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StandardizationDevelopmentReport:Firesafetyengineering—Performanceofstructuresinfire—Part5:ExampleofatimberbuildinginCanada摘要随着全球对可持续建筑和低碳排放的关注日益加深，木结构建筑在现代城市建设中的地位不断提升。然而，木材作为可燃材料，其在火灾中的结构性能直接关系到生命安全和财产保障，已成为消防安全工程领域的研究热点。国际标准化组织（ISO）于2023年7月正式发布《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》（ISO/TR24679-5:2023），该技术报告以加拿大典型木结构建筑为工程案例，系统展示了ISO24679系列标准所确立的火灾结构性能评估方法论在实际工程中的完整应用流程。本报告对该标准的立项背景、技术内容、应用价值及主要参与单位进行系统梳理与深入分析，旨在为我国消防安全工程标准化建设、木结构建筑防火设计及相关国际标准对接工作提供参考和借鉴。关键词：消防安全工程；木结构建筑；火灾性能；结构抗火；ISO24679；技术报告；加拿大Keywords:firesafetyengineering;timberbuilding;fireperformance;structuralfireresistance;ISO24679;technicalreport;Canada1.引言1.1研究背景21世纪以来，全球建筑业正经历一场深刻的可持续转型。木材作为一种可再生、可降解且碳足迹显著低于钢材和混凝土的建筑材料，重新获得国际建筑市场的广泛青睐。根据联合国欧洲经济委员会（UNECE）的数据，全球范围内多层乃至高层木结构建筑的数量呈快速增长态势，最高纪录已达18层（挪威Mjøstårnet大厦，85.4米）。同时，多个国家和地区相继修订建筑规范，允许木结构在更大规模和更高层数中使用。然而，木结构建筑的火灾安全性始终是社会公众、工程界和监管机构关注的核心议题。木材在高温下会发生热解、碳化及力学性能退化，可能导致结构承载力急剧下降乃至整体坍塌。传统的防火设计方法依赖于规范化的构造措施和耐火极限试验数据，难以充分应对复杂建筑形态、新型工程木产品（如交叉层压木CLT、胶合木Glulam等）以及性能化设计的现实需求。在此背景下，消防安全工程（FireSafetyEngineering,FSE）方法以其科学性、系统性和灵活性优势，日益成为木结构建筑火灾风险评估与防火设计的核心工具。1.2ISO24679系列标准概述ISO24679《消防安全工程——结构在火灾中的性能》系列标准由国际标准化组织ISO/TC92（消防安全技术委员会）SC4分技术委员会（结构耐火）负责制定，为建筑结构在火灾条件下的性能评估提供了一套系统化的工程方法框架。该系列标准基于性能化防火设计理念，将结构抗火设计从传统的“构件耐火试验”范式拓展为“整体结构火灾性能评估”范式，涵盖了火灾场景设定、热力作用分析、结构热响应计算、力学响应评估、性能判据判定等完整流程。作为该系列的第5部分，ISO/TR24679-5:2023（以下简称“本文件”）并非一套新的技术要求或设计规范，而是一份技术报告（TechnicalReport），其核心价值在于通过一个真实的加拿大木结构建筑案例，演示如何将ISO24679-1所确立的一般性评估框架和程序具体应用于木结构建筑之中。这种“实例示范”的编写方式，有效弥合了方法标准与工程实践之间的鸿沟，为全球范围内的消防工程师、结构工程师、建筑规范制定者和研究人员提供了极具操作性的参考。