GBT 31593.5-2026 消防安全工程 第5部分：火羽流的计算要求标准立项发展报告

消防安全工程第5部分：火羽流的计算要求标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:FireSafetyEngineering—Part5:CalculationRequirementsforFirePlumes摘要随着建筑高度与空间复杂度的持续攀升，火灾动力学精准量化已成为消防安全工程设计的核心支撑。火羽流作为火灾在开口/室内发展阶段的关键燃烧产物输运载体，直接决定烟气填充速率、探测器响应时间及人员可用疏散时间（ASET）的判定精度。我国现行GB/T31593系列标准虽已建立消防安全工程评估的基础框架，但对火羽流计算要求的规定仍分散于各专项指南，缺乏统一的参数边界与验证路径，导致工程实践中质量流量计算值偏差可达20%以上。本标准（GB/T31593.5-2026）作为系列标准修订的关键组成部分，系统规定了火羽流分类体系（轴对称羽流、墙边羽流、墙角羽流及窗口溢出羽流等）、质量流量计算模型（基于Heskestad模型、McCaffrey模型及Delichatsios模型的适用场景分层）、温度分布计算、火焰高度判定及不确定性分析等内容。标准采用模型适用域矩阵＋参数不确定度分级＋案例验证库的三层框架，建立了面向性能化设计的计算流程。本报告系统梳理了标准编制背景、关键技术内容、国内外标准对比、验证案例及实施预期，旨在为标准宣贯及工程应用提供系统性指引，助力我国建筑火灾安全设计从规范式向性能化方向深度转型。关键词：消防安全工程；火羽流；计算要求；性能化防火设计；质量流量；烟气控制；数值验证Keywords:FireSafetyEngineering;FirePlume;CalculationRequirements;Performance-BasedFireDesign;MassFlowRate;SmokeControl;NumericalValidation1引言1.1编制背景我国经济社会快速发展带动超高层建筑、大型交通枢纽、综合管廊及大空间商业综合体等新型建筑形态持续涌现。此类建筑具有体量宏大、功能复合、人员密集的特点，一旦发生火灾，烟气扩散路径复杂、火羽流行为多变，传统处方式防火设计规范难以充分保障其消防安全水平。性能化防火设计作为以火灾动力学分析为基础的科学设计方法，已成为解决复杂建筑消防安全问题的重要途径，而火羽流计算的准确性直接决定了性能化分析结论的可靠性。GB/T31593《消防安全工程》系列标准自2015年起陆续发布实施，构建了涵盖火灾动力学基础计算、火灾场景设计、疏散评估及结构响应分析的方法体系。随着《建设工程消防设计审查验收管理暂行规定》（住房和城乡建设部令第51号）和《消防设施通用规范》（GB55036-2022）的深入实施，我国工程建设消防技术标准体系发生深刻变革，对火灾动力学参数计算的规范化、精细化提出了更高要求。在此背景下，修订并强化火羽流计算相关技术要求，确保与系列标准整体框架的协调性和一致性，成为标准编制工作的核心任务。1.2目的意义火羽流（FirePlume）是指火灾烟气在浮力驱动下形成的向上流动的热气流区域。它作为火灾发展和烟气输运的“发动机”，其质量流量、温度分布和上升高度等特征参数直接决定了以下关键设计指标的判识质量：-烟气填充速率：决定大空间建筑内烟气层沉降时间，影响机械排烟系统设计容量；-探测器启动时间：感烟/感温探测器的响应依赖于火羽流到达顶棚或探测器位置的时间和温度/浓度阈值；-人员安全疏散判据：烟气层高度和能见度是判定可用安全疏散时间（ASET）的核心指标；-结构热响应分析：火羽流对上部结构构件（钢梁、钢桁架、幕墙等）的热辐射与对流传热是结构防火设计的重要输入。