ISO 24678-22022 消防安全工程.控制代数公式的要求.第2部分火焰羽流标准立项发展报告

消防安全工程控制代数公式的要求第2部分：火焰羽流标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Firesafetyengineering—Requirementsgoverningalgebraicformulae—Part2:Fireplume摘要随着建筑火灾安全设计从处方式规范向性能化防火设计方法的深刻转型，火焰羽流作为火灾发展过程中控制室内火势蔓延和质量流率的关键物理现象，其预测模型的可靠性与适用性直接决定着性能化消防设计的科学性与安全性。在此背景下，国际标准化组织（ISO）发布了ISO24678-2:2022《消防安全工程控制代数公式的要求第2部分：火焰羽流》，该标准为火焰羽流相关的代数公式提供了系统化的适用条件、输入参数确定方法和不确定性评估要求，填补了火灾模型验证与确认领域在代数公式层面的标准化空白。本报告全面介绍了该标准的立项背景、编制过程、核心技术内容及其在消防工程实践中的应用价值。标准明确了公式适用的火源类型、空间几何约束和环境条件，规范了特征火焰高度、虚点源位置、羽流质量流率等关键参数的计算路径，并通过敏感性分析与不确定性量化确保预测结果的工程可信度。该标准与ISO16730系列标准形成有机衔接，为消防安全工程领域提供了一套严谨、透明、可追溯的数学模型评价框架。关键词：消防安全工程；火焰羽流；代数公式；性能化防火设计；标准验证Keywords:FireSafetyEngineering;FirePlume;AlgebraicFormulae;Performance-BasedFireDesign;StandardValidation1引言1.1研究背景消防安全工程学作为一门以火灾科学为基础、以工程应用为导向的综合性学科，近年来在全球范围内取得了长足进展。随着建筑形态日趋复杂、功能需求日益多样，传统以处方式规范为核心的防火设计方法在应对超高层建筑、大型交通枢纽、地下综合体等新型建筑类型时逐渐显现其局限性。性能化防火设计方法以火灾风险评估和火灾动力学预测为核心工具，通过对特定建筑场景下火灾发展过程的定量分析，实现消防系统设计与建筑功能的有机统一，已成为国际消防安全工程领域的主流发展方向。在性能化防火设计中，火焰羽流模型是连接火灾热释放速率与建筑环境响应之间的关键桥梁，广泛用于烟气控制系统设计、探测器响应时间评估、结构热响应分析和人员疏散安全性判定等核心设计环节。火焰羽流是指火灾中火焰及上升热气流形成的浮力驱动流动区域，其质量流率、温度和速度分布直接决定了烟气层的充填速率和热环境的演化过程。鉴于火焰羽流模型的预测精度对整个设计方案的安全性和经济性具有决定性影响，构建一套严谨的模型评估与选用标准势在必行。1.2标准立项必要性在ISO24678-2:2022发布之前，火焰羽流相关的代数公式虽然已在工程实践中得到广泛应用，但由于缺乏统一的技术要求准则，工程技术人员在公式选用、参数取值和不确定性评估等环节存在较大随意性，导致不同设计人员针对同一场景可能得出差异显著的预测结果，影响了性能化设计文件的科学性和可审查性。具体而言，现行工程实践中常用的火焰羽流代数公式（如Heskestad模型、McCaffrey模型、Delichatsios模型等）均基于特定的实验条件和小尺寸试验数据，其外推至全尺寸场景的可靠性尚需系统评估。此外，代数公式的使用涉及虚点源位置确定、环境温度修正、限制空间顶棚射流耦合等一系列前提条件，缺乏相应规范将直接影响预测结果的置信水平。在此背景下，ISO/TC92（火灾安全）技术委员会SC4（消防安全工程分技术委员会）启动了ISO24678系列标准的编制工作，旨在为消防安全工程中代数公式的使用提供统一的技术准则。ISO24678-2:2022作为该系列标准的第2部分，聚焦于火焰羽流这一核心基础模型，针对代数公式的适用性评价、精度控制和工程应用方法进行了系统规范。2标准编制过程2.1起草阶段ISO24678-2:2022由国际标准化组织ISO/TC92（火灾安全技术委员会）SC4分技术委员会（消防安全工程分技术委员会）负责制定。