团结进取，以及具有承担国家重大任务和国际竞争力的研究团队，使我国火灾安全科技整体研究水平保持世界前列，在国际火灾科学界持续占有重要的一席之地。2. 五年目标理论层面的目标（1） 揭示外墙保温材料的引燃机制、有毒有害气体的生成
9、机理以及多参数耦合作用下的火蔓延规律。（2） 揭示热浮力、惯性力和环境风等作用下建筑外立面火蔓延行为规律，建立环境风作用下高层建筑外立面火蔓延的理论模型。（3） 揭示外立面火向建筑内部蔓延的行为规律，以及建筑外墙结构对立体火蔓延的阻隔机制。（4） 揭示高层建筑中关键构件和节点在火灾非均匀强变热流与力共同作用下的热响应规律、失效机制，以及构件的破坏与整体结构失效之间的关联性。（5） 揭示高层建筑复杂空间内多作用力耦合驱动下火灾烟气的输运规律，发展高层建筑火灾烟气输运的多尺度数值计算方法。（6） 阐析高层建筑楼梯与电梯区域人群运动基本特征和火灾条件下人群疏散的规律性，揭示火灾烟气对高层建筑人群疏散
10、行为的影响机制。技术基础层面的目标（1） 发展外墙保温材料的火灾危险性评价技术方法和标准，及其安全设计方法。（2） 发展耦合建筑结构设计、水喷淋等的高层建筑立体火蔓延阻隔技术。（3） 发展耦合加压送风、水（雾）幕分隔、机械和自然排烟等多技术协同的高层建筑火灾烟气控制方法。（4） 发展高层建筑关键构件和节点的失效预测、防护技术与综合抗火能力评价方法。（5） 发展火灾环境下耦合电梯、楼梯及避难层（区）的多模式协同人群疏散技术。研究成果和人才培养的具体指标（1） 编写学术专著2-3部。发表学术论文300篇以上，SCI、EI论文200篇以上，其中在国际燃烧和火灾科学领域顶级期刊以及SCI高影响区期刊论
11、文50篇以上。（2） 主持或参与起草（修订）国家标准或规范3项以上，申请（或授权）发明专利20项以上。（3） 通过项目的实施，凝聚一支团结合作、富有朝气和创新精神的火灾科学基础理论和高新技术的研究团队，培养1-2名在本研究领域具有国际影响力的科学家，力争有2-3名学术骨干入选各类国家级人才计划，培养博士和出站博士后80人以上。三、研究方案1. 学术思路本项目通过分别研究高层建筑火灾的演化规律、火与烟气对承灾载体的作用和高层建筑火灾防控方法所包含的共性关键科学问题，以及上述三者间的相互影响与关联性，提出了如图2的“三角形”总体学术思路。火灾演化高层建筑火灾安全综合防控承灾载体图2 项目的“三角形
12、”总体学术思路（1） 高层建筑火灾的演化规律。综合考虑高层建筑的结构特点和复杂环境因 素，剖析高层建筑火灾的共性规律和特殊性，科学认识高层建筑外墙保温材料的火灾危险性和多参数耦合作用下火蔓延和烟气输运的动力学行为。（2） 火与烟气对承灾载体的作用。揭示火灾作用下高层建筑关键构件和节点的失效机制，发展高层建筑结构抗火能力综合评估方法；揭示高层建筑内火灾烟气对人群疏散的影响规律，发展高层建筑人群疏散模型。（3） 高层建筑火灾的防控方法。以火灾对承灾载体（建筑、人）的影响和作用机制研究为突破点，发展火灾立体蔓延的阻隔技术和建筑结构的抗火方法，以及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
13、。以上高层建筑火灾的演化规律、火灾对承灾载体的作用和火灾的防控方法研究彼此相互关联，互为支撑。本项目的研究方案正是针对以上各种关联关系中剖析出的关键问题逐步开展的。2. 技术途径（图3）图3 项目的总体技术方案（1） 外墙保温材料火灾危险性及其安全设计方法综合利用同步辐射光电离质谱仪、气相色谱-质谱联用仪、热分析仪等，捕捉常用外墙保温材料分解、燃烧过程中的中间产物，分析其气相产物生成规律，揭示HCN等毒性产物生成机理，建立其燃烧和热解的动力学模型；利用火灾早期特性、火蔓延等实验台和全尺寸热释放速率实验台，研究材料在复杂环境因素作用下的着火和火蔓延特性，发展其火灾安全性评价方法和标准，并建立其火
