背景

　　2001年911事件证实，在面临任意有预谋的火灾和极端事件情况下，需要用工程方法来预测结构的火灾性能。虽然具有这方面的能力，但是缺少诸如升温后的材料特性这样的精确数据。像ISO834和ASTME119这样现有的实验方法是在单一、标准暴露情况下评估性能的，这种实验条件是在很久以前开发的，且燃料特性与今天完全不同。这些试验既不能反映独立测试条件下部件的相互作用，也不能反映在结构变化时部件对设计规格的灵敏性。
一个通过CIB W14组织的全球合作计划正在筹建中，这个计划是得到火灾研究国际合作论坛和NIST建筑火灾研究实验室支持的火灾和ISO TC92火灾研究。这个广泛的合作不仅是对建筑物在极端事件下的响应引起注意的标志，也是全世界对建筑性能化规范引起注意的标志。

　　这个计划的首要任务将是收集当前能够预测结构性能的清晰图片。目前，大部分信息已收编在美国土木工程师协会和消防工程师学会联合出版的标准《建筑火灾防护标准计算方法》， CIB W14文献《建筑物耐火性的合理的火灾安全工程方法》中。别的信息可以在由几个国家出版的支持建筑性能化规范的任何几个工程指导原则（实际规范）文献中找到。本文的目的是概括建议目标和工作计划的范围。

　　耐火实验

　　在固定的时间下，结构耐火效果的概念首先是在20世纪早期提出的。例如，耐火实验最初版本(ASTM E119)是在1918年被采用的，指定为C-19-18，几乎和今天使用的测试方法一样。

　　在早期的实验方法中，要准备两个样品。其一置于标准的时间―温度曲线中，目的是在火没有通过未暴露一侧，并且没有超过限定的温度的基础上确定等级周期。第二个样品用来做(防火阀)水流冲击试验，暴露时间为第一个样品所确定时间的半个周期。因为考虑到测试两个相同样品的方法的花费，该方法允许(防火阀)水流冲击试验使用一个样品，使该样品暴露整个等级周期。最终，该方法成为进行实验的典型方法。

　　这个相应的 ISO实验方法就是著名的ISO 834。燃烧室和时间―温度暴露几乎是一致的，但是ISO 834不包括(防火阀)水流冲击试验。燃烧室压力也有所不同，ASTM E119在负压下操作，而ISO 834是在正压下操作。这就是一些有关测试防火门的争论主题。

　　耐火极限的概念的引入就是确保有足够的时间进行人工或自动灭火，它在防止由火灾诱导建筑物倒塌中是成功的。此外，火蔓延被额定的防火墙限定在一个最大面积之内，这些最大面积是由消防队能够合理地进行扑救来确定的。最后，耐火装备用来保护出口有充裕的人员疏散时间，并提供保护空间来扑救建筑内部火灾。

　　耐火等级的局限性

　　当建筑规范体系主要还是处方式的时候，耐火等级系统还能满足要求。等级周期是被指定，且系统内在的保守性将导致我们所期待的建筑性能。当我们企图预测不同于标准的时间―温度系统的性能时，问题便出现了。
标准的曲线是在燃料还是纤维质，且燃料荷载不同于今天的时期绘制的。现代燃料引起的火灾具有相当快的增长速率和影响火灾传播速率的强辐射。此外，自动喷淋的普及，使火灾增长的潜能得到限制。因而，在现代建筑中，火灾暴露参数远大于或小于那些在标准中所使用的耐火实验的参数。耐火实验的结果，对于预测任意暴露时间的建筑性能将没有多大的价值，并且可能导致过于安全，而使设计的花费较高，或者设计在某些预定条件下失效。这些局限性在联邦应急管理局的世界贸易中心建筑物性能研究得以证实，该研究称：在其8.2.1 (b)所述“ASTM E119标准火灾实验是作为比较性实验而制定的，不是预测的实验。实际上，标准火灾实验是在受控制的实验室条件下，评估不同的建筑构件的相关性能（耐火性），而不是预测实际的失控火灾的行为。”

