土木工程外文文献及翻译

本科毕业设计

外文文献及译文

文献、资料题目：Designing Against Fire Of Building

文献、资料来源：国道数据库

文献、资料发表（出版）日期：2008.3.25

院 （部）： 土木工程学院

专    业： 土木工程

班    级： 土木辅修091

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学    号： **********

指导教师： 周学军、李相云

翻译日期： 20012.6.1

外文文献:

Designing Against Fire Of Buliding

                        John Lynch   

ABSTRACT: 

This paper considers the design of buildings for fire safety. It is found that fire and the associ- ated effects on buildings is significantly different to other forms of loading such as gravity live loads, wind and earthquakes and their respective effects on the building structure. Fire events are derived from the human activities within buildings or from the malfunction of mechanical and electrical equipment provided within buildings to achieve a serviceable environment. It is therefore possible to directly influence the rate of fire starts within buildings  by changing human behaviour, improved maintenance and improved design of mechanical and electrical systems. Furthermore, should a fire develops, it is possible to directly influence the resulting fire severity by the incorporation of fire safety systems such as sprinklers and to provide measures within the building to enable safer egress from the building. The ability to influence the rate of fire starts and the resulting fire severity is unique to the consideration of fire within buildings since other loads such as wind and earthquakes are directly a function of nature. The possible approaches for designing a building for fire safety are presented using an example of a multi-storey building constructed over a railway line. The design of both the transfer structure supporting the building over the railway and the levels above the transfer structure are considered in the context of current regulatory requirements. The principles and assumptions associ- ated with various approaches are discussed.

1  INTRODUCTION

Other papers presented in this series consider the design of buildings for gravity  loads,  wind  and earthquakes.The design of buildings against such load effects is to a large extent covered by engineering based standards referenced by the building regulations. This is not the case, to nearly the same extent, in the case of fire. Rather, it is building regulations such as the Building Code of Australia (BCA) that directly specify most of the requirements for fire safety of buildings with reference being made to Standards such as AS3600 or AS4100 for methods  for determining the fire resistance of structural elements.

The purpose of this paper is to consider the design of buildings for fire safety from an engineering perspective (as is currently done for other loads such as wind or earthquakes),  whilst at the same time,putting such approaches in the context of the current regulatory  requirements.At the outset,it needs to be noted that designing a building for fire safety is far more than simply considering the building structure and whether it has sufficient structural adequacy.This is because fires can have a direct influence on occupants via smoke and heat and  can grow in size and severity unlike other effects imposed on the building. Notwithstanding these comments, the focus of this paper will be largely on design issues associated with the building structure.

Two situations associated with a building are used for the purpose of discussion. The multi-storey office building shown in Figure 1 is supported by a transfer structure that spans  over a set of railway tracks. It is assumed that a wide range of rail traffic utilises these tracks including freight and diesel locomotives. The first situation to be considered from a fire safety  perspective is the transfer structure.This is termed Situation 1 and the key questions are: what level of fire resistance is required for this transfer structure and how can this be determined? This situation has been chosen since it clearly falls outside the normal regulatory scope of most build- ing regulations. An engineering solution, rather than a prescriptive one is required. The second fire situation (termed Situation 2) corresponds to a fire within the office levels of the building and is covered by building regulations. This situation is chosen because it will enable a discussion of engineering approaches and how these interface with the building regulations–since both engineering and prescriptive solutions are possible.

2   UNIQUENESS OF FIRE

2.1   Introduction

Wind and earthquakes can be considered to be “natural” phenomena over which designers have no control except perhaps to choose the location of buildings more carefully on  the basis  of historical records and to design building to resist sufficiently high loads or accelerations for  the particular location. Dead and live loads in buildings are the result of gravity. All of these loads are variable and it is possible (although generally unlikely) that the loads may exceed the  resistance of the critical structural members resulting in structural failure.

The nature and influence of fires in buildings are quite different to those associated with other“loads” to which a building may be subjected to. The essential differences are described in  the following sections.

2.2   Origin of Fire

In most situations (ignoring bush fires), fire originates from human activities within the  building or the malfunction of equipment placed within the building to provide a serviceable  environment. It follows therefore that it is possible to influence the rate of fire starts by influencing human behaviour, limiting and monitoring human behaviour and improving the design of equipment and its maintenance. This is not the case for the usual loads applied to a building.

2.3   Ability to Influence

Since wind and earthquake are directly functions of nature, it is not possible to influence such events to any extent. One has to anticipate them and design accordingly. It may be possible to influence the level of live load in a building by conducting audits and placing restrictions  on contents. However, in the case of a fire start, there are many factors that can be brought to bear to influence the ultimate size of the fire and its effect within the building. It is known  that  occupants within a building will often detect a fire and deal with it before it reaches a sig- nificant size. It is estimated that less than one fire in five (Favre, 1996) results in a call to the fire brigade and for fires reported to the fire brigade, the majority will be limited to the room of fire origin. In oc- cupied spaces, olfactory cues (smell) provide powerful evidence of the presence of even a small fire. The addition of a functional smoke detection system will further improve the likelihood of detection and of action being taken by the occupants.

Fire fighting equipment, such as extinguishers and hose reels, is generally provided within buildings for the use of occupants and many organisations provide training for staff in respect of the use of such equipment.

The growth of a fire can also be limited by automatic extinguishing systems such as   sprinklers, which can be designed to have high levels of effectiveness.Fires can also  be  limited by the fire brigade depending on the size and location of the fire at the time of arrival.