14、灾特性数据库。在此基础上，从分子设计与结构调控等方面出发，探索有效降低其燃烧热释放速率和有毒有害燃烧产物的物理化学原理，发展外墙保温材料的安全设计方法。（2） 高层建筑的立体火蔓延行为及其阻控机制利用图像（高速及纹影摄像和粒子示踪技术）分析技术，结合离子探针及微细热电偶测量技术，研究测量表征固体表面火蔓延本质特性的气相火焰结构、固体可燃物内部热解区结构的变化规律；根据高层建筑的结构特点，利用高层建筑外立面开口火溢流实验台、高层建筑火灾模拟实验楼等大（全）尺寸实验平台，并结合火蔓延传播机制研究的精细实验台，模拟高层建筑外立面可燃物条件，开展复杂条件下的相似性模拟实验和全尺寸实验，研究高层建筑火灾
15、中强热流和复杂气流等耦合作用下火蔓延规律，受限空间外立面开口火溢流的卷吸机理，以及环境风作用下高层建筑外立面火蔓延以及外立面火向室内蔓延的行为规律，进而研究防火挑檐、窗槛墙等对火蔓延的阻隔机制及其关键技术参数。（3） 高层建筑内多作用力耦合驱动下火灾烟气的输运规律与控制利用全尺寸大空间实验厅、建筑火灾模拟实验楼和高层建筑竖井、楼梯井模拟实验台等，建立高层建筑复杂结构形式的缩尺比例模型，开展不同燃料条件、内部建筑结构、复杂环境气流和强热流耦合条件下火灾烟气输运过程模拟实验研究，并利用现有高层建筑，开展热烟蔓延的全尺寸验证性试验，发展高层建筑火灾烟气输运的动力学模型。在理论分析的基础上，实验研究加
16、压送风、水幕、机械排烟和自然排烟的效能和耦合作用机制，发展多技术优化协同的高层建筑火灾烟气控制方法和人员疏散路径保护方法。借助数值模拟技术，重点发展耦合前处理网格运算和动网格运算（动态分层模型、局部重划模型等）的适于火灾浮力驱动的动态网格运算优化模型，将区域模拟、网络模拟与基于多级过滤的多尺度大涡模拟（LES）、雷诺平均（RNS）的场模拟方法相结合，研究适用于不同空间尺度、复杂性结构和边界（初始）条件的高层建筑内火灾烟气输运数值预测方法。（4） 火灾非均匀强变热流作用下高层建筑结构的损伤机制与防护技术利用水平构件抗火试验炉、竖向构件抗火试验炉、开合可移动式整体结构抗火试验炉、热力耦合实验台和结
17、构抗火实验系统，研究建筑构件在火灾非均匀强变热流条件下的温度场与应力场变化规律，以及温度场和应力场耦合的热-力响应规律，揭示火灾条件下建筑结构的失效机制。利用ISO9705标准实验台和玻璃受热破裂分析系统，研究玻璃及幕墙结构在火灾非均匀受热和风压等条件下的破裂机理，发展火灾环境下防止玻璃内部产生热应力的技术方法。在理论分析和实验研究的基础上，发展热-力耦合作用下建筑构件（结构）内的温度、应力、应变复杂分布规律的数值预测方法，建立火灾诱发建筑结构失效的预测模型和综合抗火能力评价方法。（5） 火灾环境下高层建筑中人群的多模式协同疏散及优化疏导首先，设计和开展疏散实验，研究测定人员在使用高层建筑的疏
18、散楼梯、电梯和避难层（区）过程中的人群运动特征，揭示高层建筑火灾不同阶段的典型疏散行为（如向上避难、归巢行为等）及其演变特征。在认识这些特征的基础上，综合电梯、楼梯、避难区和避难层，并考虑综合视频传感信息、人员群体行为、火警信息、全路径安全评估、博弈行为决策等条件，通过理论分析建立完整的高层建筑智能疏散体系的物理模型和模拟方法。进而，基于火灾演化规律、人员定位技术、建筑结构信息（疏散楼梯、避难层、疏散电梯等），建立建筑内的综合危险度分布函数，然后通过构造该危险度分布函数的势函数，根据该势函数梯度分布研究最优化的疏散路径方向和疏散方案；该疏散方案一方面会通过建筑内的多种智能疏散指示标志将疏散路径