该分技术委员会汇集了来自全球数十个国家的火灾科学领域专家，包括研究机构、工程咨询公司、消防管理部门和高等院校的代表。标准编制工作严格遵循ISO导则所规定的技术工作程序，经历了建议（NWIP）、工作草案（WD）、委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）等若干关键阶段。2.2核心讨论议题在起草过程中，各国专家围绕火焰羽流代数公式的适用范围界定、特征参数的敏感性和不同实验数据库的整合等问题展开了深入讨论，经过多轮会议审议和函审协商，最终于2022年8月19日正式发布。该标准的制定凝聚了国际火灾科学领域的前沿研究成果和工程实践经验，充分反映了当前阶段对火焰羽流模型科学认知的共识水平。3标准主要内容3.1标准定位与适用范围ISO24678-2:2022规定了消防安全工程中控制代数公式使用的要求，其内容涵盖公式的适用性判断、输入参数确定、不确定性量化和结果报告等完整技术链条。作为ISO24678系列标准的组成部分，本部分与ISO24678-1（一般要求）协同使用，后者规定了代数公式使用的通用性框架要求。标准适用于火灾动力学预测中常见的火焰羽流代数公式，既有开放空间中的轴对称羽流，也有受壁面影响的受限羽流形态。值得强调的是，该标准并非指定某一种特定公式作为唯一工具，而是建立了一套用于评估和选择公式的通用框架。这种"方法标准"而非"工具标准"的定位，使得该标准能够适应火灾科学领域的持续发展和公式库的动态更新，具有较好的前瞻性和包容性。3.2关键性技术内容(1)特征尺度与火源参数定义标准系统定义了火焰羽流建模涉及的特征尺度和关键参数，包括但不限于：火源热释放速率、火源当量直径、特征火焰高度（meanflameheight）、虚点源位置、羽流质量流率、羽流中心线温度和速度、火焰羽流Froude数等。标准对上述参数的物理含义、量纲体系、符号标记和单位换算进行了统一规定，规范了公式及其参数在数值计算、设计文档和学术交流中的表达方式。(2)无量纲化与相似性关系火焰羽流代数公式中广泛采用无量纲化的表达方式，以增强公式的普适性和跨尺度适用能力。标准对无量纲热释放速率、无量纲高度等参数的定义和取值范围进行了明确说明，为不同公式间的对比和换算提供了基准。例如，特征火焰高度的计算通常采用Heskestad提出的经典关系式，标准给出了其严格的适用条件，包括火源直径的上下限、热释放速率范围和环境温度的修正要求。(3)虚点源位置的确定与敏感性分析对于羽流质量流率的预测，虚点源的定位是决定模型精度的关键参数。Heskestad模型将虚点源位置表示为特征火焰高度和火源当量直径的线性组合函数，而这一表达式的适用性在近火源区域和远火源区域有所不同。相应地，标准要求使用者在应用虚点源概念时必须结合目标场景明确判定近似假设的合理性，并对由此引入的不确定性进行评估。这类方法学要求强调了代数公式的内禀局限性，提醒工程技术人员不能将其适用范围过度外推。(4)代数公式的选用与不确定性评估框架代数公式作为工程简化模型，其预测结果的误差不可避免。标准将不确定性来源归纳为三类：物理参数的测量误差和输入数据变异性、公式本身的模型误差和简化假设偏差、以及数值求解过程的离散化误差和计算精度限制。针对不同来源的不确定性，标准要求采用敏感性分析的方法识别对输出结果影响最为显著的输入参数，进而确定预测结果的置信区间。该框架的建立为消防安全工程师提供了工程判断和风险决策的科学依据。(5)结果记录与验证要求标准对火焰羽流代数公式计算结果的记录和报告提出了明确要求，包括输入数据来源、公式选取依据、主要假设和简化条件、不确定性分析结果等，以确保计算过程的可追溯性，也便于第三方审查和监管机构对设计文件进行有效审核，提升性能化设计文件的整体质量。3.3与相关标准的协调关系ISO24678-2:2022在标准体系中与ISO16730系列（消防安全工程—计算方法的评估、验证和确认）保持有机衔接。ISO16730系列标准关注计算模型的整体验证和确认流程，而ISO24678-2则聚焦于代数公式这一特定类别模型的技术要求。两者形成互补关系，共同构成消防安全工程数学模型应用的标准化体系。此外，该标准与ISO23932（消防安全工程—总则）和ISO16733（消防安全工程—设计火灾场景的选定）等基础性标准相配合，为火灾安全设计的完整技术链条提供了标准支撑。