ISOTR 24679-82022 消防安全工程.火灾中结构的性能.第8部分混凝土建筑的概率评估示例标准立项发展报告

消防安全工程火灾中结构的性能第8部分：混凝土建筑的概率评估示例标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Firesafetyengineering—Performanceofstructuresinfire—Part8:Exampleofaprobabilisticassessmentofaconcretebuilding摘要随着建筑功能复合化与结构形式的日趋复杂，火灾作用下建筑结构的安全性评估已成为消防安全工程领域的前沿热点问题。传统的确定性防火设计方法在面对火灾荷载不确定性、材料高温性能离散性及结构边界条件复杂性时，难以全面刻画结构在真实火灾场景中的倒塌风险。概率评估方法作为量化结构火灾韧性的有效工具，近年来在国际标准化组织中得到了系统化推进。ISO/TR24679-8:2022《消防安全工程火灾中结构的性能第8部分：混凝土建筑的概率评估示例》正是在这一背景下应运而生的技术报告。本报告对该标准的立项背景、技术框架、核心方法论及工程应用价值进行了系统梳理与深入分析。标准以一座典型混凝土建筑为对象，完整展示了从火灾场景设定、热响应分析、结构力学响应模拟到失效概率计算的全链条概率评估流程，为工程实践中开展结构抗火性能的概率化评定提供了权威性技术示范。本报告认为，该标准的发布标志着建筑结构抗火设计正从确定性范式向概率化、性能化范式转型，对提升建筑整体消防安全水平、完善性能化防火设计方法体系具有重要的引领与指导作用。关键词：消防安全工程；混凝土结构；概率评估；结构抗火；性能化防火设计；火灾场景；技术报告Keywords:Firesafetyengineering;Concretestructures;Probabilisticassessment;Structuralfireperformance;Performance-basedfiredesign;Firescenarios;Technicalreport1引言1.1立项背景火灾是建筑面临的最主要灾害威胁之一。据联合国国际消防队长协会统计，全球每年因建筑火灾造成的直接经济损失高达数百亿美元，由此带来的生命损失更是不容忽视。在建筑结构全生命周期中，火灾作为一种低概率、高后果事件，其发生时间、燃烧强度、蔓延路径及持续时间均具有显著的不确定性。传统的建筑结构防火设计方法建立在确定性设计准则之上——即规定构件在一定标准升温曲线（如ISO834标准火灾曲线）下的耐火极限要求。尽管这种方法在工程实践中运行多年且积累了丰富经验，但其内在局限性也日益凸显。首先，确定性方法无法量化真实火灾场景与标准火灾之间的偏差。实际建筑中的火灾荷载分布、通风条件、可燃物类型及其燃烧特性等因素的随机性，使得真实火灾的热边界条件可能与标准火灾曲线存在显著差异。其次，材料的力学性能与热物理性能在高温下呈现出明显的不确定性——混凝土的强度衰减、弹性模量退化、高温爆裂等行为均具有离散性特征。再者，结构在火灾中的整体响应涉及热-力耦合、构件相互作用、连续倒塌机制等复杂的非线性行为，确定性分析难以充分刻画这些耦合效应。这些因素共同决定了：仅凭确定性方法评估结构抗火性能，可能在某些场景下高估结构安全性，而在另一些场景下又造成不必要的过度保守。1.2概率评估方法的发展需求鉴于上述局限性，国际消防安全工程界逐渐认识到，将概率论与数理统计方法引入结构抗火性能评估，是突破确定性设计范式局限性的关键路径。概率评估方法通过建立火灾场景概率模型、材料性能概率模型和结构响应概率模型，能够定量给出结构在火灾作用下的失效概率或可靠度指标，从而为基于风险的防火决策提供科学依据。国际标准化组织（ISO）在消防安全工程标准体系中，已形成了一套多层次结构。其中，ISO23932《消防安全工程——总则》确立了性能化防火设计的基本框架；ISO24679系列标准（Firesafetyengineering—Performanceofstructuresinfire）则聚焦于火灾中建筑结构的性能评估，目前已发布多个部分。