ISOTR 24679-52023 消防安全工程-结构在火灾中的性能-第5部分加拿大木结构建筑实例标准立项发展报告

消防安全工程——结构在火灾中的性能——第5部分:加拿大木结构建筑实例标准立项发展报告EnglishTitle:StandardizationDevelopmentReport:Firesafetyengineering—Performanceofstructuresinfire—Part5:ExampleofatimberbuildinginCanada摘要随着可持续建筑理念的推广和木结构建筑技术的进步，现代木结构建筑正在向高层、大跨度及多功能方向发展，其消防安全问题成为制约其广泛应用的关键技术瓶颈。传统木结构防火设计多基于经验法则，缺乏系统性的工程分析方法。国际标准化组织（ISO）发布的ISO/TR24679-5:2023《消防安全工程——结构在火灾中的性能——第5部分：加拿大木结构建筑实例》，作为ISO24679系列的组成部分，旨在通过一个典型的加拿大木结构建筑案例，展示如何将消防安全工程（FSE）原理应用于木结构建筑的抗火性能分析与评估。本报告深入分析了该标准立项的背景、核心内容与技术特征，阐述了其在推动全球木结构建筑消防安全从“处方式”规范向“性能化”设计转变中的关键作用。报告指出，该标准通过构建详细的火灾场景、定义结构荷载与边界条件、应用数值模拟等手段，为工程设计人员提供了一套可复现的、基于科学证据的分析框架。报告还重点介绍了主导该标准编制工作的加拿大标准协会（CSAGroup）及其在木结构防火领域的技术积淀。最终得出结论：ISO/TR24679-5:2023不仅弥补了国际标准在结构抗火性能化分析案例方面的空白，更为各国尤其是在木结构建筑应用方面具有良好基础的国家（如加拿大、中国、北欧诸国）提供了极具价值的参考范本，将有力促进全球木结构建筑向更高、更安全的方向发展。关键词消防安全工程；木结构建筑；结构抗火性能；性能化防火设计；加拿大；国际标准化组织（ISO）；火灾场景；工程实例Keywords:FireSafetyEngineering;TimberBuilding;StructuralFirePerformance;Performance-BasedFireDesign;Canada;InternationalOrganizationforStandardization(ISO);FireScenario;EngineeringExample正文1.引言：由经验规则迈向工程科学的木结构防火长期以来，建筑防火设计遵循着严格的“处方式”规范，即通过规定具体的技术参数（如建筑材料的燃烧性能等级、构件的耐火极限、防火分区的最大面积等）来保障安全。这种模式因其操作简便、执行明确而被广泛应用。然而，对于采用新型材料或创新结构体系（特别是向高层、大跨度发展的现代木结构）的建筑，传统的“处方式”规范往往无法提供直接、准确的设计依据。这不仅限制了木结构的技术潜力，也可能导致不经济或不合理的安全冗余。在此背景下，消防安全工程（FireSafetyEngineering,FSE）作为一门独立学科，为建筑防火设计提供了全新的方法论。FSE通过分析火灾发生、发展、蔓延的全过程，定量评估建筑结构、人员、财产面临的风险，并据此进行性能化的设计优化。ISO24679系列标准《消防安全工程——结构在火灾中的性能》正是这一方法论的标准化载体。该系列标准旨在提供一个系统性的分析框架，指导工程设计人员对建筑结构在火灾条件下的力学行为进行预测和评估。作为该系列标准的最新补充，ISO/TR24679-5:2023《消防安全工程——结构在火灾中的性能——第5部分：加拿大木结构建筑实例》（以下简称“第5部分”）的立项具有里程碑意义。它标志着国际标准化活动正式将现代木结构建筑纳入结构抗火性能化分析的主流框架，为全球木结构建筑的安全应用提供了权威的技术指引。2.标准立项背景：应对现代木结构发展的消防安全挑战[2.1]技术趋势与安全需求全球建筑业正在经历一场深刻的绿色变革。