火灾烈度量化方法、损伤评估方法、安全设计方法及设备

本发明涉及建筑火灾安全领域，具体提出了一种基于能量等效原理的火灾烈度量化方法。该方法旨在通过量化评估实际火灾情况下木结构的耐火性能，将真实火灾条件下木结构的火灾安全设计转化为标准火灾条件下的安全设计。通过这种方法，能够促进火灾防护设计从传统的基于规范的方式向更加注重性能的防火设计方法的转变，推动防火设计的现代化发展。

背景技术：

1、现代木结构建筑的应用和发展在提供充分的消防安全基础上进行。目前，传统设计方法以标准火灾为基准的消防安全设计只适用于层数较少、高度较低的木结构建筑。近年来，随着对现代木结构建筑的深入研究和性能化防火设计理念的提出，重型木结构建筑，尤其以新型工程木为代表，在多层、高层、超高层、大空间和大跨度结构中得到迅速发展和应用。性能化防火设计方法已成为当前建筑防火领域最为先进的设计方法。它摆脱了传统方法的限制，赋予建筑结构更大的灵活性和创造性，能够更好地平衡建筑功能和防火安全要求。然而，由于对木结构在实际火灾条件下的热力响应和灾变机理研究不足，先进计算模型的发展滞后，以及相关耐火性能评估方法不完善，目前木结构建筑性能化防火设计方法的应用受到限制。这也在很大程度上制约了现代木结构建筑进一步发展和广泛应用的可能性。因此，致力于推动现代木结构建筑性能化防火安全设计的发展具有极其重要的现实意义。通过深入研究木结构在火灾条件下的行为，发展更精确的计算模型和评估方法，能够为木结构建筑提供更可靠的防火设计指导，进而促进其在不同类型和规模的建筑中的广泛应用，推动木结构建筑领域的创新和发展。

2、在过去的10～15年中，设计师们一直致力于在满足设计目标的前提下进行性能化防火安全设计。这需要采用一种基于性能的方法来评估木构件在实际设计火灾场景下的耐火性能。然而，现行规范中提供的木构件热模型和结构模型都是基于标准火灾条件建立的，无法适用于实际设计火灾情况下的防火评估。当前，评估构件在实际设计火灾条件下的响应方法主要包括试验研究、数值模拟和等效评估。然而，对所有设计火灾场景进行实际火灾测试是不现实的，而且测试结果受到设定火灾场景的限制，难以广泛应用。有限元方法在建立完整的火灾结构模型时需要大量的参数数据输入，对设计人员来说具有较大的挑战性。因此，亟需开发更为合理的方法来评估结构或构件在实际设计火灾条件下的耐火性能，以促进木结构性能化防火设计的进一步发展。这可以包括更准确的性能预测模型、更有效的数值模拟方法以及针对实际火灾情况下的等效评估方法的探索。这些方法的发展将有助于提供更可靠的防火设计指导，推动木结构建筑领域的性能化防火设计方法的发展，并促进木结构在各类建筑中的广泛应用。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供了一种基于能量等效的火灾烈度量化方法、损伤评估方法、安全设计方法及设备，能够将实际火灾暴露下木结构的火灾列对量化为标准火灾烈度，并可在此基础上将防火安全设计等效转化为标准火灾安全设计。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案来实现的：

3、本发明首先提供一种基于能量等效的火灾烈度量化方法，包括如下步骤：

4、建立木结构建筑空间内实际火灾温度场模型；

5、根据建立的实际火灾温度场模型，得到在实际火灾场景下的温度-时间曲线；

6、根据得到的实际火灾场景下的温度-时间曲线，计算实际火灾场景下导入木构件的实际火灾总热量q1；

7、计算标准火灾作用下，不同火灾暴露时间内，导入木构件的标准火灾总热量q2；

8、根据实际火灾总热量q1与标准火灾总热量q2，得到与实际火灾烈度等效的标准火灾暴露时间值；

9、根据得到的标准火灾暴露时间值，确定实际火灾烈度。

10、根据得到的实际火灾场景下的温度-时间曲线，计算得到的实际火灾场景下导入木构件的实际火灾总热量q1为：

11、

12、式中，a为受火表面积，hconv为对流系数，σ为玻尔兹曼常数，ε为发射率，tf.actual为实际火灾温度，ts.actual为实际火灾作用下木材边界表面温度，t0为初始时间，t为实际火灾持续时间。