19、信息告知楼内的受困人员，另一方面会提供给参与现场救援的指挥控制人员，由他们进行人工疏散指挥，从而实现人与计算机的综合决策，并利用疏散模型结果将人员的运动趋势反馈到综合危险度分布函数中，更新优化疏散路径，调整疏散方案。最后，综合考虑火灾动力学演变规律，发展各种疏散路径保护方法，并通过实验和模型的对比研究，发展多信息智能诱导动态优化疏导方法。3. 本项目的创新点与特色与国内外同类研究相比，本项目的创新点及特色体现在：本项目针对高层建筑重大火灾防控的关键基础问题，提出了高层建筑火灾安全的“三角形”学术思想，系统研究高层建筑复杂条件下重大火灾的演化规律、火灾对承灾载体的作用机制和火灾的综合控制方法及其
20、三者间的相互影响与关联性，这是同国内外同类研究相比在科学思想上的创新。（1） 在火灾的演化规律方面，本项目将揭示外墙保温材料在辐射、环境风等因素耦合作用下的引燃与火蔓延机理，以及毒性气体的生成机制；揭示开口火溢流热浮力、惯性力和环境风等作用下建筑外立面火蔓延，以及外立面火向建筑内部蔓延的行为规律；揭示高层建筑内多作用力耦合驱动下火灾烟气的输运规律，发展适用于高层建筑复杂空间和边界条件的火灾烟气输运多尺度数值预测平台。这是对建筑火灾动力学演化理论的发展和完善。（2） 在火灾对承灾载体的作用机制方面，本项目将揭示建筑外墙结构对立体火蔓延的阻隔机制，发展多技术优化协同的高层建筑火灾烟气控制方法；构建
21、火灾条件下高层建筑关键构件和节点的力学行为模型，发展高层建筑结构失效预测方法。由原有的标准火条件下单一建筑构件失效研究向火灾环境下建筑结构整体变形、破坏乃至坍塌的失效行为研究拓展。（3） 在火灾综合防控方面，本项目拟从“保温材料安全设计”、“火蔓延阻隔结构安全”和“烟气控制与人员安全”三个方面取得突破，发展高层建筑重大火灾的防控技术和方法，这是系统提升高层建筑自身对重大火灾的防控能力的技术思路突破。a) 在“保温材料安全设计”方面，本项目将在系统研究外墙保温材料火灾危险性的基础上，建立其火安全性评价方法和标准；综合利用分子设计、结构调控等技术手段，发展外墙保温材料的火灾安全设计方法。b) 在“
22、火蔓延阻隔与结构安全”方面，本项目将发展耦合建筑结构设计（窗槛墙、防火挑檐等）和控（灭）火技术的高层建筑立体火蔓延的阻控方法，提出对建筑关键构件和节点的防护方法。c) 在“烟气控制与人员安全”方面，本项目将研究高层建筑楼梯与电梯区域人群运动基本特征和规律性，揭示火灾烟气对高层建筑人群疏散行为的影响机制，发展耦合电梯、楼梯及避难层（区）的多模式疏散与优化疏导技术。4. 可行性分析（1） 本项目根据目前我国高层建筑火灾的特点及其防控关键环节中的理论和技术需求，凝练出了关键科学问题，提出了项目研究内容；各关键科学问题和研究内容之间紧密关联，并共同服务于提升高层建筑对重大火灾的自防自救能力的总目标。并
23、提出了实现高层建筑火灾安全的“三角形”学术思想，项目目标明确，定位准确，思路清晰，研究方案合理可行。（2） 根据拟解决的关键科学问题和研究目标，遴选出了承担本项目的优势单位，包括中国科学技术大学、清华大学、同济大学、中国建筑科学研究院、公安部（天津、上海、四川、沈阳）消防研究所、安徽建筑工业学院等科研单位，具备本项目研究所需的先进研究平台，为本项目提供了完备的支撑条件。（3） 本项目的研究队伍是在2002年启动的973项目“火灾动力学演化与防治基础”（2002-2006）研究队伍的基础上经过优化组合，并吸收了同济大学、中国建筑科学研究院、安徽建筑工业学院等国内火灾研究的优势单位，形成了一支以高
