建筑结构性能化抗火设计中的几个关键问题

建筑结构设计规范通常可以分为两大类：处方式和性能化。传统的“处方式”规范针对建筑需求规定了严格的条文方案，但并未明确说明这些要求或者方案的目的；随着建筑功能和形式的复杂化、综合化，“处方式”建筑设计规范难以适应新建筑的发展需求。而“性能化”设计规范是目的导向，是基于以下内容的火灾工程设计方法：（1）既定的火灾安全、损失、性能目标；（2）确定性和概率性火灾产生和发展评估手段；（3）火灾损失和性能目标定量评估设计方案 ^[1] 。性能化设计预期达到的目标非常明确，同时设计人员有充分的自由针对具体建筑选择设计方案，从而满足设定的性能水平。

由“处方式”规范向“性能化”规范转变的趋势始于20世纪70年代初 ^[2] ，1982年建筑领域的“性能化”概念由CIB W60 Commission ^[3] 正式提出，定义为“首先，根据目的而不是手段进行思考和工作实践……与建筑物或建筑产品的要求有关，而不与规定如何构造有关。”随后，在3份突破性文件 ^[1] ——1985年英国发布的《The Building Regulations》 ^[4] 、1989年日本发布的《Comprehensive Fire Prevention and Fire Resistance Design Methods for Buildings》 ^[5] 和1992年美国发布的《Fire Administration Authorization Act of 1992》 ^[6] 的指引下，以性能化为导向的火灾安全设计理念开始影响着多个国家的标准制定，中国、澳大利亚、新西兰、加拿大等国家和多个国际组织也在不断探索制定基于性能化的建筑结构火灾安全设计规范。

然而经过三十余年的发展，现有规范提供的火灾安全性能化设计方法仍然存在诸多方面的局限性，尤其是缺乏明确的目标水平准则、系统的理论分析框架和完善的性能评估手段，距离真正的工程应用和实践还有相当大的空间。本文基于中国、英国、美国、澳大利亚、新西兰、加拿大、国际规范委员会（ICC）、国际标准化组织（ISO）和欧洲标准委员会（CEN）等发布的标准、规范和指南文件，整理了与火灾安全性能化设计相关的规范内容并分析其前沿性和局限性，提出了建筑结构性能化抗火设计中的几个关键问题。

为解决提出的关键问题，促进性能化抗火设计理论体系的完善和在实际工程中的应用，本文建立了一种基于火灾随机性的性能化抗火设计研究框架。该框架明确了目标域、研究对象和问题域，考虑火灾本身的复杂性、随机性，以建筑结构安全和人员生命安全作为总体目标和根本任务，提出性能水平的指标评价体系，采用概率方法将火灾风险耦合进结构响应和人员疏散的评估模型中，并由此判断风险控制策略，从而形成性能化设计方法的逻辑闭环。

1　建筑结构火灾安全性能化设计规范进展

1.1　性能化设计的优缺点

“处方式”规范和“性能化”规范各有利弊 ^[2] ，具体内容如表1所示。总体上，基于性能的设计方法旨在满足现代建筑设计的发展需求，在经济性、灵活性和全局性等方面更加突出。但是，性能化设计规范的制定仍处在起步阶段，知识体系的进步和完善需要克服诸多障碍。

1.2　国内外建筑结构火灾安全性能化设计规范进展

本节对国内外与建筑结构火灾安全工程相关的规范进行整理，包括建筑设计规范、结构设计规范和消防设计规范等。

1.2.1　中国

2009年中华人民共和国公安部发布了关于印发《建设工程消防性能化设计评估应用管理暂行规定》的通知，对现阶段性能化评估方法的适用范围、基本内容及执行要求进行了管理层面的简要说明。2015年国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布了共14部消防安全工程系列推荐性国家标准，其中13部是基于国际标准化组织ISO编制的标准，经过重新起草和修改后发布，其对应关系如表2所示。