13、实际火灾作用下木材边界表面温度ts.acture为：

14、

15、式中，t0为环境温度，ρ为木材密度，k为木材导热系数，c为木材比热，hr为辐射换热系数，q"ext.acture为实际火灾作用下外部辐射热流密度。

16、计算标准火灾作用下，不同火灾暴露时间内，导入木构件的标准火灾总热量q2为：

17、

18、式中，a为受火表面积，hconv为对流系数，σ为玻尔兹曼常数，ε为发射率，tf.atandard为标准火灾温度，ts.stamdard为标准火灾作用下木材边界表面温度，ti为标准火灾持续时间。

19、标准火灾作用下木材边界表面温度ts.standard为：

20、

21、式中，t0为环境温度，ρ为木材密度，k为木材导热系数，c为木材比热，hr为辐射换热系数，q"ext.standard为标准火灾作用下外部辐射热流密度。

22、根据实际火灾总热量q1与标准火灾总热量q2，得到与实际火灾烈度等效的标准火灾暴露时间值的方法是通过实际火灾总热量q1与标准火灾总热量q2相等，来得到与实际火灾烈度等效的标准火灾暴露时间值。

23、根据实际火灾总热量q1与标准火灾总热量q2，得到与实际火灾烈度等效的标准火灾暴露时间值的方法，包括：

24、根据实际火灾总热量q1，计算设计火灾净热流曲线与时间轴所围成的总面积a1，a1＝q1/a；

25、将时间轴分成若干单位长度的时间点，根据标准火灾总热量q2计算这些时间点处标准火灾净热流曲线与时间轴围成的总面积a2，a2＝q2/a；

26、在计算过程中，不断调整时间点位置，直至标准火灾净热流曲线所围成的总面积a2与设计火灾净热流曲线所围成的总面积a1相等，此时间点位置即为标准火灾暴露时间值。

27、本发明还提供一种木构件损伤程度评估方法，基于所述基于能量等效的火灾烈度量化方法得到的标准火灾暴露时间值，评估实际火灾对木构件的损伤程度。

28、本发明还提供一种木构件火灾安全设计方法，基于所述基于能量等效的火灾烈度量化方法得到的标准火灾暴露时间值，进行实际火灾作用下木结构的火灾安全设计。

29、本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器用于运行所述存储器内的计算机程序，以执行所述的基于能量等效的火灾烈度量化方法、执行所述的木构件损伤程度评估方法或执行所述的构件火灾安全设计方法。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

31、本发明所提供的基于能量等效的火灾烈度量化方法，具有重要意义。它能够克服现有防火设计方法的不足，为现代木结构的发展提供新的可能性。该方法能够填补现行规范在实际火灾情况下对木结构耐火性能评估方面的缺陷，实现了实际火灾条件下的耐火设计的标准化，有望突破传统设计方法的发展限制，从而推动绿色建筑，特别是以现代木结构为代表的建筑类型的发展，为社会可持续发展的重大战略目标提供有力支持。本发明的创新之处在于首次将能量等效与结构的耐火性能相结合，提出了一种全新的评估实际火灾条件下木结构耐火性能的方法。这一方法在基本火灾安全设计框架下，利用能量等效原理，将各类实际火灾设计转化为标准火灾设计。同时，在处方式防火设计和性能化防火设计方面，它有助于推动防火设计方法的进步，促进木结构建筑向更高层次、更大空间的发展方向迈进。综上所述，本发明的贡献不仅在于解决了木结构耐火性能评估中的现有问题，还在于为木结构建筑的未来发展提供了引领性的方法。通过创新的理念和方法，它将在现代建筑领域发挥重要作用，为绿色建筑的目标做出积极贡献。