24、水平的学术带头人为核心，以年轻博士群体为骨干，拥有多领域多学科交叉的特色、基础研究与应用研究相结合、老中青相结合的研究队伍。长期以来，形成了良好的团队合作精神和自由、创新的学术氛围，各单位间已建立起良好的合作关系，实现了优势互补和强强联合。（4） 本项目的研究对象和研究内容是上一个973项目的拓展和延伸。上一个973项目积累了一批具有我国特点的基本数据资料，取得了一批在国际上有影响的研究成果，在本项目的相关研究方面已有丰富的成果积累，为本项目奠定了坚实的工作基础。（5） 本项目具有良好的国际交流与合作氛围，研究队伍已与美国、欧盟、日本、澳大利亚、香港和台湾等国家和地区建立了实质性合作网络，为本
25、项目在把握国际前沿方面奠定了坚实基础。综上所述，本项目直接面向国家高层建筑重大火灾防控的迫切需求，在科研积累、实验装备、信息资料、研究队伍建设和国内外学术合作等诸方面已经有了很好的基础，在凝练科学问题、研究目标和技术路线方面已有成熟思路，具备了在高层建筑火灾的致灾机理与防控基础研究方面取得重大突破的能力。5. 课题间的关系l 课题的设置思路按照项目目标和主要研究内容，考虑到承担单位的优势及相对独立地承担课题，本项目设置5个课题。各课题的研究内容有机关联、紧密协同，共同服务于提升高层建筑对火灾的自防自救能力这一总目标，项目的目标、关键科学问题和课题之间的层次与相互关系如图4所示。关键科学问题城市
26、高层建筑重大火灾的致灾机理、减灾途径与防控方法国家重大需求课题设置项目总目标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建筑外墙保温材料的火灾特性和安全设计高层建筑的立体火蔓延及其对建筑结构的损伤机制课题1：建筑外墙保温材料的火灾特性和安全设计课题5: 高层建筑火灾中人群的多模式协同疏散及优化疏导课题4：多作用力耦合驱动的高层建筑火灾烟气输运规律与控制课题2：高层建筑立体火蔓延行为及其阻隔机制课题3火灾作用下高层建筑关键构件和节点的损伤机制与防护提升高层建筑对火灾的自防自救能力图4. 目标、关键科学问题与课题的层次关系l 课题设置与总目标的集成关系针对建筑外墙保温材料火灾安全问
27、题设置1个课题。重点研究常用外墙保温材料的火灾危险性，建立外墙保温材料火灾危险性评价及其安全设计方法，该课题主要解决关键科学问题1，可为课题2、3、4提供研究基础。针对高层建筑火灾行为及结构安全问题设置2个课题（课题2、3）。课题2重点研究高层建筑立体火蔓延的行为规律，发展火蔓延的有效阻隔方法；课题3主要研究火灾环境下高层建筑关键构件和节点的热力响应规律、失效机制和防护方法，以及建筑构件与整体结构失效之间的关联性，建立高层建筑综合抗火性能评价方法。这两个课题紧密关联，共同解决关键科学问题2。课题2是课题4的研究基础，课题3可为课题5提供关键参数。针对高层建筑烟气蔓延与人员安全问题设置2个课题（