1.3目的与意义本报告旨在对ISO/TR24679-5:2023的立项背景、技术内容、编制思路、应用方法以及主要参与单位进行系统性梳理与分析，揭示该标准对于推动木结构建筑消防安全工程方法规范化、促进国际标准协调一致以及指导我国相关领域标准化工作的重要价值。2.标准编制背景与立项依据2.1木结构建筑的全球发展趋势木结构建筑在全球范围内的复兴并非偶然，其背后有着深刻的时代背景。从环境维度看，建筑业占全球能源相关二氧化碳排放的约37%，而木材在全生命周期中具有碳汇功能——每立方米木材约可固定0.9吨二氧化碳。从技术维度看，工程木产品（EngineeredWoodProducts,EWPs）的快速发展极大拓展了木结构的应用边界。交叉层压木（CLT）的出现使得木结构可以用于中层乃至高层建筑，其双向受力性能和预制化施工特点在欧美地区获得广泛实践。从政策维度看，欧盟《绿色新政》、加拿大《国家木结构建筑战略》、日本《公共建筑木造化推进法》等政策文件均对木结构建筑的发展给予明确支持。据加拿大木业协会（WoodWorks!）统计，加拿大已有超过600个采用大型木结构系统的项目完成建设或正在设计之中。这种快速发展态势对消防安全工程方法提出了更为迫切和精细化的需求。2.2火灾安全设计的现实挑战木结构建筑的火灾安全设计面临一系列不同于传统混凝土和钢结构建筑的独特挑战：（1）材料可燃性：木材本身是可燃材料，在火灾中不仅是被动承受热作用的结构构件，还可能作为燃料参与燃烧过程，从而改变火灾的增长特性和热释放速率。木材在约300°C时开始明显热解，释放可燃挥发分，形成炭化层。炭化层的形成在一定程度上起到隔热保护作用，但其生长速率和结构承载力的退化规律需精确量化。（2）炭化速率的不确定性：木材的炭化速率取决于树种、密度、含水率、热辐射强度、氧气供应等多种因素，存在显著的不确定性。工程中通常采用炭化速率的名义值（如针叶材的炭化速率约0.65mm/min），但其与实际条件的偏差可能对结构耐火性能评估结果产生重大影响。（3）连接节点的火灾行为：木结构建筑中金属连接件（如钢钉、螺栓、角钢连接件等）在火灾中升温速度远快于木材，且在高温下钢材强度迅速下降。连接节点往往是木结构火灾中的薄弱环节，其失效可能导致结构整体坍塌。（4）整体结构行为：传统构件耐火试验以单个构件为对象，无法充分反映整体结构在火灾中的荷载重分布、薄膜效应、约束效应等复杂行为。木结构建筑的整体火灾响应涉及构件之间的相互作用以及非结构构件的影响，需要采用整体性评估方法。上述挑战表明，传统基于标准火灾曲线和构件耐火极限的设计方法难以全面保障木结构建筑在真实火灾场景下的结构安全。性能化的消防安全工程方法成为必要的技术路径。2.3ISO24679-1框架下实例需求的确立ISO24679-1:2019《消防安全工程——结构在火灾中的性能——第1部分：一般要求》确立了一套通用的结构火灾性能评估框架，包括以下关键步骤：-确定工程目标和可燃物荷载；-设定设计火灾场景；-计算火灾热作用（包括局部火灾、全面燃烧火灾等）；-计算结构内部温度分布；-评估结构力学响应；-与预设性能判据进行比对；-形成评估报告。然而，该框架的抽象性使得许多工程技术人员在实际应用中面临操作困难。特别是对于木结构建筑这一相对特殊的结构类型，如何合理确定设计火灾场景、如何考虑木材燃烧对火灾发展的反馈作用、如何选取合适的炭化模型和材料高温性能参数、如何评估整体结构的渐进式坍塌风险等问题均需要进一步的示范指导。为此，ISO/TC92/SC4委员会在完成ISO24679-1后，决定编制一系列实例类技术报告，以不同的结构类型和不同国家的工程实践为载体，阐释ISO24679框架的具体应用方法。其中，ISO/TR24679-5以加拿大木结构建筑为实例，全面展示木结构建筑在火灾中的性能评估流程。2.4国际标准化组织相关技术委员会的推动本文件的编制工作由ISO/TC92（消防安全）SC4分技术委员会（结构耐火）主导开展。