《消防安全工程 总则》（GB/T 31592—2015） ^[7] 作为纲领性标准，规定了消防安全性能化设计和评估标准的一般性原则、设计思想和基本流程，包括与“处方式”规范的兼容关系、消防安全目标、功能要求和性能判据等。详细的设计和计算方法则由《消防安全工程》（GB/T 31593）和《消防安全工程指南》（GB/T 31540）系列标准给出。其中，《消防安全工程指南 第1部分：性能化在设计中的应用》（GB/T 31540.1—2015） ^[8] 对性能化设计及评估的基本原则和总体分析方法的应用流程进行了纲领性的介绍，提出了如图1所示的消防安全工程系统，并将该系统划分为5个子系统，每个子系统均有对应的一部标准进行详细说明。图1中加虚线的子系统是指将来可能开展的工作。

图1　消防安全工程系统及子系统结构 ^[8]

Fig.1　Fire safety engineering system and subsystem structure ^[8]

1.2.2　英国

英国的性能化建筑法规自20世纪80年代起步，已经发展了三十余年。其中，《Application of Fire Safety Engineering Principles to the Design of Buildings》（BS 7974：2001）起源于1997年的一份草案DD 240，并于2001年首次正式发布。历经数版的发展，2019年的最新版BS 7974：2019 ^[9] 中进行了重大评估和更新，该规范由PD 7974系列公开文件组成，如图2所示。

图2　BS 7974规范包含的7份公开文件 ^[9]

Fig.2　Seven public documents included in BS 7974 ^[9]

BS 7974提供的设计方法框架主要包含3个阶段：（1）定性设计评审（qualitative design review，QDR）——确定火灾安全设计的范围和目标，建立性能标准，并提出一种或多种潜在的设计方案，另外需要收集关键信息，以便在定量分析中评估设计方案；（2）定量分析——定量分析可以是基于时间的分析，可以采用适当的子系统来反映火灾发展不同阶段对人员和财产的影响，也可以使用稳态和极限状态的分析方法；（3）性能准则评估——将定量分析的结果与定性设计评审阶段确定的可接受性能准则进行比较，以测试设计方案的可行性。BS 7974的性能化设计方法框架包含6个子系统，设计人员进行火灾安全设计时，需要合理考虑子系统之间复杂的相互关系，例如图3中体现了未经简化和经过简化的子系统评估框架在设计中存在的巨大区别。

图3　未经简化和经过简化的子系统评估框架对比 ^[9]

Fig.3　Comparison of unsimplified and simplified subsystem procedures ^[9]

1.2.3　美国

美国消防工程师学会（SFPE）于1988年发布了《SFPE Handbook of Fire Protection Engineering》，这部里程碑式的科学理论手册成为了美国性能化防火理论方法发展的重要支撑。手册的前4版由美国国家消防协会（NFPA）出版，最新的2016年第5版 ^[10] 由Springer出版，这一版主要对与人员行为相关的内容进行了聚焦和显著加强。手册共分为3大卷，内容依次为火灾固有属性、性能化设计和火灾风险评估，总计超过3 500页。另外，火灾中的人员安全问题越来越受到重视，2003年发布了第1版、2019年发布了第2版的《SFPE Guide to Human Behavior in Fire》 ^[11] ，其主要包括3方面内容：火灾下人员行为理解、人员行为模拟和火灾现场管理。

SFPE于2000年发布了第1版《SFPE Engineering Guide to Performance-Based Fire Protection Analysis and Design of Buildings》，2007年更新为第2版《SFPE Engineering Guide to Performance-Based Fire Protection》，这两版指南均由NFPA出版。2015年SFPE与CRC Press合作，将指南更新为《Performance-Based Fire Safety Design》 ^[12] ，其中提供了对性能化设计过程、确定性和基于风险的分析技术、火灾场景设计、试验设计以及建筑物生命周期管理的理解，并为性能化设计提供了框架流程，如图4所示。从该指南的更新发展过程可以看出，性能化的火灾设计逐渐从“Fire Protection（防火）”向涵盖面更广的“Fire Safety（火灾安全）”转变。

图4　SFPE性能化设计流程 ^[12]

Fig.4　Performance-based design process of SFPE handbook ^[12]