28、课题4、5）。课题4重点研究热浮力、复杂气流惯性力和环境风压等多作用力耦合驱动下高层建筑复杂结构内火灾烟气输运规律，发展多技术协同的火灾烟气控制方法；课题5主要研究火灾条件下高层建筑内人群疏散的规律性，发展电梯、楼梯及避难层（区）等多模式协同的疏散和疏导技术方法。这两个课题紧密关联，共同解决关键科学问题3。同时，以上课题的设置又紧紧围绕“提升高层建筑对火灾的自防自救能力”这一总目标，课题1、2、3重点从建筑保温材料安全设计、火蔓延阻隔与结构抗火方面提升高层建筑对火灾的自防能力，课题4、5则重点从烟气控制、降低其对人员的危害和人群高效疏散方面提升高层建筑火灾时人员的自救能力；“自防”与“自救”紧
29、密关联，“自防”为“自救”提供更充裕的时间保证，而“自救”则反过来又对“自防”提出更进一步的优化要求，两者相互耦合、协同促进，共同服务于高层建筑火灾安全的国家重大需求。6. 课题设置课题1：建筑外墙保温材料的火灾特性与安全设计研究目标：揭示常用外墙保温材料的燃烧行为与火灾危险性；探索抑制外墙保温材料熔融、分解和流淌、降低燃烧热释放速率、抑制和消除有毒有害产物的物理和化学耦合作用机制；发展外墙保温材料的火灾安全性评价和设计方法。研究内容：l 常用外墙保温材料的燃烧行为与火灾危险性研究EPS、XPS、PU等常用有机外墙保温材料在温度、风速、辐射强度等多因素耦合影响下的受热熔融、分解、着火和燃烧行为
30、，以及HCN等有毒有害气体的生成机理和条件，建立其燃烧速率、产烟速率和毒性气体生成速率的理论预测模型。l 外墙保温材料的火灾安全性评价方法与标准，展平律热破裂分析系统，实验幕墙与主要系统的火灾危险性评价方法与研究不同环境条件下外墙保温材料组成和结构的演变规律及其燃烧特性的变化规律；发展外墙保温材料火灾特性的多尺度模拟实验方法与分析技术，建立外墙保温材料的火灾安全性评价方法。l 外墙保温材料的安全设计方法从分子设计与结构调控等方面出发，探索抑制外墙保温材料熔融、分解和流淌、促进快速交联成炭、降低燃烧热释放量、抑制和消除有毒有害产物的物理和化学耦合作用机制，发展外墙保温材料的安全设计方法。课题承担
31、单位：中国科学技术大学、天津消防研究所、四川消防研究所课题负责人： 胡源主要学术骨干：张和平、张清林、齐飞、李风、谢启源 经费比例： 20%课题2：高层建筑立体火蔓延行为及其阻隔机制研究目标：建立高层建筑外立面典型可燃材料的引燃临界判据和数学物理模型；揭示在不同建筑结构、燃料条件和环境风作用下建筑开口火溢流、外立面火蔓延及其向建筑内部蔓延的行为规律；发展有效阻隔外立面垂直火蔓延与内外相互蔓延的技术方法。 研究内容： l 高层建筑外立面的引燃机制研究不同边界和环境条件下高温颗粒（焊花、烟火等）引燃典型可燃保温材料的机制、临界判据和数学物理模型；研究建筑开口火溢流的卷吸行为、流场结构与特征参数分布
32、特征；揭示开口火溢流对外立面保温材料和系统的引燃机制。l 外立面火蔓延及其向室内蔓延行为揭示高层建筑外立面火蔓延的传热主控机制，建立耦合热浮力、环境气流、外墙结构特征与外墙保温材料熔融特性的外立面火蔓延模型；揭示环境风与热浮力等耦合作用下外立面火向建筑内部蔓延的行为规律。l 高层建筑立体火蔓延的阻隔方法分析热浮力和环境风耦合作用下，窗槛墙、防火挑檐等外墙结构对开口火溢流特征参数与垂直火蔓延规律的影响，揭示水喷淋对外立面火及其向内部蔓延的抑制机制，发展耦合窗槛墙、防火挑檐和水喷淋的立体火蔓延阻隔技术方法。课题承担单位：中国科学技术大学、中国建筑科学研究院课题负责人： 孙金华主要学术骨干：刘乃安、