ISO/TC92成立于1960年代，是国际标准化组织负责消防安全领域标准制定的核心技术委员会，其工作范围涵盖火灾的发生、发展、蔓延、探测、扑救和建筑结构在火灾中的行为等方面。SC4分技术委员会专门负责建筑结构和工程产品在火灾中的性能评估以及相关试验方法的标准化工作。加拿大作为木结构建筑技术领先的国家之一，于2018年正式向ISO/TC92/SC4提出编制木结构建筑火灾性能实例技术报告的提案，并获得委员会成员国的广泛支持。加拿大标准委员会（SCC）委托加拿大国家研究委员会（NRC）牵头组织编写工作。中国、瑞典、挪威、芬兰、新西兰、美国、日本等木结构技术较为发达的国家均积极参与了该文件的编制与评审，贡献了各自在木结构防火领域的科研成果和工程经验。2.5文件性质：技术报告（TechnicalReport）需要特别指出的是，本文件属于技术报告（TechnicalReport,TR）类别，而非国际标准（InternationalStandard）或技术规范（TechnicalSpecification）。这一性质定位意味着：-本文件提供的是信息性（informative）指导，而非规范性（normative）要求；-文件中展示的实例方法和数据仅供参考，不代表唯一或强制性的技术路径；-各成员国可在其国家法律和标准体系框架内自愿参考使用；-其主要功能是促进技术理解和经验分享，为未来可能的规范化标准制定奠定基础。3.标准主要内容与技术分析3.1标准的总体结构与编写思路ISO/TR24679-5:2023的技术内容围绕一个假设的（或基于真实项目修改的）加拿大木结构建筑展开。该建筑为一栋典型的现代中型木结构建筑，可能涉及办公、住宅或混合用途功能。所选择的建筑案例具有以下特征：-采用现代工程木产品（如CLT楼板和墙体、胶合木梁柱等）作为主要结构材料；-建筑高度和规模体现当代木结构建筑的主流应用范围；-结构形式反映加拿大典型木结构建筑的构造特征和防火设计实践。文件的编写思路可概括为“以案例为载体，以流程为主线”，通过对该建筑从火灾场景设定到结构性能评估的全过程演示，系统阐释ISO24679-1评估框架在木结构中的具体实施方法和关键考量因素。3.2建筑案例与工程概况本文件所选案例建筑的具体特征包括：结构系统：以CLT和/或胶合木为主要承重构件，包括CLT墙体、CLT楼板以及胶合木梁柱等。结构系统设计需考虑正常荷载工况、意外荷载工况以及火灾工况下的结构完整性。消防系统：建筑配备了自动喷水灭火系统、火灾自动报警系统和防排烟系统等主动消防措施。在性能化评估中，这些系统的可靠性和有效性将在火灾场景设定和风险分析中予以考虑。使用功能与荷载：建筑的使用功能决定了可燃荷载密度、人员密度和疏散策略，进而影响设计火灾场景的选取。3.3设计火灾场景的设定火灾场景设定是性能化防火设计的起点，也是本文件重点展示的技术环节之一。在木结构建筑中，火灾场景的设定必须考虑以下特殊因素：（1）木材作为额外燃料的贡献：与不可燃结构材料不同，木结构构件在火灾中暴露于高温后会发生热解并释放可燃气体，参与室内火灾的发展。这意味着木结构建筑中的火灾荷载不仅包括室内物品（家具、装饰、存储物等），还包括结构构件本身。在严重火灾条件下，木材的热解产物可能使火灾从通风控制型向燃料控制型转变，影响火灾持续时间和温度历程。（2）炭化层对热响应的反馈：木材炭化后形成的炭化层具有较低的导热系数，可在一定程度上延缓内部木材的温度升高，起到自隔热作用。这种“牺牲层”保护效应在评估结构承载力随时间的衰减时需要精确建模。（3）火灾场景的临界性判断：对于木结构建筑而言，需要重点考察两种关键火灾场景——使用期间的可控火灾和无人值守时可能发展为大火的极端火灾。前者通常与室内可燃物相关，后者则需考虑木结构暴露表面参与燃烧的可能性。