　　耐火性等级系统的另外一个局限性是，实验炉的物理局限导致我们不知道单独实验的各个部件在整个建筑设计时是怎样相互作用的。也就是，地板、墙、柱和梁都是单独测量的，但是在建筑物内可能因相互作用而导致失效。例如，支在墙上的梁的拉长和下弯施加给墙的侧力可能使墙倾倒（图 2）。在使用时出现的受限和负荷情况，不会准确地出现在实验方案中。

　　性能化规范

　　自20世纪80年代中期开始至今，许多国家的建筑规范体系，已部分或全部实现性能化。在性能化规范体系(PBRS)中，代表社会对建筑环境所期望的最终目标，因为构建的建筑环境已列入可计量的性能要求。其适用性已被证实，即能满足前者规范性要求，又能在运用的特定环节预测性能。

　　至于耐火性，这意味着是为所需时间和所预期的火灾的严重度而设计的，而不是为固定的时间和标准的火灾设计的。假定消防设施可以进行外部扑救，则所需时间大概跟人员疏散时间一样短。至少通过一些搜寻和救援来保护消防员和内部火灾扑救通常是明确的。通常需要防止逐渐倒塌，但是对无人居住的、农业建筑则可能不需要。

　　在此环节，传统的耐火实验对于预测性能的价值是微乎其微。现代的燃料和通风条件很少期望能够在任何空间下产生标准的时间―温度曲线，利用耐火性外推到其它暴露条件是不可能的。既然连失效机理都没有报道，所以实验未能提供对于理解建筑质量对性能的影响可能有帮助的构件缺点的线索。

　　性能化规范体系的要求是，在暴露于包括时间和详细的失效机理的任意火灾情况下具有预测特定构件性能的能力。我们还需要解释构件相互作用的能力，传统上这些构件都是单独进行测试，但会影响周围其它部件的性能。2001年911事件证实，需要考虑初始事件的影响，可能影响构造或建筑物部件在点燃时刻的初始情况。

　　预测耐火性能状态的手法

　　幸运的是我们不是从零开始。大尺度试验所需的财政和时间的负担激发了从实验结果进行插值的早期方法和有预测能力的相关方法。很多国家的建筑规范对确定一些材料和简单构件耐火性的特殊的计算方法是认可的。

　　在美国土木工程师协会(ASCE)和防火工程师学会(SFPE)的一个联合计划中，《结构防火标准计算方法》介绍了“选定结构部分和由钢结构、无筋混凝土、钢筋混凝土、木材、混凝土圬工、泥土工组成的障碍构件”耐火时间的计算方法。这些方法可以在ASTM E119实验中预测部件性能，但未必以某种方式使人们能理解他们在某一建筑物内或其它火灾暴露情况下对其性能。

　　在性能化规范体系中，更多的是倡导使用最近有CIB W14出版的《建筑物耐火的合理防火安全工程方法》，CIB出版269。该文献概括了工程设计的程序，包括：
　　l 辨识安全目标
　　l 制定防火安全策略
　　l 建立性能标准
　　l 描述设计火灾场景
　　l 确定行动和载荷
　　l 评估结构性能和热性能（通过计算或实验）
　　l 说明不确定性
　　l 评估报告
在评估结构性能和热性能这一部分，文献提及到使用适当的计算或实验的方法。这里有一些有限的容量就应该明智地使用，例如，许多建筑部件包括钢梁或柱子都嵌在保护性材料中，从喷淋部件到混凝土部件。这些部件在火灾中趋于失效，当钢的温度升到一定程度，其机械强度开始降低（图 31）。对于普通钢材，这个温度是众所周知的，但有些钢材能够保持它们的强度到更高的温度。这些部件的性能，在很大程度上是热传导问题，该问题可用任何（有限元）热传导模型（例如，TASEF, Fires-T33）和该钢材的临界温度来分析。