33、李引擎、张永明、胡隆华、陈海翔经费比例：24.1%课题3：火灾作用下高层建筑关键构件和节点的损伤机制与防护研究目标：揭示火灾强变热流作用下高层建筑关键构件和节点的热力响应规律与失效机制，及其与结构整体失效的关联性；建立火灾作用下高层建筑结构失效的预测模型，发展关键构件和节点的防护技术与综合抗火能力评价方法。研究内容： l 火灾作用下玻璃幕墙的破裂机制及其防护技术研究非均匀受热条件下玻璃破裂与脱落的随机性和确定性规律，揭示玻璃幕墙的安装方式与参数对玻璃破裂行为的影响机制；揭示防护膜对玻璃破裂与脱落时间的延迟机理。l 火灾环境下高层建筑关键构件和节点的损伤机制基于结构鲁棒性，发展影响高层建筑整体安
34、全和稳定性的关键构件和节点识别方法，研究关键构件和节点在火灾热流应力作用路径下的抗火能力与敏感性因素，建立关键构件和节点等的失效预测模型。l 高层建筑综合抗火能力评价方法基于结构体系的整体集成度、传力路径的冗余度、关键节点的安全度，分析火灾环境下高层建筑结构的易损性，以及建筑构件与整体结构失效之间的关联性；研究火灾作用下高层建筑结构体系的失效指标和概率，建立高层建筑综合抗火能力评价方法。课题承担单位：清华大学、同济大学、安徽建筑工业学院课题负责人： 韩林海主要学术骨干：程桦、肖建庄、陆新征、何陵辉经费比例：15.3%课题4：多作用力耦合驱动的高层建筑火灾烟气输运规律与控制研究目标：揭示热浮力、
35、惯性力和环境风压等多作用力耦合驱动下高层建筑内火灾烟气输运规律，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。研究内容： l 多作用力耦合驱动的高层建筑复杂空间火灾烟气输运规律揭示高层建筑内电梯竖井活塞效应、竖向通道烟囱效应对火灾烟气蔓延的影响机制；研究火灾热浮力、机械通风、环境风压等多作用力耦合驱动下火灾烟气的输运规律，建立高层建筑复杂空间火灾烟气输运模型。l 高层建筑火灾烟气输运的多尺度数值预测方法耦合静态和动态网格运算，将区域模拟、网络模拟、雷诺平均（RNS）与大涡模拟（LES）方法相结合，建立适用于不同空间尺度
36、、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与平台。l 多技术协同的高层建筑火灾烟气控制方法揭示加压送风、水（雾）幕分隔、机械和自然排烟等对高层建筑火灾烟气蔓延的耦合影响机制，建立多技术协同的火灾烟气控制方法，发展高层建筑火灾烟气控制系统的效能评估模型与优化设计方法。课题承担单位： 中国科学技术大学、清华大学课题负责人： 杨立中主要学术骨干：范维澄、蒋勇、王喜世、杨锐、纪杰经费比例：19.2%课题5：高层建筑火灾中人群的多模式协同疏散及优化疏导研究目标：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
37、、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。研究内容： l 高层建筑火灾烟气环境中楼梯与电梯区域人群疏散行为研究高层建筑楼梯和电梯区域人群疏散的个体和群体运动行为，以及人群运动受火灾烟气的影响规律，揭示高层建筑火灾不同阶段的典型疏散行为（如向上避难、归巢行为等）及其演变特征。l 多模式协同的高层建筑人群疏散规律与模型研究火灾情况下高层建筑内人群的水平、垂直及相向运动的相互作用机制，综合考虑电梯、楼梯、避难区（层），并耦合视频信息、火警信息、路径安全信息、人员博弈与决策行为，建立多模式协同的高层建筑人群疏散模型和模拟方法。l 基于多信息耦合和智能诱导的高层