因此，制定科学、严谨且具备可操作性的火羽流计算技术要求，是提升我国消防安全工程分析质量的关键环节。1.3标准适用范围与定位本标准（GB/T31593.5-2026）适用于建筑火灾安全工程评估中火羽流特征参数的计算与验证，涵盖质量流量、中心线温度、火焰高度等核心参数的手算模型与数值模拟方法。标准定位为通用方法标准，重点解决工程应用中因模型选择不当、边界条件（烟气层界面判定、环境温度差、燃料类型修正系数）设定随意、参数输出不确定度未量化等问题导致的计算结果严重偏离问题，为后续烟气控制设计（GB/T31593系列相关部分）提供一致、可比的计算输入。标准使用对象以消防安全工程师、建筑设计人员进行性能化分析时使用为主，亦可供消防科研人员、审图机构人员及高等院校相关专业师生参考使用。在标准关系方面，本标准与GB/T31593.1（通用要求）、GB/T31593.3（火灾风险评价）等构成系列标准，在术语定义、符号体系及计算方法上保持严格协调。2国内外标准发展现状与趋势2.1国际标准化进展国际层面，ISO/TC92（消防安全）已发布多项与火羽流相关的技术标准，主要包括：ISO16737:2012《消防安全工程—火灾羽流运动量要求》是目前国际上最具影响力的火羽流计算标准。该标准系统定义了火羽流按照接触边界条件的分类体系（轴对称、墙边、墙角及窗户溢出等类型），明确了质量流量计算中特征火灾直径*D~c~*的修正方法，推荐了虚点源位置确定方法，并规定了公式计算与数值模拟结果比较的验证原则。在模型推荐层面，ISO16737将Heskestad模型作为轴对称羽流质量流量的首选计算公式，同时为墙边羽流（等效为2倍虚拟热释放速率修正）和墙角羽流（等效为4倍虚拟热释放速率修正）提供了基于镜像原理的简化计算方法。ISO23932-1:2018《消防安全工程—总则》规定了性能化消防安全设计的基本框架和方法论流程，强调火羽流特征计算应当嵌入“场景建立—参数确定—模型分析—结果评估”的完整工作路径之中。美国NFPA92:2024《烟气控制系统标准》针对烟气控制系统的设计、安装与验收，同样确定了火羽流质量流量为排烟量计算核心输入的技术路径。该标准在轴对称羽流模型选择方面，对烟气层界面位于火焰连续区、间歇区及浮力羽流区分别规定了Heskestad公式和McCaffrey分段模型的适用条件。英国BS7974:2019及其配套出版文献PD7974-2则为火灾动力学计算提供更为细化的方法学支持，提出了质量流量计算的不确定度分级框架，根据输入参数的变异系数将计算结果分为三个置信层级。2.2我国标准化现状我国消防安全工程计算类标准建设起步较晚，早期主要参考NFPA、ISO等国际标准开展局部消化吸收工作。GB/T31593系列标准虽已初步建立了消防安全工程评估的整体框架，但在火羽流参数计算等方面的规定仍较为原则性，主要存在以下不足：1.模型选边界条件较为模糊：工程应用中轴对称羽流与受限空间羽流的界限难以判定，缺乏量化判定准则，容易导致错误选模。2.参数不确定度未量化：现行标准未对输入参数（热释放速率、燃料特性等）不确定度对输出结果的传递效应给出量化评估方法。3.数值模拟验证路径空白：CFD（场模拟）方法在火羽流计算中的应用日益普遍，但现有标准缺乏CFD结果与经验模型之间比较验证的系统协议，导致模拟结果的可靠性难以衡量。4.与消防设施设计衔接不足：烟气控制系统中排烟量的确定直接依赖火羽流计算，但标准之间的一致性水平有待提升。