木材作为一种可再生、低碳的建筑材料，其应用重新获得了高度重视。尤其是正交胶合木（Cross-LaminatedTimber,CLT）和胶合木（Glulam）技术的成熟，使得建造6层以上甚至超过18层的木结构建筑成为可能。这些“大型木结构”或“高层木结构”项目，虽然在可持续性和社区福祉方面展现出巨大优势，但其防火安全一直备受质疑。主要挑战集中于：*火灾荷载与热释放速率：相比于混凝土或钢结构，木材本身是可燃物，一旦发生火灾，将成为额外的火灾荷载，影响火势的大小和持续时间。如何准确量化木结构建筑中的火灾荷载密度及热释放速率，是性能化分析的基础。*炭化与承载力衰减：木构件在高温下会形成炭化层，炭化层能有效保护内部木材，但炭化速率及剩余未炭化截面的力学性能变化是决定结构耐火极限的关键。传统方法基于经验公式，对不同截面、不同胶合方式的构件适用性有限。*连接件的火反应：木结构节点通常采用金属连接件（如钢板、螺栓、螺纹钉），这些金属件在高温下会迅速丧失强度，其失效模式复杂，是结构抗火设计的薄弱环节。*防火分隔连续性：木结构建筑中，楼板和墙体可能既是承重构件又是防火分隔构件。确保火灾不通过结构构件及其连接缝隙蔓延至其他楼层或区域，是保障生命安全的核心要求。[2.2]现有标准的局限性尽管国际上已有部分关于木结构抗火设计的标准（如欧洲规范5第1-2部分，Eurocode5Part1-2；美国ANSI/AWCNDS等），但这些标准通常基于单项构件的标准耐火试验（如ISO834标准升温曲线）。这种试验方法无法完全反映真实火灾中结构的整体响应，特别是考虑不同火灾场景下的升温曲线、结构热膨胀、荷载重分布以及相邻构件的相互影响等复杂因素。单纯依赖构件试验，难以对复杂、创新的木结构建筑进行精确的风险评估和优化设计。3.标准核心内容与技术解析ISO/TR24679-5:2023并非一个新的规范性标准，而是一个技术报告（TechnicalReport）。它的核心价值在于提供一个完整的、公开的、经过验证的案例分析，详细演示如何将ISO24679系列规定的FSE方法论应用于一个具体的现代木结构建筑项目。这种“以案说法”的方式，极大地降低了性能化防火设计的学习门槛，并提供了可复制的技术路径。该标准选取的案例是一个位于加拿大的典型中型多层木结构建筑。报告内容大致可分为以下几个技术层面：[3.1]建筑与场景定义*建筑概况：详细描述了该建筑的用途（如住宅、办公或混合）、层数、总面积、结构体系（如CLT承重墙+胶合木梁柱体系）、消防设施（如自动喷淋系统、火灾自动报警系统）等基本信息。*性能目标：明确本项目需要满足的消防安全目标，通常包括结构稳定性（防止倒塌）和防火分隔完整性（防止火势蔓延）。*设计火灾场景：这是FSE分析的基础。报告根据建筑功能、可燃物分布、通风条件等因素，设定了多个具有代表性的火灾场景（DesignFireScenarios,DFS），例如：某个公寓单元内的“通风控制型火灾”（UnderventilatedFire）或办公室内的“燃料控制型火灾”（Fuel-ControlledFire）。每个场景均定义了火灾的时空增长速率、最大热释放速率及持续时间，并考虑了喷淋系统是否正常运行。[3.2]数值模拟与分析*火灾动力学模拟：使用场模型（如FDS，FireDynamicsSimulator）或区域模型，计算不同火灾场景下建筑内的温度场分布、烟气流动及热通量。这为后续的结构热响应分析提供了输入条件。*热响应分析：将火灾模拟得到的温度-时间曲线作为边界条件，施加到木结构构件（墙、板、梁、柱）上。通过有限元分析（FEA）或简化计算方法，计算构件内部的温度分布，特别是木材的炭化深度和炭化速率。*结构力学分析：将温度场导入结构模型，评估木材、金属连接件在高温下的力学性能退化。分析结构在火灾作用下的变形、内力和承载力变化，尤其是关键承重构件的失效时间。最终得到结构整体的耐火极限，并判断其是否满足初始设定的性能目标。