38、建筑动态疏导方法揭示声、光和图形等诱导信号对高层建筑人群疏散行为的耦合作用规律，研究人员分布、电梯和楼梯的使用比例以及避难层（区）设置参数对疏散效率的影响；研究结合火灾动力学规律的疏散路径保护技术，发展基于多信息耦合和智能诱导的动态疏导方法。课题承担单位： 清华大学、上海消防研究所、沈阳消防研究所、中国科学技术大学课题负责人： 张辉主要学术骨干：宋卫国、闵永林、宋希伟、翁文国、陈涛、朱霁平经费比例：21.4%四、年度计划研究内容预期目标第一年1. 开展广泛的文献查阅和国内外相关科技调研工作；尤其是充分调研国外高层建筑防火研究和实践已有的经验和成果。2. 研究EPS、XPS、PU等常用外墙保温材
39、料在温度、风速、辐射强度等多因素耦合影响下的受热熔融、分解、着火和燃烧行为。3. 研究抑制外墙保温材料熔融、流淌、热解、燃烧和火蔓延的物理和化学耦合作用机制。4. 研究不同边界和环境条件下高温颗粒引燃外立面典型可燃材料的机制。5. 研究建筑外立面开口火焰溢出的条件，分析高层建筑外立面火蔓延的传热过程。6. 研究非均匀受热条件下玻璃破裂与脱落的随机性和确定性双重规律。7. 分析高层建筑的典型结构形式，并基于结构鲁棒性，分析影响其整体安全和稳定性的关键构件和节点。8. 研究高层建筑内电梯竖井活塞效应、竖向通道烟囱效应对火灾烟气蔓延的影响规律。9. 研究高层建筑楼梯和电梯区域人群疏散的个体和群体运动
40、特性，并统计分析其行为规律。 1. 揭示常用保温材料在温度、风速、辐射强度等多因素耦合影响下的火灾燃烧特性。2. 揭示抑制典型外墙保温材料熔融、流淌热解、燃烧和火蔓延的作用机制。3. 建立高温颗粒引燃特性的表征模型，揭示外立面开口火焰溢出的临界条件，揭示外立面火蔓延的传热主控机制。4. 揭示玻璃幕墙参数对玻璃破裂行为的影响机制。5. 建立影响高层建筑整体安全和稳定性的关键构件和节点识别方法。6. 建立活塞效应、烟囱效应作用下高层建筑竖向通道内的火灾烟气输运模型。7. 获得高层建筑楼梯和电梯区域的人群疏散行为特征。8. 发表论文50篇，SCI、EI论文37篇，其中在国际燃烧和火灾科学领域顶级期刊
41、以及SCI高影响区期刊论文9篇，申请发明专利2项以上，培养博士或者博士后14名。第二年1. 研究不同环境条件下常用保温材料组成、结构和燃烧特性的变化规律，获取相关的火灾特性基础数据。2. 研究降低外墙保温材料的可燃性和燃烧热、抑制其有毒烟气生成和促进成炭的物理和化学耦合的作用机制。3. 研究高温颗粒引燃外立面可燃材料的临界条件；以及热浮力、环境气流、外墙结构特征等对外立面火蔓延的影响。4. 研究外立面开口火溢流的火焰高度、温度等特征参数的分布和演化规律。5. 研究火灾环境下不同防护措施作用下玻璃幕墙的耐高温性能。6. 研究关键构件和节点在火灾热流应力作用路径下的抗火能力与敏感性因素。7. 研究
42、火灾热浮力、机械通风、环境风压等多作用力耦合驱动下火灾烟气的输运规律与数值计算方法。8. 研究高层建筑楼梯和电梯区域人群疏散运动受火灾烟气的影响规律。9. 研究火灾情况下高层建筑内人群的水平、垂直及相向运动的相互作用机制。 1. 研究不同环境条件下常用保温材料组成、结构和燃烧特性的变化规律，获取相关的火灾特性基础数据。2. 揭示降低外墙保温材料的可燃性和燃烧热、抑制其有毒烟气生成和促进成炭的作用机制。3. 建立不同边界和环境条件下高温颗粒引燃典型可燃材料的机制、临界判据和数学物理模型。4. 揭示外立面开口火溢流的特征参数演化规律，并建立其数学物理表征模型。5. 揭示外立面垂直火蔓延的主控传热机
