ISO 24678-42023 消防安全工程.代数公式的管理要求.第4部分烟层标准立项发展报告

消防安全工程代数公式的管理要求第4部分：烟层标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Firesafetyengineering—Requirementsgoverningalgebraicformulae—Part4:Smokelayers摘要随着建筑功能复杂化与高层化趋势的加剧，火灾烟气已成为火灾中人员伤亡的首要致因，烟层运动规律的精准预测成为消防安全工程设计的核心课题。代数公式因其物理意义明确、计算成本低、工程可操作性强等优势，在性能化防火设计中占据不可替代的基础地位。然而，各公式的适用边界不统一、输入参数要求不明确、验证数据基础参差等问题，长期困扰着设计人员与审查机构，亟需国际层面加以规范。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年6月28日正式发布ISO24678-4:2023《消防安全工程代数公式的管理要求第4部分：烟层》，该标准是ISO24678系列标准的第四部分，系统规定了烟层子模型中代数公式的适用范围、输入参数、物理假设、局限性与文档化要求，为烟层计算提供了统一的国际技术范式。本报告全面梳理了该标准的立项背景、主要内容、技术特征及行业应用价值，并介绍了主要参与单位中国科学技术大学的贡献，旨在为国内消防安全工程领域的标准应用与后续研究提供系统性参考。关键词：消防安全工程；烟层；代数公式；性能化设计；ISO24678；国际标准Keywords:Firesafetyengineering;Smokelayers;Algebraicformulae;Performance-baseddesign;ISO24678;Internationalstandard一、引言火灾烟气是导致火灾中人员伤亡的最主要因素。据统计，火灾中约80%的人员死亡源于烟气中毒和窒息，而非直接烧伤。烟气在建筑内的蔓延规律直接决定了可用安全疏散时间（ASET）的评估精度，进而影响人员生命安全水平的判定。因此，对烟气运动——尤其是烟层形成与发展过程——进行科学、准确的量化描述，是消防安全工程设计的核心基础环节。在消防安全工程的工程实践与性能化设计中，代数公式因其物理概念清晰、计算流程简洁、工程应用便捷等显著优势，被世界各国广泛采用。无论是稳态火源条件下的烟层高度计算、非稳态火源的烟层发展预测，还是机械排烟与自然排烟工况下的烟层控制分析，代数公式始终是工程技术人员最常用的量化工具。然而，随着性能化防火设计的深入推广，代数公式在使用中也暴露出诸多问题：不同设计人员选取的公式各不相同，计算结果的离散性较大；部分公式的使用超出了其物理假设的适用范围，导致计算结果失真；公式输入参数的选取缺乏统一准则，人为因素影响显著；公式结果的文档化呈现方式五花八门，不利于后续的审查验证与责任追溯。这些问题严重影响了消防安全工程设计的科学性与可信度。为系统解决上述问题，国际标准化组织火灾安全工程分技术委员会（ISO/TC92/SC4）启动了ISO24678系列标准的编制工作。该系列标准旨在为消防安全工程中使用的代数公式建立统一的管理要求框架，从物理情景识别、公式选取准则、输入参数确定、局限性说明、结果文档化等方面进行全面规范。在此之前，该系列已相继发布了第1部分（总则意义上的通用要求框架）、第2部分（火源特性相关公式）和第3部分（烟气羽流相关公式）等部分。ISO24678-4:2023作为该系列的第四部分，聚焦于烟层（Smokelayers）相关的代数公式，填补了烟层计算工具规范化管理的国际标准空白。二、标准立项背景与需求分析2.1行业发展需求近二十年来，性能化防火设计方法在世界各国得到广泛应用。