2.3标准修订的必要性（1）性能化防火设计制度化的外部驱动：随着《建设工程消防设计审查验收管理暂行规定》全面实施，特殊消防设计论证成为法定程序，火羽流计算作为论证报告的技术基石，必须建立统一、权威的计算要求，以避免不同咨询单位采用不同模型、不同边界假设时出现判定结论相互矛盾的问题。（2）系列标准内部协调的内在需求：GB/T31593系列各部分之间存在明确的输入—输出依赖链，火羽流计算结果既是烟气控制系统设计的基础输入，又为火灾探测器和喷淋系统响应时间分析提供触发条件。标准化精准化需要填补火羽流计算部分的颗粒度缺口。（3）建筑形态多样化带来的技术挑战：中庭建筑、大跨空间、下沉式广场、地下交通枢纽等新型建筑空间不断涌现，火羽流在复杂受限空间中的行为呈现显著区别于自由空间的特征，需要相应的技术应对措施。3标准主要技术内容解析3.1火羽流分类体系本标准确立了按“边界约束”和“燃料特征”双维度分类的火羽流体系，具体分类如下：按边界约束维度：|类型|定义|适用范围||------|------|----------||轴对称羽流|不受侧边界影响的自由上升羽流|远离墙壁、大空间中央火源||墙边羽流|火源邻近一侧竖直墙面的受限羽流|靠墙布置火源，如配电柜火灾||墙角羽流|火源位于两面墙体相交形成的墙角区域|墙角布置可燃物或电气柜场景||窗口溢出羽流|火灾烟气从开口（窗/门）溢出后在室外立面攀升的浮力羽流|建筑外立面火灾蔓延分析、相邻建筑火辐射评估|按燃料及火源特征维度：-稳态火与增长火（含t²火模型，引入α-中速/α-快速/α-超快速系数）；-池火、喷射火及固体可燃物火（涉及表面燃烧与阴燃转明火过程）。不同类别羽流的计算模型选择、边界条件设定及不确定性修正有所区别，标准给出了模型选用的判定树逻辑图，同时结合虚拟火源修正，保证定义的严谨性。3.2质量流量计算方法质量流量是火羽流参数体系中最核心的输出量，也是排烟量设计的第一计算输入。标准从多个层面进行了规定：（1）轴对称羽流质量流量——Heskestad模型：在烟气层界面高度*z*低于火焰连续区顶部时，工程中使用Heskestad（2008年修正）关系求羽流质量流量*ṁp*与火焰虚点源关系的总框架，核心关系式为：*ṁp*=0.071·*Q˙*​​^1/3^·(*z*−*z*₀)^5/3^·[1+0.026·*Q˙*​​^2/3^·(*z*−*z*₀)^−5/3^]式中：*Q˙*​​为对流热释放速率（kW），*z*为烟气层界面距可燃物表面高度（m），*z*₀为虚点源位置（m）。标准以资料性附录形式给出了虚点源位置*Z*₀的具体修正方法（考虑火源直径与总热释放速率之间的关系），并要求工程设计人员在计算报告中明示虚点源位置取值依据。（2）McCaffrey分段模型：当烟气层界面可能位于火焰间歇区或连续区时，McCaffrey的三段式关联（连续火焰区、间歇区、浮力羽流区）提供了替代或补充性算法，适用于大热释放速率火灾或顶棚高度较低的受限场景。（3）墙边与墙角羽流：依据镜像原理，将墙边羽流等效为热释放速率加倍的自由轴对称羽流，将墙角羽流等效为热释放速率乘以4的处理方法。标准明确了等效处理方法的适用上限——当热释放速率过大导致火焰长度远超墙体特征尺寸（墙高或墙角限制边界长度）时，等效方法不再适用，应改用CFD方法或全尺寸实验数据。（4）窗口溢出羽流：针对外立面火灾竖向蔓延或相邻建筑火辐射评估场景，采用Law修正的溢流羽流模型，计算溢出羽流的质量流量及温度分布。标准给出了开口中性面高度、溢出热释放速率比例等关键参数的确定方法，填补了我国消防技术标准在该类典型场景的空白。3.3温度分布与火焰高度计算顶棚射流温度分布计算采用Alpert顶棚射流关联式的适用性条款，区分顶棚高度、火源功率与探测器距离的影响。