3.4热力作用与热响应分析在确定设计火灾场景后，下一步是计算火灾热作用对结构构件的影响，具体包括：火灾温度-时间曲线：可采用标准火灾曲线（如ISO834曲线）或参数化火灾曲线（如瑞典的Lund模型或Eurocode中的参数化曲线）。对于木结构建筑，参数化曲线更能反映真实火灾的发展阶段（增长期、全面发展期、衰减期），特别是火灾衰减阶段对木结构热响应的显著影响。热传递计算：采用热传导方程计算火灾作用下木构件截面内的温度分布。需要考虑木材的热物理性能参数（导热系数、比热容、密度等）随温度的变化。木构件截面内的温度分布是后续结构力学响应分析的关键输入。炭化深度预测：采用炭化速率模型预测火灾过程中木构件的炭化深度随时间的变化。加拿大和欧洲的工程实践中广泛采用有效炭化速率法，该方法假设炭化深度随时间线性增长。对于CLT构件，还需考虑分层炭化及炭化层脱落对炭化速率的影响，特别是在火灾进入衰减阶段后可能出现炭化速率增大或二次炭化的现象。3.5结构力学响应评估在获得温度分布和炭化深度后，需要进一步进行结构力学响应分析：材料高温力学性能：木材在高温下的强度和刚度随温度升高而降低。在受火区域，木材的承载力通常以剩余截面法进行评估——即将未炭化的木材截面视为有效承载截面，该截面的温度通常低于100°C，其力学性能可近似取常温值的保守折减。构件承载力验算：对木结构梁、柱、墙体等构件在火灾条件下的承载能力进行验算，需考虑有效截面面积的减小、构件有效长度的变化以及荷载组合（通常取常温荷载的某个比例，如1.0恒载+0.5活载）等因素。整体结构稳定性：对于规模较大的木结构建筑，还需关注整体结构的火灾稳定性。现代木结构的特点在于构件延性较差，而连接节点的延性和耗能能力对结构整体抗火性能具有决定性影响。ISO/TR24679-5中展示的案例对结构体系的荷载重分布路径和关键构件的冗余度进行了系统分析。渐进式坍塌风险评估：木结构在火灾中的渐进式坍塌（progressivecollapse）是一个重要的安全问题。当局部构件因炭化失效后，荷载可能重新分配给相邻构件，若相邻构件缺乏足够的冗余承载力，则可能引发链式倒塌效应。评估中需对关键构件进行识别，并对其失效后果进行风险评估。3.6性能判据与合规判定在完成结构力学响应计算后，需要将计算结果与预设性能判据进行对比。性能判据通常包括：-结构在火灾期间不发生坍塌；-结构构件变形不超过允许限值；-防火分隔构件（如防火墙、防火楼板）保持完整性和隔热性；-结构损伤水平控制在预定范围内。由于本文件为技术报告，其所展示的合规性判定过程是示范性的，实际工程中的判定标准应由相关主管部门或业主根据具体情况确定。4.主要参与编制单位介绍4.1加拿大国家研究委员会（NationalResearchCouncilCanada,NRC）加拿大国家研究委员会（NRC）是加拿大联邦政府直属的最大科研机构，成立于1916年，总部位于安大略省渥太华市。NRC的使命是通过卓越的科学研究和技术创新，推动加拿大的工业发展、经济增长和社会进步。在消防安全领域的研究实力：NRC的建筑研究所以其在建筑防火和结构安全领域的深厚积累闻名于世。该研究所拥有世界一流的火灾试验设施，包括大型量热计、多功能火灾试验炉、结构火灾试验平台等，可开展从材料燃烧性能测试到整体结构火灾响应的全尺度试验研究。NRC的科研团队在木结构防火领域开展了大量开创性工作，包括CLT构件耐火性能试验、重型木结构连接节点的高温性能研究、木结构建筑整体火灾行为的大型试验等。在本标准编制中的核心作用：作为本文件编制的主要技术依托单位，NRC的消防安全研究团队承担了案例建筑的选定与设计、火灾场景方案的拟定、热力学计算的组织实施以及案例评估流程的整体设计等关键工作。NRC的研究人员利用其在木结构防火领域积累的丰富试验数据和工程经验，为文件中采用的技术方法和关键参数提供了科学依据。同时，NRC作为加拿大参与ISO/TC92/SC4工作的核心机构，在其他木结构相关国际标准的制定中也发挥着重要作用。4.2其他国