与传统的处方式规范相比，性能化设计以火灾场景分析为基础，以量化计算为手段，以人员安全目标为导向，为建筑防火设计提供了更大的灵活性与科学依据。在这一过程中，烟气运动的量化计算始终是性能化评估的核心模块。烟层作为烟气在建筑空间顶部积聚形成的浮力分层结构，其高度、温度、厚度等参数的演化规律，直接关系到人员可用疏散时间、机械排烟系统设计参数、探测器响应时间等关键设计指标。然而，当前工程实践中可用的烟层计算公式种类繁多，各公式的物理假设、适用条件和精度水平差异显著。例如，为计算稳态火源的烟层高度，工程中常见的公式包括基于理想羽流假设的简化模型、考虑壁面射流的半经验模型，以及多种修正系数版本的经验公式。这些公式的计算结果差异可高达30%以上，严重影响了设计结论的可靠性与一致性。2.2国际标准化需求从国际标准化视角来看，ISO/TC92（消防安全工程）技术委员会一直致力于构建完善的消防安全工程标准体系。在ISO23932（消防安全工程总则）、ISO16730（消防安全工程计算方法的评估、验证与验证）等基础标准的框架下，各专项计算工具的规范化势在必行。ISO24678系列标准正是在此背景下应运而生的专项标准体系。该系列标准的总体目标是为消防安全工程中涉及的各类代数公式建立统一的管理与应用要求。此前已发布的标准中，ISO24678-1:2023规定了代数公式在消防安全工程中使用的通用要求框架，ISO24678-2:2023明确了火源特性相关代数公式的管理要求，ISO24678-3:2023则针对烟气羽流公式进行了规范。烟层作为烟气运动的重要物理对象，其相关公式的管理要求理应得到同等的标准化关注，ISO24678-4:2023的立项与发布正是对这一需求的直接回应。2.3技术发展背景从技术层面来看，近年来火灾科学领域对烟层运动规律的研究不断深化。全尺寸实验、缩尺寸实验和数值模拟（CFD）等研究手段的广泛应用，积累了丰富的烟层行为数据，为代数公式的验证与评估提供了坚实的数据基础。同时，研究者对不同公式的适用范围和精度边界有了更为清晰的认识，这些认识需要转化为标准化的管理要求，以指导和规范工程实践。ISO24678-4:2023正是在充分吸收这些研究成果的基础上制定的。三、ISO24678-4:2023标准主要内容3.1标准定位与适用范围ISO24678-4:2023《消防安全工程代数公式的管理要求第4部分：烟层》是ISO24678系列标准的重要组成部分。该标准在ISO24678-1所确立的通用管理要求框架之下，专门针对与烟层相关的代数公式，规定了从情景识别、公式选择到结果应用的完整管理流程要求。在标准适用范围方面，该标准明确了以下边界条件：-涵盖的公式类型：适用于描述建筑火灾中烟层形成与发展过程的代数公式，包括但不限于稳态火源条件下的烟层高度计算、非稳态火源条件下的烟层发展预测、烟层温度估算、机械排烟和自然排烟条件下烟层行为计算等。-适用空间尺度：适用于单室、大空间（如中庭、体育馆、航站楼等）以及走廊等典型建筑空间的烟层计算。-不适用范围：标准明确不适用于涉及复杂几何边界条件（如不规则形状、多重开口耦合等）的精细化计算场景，此类场景建议采用更为精细的数值模拟方法（如CFD）或其他高级工程方法。3.2标准框架体系ISO24678-4:2023在结构上遵循了ISO24678系列标准的统一框架，包括以下主要技术章节：3.2.1核心管理要求标准首先明确了使用烟层相关代数公式时必须满足的基本管理条件。这些要求包括：使用人员须具备相应的专业能力与技术背景；须根据具体工程场景的物理特征识别合适的计算公式类型；须采用标准规定的方法对公式计算结果进行合理性检验。核心管理要求层给出了一个系统化的"情景识别－公式选取－参数确定－计算执行－结果验证"的技术流程框架，确保计算工作的系统性和一致性。