大跨度空间结构抗火研究进展与趋势分析

Research Progress and Trends in Fire Resistance of Large-Span Spatial Structures

摘要

火灾作用下大跨度空间结构可能会发生局部破坏和整体倒塌。随着城市化进程加快，大跨度空间结构在大型建筑中的应用日益广泛，其火灾安全问题备受关注。近年来，国内外学者围绕大跨度空间结构抗火开展大量研究，在不同结构的火灾响应规律、设计方法等方面取得了诸多代表性成果。本文首先详细阐述了国内外大跨度空间结构抗火研究在试验研究、数值分析、理论分析和性能化设计等方面取得的主要进展；随后指出在复杂构型设计、新型材料属性、简要分析方法和精细化试验方案等方面尚存在不足之处，并对精细化结构仿真模型、改进设计方法和智能化监测与预警系统等进行了展望，最后提出了亟待突破的关键科学问题，为我国大跨度空间结构抗火设计提供参考。

Abstract

Under fire， large-span spatial structures may experience local damage and overall collapse. With the acceleration of urbanization， large-span spatial structures are increasingly used in various large-scale buildings， fire safety issues have attracted much attention. In recent years， scholars worldwide have focused on fire resistance of large-span spatial structures and conducted in-depth research on the fire response and design methods for different structures， achieving many representative results. In this paper， the main progress in fire resistance research on large-span spatial structures in terms of experimental research， numerical analysis， theoretical analysis and performance-based design is elaborated. Then， existing deficiencies in complex configuration designs， new material properties， simplified analysis methods and refined experimental plans are pointed out. Prospects are discussed for refined structural simulation models， improved design methods， intelligent monitoring and early-warning systems. Finally， key scientific and academic problems requiring further study are proposed， providing a reference for fire resistance design of large-span spatial structures in China.

Graphical abstract

关键词

大跨度空间结构 / 抗火 / 试验研究 / 数值分析 / 理论研究 / 发展趋势

Key words

large-span spatial structure / fire resistance / experimental research / numerical analysis / theoretical research / development trend

近年来，随着材料科学、计算机技术的发展以及施工技术的日渐成熟，大跨度空间结构技术发展迅猛，结构跨度与规模持续扩大，新体系、新材料不断涌现^［1-2］，应用领域不断扩大，许多宏伟而富有特色的大跨度空间结构已成为地域标志和著名的人文景观^［3-5］。然而，这类建筑功能复杂、人员密集，一旦发生火灾，高温与结构损伤耦合作用风险极高。

与普通建筑结构相比，大跨度空间结构火灾下力学响应差异显著^［6］：（1） 大跨度空间结构建筑内部空间较大，几何形状复杂多样，火灾下的空气温度场呈时变非均匀分布，无法沿用常规室内火灾的均匀温度假设；（2） 从受力来看，空间结构是三维受力体系，传力路径复杂，火灾下局部构件受损会导致内力在复杂的三维体系中重新分布，对周边构件产生多方面的影响，而普通建筑以二维受力为主，内力重分布仅局限于相邻的梁、柱之间；（3） 空间结构的稳定性依赖于整体的几何形状和构件的协同工作，整体关联性强，在火灾下关键构件或节点力学性能下降会迅速导致整体垮塌，与普通建筑结构局部构件出现屈服、变形，逐渐影响到整体结构的渐进性破坏过程不同。因此，传统抗火设计理念难以适用于大跨空间结构，促使学术界、工程界人士开展结构抗火性能方面的研究。

本文基于国内外学者对大跨空间结构火灾响应、设计方法、试验与模拟等相关问题进行的大量研究，从试验研究、数值模拟、理论分析和设计方法等四个方面总结了近年来空间结构抗火的研究进展，并分析了其未来发展趋势和亟待解决的关键问题。

1 大跨度空间结构抗火性能研究的主要进展

1.1 概述

火灾下城市建筑的损坏是早期国外建筑抗火研究发展的主要驱动力，如1835年纽约市大火、1871年芝加哥大火、1872年波士顿大火和1904年巴尔的摩大火等^［7］，这些火灾的发生让相关学者开始研究如何测试建筑和构件的耐火性能。20世纪初，美国旧金山地震火灾和日本关东地区地震火灾中一些大跨度建筑结构受到严重破坏，导致了极其严重的人员伤亡和财产损失，大跨度空间结构抗火研究逐渐受到关注，同时也推动了大跨度空间结构在地震工况下的防火设计理念发展。在二战后，随着建筑技术的快速发展，大跨度空间结构在工业建筑、体育场馆、展览馆等公共建筑中的应用日益广泛，对其抗火性能的研究越发受到重视，不同学者开展了不同材料、不同结构形式、不同火灾场景下的大跨度空间结构抗火性能研究。1973年日本熊本市大洋百货店火灾、1974年巴西圣保罗焦马大楼火灾等一系列大跨度空间结构火灾事件的发生，促使各国进一步加强了对大跨度空间结构抗火性能的研究。进入21世纪，国外学者对于大跨度空间结构抗火研究的深度明显提高，通过开展足尺或缩尺模型火灾试验以实现对不同火灾场景的高精度模拟。随着大型商业有限元软件和开源软件的开发和应用，数值研究重点为精细化模拟和非线性动力分析。而理论研究也更系统、更全面，完善了材料本构关系、构件升温实用计算理论和火灾温度场理论，提高了设计方法的可靠性。