[3.3]关键发现与结论报告会总结分析结果，重点阐述木结构在火灾中的响应特征，例如：*炭化保护层的有效性：验证了CLT和胶合木构件在标准火灾及自然火灾下，其自身形成的炭化层能够有效延缓内部木材的升温，从而维持较高的承载力，证明了其“固有耐火性”。*连接件的脆弱性：分析结果可能显示，尽管木构件本身表现良好，但金属连接件（如靠近火源侧的钢板或螺栓）可能在火灾前期就失效，导致节点破坏，进而引发结构整体失稳。这强调了连接件防火保护的重要性。*喷淋系统的关键作用：通过对有无喷淋系统的对比分析，定量评估了自动喷淋系统对控制火灾规模、降低热释放速率、保护结构安全的巨大作用。这为设计更经济的木结构方案提供了依据。4.技术特点与实践价值ISO/TR24679-5:2023的立项和发展，体现了以下几个显著的技术特点和深远的实践价值：*从“构件级”到“系统级”的跃升：标准摒弃了单一构件的耐火试验，转而强调“整体结构系统”在真实火灾场景下的性能。这更贴近工程实际，能更准确地评估结构的安全性与经济性。*全面性：报告覆盖了从火灾物理、热传递到结构力学的全链条分析，并详细公开了每一步的初始条件、模型参数、计算方法及假设。这种全流程的透明度，使其成为一个绝佳的教育、培训和标准参考工具。*性能化设计的“灯塔”：对于正在制定或修订本国木结构防火规范的国家的标准化机构、科研设计人员，该标准提供了国际顶级的示范。它清晰展示了如何基于科学证据而非经验来设定设计目标和论证方案的可行性。*促进国际贸易与技术交流：作为ISO标准，它为各国提供了一个统一的技术交流语言平台。无论是加拿大的CLT出口到欧洲，还是中国的木结构方案接受国际审核，该标准的分析和表述均可作为重要的技术支撑，降低技术壁垒。5.主要参与单位介绍：加拿大标准协会（CSAGroup）ISO/TR24679-5:2023的起草与发布，离不开加拿大标准协会（CSAGroup）的深度参与和技术领导。CSAGroup是加拿大最大的标准制定组织，也是世界上最著名的标准开发机构之一，以其在燃气、电气、核能、建筑及医疗保健等高风险领域的安全标准而享誉全球。在建筑与防火领域，CSAGroup拥有深厚的技术积累。其下设的建筑产品与标准委员会长期负责加拿大国家建筑规范（NationalBuildingCodeofCanada,NBC）中有关防火安全章节的技术支撑。特别是在木结构领域，加拿大拥有世界领先的木材科学研究和工程实践。作为其产业体系的重要组成部分，CSAGroup主导或参与制定了大量与木结构相关的标准，例如关于CLT制造与测试的CSAO177标准。这些标准为ISO/TR24679-5中的技术细节（如炭化速率的确定、连接件性能评估方法等）提供了坚实的技术基础。在此次标准制定过程中，CSAGroup发挥了关键的协调作用。它汇聚了来自加拿大多家顶尖高校（如不列颠哥伦比亚大学、阿尔伯塔大学）、政府研究机构（如国家研究委员会NRC建筑研究所）、木制品行业协会（如加拿大木业协会）以及知名工程咨询公司（如Arup、Fast+Epp）的顶尖专家。这些专家通过对大量物理试验数据的系统梳理、对数值模型（特别是由加拿大研究者开发的模型）的校准与验证，最终形成了这份高水平的实例报告。CSAGroup的参与，使得本标准不仅是对ISO方法论的一次成功应用，更是加拿大数十年木结构防火科研成果的集大成者和国际化输出。它向全球展示了“加拿大模式”在性能化防火设计领域的先进性和成熟度。6.结论与展望展望未来，随着全球对碳中和目标的追求和建筑工业化、绿色化进程的加速，木结构建筑的应用场景将更加广泛和复杂。相关标准化工作预计将向以下方向发展：1.案例多元化：在ISO/TR24679系列框架下，将出现更多针对不同国家、不同气候条件、不同类型（如大跨度体育馆、商业综合体）木结构建筑的实例报告，丰富性能化设计的数据库和设计指南。2.模型精细化：随着高性能计算和人工智能技术的发展，未来的结构抗火数值模拟将更加精细化。例如，实现对多层木结构建筑中火势沿缝隙（如楼板与墙体连接处）蔓延的全尺寸模拟，以及对局部炭化导致的应力重分布进行更高精度的预测。3.与配套标准的深度融合：ISO/TR24679-5将进一步与相关基础标准（如IS