这些技术报告与标准分别从不同维度对结构火灾行为评估进行了规范。然而，截至ISO/TR24679-8发布之前，该系列中尚缺乏一份以完整的概率评估案例为主线的操作性指导文件。标准使用者——尤其是结构工程师和消防工程师——迫切需要一份能够清晰展示概率评估方法具体实施路径的示范性文本。2标准概述2.1标准基本信息ISO/TR24679-8:2022《消防安全工程火灾中结构的性能第8部分：混凝土建筑的概率评估示例》是由国际标准化组织ISO下设的消防工程相关技术委员会负责制定的技术报告。该报告于2022年5月11日正式发布，标准状态为现行有效。作为ISO/TR系列中的技术报告（TechnicalReport），本文件不同于强制性国际标准（IS），其性质属于技术指导性和信息参考性文件。这一属性决定了它的核心价值在于为工程实践提供方法论示范和技术参考，而非设定强制性技术要求。这也与国际标准化组织在消防安全工程领域推动“从规定性规范向性能化规范转型”的理念相吻合——技术报告为这一转型提供了具体的技术路径和操作指南。2.2标准定位与目标ISO/TR24679-8:2022在ISO消防安全工程标准体系中具有独特的定位。如果说ISO23932确立了“做什么”（即性能化设计的总体流程），ISO24679系列的前几个部分回答了“怎么做”（即结构构件和整体结构在火灾中的性能评估方法），那么本部分则通过一个完整的混凝土建筑概率评估案例，系统回答了“如何将概率方法在实际工程项目中落地”这一关键问题。标准的主要目标包括：（1）方法示范：通过一个具体混凝土建筑的概率评估全过程展示，为工程技术人员提供可参考、可复制的方法路径；（2）流程规范：清晰界定概率评估各阶段的工作内容、分析工具及数据需求，规范评估流程；（3）不确定性量化：示范如何将火灾场景、热作用、材料性能、结构响应等环节中的不确定性因素纳入定量分析框架；（4）结果表达：展示概率评估结果的有效表达方式（如失效概率、可靠度指标、风险曲线等），及其在防火决策中的应用途径。3标准内容解析3.1标准框架结构ISO/TR24679-8:2022在内容编排上遵循了“问题定义→场景设置→热分析→结构分析→概率计算→结果解读”的技术逻辑。标准的主体框架可概括为以下模块：（一）概率评估总体流程标准首先明确了概率评估的基本流程框架，将其划分为五个阶段：火灾场景分析、热响应分析、结构力学分析、不确定性量化和失效概率计算。各阶段之间存在明确的信息传递关系和数据接口。这一流程框架与ISO23932中确立的性能化设计流程相互衔接，确保概率评估能够有机嵌入整体性能化防火设计框架之中。（二）火灾场景的概率建模火灾场景的合理设定是概率评估的起点。标准探讨了如何基于建筑的实际用途、火灾荷载密度分布、通风条件等因素，建立典型火灾场景的概率模型，并为混凝土建筑设定了不同概率水平的代表性火灾场景。（三）结构热响应分析在火灾场景确定的基础上，标准演示了如何对混凝土构件和整体结构进行火灾条件下的热传递分析。分析内容包括混凝土和钢筋材料的热物理性能参数（导热系数、比热容、密度等）随温度的变化规律，以及火灾热边界条件的确定方法。（四）结构力学响应分析在温度场分析结果的基础上，进一步建立了结构在火灾荷载作用下的力学响应分析模型。考虑高温下混凝土和钢筋的材料力学性能退化（强度折减、弹性模量折减、蠕变效应等），对结构在火灾工况下的内力重分布、变形特征及可能出现的破坏模式进行分析。（五）不确定性的量化与传递标准着重讨论了概率评估中的不确定性来源及其量化方法，包括火灾参数的不确定性、材料性能的不确定性、计算模型的不确定性等，并示范了采用蒙特卡洛模拟或近似概率方法进行不确定性传递计算的技术路径。（六）失效准则与概率计算确定了结构的极限状态方程和失效准则，演示了如何在各随机变量概率分布的基础上求解结构的失效概率和可靠度指标，并对计算结果进行了敏感性分析。3.2核心技术方法ISO/TR24679-8:2022所展示的概率评估方法，在下列核心技术环节体现了显著的创新性与工程适用性：（一）火灾场景的随机模拟标准突破了传统的单一标准火灾曲线假设，将火灾场景视为一个由火灾荷载密度、房间通风条件、可燃物分布及火灾增长速率等随机变量共同决定的随机过程。