2.4   Effects of Fire

The  structural elements in the vicinity of the fire will experience the effects of  heat.  The temperatures within the structural elements will increase with time of exposure to the fire,  the rate of temperature rise being dictated by the thermal resistance of the structural element  and the severity of the fire. The increase in temperatures within a member will result in both thermal expansion and,eventually,a reduction in the structural resistance of the member.  Differential thermal expansion will lead to bowing of a member. Significant axial expansion will be accommodated in steel members by either overall or local buckling or yielding of local- ised  regions. These effects will be detrimental for columns but for beams forming part of a floor system may assist in the development of other load resisting mechanisms (see Section 4.3.5).

With the exception of the development of forces due to restraint of thermal expansion, fire does not impose loads on the structure but rather reduces stiffness and strength. Such effects are not instantaneous but are a function of time and this is different to the effects of loads such as earthquake and wind that are more or less instantaneous.

Heating effects associated with a fire will not be significant or the rate of loss of capacity  will be slowed if:

(a) the fire is extinguished (e.g. an effective sprinkler system)

(b) the fire is of insufficient severity – insufficient fuel, and/or

(c)the structural elements have sufficient thermal mass and/or insulation to slow the rise in internal temperature

Fire protection measures such as providing sufficient axis distance and dimensions for concrete elements, and sufficient insulation thickness for steel elements are examples of (c). These are illustrated in Figure 2. 

The two situations described in the introduction are now considered.

3   FIRE WITHIN BUILDINGS

3.1   Fire Safety Considerations

The implications of fire within the occupied parts of the office building (Figure 1) (Situation 2) are now considered. Fire statistics for office buildings show that about one fatality is expected in an office building  for every 1000 fires reported to the fire brigade. This is an order of magnitude less than the fatality rate associated with apartment buildings. More than two thirds of fires occur during occupied hours and this is due to the greater human activity and the greater use of services within the building. It is twice as likely that a fire that commences out of normal working hours will extend beyond the enclosure of fire origin.

A relatively small fire can generate large quantities of smoke within the floor of fire origin. If the floor is of open-plan construction with few partitions, the presence of a fire during normal occupied hours is almost certain to be detected through the observation of smoke on the floor. The presence of full height partitions across the floor will slow the spread of smoke and  possibly also the speed at which the occupants detect the fire. Any  measures aimed  at  improving  housekeeping,  fire  awareness and fire response will be beneficial in reducing the likelihood of major fires during occupied hours.

For multi-storey buildings, smoke detection systems and alarms are often provided to give  “automatic” detection and warning to the occupants. An alarm signal is also transmitted to the fire brigade.

Should the fire not be able to be controlled by the occupants on the fire floor, they will need  to leave the floor of fire origin via the stairs. Stair enclosures may be designed to be  fire-resistant but this may not be sufficient to keep the smoke out of the  stairs.  Many  buildings incorporate stair pressurisation systems whereby positive airflow is introduced into  the stairs upon detection of smoke within  the  building.  However,  this  increases  the forces required to open the stair doors and makes it increasingly difficult to access the stairs. It is quite likely that excessive door opening forces will exist(Fazio et al,2006)

From a fire perspective, it is common to consider that a building consists of enclosures formed by the presence of walls and floors.An enclosure that has sufficiently fire-resistant boundaries (i.e. walls and floors) is considered to constitute a fire compartment and to be capable of limiting the spread of fire to an adjacent compartment. However, the ability of such boundaries to restrict the spread of fire can be severely limited by the need to provide natural lighting  (windows)and access openings between the adjacent compartments (doors and stairs). Fire spread via the external openings (windows) is a distinct possibility given a fully developed fire. Limit- ing the window sizes and geometry can reduce but not eliminate the possibility of vertical fire spread.

By far the most effective measure in limiting fire spread, other than the presence of occupants, is an effective sprinkler system that delivers water to a growing fire rapidly reducing the heat being generated and virtually extinguishing it.

3.2   Estimating Fire Severity

In the absence of measures to extinguish developing fires, or should such systems fail;  severe fires can develop within buildings.

In fire engineering literature, the term “fire load” refers to the quantity of combustibles within an enclosure and not the loads (forces) applied to the structure during a fire. Similarly, fire load density refers to the quantity of fuel per unit area. It is normally expressed in terms of MJ/m2  or kg/m2 of wood equivalent. Surveys of combustibles for various occupancies (i.e offices, retail, hospitals, warehouses, etc)have been undertaken and a good summary of the available data is given in FCRC (1999). As would be expected, the fire load density is highly variable. Publications such as the International Fire Engineering Guidelines (2005) give fire load data in terms of the mean and 80th percentile.The latter level of fire load density is sometimes taken as the characteristic fire load density and is sometimes taken as being distributed according to a Gumbel distribution (Schleich et al, 1999).

The rate at which heat is released within an enclosure is termed the heat release rate (HRR) and normally expressed in megawatts (MW). The application of sufficient heat to a combustible material results in the generation of gases some of which are combustible. This process is called pyrolisation.

Upon coming into contact with sufficient oxygen these gases ignite generating heat. The rate of burning(and therefore of heat generation) is therefore dependent on the flow of air to the gases generated by the pyrolising fuel.This flow is influenced by the shape of the enclosure (aspect ratio), and the position and size of any potential openings. It is found from experiments with single openings in approximately cubic enclosures that the rate of burning is directly proportional to A h where A is the area of the opening and h is the opening height. It is known that  for deep enclosures with  single openings that burning will occur initially closest to the  opening moving back into the enclosure once the fuel closest to the opening is consumed  (Thomas et al, 2005). Significant temperature variations throughout  such enclosures can be expected.