当火焰高度大于顶棚高度时，需考虑火焰冲击顶棚对温度场的增强效应，此时引入火焰延伸区的修正计算方法。标准同时给出了计算灭火系统启动时间所需的顶棚射流最高温度取值方法，以及稳态火灾与增长型火灾两种场景下的修正差异。火焰高度方面，标准推荐Heskestad无量纲火焰高度关联式用于计算连续火焰区和火焰平均高度，为喷头布置、探测器设置高度判定提供量化依据。同时规定当Heskestad公式计算火焰高度大于2.5倍喷头布置间距对应的临界距离时，应通过实验数据或CFD方法另外校验火焰间歇区对探测器的影响。3.4不确定性分析与模型验证本条为本次标准编制的重要创新。标准引入以下规定：（1）输入参数不确定度分级：根据热释放速率取值的来源（实验实测、估算、查表）对其不确定度进行分级。A级：全尺寸实验或代表性文献数据，变异系数不大于20%；B级：基于相似场景外推，变异系数不大于40%；C级：经验估算或未经验证的数据库取值，变异系数大于40%。不确定性分级直接与计算结果的安全修正系数相关联。（2）敏感性分析要求：当火羽流计算结果作为安全设施（排烟系统、探测器等）设计的依据时，标准要求对热释放速率、可燃物高度、顶棚高度、环境温度等主要输入参数开展敏感性分析，确定关键敏感参数，并据此设定保守计算工况。（3）模型验证要求：当采用CFD方法计算火羽流参数时，要求将有关模拟收敛性判定标准、网格敏感性分析过程及模拟结果与经验模型结果之间的偏差控制在±15%范围内，作为结果可接受性的判定依据。当偏差超过该范围时，应当提供偏差产生的机理性解释，并在报告中予以记录。4标准对比分析4.1与ISO16737:2012的主要差异与提升|对比维度|ISO16737|GB/T31593.5-2026||----------|-----------|-------------------||模型覆盖范围|以轴对称/墙边/墙角羽流为主|增加窗溢出羽流等场景的算法与判据，并规定各场景之间的耦合判定方法（多层次判定矩阵）||不确定性分析|定性要求为主，建议考虑|建立输入参数分级体系和计算方法变异系数控制目标，将不确定性定量化||验证方法|定性与定量比较相结合，要求给出了总体的比较方法与可接受准则|确立CFD与经验模型偏差±15%允许界限，给出网格敏感性分析方法、全尺寸实验数据对照验证的详细流程||与设施设计衔接|原则性表述|明确排烟量设计、探测器响应时间计算等下游应用的衔接接口技术条款|4.2对比结论本标准（GB/T31593.5-2026）在ISO16737的基础上实现了三个层面的跃升：其一，从“单一模型推荐”走向“多层次模型系统集成”——标准不是简单地推荐某一计算公式，而是建立了“场景特征判定→模型适用范围匹配→参数不确定性修正→输出结果验证”的闭环技术路径。其二，从“结果确定性输出”走向“过程不确定性管控”——创新性地引入关键参数不确定度分级体系，对采用实验数据、规范推荐值或经验估计时输出的安全系数（保守性修正）作差异化规定，体现工程稳健性设计思想。其三，从“孤立的计算标准”走向“统一标准族群的有机部分”——与GB/T31593.1至GB/T31593.10各分标准之间构建了清晰的参数传递接口，对由本部分计算输出的质量流量、温度、火焰高度等参数在下游标准中的使用方式作出了衔接性规定。5标准验证与应用实践5.1验证案例设计为检验标准所推荐计算方法的可靠性，编制组选取了3个有全尺寸实验数据支撑的典型案例开展验证分析：案例1（大空间轴对称羽流）：以MemorialTunnel消防实验中的中庭火灾场景（HRR=5MW）为参照，实验获得火源正上方烟气温度分布与烟气层界面高度历时曲线。采用标准推荐的H