通过对这些变量的概率分布进行合理估计，可以生成一组具有概率权重的代表性火灾场景集合。这一方法使得评估结果更能反映建筑在实际使用条件下可能面临的真实火灾风险。（二）材料高温性能的概率描述混凝土在高温下的力学性能衰减具有显著的不确定性。标准中将混凝土的抗压强度折减系数、弹性模量折减系数等参数视为随机变量，基于已有试验数据给出其统计特征（均值、变异系数及概率分布类型），从而将材料层面的随机性纳入整体概率评估框架。（三）结构整体与局部失效的协同分析标准在构件层次的失效概率分析基础上，进一步考虑了结构整体层面的渐进式失效与连续倒塌可能性。通过引入结构体系可靠度的概念，将局部构件失效与整体结构失效之间的逻辑关系以概率形式表达，从而为评估结构在火灾中的整体韧性提供定量工具。（四）多软件协同分析流程概率评估的实施通常涉及火灾动力学模拟软件（如FDS）、有限元热分析软件（如ABAQUS、ANSYS）及结构分析软件（如OpenSees、SAP2000）等工具的联合使用。标准中对多软件间的数据传递接口和分析流程编排给出了示范性建议，有助于工程实践中的方法落地。4混凝土建筑示例分析4.1示例建筑概况ISO/TR24679-8:2022选取了一座多层的混凝土框架建筑作为评估对象。此类建筑为最常见的公共建筑类型，其结构形式（混凝土框架、楼板及填充墙）具有广泛的工程代表性。示例建筑的设计中考虑了典型的楼层布局、柱网尺寸、楼面荷载及分隔方式，使得评估结果具有较高的推广价值。4.2分析过程标准对示例建筑的评估分为三个层次展开：第一层次：场景筛选与热分析。依据建筑各楼层的使用功能及火灾荷载分布特征，筛选出若干个最具代表性的火灾场景，并对每个场景进行火灾动力学模拟，得到火灾发展过程中的烟气温度和辐射热通量随时间的变化曲线。在此基础上，对结构构件表面和内部的温度场进行热传导分析，获得火灾全过程中混凝土构件截面内的温度分布演变。第二层次：结构响应分析。将热分析获得的温度场数据加载到结构有限元模型中，考虑高温下材料的力学性能退化，对结构在火灾荷载组合下的内力、变形和承载能力进行计算。重点关注框架柱和主梁等关键承重构件的力学响应，识别结构的潜在破坏模式和临界构件。第三层次：概率评估与结果表达。综合考虑火灾场景概率、材料性能变异和计算模型不确定性，通过蒙特卡洛模拟生成大量样本工况，逐一进行结构响应计算，统计结构的失效概率。最终以超越概率曲线和失效概率云图等形式直观展示结构在不同火灾场景下的安全水平。4.3结果解读与工程意义概率评估结果的呈现方式与传统确定性评估具有本质区别。传统方法给出的是“安全”或“不安全”的二元判断，而概率评估提供的则是“失效概率为多少”的量化信息。这一信息形式的转变，为性能化防火设计中的多方案比选、风险等级划分和资源优化配置提供了更为精细的决策支持。标准中的示例分析表明，对于同一混凝土建筑结构，不同火灾场景下的结构失效概率可能跨越多个数量级。这一发现有力地揭示了：采用统一的确定性设防标准，在某些场景下可能造成不必要的建设成本增加，而在另一些极端场景下则可能存在安全隐患。概率评估方法能够更加精准地识别风险薄弱环节，引导设计资源向高风险区域的合理配置。5标准的技术特色与创新点5.1打通了概率评估的完整技术链条ISO/TR24679-8:2022最突出的技术贡献，在于它将概率评估从理论探讨层面推进到了工程操作层面。标准以混凝土建筑为对象，完整呈现了从场景不确定性建模→热-力耦合分析→失效概率求解的实施路径，形成了可复制的技术范式。这对于尚无概率评估实操经验的工程设计团队而言，是一份弥足珍贵的路线图。5.2体现了性能化防火设计的理念升级传统性能化防火设计虽然引入了“场景设计”的理念，但在结构抗火验算环节往往仍以确定性方法为主，未能真正实现全链条的概率化。本标准的发布，弥补了这一关键环节的方法缺口，使性能化设计从“采用多个确定性场景进行比选”升级为“对所有可能场景进行概率加权综合评估”。5.3兼顾问构件层面与整体结构层面的可靠性标准不仅关注了单个构件的失效概率分析，还通过结构体系可靠度的概念，探讨了局部失效与整体结构行为之间的逻辑关联。