The use of the word ‘opening’ in relation to real building enclosures refers to any  openings present around the walls including doors that are left open and any windows   containing non fire-resistant glass.It is presumed that such glass breaks in the event of  development of a significant fire. If the windows could be prevented from breaking and other  sources of air to the enclosure limited, then the fire would be prevented from becoming a severe fire.

Various methods have been developed for determining the potential severity of a fire  within an enclosure.These are described in SFPE (2004). The predictions of these methods are  variable and are mostly based on estimating a representative heat release rate (HRR) and the proportion of total fuel ς likely to be consumed during the primary burning stage (Figure 4).  Further studies of enclosure fires are required to assist with the development of improved models, as the behaviour is very complex. 

3.3   Role of the Building Structure

If the design objectives are to provide an adequate level of safety for the occupants and  protection of adjacent properties from damage, then the structural adequacy of the building in fire need only be sufficient to allow the occupants to exit the building and for the building to ultimately deform in a way that does not lead to damage or fire spread to a building located on  an adjacent site.These objectives are those associated with most building regulations including the Building Code of Australia (BCA). There could be other objectives including protection of the building against significant damage. In considering these various objectives, the following should be taken into account when considering the fire resistance of the building structure.

3.3.1  Non-Structural Consequences

Since fire can produce smoke and flame, it is important to ask whether these outcomes will threaten life safety within other parts of the building before the building is compromised by a loss of structural adequacy? Is search and rescue by the fire brigade not feasible given the likely extent of smoke? Will the loss of use of the building due to a severe fire result in major property and income loss? If the answer to these questions is in the affirmative, then it may be necessary to minimise the occurrence of a significant fire rather than simply assuming that the building structure needs to be designed for high levels of fire resistance. A low-rise shopping centre with levels interconnected by large voids is an example of such a situation.

3.3.2  Other Fire Safety Systems

The presence of other systems (e.g. sprinklers) within the building to minimise the occurrence of a serious fire can greatly reduce the need for the structural elements to have high levels of fire resistance. In this regard, the uncertainties of all fire-safety systems need to be considered. Irrespective of whether the fire safety system is the sprinkler system, stair pressurisation, compartmentation or the system giving the structure a fire-resistance level (e.g. concrete cover), there is an uncertainty of performance. Uncertainty data is available for sprinkler systems(because it is relatively easy to collect) but is not readily available for the other fire safety systems. This sometimes results in the designers and building regulators considering that only sprinkler systems are subject to uncertainty. In reality, it would appear that sprinklers systems have a high level of performance and can be designed to have very high levels of reliability.

3.3.3   Height of Building

It takes longer for a tall building to be evacuated than a short building and therefore the structure of a tall building may need to have a higher level of fire resistance. The implications of collapse of tall buildings on adjacent properties are also greater than for buildings of only several storeys.

3.3.4   Limited Extent of Burning

If the likely extent of burning is small in comparison with the plan area of the building, then the fire cannot have a significant impact on the overall stability of the building structure.  Examples of situations where this is the case are open-deck carparks and very large area building such as shopping complexes where the fire-effected part is likely to be small in relation to area of the building floor plan.

3.3.5   Behaviour of Floor Elements

The effect of real fires on composite and concrete floors continues to be a subject of much  research.Experimental testing at Cardington demonstrated that when parts of a composite floor are subject to heating, large displacement behaviour can develop that greatly assists the load carrying capacity of the floor beyond that which would predicted by considering only the behaviour of the beams and slabs in isolation.These situations have been analysed by both yield  line methods that take into account the effects of membrane forces (Bailey, 2004) and finite element techniques. In essence, the methods illustrate that it is not necessary to insulate all structural steel elements in a composite floor to achieve high levels of fire resistance.This work  also demonstrated that exposure of a composite floor having unprotected steel beams, to a localised fire, will not result in failure of the floor.A similar real fire test on a multistory  reinforced concrete building demonstrated that the real structural behaviour in fire was  significantly different to that expected using small displacement theory as for normal tempera- ture design (Bailey, 2002) with the performance being superior than that predicted by considering isolated member behaviour.

3.4   Prescriptive Approach to Design

The building regulations of most countries provide prescriptive requirements for the  design of buildings for fire.These requirements are generally not subject to interpretation and compliance with them makes for simpler design approval–although not necessarily the most cost-effective designs.These provisions are often termed deemed-to-satisfy (DTS) provisions. All aspects of designing buildings for fire safety are covered–the provision of emergency exits, spacings between buildings, occupant fire fighting  measures, detection and alarms, measures for automatic fire suppression, air and smoke handling requirements and last, but not least, requirements for compartmentation and fire resistance levels for structural members. However, there is little evidence that the requirements have been developed from a systematic evaluation of fire safety. Rather it would appear that many of the requirements have been added one to another to deal with  another fire incident or to incorporate a new form of technology. There does not appear to have been any real attempt to determine which provision have the most significant influence on fire safety and whether some of the former provisions could be modified.

The FRL requirements specified in the DTS provisions are traditionally considered  to result in member resistances that will only rarely experience failure in the event of a fire.This is why it is acceptable to use the above arbitrary point in time load combination for assessing  members in fire. There have been attempts to evaluate the various deemed-to-satisfy provisions  (particularly the fire- resistance requirements)from a fire-engineering perspective taking into  account the possible variations in enclosure geometry, opening sizes and fire load (see FCRC, 1999).One of the outcomes of this evaluation was the recognition  that deemed-to- satisfy provisions necessarily cover the broad range of buildings and thus must, on average, be quite onerous because of the magnitude of the above variations.It should be noted that the DTS provisions assume that compartmentation works and that fire is limited to a single  compartment. This means that fire is normally only considered to exist at one level. Thus floors are assumed to be heated from below and columns only over one storey height.