除了多年来与SFPE的合作，NFPA也发布了超过300份专业性火灾安全工程技术规范和标准，与SFPE的科学性理论研究手册相互补充。其中，与性能化设计密切相关的有：NFPA 101《Life Safety Code》（2018）、NFPA 551《Guide for the Evaluation of Fire Risk Assessments》（2019）、NFPA 806《Performance-Based Standard for Fire Protection for Advanced Nuclear Reactor Electric Generating Plants Change Process》（2020），以及NFPA 5000《Building Construction & Safety Code》（2018）等。虽然目前美国关于建筑结构的性能化设计框架已经非常细致，但是相比英国，其框架体系不够简洁明确，且可操作性和系统性较差，今后仍有很大的发展空间 ^[13] 。

1.2.4　澳大利亚

澳大利亚建筑规范委员会（ABCB）于2019年更新了基于性能的国家建筑法规系列，其中第1卷和第2卷为《Building Code of Australia）》 ^[14] ，旨在为特定的建筑物，包括多层住宅、商业、工业、公共配套建筑和小规模建筑物（如棚屋、车棚等）设定安全、健康、便利性、可得性和可持续性的最低要求水平，并对火灾安全性能化设计进行了规定。

澳大利亚建筑规范（BCA）中的性能化设计框架体系包含4个层级 ^[15] ，如图5所示。该规范为达到性能化要求的解决方案提供了两种合规选项 ^[14] ——性能化方案（performance solution）和“视为满意”的规范方案（deemed-to-satisfy solution），如图6所示。其中性能化方案需要通过以下评估方法来证明满足性能要求：适用性证明、验证方法、专家判断，以及与“视为满意”规定的比较。

图5　BCA性能化设计层级体系 ^[15]

Fig.5　BCA performance-based design hierarchy ^[15]

图6　BCA性能化设计的服从层面结构 ^[14]

Fig.6　BCA performance-based compliance option structure ^[14]

1.2.5　新西兰

新西兰最新的建筑安全法规体系主要由3部分组成，相互关系如图7所示。2020年更新的《Building Act 2004）》 ^[16] 提供了整个建筑控制系统的框架，并允许发布详细法规，授权制定国家统一的性能化建筑规范；2017年更新的《Building Regulations 1992）》 ^[17] 包含了《New Zealand Building Code）；《New Zealand Building Code》设定了建筑工程的最低法律要求，并陈述了建筑物的性能标准，但不包含规定性要求。

《New Zealand Building Code》从分类重要性、稳定、火灾安全、通道、湿度、使用者安全、配套服务设施和能源效率8个方面进行规定，性能化设计内容包含目标、功能要求、性能3个部分。其中防火文件《C/AS2 Acceptable Solution for Buildings Other than Risk Group SH：For New Zealand Building Code Clauses C1-C6 Protection from Fire》 ^[18] 于2019年单独更新，该文件将C2~C6防火条款的目标设定为保护人们免受火灾造成的不可接受的伤害或疾病的危险、保护其他财产免受火灾的损害和便于消防和救援行动，并就C2防止火灾发生、C3火灾影响区域、C4安全逃生、C5消防救援通道和操作安全、C6结构稳定性这5个条款开展功能要求和性能方面的详细介绍。

图7　新西兰建筑法规和性能化设计的三部分框架 ^[17]

Fig.7　Three-part framework for regulation and performance-based design of buildings in New Zealand ^[17]

1.2.6　加拿大

加拿大建筑与防火法规委员会（CCBFC）从2005年开始颁布了基于性能目标（objective-based）的2部规范——《National Building Code of Canada》和《National Fire Code of Canada》，并于每5年进行一次更新，最新版本预计将于2022年颁布，目前通行的仍是2015版 ^[19-20] 。基于目标的规范结构分为3个分支：（1）合规性、目标和功能声明；（2）可接受的方案；（3）行政规定。其中设计目标主要包含安全OS、健康OH、防火保护OP这3部分。加拿大基于目标的设计规范相对简洁、易操作，但是缺乏系统且清晰的性能化设计框架流程，大部分条例仍然是“处方式”规定。