3.2.2物理情景分类与适用条件界定标准根据火灾发展特征与建筑空间特征，将烟层的典型计算情景进行了系统分类，并针对每一类情景明确了相应的代数公式适用条件。具体包括：-稳态火源与烟层平衡高度：适用于火源功率基本稳定的火灾场景，关注烟层在给定排烟条件下达到平衡状态时的高度和温度。标准明确了稳态假设的成立条件（火源功率变化率低于某一阈值），以及在此条件下适用的核心计算公式。-开口流动与烟层稳定性：针对门窗等开口处的烟气流动行为，标准也对开口处的烟气溢流条件、中性面位置计算等提出了相应的公式使用要求。3.2.3输入参数确定原则标准对烟层公式计算所需输入参数的确定方法作出了系统性规定。主要输入参数包括火源热释放速率、空间几何尺寸（高度、面积、体积等）、开口条件（开口尺寸、位置、流量系数等）、环境温度、排烟系统参数（排烟量、补风条件等）。标准明确了各参数的名义值选取方法、不确定度评估要求以及在参数变化范围内对计算结果影响程度的敏感性分析要求。3.2.4公式局限性声明要求标准要求在使用代数公式进行烟层计算时，必须同步提供公式局限性声明。该声明须明确：公式依赖的核心物理假设（如理想浮力羽流假设、瞬态均匀混合假设等）、适用参数范围（火源功率范围、空间尺寸范围、开口条件范围等）、已知的精度限制和失效模式，以及超出适用范围时的替代计算方法建议。这一要求有效防止了公式的误用和滥用。3.2.5计算结果的文档化要求标准规定了烟层代数公式计算结果的文档化呈现规范，包括：计算目的与工程场景的描述、所选取公式的理论依据及出处引用、所有输入参数的数值及来源说明、中间计算过程和最终结果的完整记录、计算结果的敏感性分析和不确定性说明，以及与其他独立方法（如CFD模拟或实验数据）的交叉校核信息。完整、规范的文档化记录不仅为设计审查和审批提供了坚实基础，也为责任的清晰追溯提供了依据。3.3标准中的技术要点3.3.1烟层公式的分类管理标准将烟层相关的代数公式划分为若干类别，分别规定了相应的管理要求。主要类别包括：烟层高度计算类——以质量守恒和能量守恒为基础，通过浮力羽流的质量卷吸关系求解烟层分界面的平衡高度；烟层温度计算类——通过能量平衡分析给出烟层平均温度的估算方法；排烟系统耦合计算类——将烟层公式与机械排烟或自然排烟模型耦合，评估排烟系统的性能。3.3.2不确定性分析要求标准引入了不确定性分析的技术要求，要求对输入参数的不确定性如何传播至最终计算结果进行定量评估。推荐的评估方法包括：简单敏感度分析法、区间分析法以及蒙特卡洛随机模拟法，具体方法的选取应基于工程评估的目的和精度要求。四、主要参与单位介绍在本标准的制定过程中，中国科学技术大学作为ISO/TC92/SC4的积极成员单位，作出了重要贡献。中国科学技术大学是中华人民共和国教育部直属的全国重点大学，是国家首批"985工程"和"211工程"重点建设高校之一，也是国家"双一流"建设高校。学校在火灾安全领域拥有雄厚的科研积累和国际影响力，其下设的火灾科学国家重点实验室是国内火灾安全领域唯一的国家重点实验室，在火灾动力学、烟气运动规律、人员疏散机理等方向取得了大量具有国际影响力的研究成果。在ISO24678-4:2023的编制过程中，中国科学技术大学的专家团队充分发挥了其在烟气运动理论建模与实验验证方面的深厚学术积累。实验室自主研发的多通道烟气层高度测量系统、大规模中庭烟气运动实验平台等设施，为标准的验证工作提供了关键的实验数据支撑。同时，中国科学技术大学团队多次组织国内相关高校和科研机构进行技术研讨，广泛征集国内消防安全工程界的意见和反馈，经过充分的整合与分析后形成中国提案提交至ISO/TC92/SC4，有效推动了中国在该标准制定中的话语权提升。中国科学技术大学的工作不仅将国内在烟层运动领域的先进科研成果推向了国际标准平台，也为推动中国消防工程技术与国际接轨发挥了重要作用。