3.5   Performance-Based Design

An approach that offers substantial benefits for individual buildings is the move towards  performance-based regulations. This is permitted by regulations such as the BCA which state that a designer must demonstrate that the particular building will achieve the relevant performance requirements. The prescriptive provisions (i.e. the DTS provisions) are presumed to achieve these requirements. It is necessary to show that any building that does not conform to the DTS provisions will achieve the performance requirements.

But what are the performance requirements? Most often the specified performance is simply a set of performance statements (such as with the Building Code of Australia)with no  quantitative level given. Therefore, although these statements remind the designer of the key elements of design, they do not, in themselves, provide any measure against which to determine whether the design is adequately safe.Possible acceptance criteria are now considered.

3.5.1  Acceptance Criteria

Some guidance as to the basis for acceptable designs is given in regulations such as the  BCA. These and other possible bases are now considered in principle.

(i)compare the levels of safety (with respect to achieving each of the design objectives) of the proposed alternative solution with those asso- ciated with a corresponding DTS solution for the building.

This  comparison may be done on either a qualitative or qualitative risk basis or perhaps a combination. In this case, the basis for comparison is an acceptable DTS solution. Such an approach requires a “holistic” approach to safety  whereby all aspects relevant to safety, including the structure, are considered. This is, by  far, the most common basis for acceptance.

(ii)undertake a probabilistic risk assessment and show that the risk associated with the  proposed design is less than that associated with common societal activities such as using pub lic transport. Undertaking a full probabilistic risk assessment can be very difficult for all but the simplest situations.Assuming that such an assessment is undertaken it will be necessary for the stakeholders to accept the nominated level of acceptable risk. Again, this requires a “holistic” approach to fire safety.

(iii) a design is presented where it is demonstrated that all reasonable measures have been adopted to manage the risks and that any possible measures that have not been adopted will have negligible effect on the risk of not achieving the design objectives.

(iv) as far as the building structure is concerned,benchmark the acceptable probability of failure in fire against that for normal temperature design. This is similar to the approach used when considering Building Situation 1 but only considers the building structure and not the effects of flame or smoke spread. It is not a holistic approach to fire safety.

Finally, the questions of arson and terrorism must be considered. Deliberate acts of fire initiation range from relatively minor incidents to acts of mass destruction.Acts of arson are well within the accepted range of fire events experienced by build- ings(e.g. 8% of fire starts in  offices are deemed "suspicious"). The simplest act is to use a small heat source to start a fire. The resulting fire will develop slowly in one location within the building and will most  probably  be controlled by the various fire- safety systems within the building. The outcome is likely to be the same even if an accelerant is used to assist fire spread.An important illustration of this occurred during the race riots in Los Angeles in 1992 (Hart 1992) when fires were started in many buildings often at multiple locations. In the case of buildings with sprinkler systems,the  damage was limited and the fires significantly controlled.Although the intent was to destroy the  buildings,the fire-safety systems were able to limit the resulting fires. Security measures are provided with systems such as sprinkler systems and include:

-  locking of valves

-  anti-tamper monitoring

-  location of valves in secure locations

Furthermore, access to significant buildings is often restricted by security measures.The  very fact that the above steps have been taken demonstrates that acts of destruction within  buildings are considered although most acts of arson do not involve any attempt to disable the fire-safety systems.

At the one end of the spectrum is "simple" arson and at the other end, extremely rare acts where attempts are made to destroy the fire-safety systems along with substantial parts of the  building.This can be only achieved through massive impact or the use of explosives. The latter may be achieved through explosives being introduced into the building or from outside by  missile attack.The former could result from missile attack or from the collision of a large aircraft. The greater the destructiveness of the act,the greater the means and knowledge required.  Conversely, the more extreme the act, the less confidence there can be in  designing against such an act. This is because the more extreme the event, the harder it is to predict precisely and the less understood will be its effects. The important point to recognise is that if sufficient means can be assembled, then it will always be possible to overcome a particular building design.Thus these acts are completely different to the other loadings to which a building is subjected such  as  wind,earthquake and gravity loading. This is because such acts of destruction are the work of intelligent beings and take into account the characteristics of the target.Should high-rise buildings be designed for given terrorist activities,then terrorists will simply use greater means to achieve the end result.For example, if buildings were designed to resist the impact effects from a certain size aircraft, then the use of a larger aircraft or more than one aircraft could still achieve destruction of the building. An appropriate strategy is therefore to minimise the likelihood of means of mass destruction getting into the hands of persons intent on such acts. This is not an engineering solution associated with the building structure.It should not be assumed that structural solutions are always the most appropriate, or indeed, possible.In the same way, aircrafts are not designed to survive a major fire or a crash landing but steps are taken to minimise the likelihood of either occurrence.

The mobilization of large quantities of fire load (the normal combustibles on the floors) simultaneously on numerous levels throughout a building is well outside fire situations envisaged by current fire test standards and prescriptive regulations. Risk management measures to avoid such a possibility must be considered.

4    CONCLUSIONS

Fire differs significantly from other “loads” such as wind, live load and earthquakes in respect of its origin and its effects.Due to the fact that fire originates from human activities or equipment installed within buildings, it is possible to directly influence the potential effects on the building by reducing the rate of fire starts and providing measures to directly limit fire severity.