1.2.7　国际组织

（1）国际规范委员会（ICC）

ICC每3年更新一次国际建筑法规，目前最新的版本是2021版。与火灾安全性能化设计相关的规范有《International Building Code》（IBC）、《International Fire Code》（IFC）和《ICC Performance Code for Buildings and Facilities》（ICCPC）。其中ICCPC ^[21] 提出了如图8所示的框架体系和如图9所示的性能分组，从火灾安全、火灾防范和火灾影响管理3大方面分别给出了目标、功能定位和性能要求。

图8　ICCPC的性能化设计框架体系 ^[21]

Fig.8　ICCPC performance-based design framework system ^[21]

图9　ICCPC根据性能分组和设计事件量级的最大容忍损失 ^[21]

Fig. 9　Maximum level of damage to be tolerated based on performance groups and design event magnitudes ^[21]

（2）国际标准化组织（ISO）

ISO/TC 92是负责研究火灾安全的技术委员会，下设4个小组委员会——SC 1火灾的发生和发展、SC 2 火灾的遏制、SC 3火灾对人和环境的威胁和SC 4火灾安全工程。其中SC 4与建筑结构性能化设计最为相关，该小组委员会下设9个工作小组，分别研究性能化的概念在设计目标中的应用、火灾场景设计、设定火灾设计、计算方法的验证、火灾安全工程计算方法、火灾风险评估、人员行为与运动、火灾下结构响应和主动式消防系统等当下最关键的课题，这些小组的工作几乎涉及了所有进行建筑结构火灾安全性能化研究的国家，包括中国 ^[22] 。

小组委员会ISO/TC 92/SC 4成立于1991年，目前为止共编制标准56部，包括正在发行、正在制定和已经取消的这3类标准。其中正在发行的24679系列标准《Fire Safety Engineering—Performance of Structures in Fire》如表3所示，重点关注了火灾下的结构性能并提出了如图10所示的性能化设计流程。该委员会也单独发布了定义性能目标、功能需求、安全准则和评估风险、研究人员行为场景等标准。

图10　基于ISO 23932-1：2018的火灾安全工程性能化设计流程 ^[23]

Fig.10　Performance-based design process of fire safety engineering based on ISO 23932-1：2018 ^[23]

（3）欧洲标准委员会（CEN）

2002—2007年间，CEN陆续更新了欧洲规范Eurocode 1~9——EN 1991:Actions on Structures、EN 1992: Design of Concrete Structures、EN 1993: Design of Steel Structures等。其中Eurocode 1~6和Eurocode 9中均涉及了火灾下结构设计的内容（Structural Fire Design），例如《Eurocode 1：Actions on Structures—Part 1-2：General Actions—Actions on Structures Exposed to Fire》（EN 1991-1-2：2002） ^[28] 指出可以选择常规火灾（名义火灾）或自然火灾（参数火灾）场景、被动和/或主动防火措施。欧洲结构规范的防火部分在设计结构和构件方面考虑被动防火，以设计适当的承载力并限制火势蔓延。图11所示的设计流程定义了“处方式”设计方法和“性能化”设计方法：“处方式”方法使用名义火灾来生成热作用，而采用火灾安全工程原理的性能化方法基于物理和化学参数生成热作用。规范推荐采取性能化的设计程序，包括采用部分参数证明结构或其部件在真实的建筑火灾中将具有适当的性能。如果设计是基于名义（标准）火灾的，则经过分类的结构系统需要特定的耐火时间，要间接地考虑火灾安全设计中的不确定性。

图11　欧洲规范定义的“处方式”和“性能化”设计流程 ^[28]

Fig.11　Prescriptive and performance-based design procedures in Eurocodes ^[28]