五、标准应用价值与影响5.1对消防安全工程设计实践的规范作用ISO24678-4:2023为消防安全工程实践中烟层计算提供了系统化的技术管理框架。通过确立统一的公式选取准则、输入参数确定方法和文档化要求，该标准显著提升了不同设计人员、不同设计机构之间计算结果的横向可比性。这将有效减少因计算方法选择差异而导致的审查争议，加快性能化设计方案的审批流程，提升工程项目整体的消防安全水平与效率。5.2对性能化防火设计方法发展的推动作用性能化防火设计的核心特点是"以分析为基础，以目标为导向"。可靠的量化分析工具是性能化设计的根本保障。ISO24678-4:2023通过规范代数公式的应用流程，提升了性能化设计中烟气分析环节的可信度和可追溯性，为性能化设计方法在更广泛工程场景中的应用提供了标准化技术支持。同时，标准的实施也为其他类型计算工具（如区域模型、CFD模型）的管理标准化提供了有益的参照范式。5.3对技术研究与标准体系的联动促进作用标准的发布不仅服务于工程应用，也对学术研究提出了新的指引。标准中明确的局限性声明要求和不确定性分析方法，为研究者提供了审视和改进现有公式的有效框架，有助于发现当前公式体系中的薄弱环节，引导后续研究的方向。在标准体系层面，该标准与ISO23932（消防安全工程总则）、ISO16730（计算方法的评估、验证与验证）、ISO24678系列其他部分等共同构成了一套层次分明、覆盖完整的消防安全工程国际标准体系。5.4国际影响与国内衔接ISO24678-4:2023作为一项国际标准，其发布将促进全球范围内消防安全工程实践的技术趋同。对我国而言，该标准的发布为我国消防工程领域采用国际先进标准、参与国际标准竞争提供了重要参考。与此同时，国内相关标准的制修订工作应积极参考该国际标准的框架和内容，推动我国消防安全工程标准体系与国际标准体系的兼容与互认。六、结论与展望ISO24678-4:2023《消防安全工程代数公式的管理要求第4部分：烟层》是国际消防安全工程标准体系中的重要组成部分。该标准基于对工程实践中烟层计算公式应用问题的系统分析，构建了涵盖情景识别、公式选取、参数确定、计算执行、不确定性评估与结果文档化的全流程管理框架。标准的发布有效弥补了烟层计算工具在标准化管理方面的空白，对于提升全球范围内消防安全工程设计质量、促进性能化防火设计方法规范化发展具有重要意义。展望未来，随着建筑形态的日益复杂化以及新型材料和技术在建筑中的广泛应用，消防安全工程面临的计算需求将不断增长。ISO24678系列标准还将在更多子领域继续扩展（如烟气控制系统的耦合设计、水喷淋与烟气层相互作用等），形成更加完整的代数公式管理标准体系。与此同时，随着人工智能和大数据技术的迅速发展，如何将数据驱动的方法与传统的物理模型有效融合，开发出更加精确、鲁棒性更强的烟层预测工具，也必将成为下一阶段标准化工作的重要议题。对于我国而言，应积极跟踪和参与ISO24678系列标准的制定与修订工作，将国内在火灾科学研究领域的优势成果转化为国际标准，提升我国在消防安全工程国际标准化事务中的话语权和影响力。同时，行业主管部门和标准化机构应做好该国际标准的国内转化与推广应用工作，组织编制配套的宣贯培训材料和工程应用指南，推动我国消防安全工程实践的整体水平迈上新台阶。参考文献[1]ISO24678-4:2023,Firesafetyengineering—Requirementsgoverningalgebraicformulae—Part4:Smokelayers,InternationalOrganizationforStandardization,2023.[2]ISO23932-1:2018,Firesafetyengineering—Generalprinciples—Part1:General,Inter