The design of buildings for fire safety is mostly achieved by following the prescriptive requirements of building codes such as the BCA. For situations that fall outside of the scope of such regulations, or where proposed designs are not in accordance with the prescriptive requirements, it is possible to undertake performance-based fire engineering designs.However, there are no design codes or standards or detailed methodologies available for undertaking such designs.Building regulations require that such alternative designs satisfy performance requirements and give some guidance as to the basis for acceptance of these designs (i.e. acceptance criteria).This paper presents a number of possible acceptance criteria, all of which use the measure of risk level as the basis for comparison.Strictly, when considering the risks associated with fire a holistic approach that considers all of the aspects relevant to achieving the design objectives and the interrelationships between these aspects, should be adopted.In some situations, the performance of the building structure may well be secondary as far as life safety is concerned. In other situations, the performance of the structure may be of fundamental importance with respect to the design objectives.

For situations where the performance of the structure is critical or where it is considered in isolation to other fire safety aspects (i.e. direct effects of heat and smoke), it is possible to assess the required fire resistance by using FOSM or similar theory as used for normal temperature design. Such an approach is described in this paper.

Fire differs significantly from other “loads” such as wind, live load and earthquakes in respect of its ori- gin  and  its  effects.   Due  to  the  fact  that  fire  origi- nates from human activities or equipment installedwithin buildings, it is possible to directly influence the potential effects on the building by reducing the rate of fire starts and providing measures to directly limit fire severity.

The design of buildings for fire safety is mostly achieved by following the prescriptive requirements of building codes such as the BCA. For situations that fall outside of the scope of such regulations, or where proposed designs are not in accordance with the prescriptive  requirements,it is possible to undertake performance-based fire engineering designs. However, there are no design codes or standards or detailed methodologies available for undertaking such designs. Building regulations require that such alternative designs satisfy performance  require- ments and give some guidance as to the basis for acceptance of these designs (i.e. acceptance criteria). This paper presents a number of possible acceptance criteria, all of which use the measure of risk level as the basis for comparison. Strictly, when considering the risks associated with fire a holistic approach that considers all of the aspects relevant to achieving  the  design  objectives and the interrela- tionships between these aspects, should be adopted. In some situations, the performance of the building structure may well be secondary as far as life safety is concerned. In other situations, the performance of the structure may be of fundamental  importance with respect to the design objectives.

For  situations  where  the  performance  of  the  struc- ture is critical or where it is considered in isolation to other fire safety aspects (i.e. direct effects of heat and smoke), it is possible to assess the required fire resistance by using FOSM or similar theory as used for normal temperature design. Such an approach is described in this paper.

译文：

建筑防火设计

                           拉格夫

摘要：这篇论文主要研究建筑的防火设计，火作用于建筑与重力荷载,风荷载,地震力等作用于建筑物结构上有很大不同。火是由人类活动或者机械故障，建筑物内的电器引起的

1.介绍

其他论文，考虑建筑物的设计的重力荷载，风和地震等一系列问题。建筑物针对这些负载的影响的设计是相当大的程度上涵盖了工程的标准参照了建筑法规。几乎在同一程度上，万一发生火灾，事实并非如此。相反，正是如澳大利亚建筑法那样的法规明确了建筑防火安全的标准，如用as3600,as4100的方法确定耐火构件。

本文的目的就是要从工程角度考虑建筑设计消防安全，（如目前所做的风力或地震等其他荷载），同时将这种方法应用于当前规范要求的环境之中。首先需要指出的是，设计一幢防火大楼只考虑建设结构或者是否有足够的结构性是远远不够的。这是因为火可以直接通过烟雾和热量影响住户，还可以蔓延增加严重性，而其它对楼房的影响不具备这一特征。 尽管有这些评论，本文的大部分重点仍将集中于建筑结构的设计问题。

本文将选择一栋大楼的两种情况作为讨论的对象。图1所示的多层办公楼利用了转换结构，跨过了一条铁路路轨。这是在假定了广泛的轨道交通利用这些轨道基础上，考虑到了运费和内燃机车。我们将从从消防安全角度考虑第一种情况，即转换结构。这是被称为情况1，其中的关键问题是: 哪一级耐火要求用这种转换结构？这种转换结构又如何确定？这种情况已经选定，因为它显然不属于大多数建筑法规的正常的监管范围。我们需要的是一项工程性的而不是指令性的解决办法。第二种火灾形势（称为情况2）相应的消防局内不同层次的建设和涵盖了建筑法规。选择这种情况是因为它将促成工程学方法的讨论以及如何把这些建设规章相衔接,因为两种工程和指令性的办法皆是可行的。

2.火灾的独特性

2.1介绍

设计师无法控制风和地震等"自然"的现象，因而只能根据历史记载更合理的选择建筑物的位置，或者提高建筑的负荷能力。 建筑物的荷载由重力产生。 所有这些载荷是可变的，而且有可能突破阻力中的关键构件，造成结构性破坏（尽管不常见）。

火灾的性质及其对建筑物影响与其他荷载有很大的不同。关键的的不同将在以下章节加以描述。

2.2火灾根源

在大多数情况下（丛林大火排除在外），火灾源于人们在建筑内的活动或置于建筑中的设备故障。可以通过影响人类活动来影响火灾发生频率，如和监测人类行为和改进设备的设计及维护保养。对于正常荷载而言则不可以这样做。

2.3影响能力

由于风与地震是自然界的直接功能，人类不可能对其活动产生任何程度的影响。人们只能预测并据此设计。可以通过审计和容积的方法来影响建筑物的活荷载。然而在火灾发生之初，可以通过影响其他一些因素来影响火灾的最终规模及其对建筑的影响程度。建筑物中的住户会经常发现火苗并在其蔓延之前将其扑灭。据估计，只有不到五分之一的火灾需要报警，大多数的火灾都在起火的房间中得到了控制。在填满东西的空间里，嗅觉线索(臭味)可以为火灾的发生提供强有力的证据。烟雾侦测系统的安装，将进一步提高的检测到火灾的可能性，住户可以在第一时间采取行动。