这一视角的引入，使得评估结果能够更准确地反映建筑结构在真实火灾中的整体安全余量，避免了“只见树木不见森林”的评估盲区。5.4提供了不确定性量化的工程化模板概率评估的实施难点之一在于各环节不确定性的合理量化。标准中对火灾荷载密度、材料高温强度折减系数等关键随机变量的概率分布设定给出了基于文献和试验数据的参考取值，为工程应用提供了重要的初始依据。同时，标准也强调了这些参数的选取应结合具体工程情况和当地数据加以调整，体现了科学性与灵活性的平衡。6主要编制单位介绍ISO/TR24679-8:2022的编制工作汇聚了全球消防安全工程领域的一流专家资源。技术报告由ISO技术委员会下的消防安全工程分委员会组织编写，联合了来自多个成员国的结构工程、消防工程和概率风险评估领域专家共同参与。在众多参与力量中，特别值得关注的是英国建筑研究院（BuildingResearchEstablishment,BRE）在标准编制过程中发挥的重要作用。BRE是全球建筑科学领域享有盛誉的研究机构，在建筑火灾安全研究方面拥有超过半个世纪的深厚积淀。BRE的研究团队在建筑结构火灾行为的试验研究、数值模拟和风险评估方面均有丰硕成果，其开发的多种火灾风险评估工具和方法已广泛应用。在ISO/TR24679-8:2022的编制过程中，BRE专家主要负责了混凝土结构概率评估方法论框架的设计和示例建模的关键技术工作。BRE长期以来在结构火灾试验方面积累的大量混凝土构件高温性能试验数据，为标准中材料性能概率模型的建立提供了宝贵的数据支撑。此外，BRE在概率风险评估领域的方法论研究成果——包括拉丁超立方抽样技术在结构火灾评估中的应用、响应面方法在隐式功能函数概率计算中的改进等——也直接融入到了标准的技术内容之中。除了BRE之外，标准编制工作还得到了来自包括中国、日本、美国、德国、瑞典等多个国家标准化机构的技术支持。中国作为混凝土建筑大国，在高层混凝土结构的抗火设计方面具有丰富的工程实践经验，中国专家在混凝土柱的高温稳定性和结构整体连续倒塌概率评估等方面为标准的编制贡献了中国方案。这种全球化的专家合作机制，确保了标准在方法论层面兼顾了不同国家和地区的工程实践特点，具有广泛的适用性和国际权威性。7结论与展望7.1主要结论ISO/TR24679-8:2022的发布实施，是国际消防安全工程领域一项具有里程碑意义的技术进展。通过对该标准的深入解读与分析，可以得出以下主要结论：第二，混凝土结构的概率抗火评估技术路径已经清晰。标准所展示的“火灾场景概率建模—热响应分析—结构力学分析—失效概率计算”四步法路径，在技术上具有可行性、操作上具有可复制性，为其他结构类型（钢结构、木结构、组合结构）的概率评估标准编制提供了方法论参考。第三，概率评估方法与性能化防火设计的融合日趋深入。标准中的技术方法可以有效支撑性能化防火设计中的风险分析、方案优化和决策论证环节，推动行业朝着“基于风险”的防火设计新范式不断前进。7.2未来展望面向未来，ISO/TR24679-8:2022所开辟的技术方向仍有广阔的发展空间：-材料数据库的持续完善：随着混凝土高温性能试验数据的持续积累，概率评估中材料参数的概率分布将更加精确，评估结果的可靠性也将随之提高。-多灾害耦合评估：将火灾与地震、风灾等自然灾害的概率评估纳入统一的框架，实现多灾害耦合作用下结构全寿命周期的综合风险评估，将成为重要的发展方向。-数字化技术的深度融入：建筑信息模型（BIM）技术、数字孪生与人工智能算法的引入，有望大幅提升概率评估的计算效率和建模精度，使实时化的结构火灾风险动态评估成为可能。-标准体系的进一步拓展：围绕概率评估方法，未来ISO有望编制更多针对不同结构类型和不同评估深度的系列标准，逐步形成覆盖面更广、指导性更强、协调性更好的结构抗火概率评估标准族。总之，ISO/TR24679-8:2022不仅是一份技术报告，更是建筑结构防火设计理念演进的重要标志。它昭示着结构抗火安全评估正迈入一个以风险量化和不确定性管理为核心的新阶段，其理念与方法必将在全球工程建设实践中产生深远而广泛的影响，为提升建筑消防安全水平、保障人民生命财产安全贡献重要的技术力量。参考文献[