　　当其性能受到不可预测的现象影响时，必须谨慎使用这些分析方法。例如，钢筋的强度加强了钢筋混凝土的强度，钢筋有混凝土隔离着。因此，在火灾中钢筋混凝土的性能主要受混凝土覆盖钢材的深度影响。但是，在火灾中混凝土遭受散裂，表层的混凝土散落下来。当前不可能预测散落过程，因而钢筋混凝土部件的详细性能受水泥散落的影响。和喷淋保护相类似，随着时间的流逝，混凝土可能失去厚度或变薄，以致在遭受火灾的情况与我们测试和开始安装的情况不同。

　　另一和建筑结构框架性能相关的领域是由框架部件的膨胀引起的扭曲。在20世纪80年代早期，美国钢铁协会(AISI)开发了一个称为FASBUS的研究模型。在NIST开展了研究工作，包括在一个专门构建的全尺寸的设施内的实验，该实验模拟了一个高大建筑的上面三个层的情况。该模型预测了框架部件在局部火灾任意加热情况下，由局部膨胀而产生的扭曲。它不包括框架内部的连接失效，也不包括框架和其它建筑元件之间的相互作用。众所周知，暴露在火灾中的钢梁膨胀时可推倒承重墙，或在下垂时能拉倒承重墙。

　　理解详细情况的局限性

　　虽然可以通过前面所述来计算主要建筑部件的火灾性能，但对理解整个建筑系统火灾性能的限制在于那个系统基本的细节部位。第一是连接部件的关系。诸如载荷下的展延性，这些连接体的机械性能可做通常理解，但是，暴露在火灾情况下可有多种失效形式。在联邦应急管理局关于世界贸易中心1号和2号楼在火灾下的建筑响应的报告中提出了这些问题。美国材料实验协会有一个详细阐述了燃烧炉试验程序的连接耐火构件的标准。这是特意为地板或墙构件的连接而制定的，而对于建筑部件的连接不是必要的。

　　另一没有很好解释的细节是连接在一起的构件发生了什么，墙和天花板或窗帘墙和夹墙都是普通的例子。如何正确的保护构件的汇合处以防止火或烟气的经过，或这些构件如何保护建筑部件的失效？

　　最后的例子是，防御系统在建筑物整个生命周期中的可靠性。防灭火设施的非正常破坏，一直是长期争论的危及火灾安全的问题。911事件使该问题更加突出，喷淋防火在房客准备出租或装新的期间已被毁坏。除了正常使用出现的问题外，还有在某些极端事件下，火灾来临之前可能有撞击或爆炸损坏，在随后的火灾中势必影响其性能14。

　　研究需求

　　在2002年3月的一次联合会议上，CIB W14 (火灾)和ISO TC92 (火灾安全)确立了一个初步的问题列表，这些问题应该探究确定建筑物耐火性的工程分析方法的发展。提供该表以及一些有限的解释如下。

　　随机瞬态情况下的动态暴露

　　对目前单一的时间―温度暴露分级方法的局限性提出论证是最重要的问题。这不一定适于给定的情况，并不能在任何其它情况下对性能提供指导。暴露参数允许外推到任何其它暴露情况。欧洲已为欧洲规范体系在火灾曲线上做了相当多的工作，这将提供了一个起点。其结果将是得出一组火灾设计基础，并指定为特定建筑等级，作为事件范围的代表，因为我们期望设计能够满足性能目标。如果这些火灾设计被用来指定为建筑物载荷性能设计标准，那么火灾和建筑工程师将能够同时进行设计过程15。

　　与计算相关联的性能量度数据

　　此外，至关重要的基本原理的变化，是发展一种能在实用中预测性能的方法，而不是一般使用为材料和构件鉴定或分类。这将需要工程分析方法和测量膨胀性能的模型以及这些计算方法的性能量度的发展。有关这些主题的极好的讨论可在火灾研究国际合作论坛Croce的专题报告中找到。