另外，2005年CEN也发布了5部补充性文件（Implementation of Eurocodes Handbook 1~5），这5部文件隶属于Leonardo da Vinci试点项目CZ/02/B/F/PP-134007——“促进实施欧洲结构法规的技能发展”，旨在解决与建筑工程和产品设计相关的新欧洲规范实施的紧急需求，提出能够有效实施并应用于建筑结构设计的新方法。其中Handbook 5《Design of Buildings for the Fire Situation-Guide to Basis of Structural Reliability and Risk Engineering Related to Eurocodes Supplemented by Practical Examples》 ^[29] 描述了基于性能的、更符合现实的、更可信的“全局火灾安全概念（global fire safety concept）”，考虑真实的火灾特征和积极的灭火措施来分析火灾情况下的结构安全性，如图12所示。该手册重点关注以下问题：建筑物中的起火行为、发生火灾时的意外组合、可靠性参数的校准、生命安全注意事项和材料的特性，并研究了混凝土结构、钢结构和复合结构的示例和真实火灾的案例。

图12　“全局火灾安全概念”框架图 ^[29]

Fig.12　Successive steps of the “Global Fire Safety Concept” ^[29]

（4）国际合作——国际火灾工程指南（IFEG）

2005年，加拿大国家研究委员会（NRC）、美国国际规范委员会（ICC）、新西兰建筑与住房部（DBH）和澳大利亚建筑法规委员会（ABCB）合作制定了《International Fire Engineering Guidelines》 ^[15] （简称IFEG），并由ABCB发布。IFEG详细介绍了多部国家和国际标准、指南、相关文件，没有规定特定的解决方案，而是总结了火灾安全工程监管体系、性能要求、实施方法和流程等，以指南的形式反映火灾工程性能化设计的现状。

2　建筑结构性能化抗火设计中的几个关键问题

各国都还没有足够的信息参考和理论基础来编制真正的性能化设计规范 ^[30] 。中国由于起步较晚，现有的标准体系所参考的国际标准也较为陈旧，性能化规范的发展更是任重道远。解决问题的前提是定义问题，基于此，本文提出了7个建筑结构性能化抗火设计中的关键问题。

2.1　防火设计、抗火设计和消防设计

各国现行的火灾安全性能化设计规范基本涵盖建筑设计、结构设计和消防设计这3类，其中与消防设计和建筑设计相关的内容较多，而针对结构抗火的内容相对较少。不同的部门、专业以及技术人员关注的重点不同，造成消防、建筑、结构设计规范之间缺乏系统的关联性。

消防即消除隐患、预防灾害，消防设计通常包含建筑防火、消防设施、消防管理、灭火救援、火灾调查等内容。消防安全工程可与英文的“fire safety engineering （火灾安全工程）”相对应，但是我国传统的消防设计重点在“防”，对建筑防火设计、火灾自动报警系统、消防水系统、防排烟系统、自动喷水灭火系统、气体灭火系统、应急疏散系统等关注较多，而与“抗火”的关联性较弱。

实际上，防火和抗火是建筑结构火灾安全领域两个同等重要且密切相关的研究重点，建筑防火的主要目的是降低火灾发生的概率、减少人员伤亡和直接经济损失；而结构抗火的主要目的是降低结构在火灾中的破坏、避免人员疏散困难、减少间接经济损失。从逻辑关系上来说，防火在前——旨在降低火灾发生的概率，而抗火在后——旨在降低火灾产生的后果。因此，成熟的火灾安全性能化设计体系中，防火和抗火缺一不可。多个国家建筑设计规范的关注点也开始从单一的“Fire Protection（防火）”向涵盖面更广的“Fire Safety（火灾安全）”转变。

2.2　性能目标的明确

公认的火灾安全性能化设计目标主要有两点：一是财产安全（property safety），二是生命安全（life safety）。制定明确的火灾安全管理目标有助于理解性能化设计的根本任务，开展定义并建立系统且通用的评估体系。

2.3　性能水平定量评估模型的建立

各个国家现行的性能化设计规范、标准和指南大多属于系统性的导则文件，定性的目标、功能声明和性能要求内容丰富，但是缺乏定量的评估模型。评估模型的建立是实现性能化设计的必要支撑要素 ^[31] ，尤其是明确了性能目标后，量化指标和评估模型的建立是充分且必要的。