灭火器材，如灭火器，灭火喉辘，通常是在建筑物中供使用，也有不少机构人员提供如何使用防火器材方面的培训。 

火灾的蔓延受自动灭火系统的影响，如自动洒水可设计成具有高效益。火灾也可由消防队员来控制，这要是火灾的规模、发生地点及消防队员的到达时间而定。 

2.4火灾的影响

火灾的热效应存在于火灾的周围，这将对周边建筑产的构成材料产生影响。建筑材料的温度会随着暴露于火灾时间的增长而升温，温度的升高程度取决于隔热材料和火势。温度的升高会导致材料的热膨胀，并最终导致整个结构的破坏。不同程度的热膨胀会导致材料弯曲变形。重大轴向扩张将被安置在钢构件,不论是整体或局部屈曲或屈服的局部地区。这些效应将会对支柱产生破坏性影响，但组成楼面的横梁可以协助产生其他负荷抵御机制（见4.3.5节）。

除了由于火灾发身而产生的阻止热膨胀的力量外，火灾不会使建筑物的荷载增加，而是降低其硬度和刚度。这种效果不是瞬间的，而是一个时间的函数,这不同于地震、风等或多或少都具有瞬间性的荷载。

在以下情况中，火灾的热效应将不显著或者蔓延的速度放慢：

（一）火被扑灭(例如一个有效的自动喷水灭火系统) 

（二）大火的助燃物不足

（三）结构材料具有很好的隔热性能，可以有效减慢内部温度的升高

情况（三）中阐述的诸如提供足够的水平距离和水泥材料的尺寸、足够的钢构件厚度等防火措施，都在图二中加体现出来。

介绍中提到的两种情况都已阐述完毕。

3建筑物内的火灾

3.1消防安全因素 

现在考虑在办公楼的使用区域发生的火灾（见图1）（情形2）。火灾统计数据显示,大约平均向消防队报警的每千起办公楼火灾中死亡一人。这个死亡率低于公寓火灾的死亡率。三分之二以上的火灾发生在建筑物正在被使用的时候，这是由建筑物内大量的人类活动及服务所致。正常工作时间之外产生的火源蔓延到其他地方的可能性是正常工作时间内产生的火源的两倍。

一团相对来说较小的或可以在火灾发生的楼层产生浓重的烟雾。如果楼是开放式的设计隔间比较少，则在楼房正常使用时间很容易发现火源产生的烟雾从而很容易找到火源。填满了隔间的楼层将会延缓烟雾的扩散，从而会推迟楼层中的人发现火灾的时间。提高消防意识和消防反应，将有利于减少在被使用的时间的重大火灾的发生。

多层建筑物中的烟雾侦测系统和警报器，可以提供给“自动”检测和报警。 报警信号也传送给消防队。

当火势太大楼中住户无法应对的时候，他们必须经楼梯离开着火的楼层。楼梯罩可以设计为防火的但这可能不足以阻止延误进入楼梯。许多建筑物配有楼梯加压系统，系统可以在发现烟雾后将气流引入楼道。然而，这大大增加了打开楼梯门需要的力量，使得越来越难以进入楼梯。

从消防角度看，人们普遍认为楼房就是用水泥和墙隔开的小隔间。一个房间如果有防火的墙壁和地板则可以将火势在房间之内而不向相邻房间蔓延。然而，由于房间的采光及与相邻隔间的通道等因素的影响，这种防火房间的效用受到了。在火势较大的情况下也可以通过窗户蔓延。窗口大小和几何形状可以降低火灾蔓延的可能性，但不排除火灾纵向蔓延的情况。 

迄今为止火灾蔓延的最有效措施，除了在场的住户救火之外，就是安装一个有效的自动喷水灭火系统，从而可以向正在蔓延的火灾自动喷水，以降低温度从而扑灭大火。

3.2估算火灾严重程度

如果缺少救火措施或者救火机制失灵，猛烈的大火就会在楼内蔓延。 

在消防工程文献中，所谓“火荷载”指的是发生火灾时，房间内的易燃物的数量，而不是指对建筑结构的荷载。同样，火灾荷载密度是指每单位面积燃料数量。它通常用等量木材的MJ/m2 或kg/m2来表示。对各类住户（如办公室，零售商店，医院，仓库等）的可燃物调查已经进行过，对这些数据的总结记载在FCRC （1999）中。正如我们料到的那样，火灾荷载密度参差不齐。如国际消防工程指引（2005）等杂志提供了消防负荷数据计算的均值和80分值。后者的火灾荷载密度水平，有时被视为典型火灾荷载密度。

热释放的速度被称为热释放率（HRR），通常用兆瓦（MW）表示。对可燃物施以足够的热量可以产生可燃的气体。这一过程叫做可燃气化。 

当接触到足够的氧气时，这些气体燃烧产生热。燃烧的速度（同时也是热量散发的速度）取决于产生的可燃气体流动的速度。这种流动是房间构造影响（宽高比），位置和大小有潜力可挖。结果发现，实验用单开口约立方外壳率的燃烧是成正比为H那里是一个地区的开放和H是高度开放。据悉，深罩单开孔，燃烧将会出现最初最接近启用移动潜回圈地一旦燃料最接近开口进食（托马斯等，2005）。会预见到房间内将发生显著的温度变化。