43、制并建立其预测模型。6. 揭示防护技术对玻璃破裂与脱落时间的延迟机理。7. 揭示高层建筑中关键结构连接节点的耐火性能，确定其荷载-变形-受火时间关系模型。8. 建立高层建筑复杂空间火灾烟气输运模型。9. 建立人群受火灾烟气影响规律模型和建筑内的综合危险度分布函数。10. 发表论文67篇，SCI、EI论文41篇，其中在国际燃烧和火灾科学领域顶级期刊以及SCI高影响区期刊论文13篇，申请发明专利6项以上，培养博士或者博士后14名。11. 完成项目的中期评估。第三年1. 研究常用有机外墙保温材料燃烧速率、产烟速率和毒性气体生成速率与外界环境、材料特性参数的关联关系。2. 研究不同环境条件下外墙保温材
44、料熔融、流淌、热解、燃烧、火蔓延、发烟等火灾特性的尺度效应与形成机制。3. 研究环境风与热浮力等耦合作用下外立面火向建筑内部蔓延的行为规律。4. 研究热浮力和环境风耦合作用下，窗槛墙、防火挑檐等外墙结构对开口火溢流特征参数与垂直火蔓延规律的影响。5. 基于结构体系的整体集成度、传力路径的冗余度、关键节点的安全度，分析火灾环境下高层建筑结构的易损性。6. 耦合静态和动态网格运算以及多种数值计算方法，研究高层建筑复杂条件的火灾烟气蔓延数值计算方法。7. 研究声、光和图形等诱导信号对高层建筑人群疏散行为的耦合作用规律。 1. 建立常用有机外墙保温材料的燃烧速率、产烟速率和毒性气体生成速率的理论预测模
45、型。2. 揭示外墙保温材料不同环境条件下火灾特性的尺度效应与形成机制。3. 揭示外立面火向建筑内部蔓延的行为机制。4. 揭示窗槛墙、防火挑檐等外墙结构对开口火溢流特征参数与垂直火蔓延规律的影响机制，并建立其表征模型。5. 建立火灾作用下高层建筑关键构件和节点等的失效预测模型。6. 建立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与平台。7. 揭示高层建筑火灾不同阶段的典型疏散行为及其演变特征。8. 建立多模式协同的高层建筑人群疏散模型和模拟方法。9. 揭示诱导信号对高层建筑人群疏散行为的耦合作用机制与规律。10. 发表论文69篇，SCI、EI论文46篇，其
46、中在国际燃烧和火灾科学领域顶级期刊以及SCI高影响区期刊论文12篇，申请发明专利8项，培养博士或者博士后17名。第四年1. 研究常用保温材料燃烧烟气中CO、HCN、NOx等有毒有害气体的生成机理和条件。2. 研究外墙保温材料不同环境条件下火灾特性的多尺度模拟实验方法与分析技术。3. 研究水喷淋对外立面火及其向内部蔓延的抑制机制。4. 研究建筑构件与整体结构失效之间的关联性。5. 研究加压送风、水（雾）幕分隔、机械和自然排烟等对高层建筑火灾烟气蔓延的耦合影响机制。6. 综合考虑电梯、楼梯、避难区（层），并耦合视频信息、火警信息、路径安全信息，研究火灾情况下高层建筑人员疏散的博弈与决策行为。7.
47、研究结合火灾动力学规律的疏散路径保护技术，揭示多信息耦合智能诱导条件下的人群的动态疏散行为与效率。1. 揭示常用保温材料燃烧烟气中有毒有害气体的生成机理。2. 发展外墙保温材料不同环境条件下火灾特性的多尺度模拟实验方法与分析技术。3. 获得水喷淋对外立面火及其向内部蔓延的抑制临界参数。4. 建立火灾作用下高层建筑结构整体失效的预测模型。5. 建立耦合加压送风、水（雾）幕分隔、机械和自然排烟等多技术协同的火灾烟气控制方法。6. 发展基于多信息耦合和智能诱导的动态疏导方法。7. 建立高层建筑多技术协同的人群疏散优化设计方法。8. 发表论文66篇，SCI、EI论文44篇，其中在国际燃烧和火灾科学领域顶级期刊以及SCI高影响区期刊论文12篇，申请发明专利4项，培养博士或者博士后18名，编写学术著作1部，主持或参与起草（修订）国家标准或规范1项。第五年1. 研究外墙保温材料火灾危险性评价技术方法和标准。2. 研究外墙保温材料的材