4标准的意义与应用4.1对性能化防火设计的推动作用ISO24678-2:2022的发布实施对性能化防火设计具有深远的推动作用。在传统实践中，火焰羽流公式常被视为"黑箱工具"，工程技术人员直接套用公式计算结果而较少关注其适用边界和不确定性。依据该标准，设计人员在进行烟气控制系统设计时，需首先明确所选用羽流模型的适用范围是否涵盖目标建筑场景的火源尺寸、空间高度和通风条件，进而通过敏感性分析确定关键设计参数（如燃料种类、火源位置、热释放速率等）对计算结果的影响程度，最终给出带有置信区间的预测结果。这种"知其然且知其所以然"的方法体系显著提升了性能化设计的科学严谨性。4.2对消防安全工程规范化的技术支撑从行业规范化的角度看，该标准为消防安全工程领域的模型应用提供了技术共识和基准。监管机构、审图机构在审查性能化设计文件时，可以依据ISO24678-2的要求对火焰羽流计算过程的规范性进行评价，有效降低因模型误用导致的审查争议。在设计咨询市场中，该标准也为不同设计单位间的技术沟通和质量比较提供了统一的度量衡，有助于促进消防工程服务市场的良性竞争和技术进步。4.3对火灾科学研究与工程实践衔接的桥梁作用ISO24678-2:2022同时架起了火灾科学研究与工程实践之间的桥梁。将实验研究成果系统转化为可供工程使用的规范化工具，有助于缩小基础研究与工程应用之间的鸿沟，也为研究人员提供了从实际工程需求反向审视模型局限性的窗口——当工程实践中出现标准覆盖范围之外的场景需求时，研究人员可以据此识别新的科学问题，反向推动火灾动力学基础理论的发展。同时，作为国际标准，该文件也为不同国家和地区间的消防技术合作与经验共享提供了统一的技术语言。5主要起草单位简介本标准由国际标准化组织ISO/TC92（火灾安全技术委员会）SC4分技术委员会组织制定。在各国积极贡献技术力量和研究成果的背景下，来自英国爱丁堡大学的消防工程团队在该标准的制定过程中发挥了重要的技术支撑作用。爱丁堡大学消防工程系是国际火灾科学领域最负盛名的研究机构之一，拥有数十年的火灾动力学实验研究和数值模拟经验，在火焰羽流基础理论、受限空间火灾行为、性能化防火设计方法等方面积累了深厚的研究底蕴。该团队在火焰羽流模型的实验验证与理论推导方面开展了大量基础性工作，研究成果为本标准中相关技术要求和技术参数的确定提供了重要的科学依据。同时，爱丁堡大学作为ISO/TC92/SC4的积极参与方，长期深度参与消防安全工程领域多项国际标准的制修订工作，其研究团队在火灾模型的验证与确认方法、代数公式的适用性评价准则等方面具有公认的国际权威性。6结论与展望ISO24678-2:2022《消防安全工程控制代数公式的要求第2部分：火焰羽流》作为国际消防安全工程标准体系的重要组成部分，为火焰羽流相关代数公式的系统化使用提供了科学严谨的技术框架。该标准不仅明确了公式的适用条件和输入参数确定方法，更构建了涵盖敏感性分析和不确定性量化的完整评估体系，其发布标志着消防安全工程技术从经验判断向科学定量分析迈出了关键一步。展望未来，随着辐射分数预测方法、湍流混合燃烧模型和机器学习辅助建模等新技术的发展，火焰羽流模型的精度和适用范围将不断扩展。ISO24678系列标准也将持续演进，有望在以下方向深化：一是拓展至更复杂的火源形态（线性火源、移动火源等）和极端环境场景；二是与计算流体动力学（CFD）模型的验证框架进行更高层次的整合；三是引入更多数字化工具，实现标准条文与计算程序的有机结合。在性能化防火设计日益普及和建筑火灾安全要求不断提升的双重驱动下，该标准必将在全球消防安全工程实践中发挥越来越重要的作用，为保障人民生命财产安全提供更加坚实的技术支撑。参考文献[1]ISO24678-2:2022,Firesafetyengineering—Requirementsgoverningalgebraicformulae—Part2:Fireplume[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2022.[2]ISO16730-1:2015,Firesafetyengineering—Assessment,verificationandvali