所用的字“开启”指指墙上的任何开口，包括敞开的门或者不含防火材料的玻璃。这种玻璃可以在大火灾的蔓延中破碎。如果窗户可以防破碎，空气中的任何物质都无法进入着火房间的话，火势就不会发展为大火灾。

决定火灾潜在严重性的各种方法都已经建立。这些都在SFPE (2004) 中有所描述。这些方法的有效性不同，而且大多基于估算一个代表性的热释放率（HRR），总燃料的比例ς也假设在初级燃烧阶段（如图4）。由于实际情况复杂，进一步的研究仍需进行以适应不断改进的模型。

3.3建筑结构

如果设计的目标是为使用者提供足够的安全水准，同时也要保证相邻财产的安全。楼房的设计必须能使人们在大火发生时及时逃离现场并且是火灾不蔓延到周边建筑。这些目标是与大多数建筑法规包括澳大利亚建筑法（BCA）相一致。 还有一些避免建筑受到重大损害等的其他目标。在考虑上述各项目标的同时，涉及建筑的耐火设计时还要考虑一下因素。

3.3.1非结构性后果

因为火灾产生烟雾和火焰，在建筑的结构损毁之前，这些烟雾会不会危害到建筑内其他地方的人的生命安全？是不是浓厚的烟雾以致于消防队的搜索和救援都不可行？会不会由于严重的火灾造成的重大财产和收入损失致使整个建筑无法使用？如果这些问题的答案是肯定的，那么我们应该考虑如何避免重大火灾的发生，而不是简单地将建筑设计为具有强耐火能力结构。低层购物中心两级互联的大空隙就是一个例子。

3.3.2其它防火安全系统

建筑内的其他防火系统(如洒水器)的建设，可以有效降低严重火灾的发生的频率，也可以大大降低将建筑设计为高层次的耐火能力必要。在这方面，要对所有的防火系统加以考虑。无论防火安全系统是自动喷水灭火系统，楼梯间加压， 区隔化或是使构架具有耐火等级（例如加盖混凝土盖板），都具有不确定性。可以得到关于自动喷水系统的一些数据（因为这些数据比较容易收集），但其他防火系统的数据不是那么现成。这容易使设计师和建筑规范制定者认为到只有洒水系统都受到不确定性的影响。在实际中就会发现，自动喷水系统效用突出，可以设计成具有高水准的防火系统。

3.3.3建筑物高度

高层建筑较矮建筑来说胶南疏散人群，因此，高层建筑的结构需要具有较高的耐火等级。高层建筑倒塌的可能性也高于只有几层的矮建筑。

3.3.4燃烧的有限程度

如果可能燃烧的程度比预计的要轻，那么大火就不会对建筑结构的稳定性有显著的影响。这样的例子有露天停车场和面积较大的建筑。

3.3.5地板材料

大火对复合或水泥地板的影响仍然是一个值得研究的话题。卡丁顿实验测试表明，当部分复合地板受热气炙烤时，就会发生较大位移。这些情况已按双方屈服线方法研究过，同时考虑到影响力膜(Bailey, 2004)和有限元技术。事实上，该方法说明，没有必要为了达到高耐火等级的要求而研究所有钢结构元素的耐火性。这一工作还证明了，没有钢梁的复合地板暴露于局部火灾不会导致地板破裂。一个类似的对多层钢筋混凝土建筑真实火灾试验显示，结构实际行为，在火场明显不同，预期用小位移理论至于常温设计(Bailey, 2002)的表现优于预期，考虑个别成员的行为。

3.4用规范的方法来设计

多数国家建筑规章都对建筑物的防火设计规定了指令性的要求。这些要求通常不受解释和遵守它们，使简单的设计批准书虽不一定是最符合成本效益的设计。这些条款往往称为当作-满足（DTS）的规定。各方面设计的建筑物消防安全盖提供的紧急出口，距建筑物之间，乘员灭火措施，检测和报警装置，措施，自动灭火，空气和烟气处理的要求，去年，但并非最不重要，要求区隔化和耐火等级结构的成员。然而，很少有证据的要求已经制定了一个系统的评价是消防安全。而看来很多的要求已经增加了一到另一个对付另一个大火 事件或将一种新的技术。目前似乎没有任何人真正尝试以确定哪些规定，而最重大的影响 消防安全,是否有些以前的规定是可以改变的。

    在DTS供应指定的FRL要求传统上被考虑导致在火情形下，很少只将体验失败的成员抵抗。这就是为什么为估计成员使用上述任意此刻装载组合在火是可接受的。有企图评估各种各样视为对满足供应(特殊耐火性要求)从考虑到在封入物几何、开始的大小和火装载上的火工程学透视可能的变化(参见FCRC 1999)。讨论的结果之一，这种评价是承认视为tosatisfy规定一定涵盖广泛的建筑物所以必须，平均会相当繁重，因为庞大的上述变化。值得注意的是，DTS供应假设区域化工作，并且火被到唯一隔间。这意味着火灾通常只被认为存在于一个层次。因此，地板都被假设为是从底部加热和栏目只有一层台阶。

3.5性能化设计

这种方法提供了大量的益处即预防接种建筑物朝向业绩为基础的法规. 这由法规允许譬如阐明的BCA, 设计师必须显示出, 特殊建筑物将达到相关的性能要求。规定的供应(即DTS 供应) 被假定达到这些要求。这是必要的,以显示任何建筑物不符合有关规定的DTS将达到性能的要求。

    但有什么性能要求? 最常特定的业绩只是一套业绩报表(譬如以澳洲建筑条例) 没有数量级。因此,尽管这些声明提醒设计师设计的关键元素,他们并不在自己, 提供任何措施，对所确定的设计是足够的安全保障。可能验收标准正在考虑。