2.4　性能化设计中不确定性因素的考量

真实火灾场景中的不确定性因素无处不在且非常复杂，合理地考虑火灾、建筑、人员等相关对象的概率不确定性非常值得研究，比如各种功能建筑的失火及成灾概率模型 ^[32] ，人员疏散逃生时火灾风险概率的影响等。

2.5　性能水平控制策略的优化

性能目标明确的定量评估模型建立后，理论上可以得到研究对象的性能化设计水平，若与预期性能化目标水平存在差距，那么控制策略的研究可以采用逆向思维对底层设计重新进行优化，为工程师针对具体建筑的应用提供指导。

2.6　系统性设计方法的提出

美国、澳大利亚、新西兰、加拿大等国家制定的性能化设计规范采用从上到下的层级结构——目标、功能陈述和性能要求；而中国、英国等国家则采用系统-子系统的分支结构。总体上，性能目标、要求和设计框架的定性描述较多，但定量的评估标准和系统性技术方法很缺乏。有学者曾将性能化抗火分析方法应用于大型工程如上海南站 ^[33] 、北京奥林匹克公园 ^[34] 等的安全评估中，但忽略了系统性设计方法的建立。

在缺乏专业培训时，设计从业人员对性能化设计的理解很难深入。现有规范只做出定性描述，无法从根本上改变实际工程应用中以“处方式”规范为主、参考“性能化”规范为辅的设计格局。因此，明确提出系统性的设计方法，为设计人员提供可选择的方案，才能提升性能化设计的应用效率并拓宽发展前景。

2.7　与现行规范之间的协调

从“处方式”规范向“性能化”规范转变的过程中，除了发展性能化设计方法本身，还有一个关键问题是如何与现行规范之间进行衔接，以保证关联性法规体系之间的协调性和系统性。现行的与火灾安全相关的“处方式”规范如《建筑设计防火规范》和《建筑钢结构防火技术规范》等，从耐火等级、建筑构造和消防设施等诸多方面规定了严格的条文方案，这些条文方案可以与以目的为导向的性能化设计理念相互补充，但更深层次的协调关系还有待挖掘。

3　基于火灾风险随机性的性能化设计方法

为解决本文提出的建筑结构性能化抗火设计中的几个关键问题，有必要提出一种基于火灾风险随机性的性能化设计方法。本节从目标域、问题域和方法框架这3方面进行详细描述。

3.1　目标域

火灾安全性能化设计的两个总体目标——财产安全和生命安全，主要体现为构件层面加系统层面的建筑结构安全，以及普通人群加消防人群的人员生命安全。本文建立的性能化抗火设计的目标域如图13所示，将建筑结构安全和人员生命安全作为总体目标和根本任务，并提出性能化水平的评价指标RRS体系，即建筑结构的韧性R（resilience）、鲁棒性R（robustness）和人员的疏散性S（survivability）。

图13　性能化抗火设计目标域

Fig.13　Objective domain of performance-based fire resistant design

韧性（resilience）的概念最早由生态学和生态系统行为学专家HOLLING ^[35] 在1973年提出，并定义为“系统的持久性及其吸收变化和干扰并仍保持种群或状态变量之间相同关系的能力量度”，随后该研究理念在多个学术领域得到发展。建筑领域中，韧性指“从不良事件或灾害中准备、计划和恢复的能力” ^[36-37] 、“结构吸收外部应力并保持功能降低风险的能力” ^[38] 。不同建筑面临的火灾风险等级不一，当可能的火灾风险较小时，对构件或局部结构产生的影响甚至损伤不一定会影响系统的功能性，即建筑结构在小型火灾的作用下具有一定的恢复能力，对财产安全产生的负面影响较小，此时可以采用韧性指标对建筑结构的性能化水平进行风险量化和评估。