　　材料制造商和产品生产商经常特别关心这种方式，因为他们的产品将不再为普通的使用所认可，而是必须为特殊设计做性能评估。然而，如果最终的应用都列入火灾设计基础的设置分类，这将有可能确定其性能是否为这些事件所接受，并为大多数认可材料的应用提供一个分级。

　　小型炉测定材料实际属性时的温度效因

　　进行耐火性测定的燃烧炉有较高的热惰性是值得注意的，可能不适用于变化很快的暴露情况。在炉子设计中，可能有必要定义这个新概念，就是较小尺寸的燃烧室尽可能能够对迅速改变的暴露情况做出更多的响应。这也包括以最小的花费测试较小样品全部的优点。该技术具有的预测性能的能力，与全尺寸实验方法相比至少具有一样的不确定性。

　　材料和构件的物理变形（需要受限全尺寸实验）

　　与构件物理变形相关的力和荷载会导致受限制的建筑构件失效。扭曲、下垂、弯曲或其它变形可能由于暴露在高的温度梯度中而发生的，或由于部件中的残余应力，这些应力在较小样品中，或者没有典型的限制情况时是不可能出现的。因而，相对于小尺寸的实验和模型，这类实验方式可能需要全尺寸的实验程序。

　　质量控制问题和效果（建造的对设计的或实验的）

　　耐火构件的建筑规范虽然十分详细，然而，多数人认为它在建造实际的建筑物时经常有变化。但是，这些规范中很少或者没有关于这些变化对性能影响得信息，这些信息对制定指导质量控制程序或检查规定有用的变化。这里所需的是对应用的预期变化范围做一敏感性分析，以确定设计的关键部分和维持可接受的性能变化。这种灵敏度确定的类型需要过高的花费，但是可以用预测性质的模型来确定既简单又经济。

　　冲击载荷和超压

　　应用于建筑物的火灾情景设计通常没有包括爆炸或其它极端始发事件。战争中，可能受到攻击的军用据点和有限范围内地震后的火灾是例外。911事件可能会改变这种情况。能够完全抵抗极端载荷的设计，这可能是非常昂贵的。在NFPA的生命安全规范（NFPA 101）和建筑规范(NFPA 5000)中，性能化设计选项所包括的概念可以提供答案。对于低概率情况，设计没有完全满足性能目标是可以接受的，但是应当对结果进行检查，并且认为相对于事件发生的概率而言是可接受的。当低概率事件的发生概率低于总失效概率时，政策制定者会同意接受极端情况的重大损失。在核电业中叫做风险信息规则。

　　冷却阶段性能

　　其他时有争论的问题，除了美国材料实验协会的耐火实验草案中的(防火阀)水流冲击试验以外，都没有评估建筑组件在冷却阶段的性能。然而，冷却阶段的性能在防止逐渐坍塌可能很重要，因此需要开展研究。以同样的装置来评估它是可能的，正如前面所述，那将是物理变形实验所必须的。

　　研究方案的组织

　　最初的讨论是在2002年三月在CIB W14和ISO TC92之间进行的，双方表达了对该项工作的兴趣。在TC92内部，该工作将由SC2（遏制火灾）和SC4（火灾安全工程）完成。在2002年6月，与美国材料实验协会进行了讨论，该工作大部分在E05.11范围之内，他们许多成员同样感兴趣。在每种情况下，下属委员会主席们将是交流的焦点。

　　2002年9月，CIB W14举行了一次会议，开始了计划过程，因为他们负责全部工作的组织和协调。在这次会议上，制定了一个计划，全世界的13个火灾实验室将在模型和实验为主的工作上鼎力合作，以增强预测建筑物火灾响应的能力。该工作和NIST研究世界贸易中心倒塌的工作同步进行，也许有助于详细的理解那次事故的机理。召开适当的国际会议，在此，介绍有关这项工作的技术文章以促进讨论。预定2004年3月在加拿大多伦多召开的CIB国际会议将组织一个与此主题相关的技术会议。

新闻来源：中国消防网站