3.5.1验收标准

一些指导意见为基础,可接受的设计给出规章,例如BCA。这些和其他可能的基地,现在已被视为原则 。

（一）比较安全水平(相对于每一个实现了设计目标)的拟议替代办法 同那些与相应的DTS解决方案的建设。 

这比较可能做的，无论是定性或定性风险的基础上，或者兼而有之。在这种情况下，比较的基础是一个可以接受的DTS解决方案。这种方法需要一个“全人”的办法，使安全有关的所有方面的安全包括结构在考虑之列。这是目前为止，最常见的基础上予以接受。

(二)进行了概率风险评估和显示的风险，所提出的设计都少于常见的社会活动，如使用公共交通工具。进行了全面概率风险评估，可以很困难，但最简单的情况，假设这样评估被承担它将是必要为赌金保管人容忍可接受的风险的被提名的水准。再次,这需要一种全人发展的方针,以防火安全。

(三)设计是它证明了一切合理的措施已经采取的风险管理，此外,任何可能的措施没有被采纳将有轻微影响的风险，达不到设计目标。

(四)至于建筑结构而言，基准可接受失效的概率在开火反击，在常温设计。这是类似的手法,在考虑建设的有关情况1 ，但只考虑建筑物的结构，不影响火焰或烟雾蔓延。这对放火安全不是一个全面的方法。

最后，纵火和恐怖主义是必须予以考虑的问题。故意行为引发火灾范围从较小的事件到大规模的杀伤行为均在。行为纵火，并在可接受的范围火灾事件经历的建筑物(如在办公室8%的起火都被视为“可疑”)最简单的做法是用一个小热源开始起火。造成火灾会发展得慢，在一个地点内的建设，很可能会受制于各项消防安全制度的建设。结果很可能是相同的，即使是易燃物品，是用来协助火灾蔓延。重要说明此期间发生的种族，在洛杉矶1992 (哈特1992 ) ,当火灾开始在许多建筑物往往是在多个地点进行。如在建筑物的自动喷水灭火系统，损害的影响是有限的火灾明显控制。虽然原意是要摧毁的建筑物，消防安全制度能够造成的火灾。保安措施，为他们提供系统，如自动喷水灭火系统，其中包括： 

-锁闭阀

-反干扰监测地点

-阀门在安全地点 

此外，意义重大的建筑物往往受到保安措施。张女士表示，上述已采取的步骤表明破坏建筑物虽被视为大多数行为纵火，但不涉及任何企图禁用防火系统。

在光谱的一端是“简单”纵火，而在另一端，如果有人企图实施破坏防火系统及一起的相当部分建筑物的罕见行动，只能透过巨大的影响或使用炸药。后者可透过炸药被引进建筑物或从外面由导弹袭击。前者可能是由于导弹攻击或一架大型飞机的碰撞，更大的破坏性行为，更大的手段和必要的知识。相反，愈是极端的行为，那么有信心可以再设计禁止这种行为。这是因为更多的极端事件更难的是要准确预测并不太理解将其影响。重要的一点是如果有足够的手段可以组装，那么它永远可能克服某建筑设计。因此,这些行为是完全地不同的对大厦被服从譬如风、地震和重力负荷的其它负荷。这是因为这种行为是破坏工作的人的智能，并考虑到各个区域的特点。高楼大厦的设计鉴于活动的目标，那么简单的将使用更加巨大的手段，以达到最终结果。举例说，如果建筑物被设计用来抵御冲击的影响，从某些大小飞机，然后使用一种较大型的飞机或超过了一架飞机，仍能让建筑物被毁。一个适当的战略是因此使大规模破坏手段减到最小可能进入人的手专心在这样行动上。 这不是一个解决工程与建筑结构，它不应假定结构解决的都是最恰当的，甚至可能的。用同样的方法，飞机设计出来不是为了救援一个大火灾或降落坠毁，而是采取步骤使类似事情的发生减少到最少。

动员很大数量火装载(正常可燃烧物在地板上) 在许多水平上在大厦过程中同时是好的外部火情况由当前的火测试标准和规定的法规想象。 风险管理措施以避免出现这种可能性必须予以考虑。

4 结论

火灾明显有别于其他的“负荷”，如风力,活荷载和地震方面的由来及其影响。事实上,由于火灾源于人类活动或建筑物里的设备安装，它有可能通过降低火灾发生可能性并提供措施来直接火灾的严重性由此可以对建筑物产生直接的潜在影响。建筑物的消防安全主要是通过像BCA之类的建筑物编码的指令性要求来设计的。那些情况属于这类规章范围外的或者预想设计不符合规定性要求的, 就必须要采取性能化防火设计。不过,目前并没有设计规范或标准或详细方法可以用来进行这种设计。建筑法规规定,这种另类的设计满足性能要求,并为这些设计的基础验收给予一些指导意见(即验收标准)。本文提出了一些可能的验收标准, 这些标准将衡量风险水平作为比较的基础。严格来说, 在考虑到风险与防火时，应当采纳这种考虑到相应的设计目标和这些方面之间的相互联系的整体办法。在某些情况下,相比较于生命安全来说建筑结构的性能会是次要关注的。在其他情况下,建筑物的性能则是设计的根本性目标。在建筑物结构性能是关键性的或是孤立地考虑到其他火灾安全方面(即直接热效应和烟幕)的情况下,它可以通过FOSM或用于常温设计的相似理论来评估所需的耐火性。这就是本文所描述的方法。