鲁棒性（robustness）的概念在1968年英国伦敦罗南角公寓爆炸事件和2001年美国纽约世界贸易中心袭击事件后得到了建筑设计和研究领域的广泛关注 ^[39] 。根据欧洲规范《Eurocode 1: Actions on Structures—Part 1-7: General Actions—Accidental Actions》（EN 1991-1-7: 2006） ^[40] 的定义，建筑结构的鲁棒性指“结构承受诸如火灾、爆炸、撞击或人为错误后果的事件的能力，不会受到与原始原因不成比例的损害”，体现的是系统在异常和危险的情况下生存的能力。当可能的火灾风险较大时，建筑结构面临的损伤可能会影响系统的功能性，甚至导致局部、整体倒塌等严重后果，财产安全将面临严重威胁，此时需采用鲁棒性指标对性能化水平进行风险量化和评估。

疏散性（survivability）关注两类人员的生命安全——作为建筑使用者的普通人群和作为灭火救援者的消防人群。建筑结构的性能化水平评价指标和人员疏散的性能化水平评价指标之间存在复杂的相关关系，这决定了防灾减灾的对象优先级。另外，不同用途、不同结构形式的建筑性能化设计目标之间存在差别，但建筑结构安全和人员生命安全的总体目标不变，因此图13提出的目标域可以作为基础通用标准。在性能化设计的初步阶段，业主方或设计人员需要根据建筑用途和结构形式判断可能的火灾等级以及所需达到的性能化水平（即RRS指标），从而设定相应的减灾优先级。在以目标为导向的原则下，进行基于火灾风险随机性的性能化抗火设计。

3.2　研究对象和问题域

建筑火灾的产生及蔓延带来的风险具有随机性和复杂性的固有特征，性能化设计需要理论模型、概率量化、风险评估、控制策略各个环节的相互支撑。研究框架需要解决火灾荷载作用机制的复杂性、建筑结构响应的时变性、火灾下人员行为的不确定性、人员疏散过程的时变性等重要问题，因此明确了本文的研究对象和问题域，如图14所示。

图14　性能化抗火设计框架的研究对象和问题域

Fig.14　Research objective and problem domain of performance-based fire resistant design framework

3.3　方法框架

根据设定的目标域、研究对象和问题域，提出如图15所示的基于火灾随机性的性能化抗火设计框架。该框架分成3部分：火灾蔓延及风险特征的随机模型、风险传导的结构响应概率模型和人员疏散概率模型。火灾蔓延的随机模型由环境参数及火灾随机变量建立，可根据特征参数判定风险程度及概率，该模型受多种不确定性因素影响，如火荷载、通风条件、热传导等；基于火灾风险随机性的结构响应概率模型和人员疏散概率模型分别从理论模型、概率量化、风险评估和控制策略这4个方面开展研究，通过建立状态方程、应用随机过程原理，对结构响应和人员疏散进行风险联合概率量化和时变可靠分析，从而得到性能化水平的评估结果——结构的韧性指标、鲁棒性指标和人员的疏散性指标，最后提出控制策略对研究结果进行逆向优化，完成性能化设计的逻辑闭环。

图15　基于火灾随机性的性能化抗火设计框架

Fig.15　Risk-informed performance-based fire resistant design framework

3.4　研究展望

本文提出了一种基于火灾随机性的性能化抗火设计方法，旨在提高性能化抗火设计的可操作性，促进工程实践应用。完善该方法还有相当多的研究困难要克服，随着研究工作的进一步深入，理论方法将不断得到改进和优化。

4　结  论

本文对中国、英国、美国、澳大利亚、新西兰、加拿大等国家，以及ICC、ISO、CEN等国际组织发布的火灾安全性能化设计标准、规范和指南文件进行了整理和总结，提出了建筑结构性能化抗火设计中的几个关键问题。性能化抗火分析与设计具有高度的复杂性和不确定性，性能目标的明确、性能水平定量评估模型的建立、不确定性因素的考量、性能水平控制策略的优化、系统性设计方法的提出和与现行规范之间的协调是发展性能化设计亟需解决的关键问题。本文建立了一种基于火灾随机性的性能化抗火设计方法框架，为这些关键问题提出解决思路，有助于促进性能化抗火设计理论方法的完善和工程实践应用，尤其是在钢结构抗火设计中的应用。

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