我国对大跨度空间结构的研究起步较晚，20世纪50年代至60年代，国内部分高校和科研机构开始对预应力钢结构等大跨度空间结构开展理论与试验研究，并将成果应用于预应力拱形屋盖梁、预应力输煤钢栈桥等结构中，但后来该项研究与应用因多种原因基本处于停滞状态^［8］。20世纪80年代，随着国家经济建设的恢复和发展，建筑行业对大跨度空间结构的需求逐渐增加，相关结构设计和施工技术得到了一定发展，但关于抗火性能方面的研究仍相对较少，已有研究主要集中在对普通钢结构抗火性能的初步探索以及借鉴国外相关研究成果上^［9］。20世纪90年代，随着我国经济的快速发展和城市化进程的加速，大量的大跨度空间结构建筑如体育馆、展览馆、机场航站楼等不断涌现，其抗火问题日益受到关注，国内学者开始对大跨度空间结构的火灾特点、结构在火灾中的力学性能变化等进行较为系统的研究，通过试验和理论分析相结合的方法，初步掌握了一些大跨度空间结构在火灾下的响应规律^［10］。进入21世纪，大跨度空间结构抗火研究进入快速发展阶段，国内学者在试验研究、数值分析和理论研究等方面对结构抗火性能进行了深入研究，取得了较大的进步。研究方向主要涉及火灾下结构的整体性能分析^［11］、抗连续倒塌分析^［12］、抗火设计方法^［13］及材料、节点和构件的抗火性能研究^［14-15］等，研究对象涉及大跨度网架结构^［16］、网壳结构^［17-18］、索穹顶结构^［19］和膜结构^［20］等。近年来，铝合金^［21］、重组竹^［22］和木材^［23］等高温敏感材料在大跨度空间结构领域得到了广泛应用，相应的抗火研究也随之展开。

以下分别从试验研究、数值分析和理论研究等三个方面介绍近20年大跨空间结构抗火研究的主要进展。

1.2 试验研究

1.2.1 节点试验研究

大跨度空间结构中常用的节点形式有焊接空心球节点、铸钢节点、板式节点和相贯节点等。其中，对节点高温下力学性能的试验研究对象主要集中于焊接空心球节点和铝合金板式节点。对于焊接空心球节点，薛素铎和邱林波等^［24-26］对不同空心球外径和壁厚、钢管外径和壁厚、钢材屈服强度和荷载比的6种受压焊接空心球节点试件进行了高温作用下的试验研究，结果表明：增大焊接钢管壁厚和降低焊接空心球节点实际承受的荷载可以有效地延长受压焊接空心球节点的极限耐火时间；对焊接空心球节点的极限承载力进行了高温加载试验，得到了在恒定温度下节点的温度场分布和荷载-位移曲线，并确定了高温下节点的破坏模式为失稳破坏。QIU等^［27］对暴露在高温下的非加劲焊接空心球节点进行了拉伸试验，获得了高温下节点的破坏模式、轴向荷载-位移曲线和力学行为。LIU等^［28-29］开展了300 ℃、500 ℃、700 ℃三种温度下的轴向压缩试验，分析了H型钢焊接空心球节点在高温轴向压缩下的失效模式，并得到了试件的荷载-位移曲线、屈服和极限承载力、延性和初始轴向刚度。此外，为了建立系统的火灾后大跨度空间结构节点损伤评估方法和指标体系，相关学者^［30-34］对火灾后焊接空心球节点的力学性能进行了试验研究，综合考虑焊接空心球节点的残余变形、残余承载力、延性和刚度等因素，准确评估了焊接空心球节点的损伤程度和剩余使用寿命，为结构火灾后修复加固提供科学依据。

铝合金板式节点在铝合金单层网壳中的应用较为成熟，郭小农等^［35-36］通过试验和数值分析发现铝合金板式节点在300 ℃以下的破坏模式与常温下的破坏模式相同，且当节点板足够厚时，接合区在300 ℃以下不会坍塌，并基于铝合金板式节点常温承载力公式提出了节点高温承载力公式。随后又完成了12个6061-T6铝合金板式节点受火后的承载性能试验，试验结果表明铝合金板式节点力学性能随受火温度的变化呈现三折线变化趋势。铝合金板式节点在常温下的试验涉及多种荷载下的滞回性能、稳定性能及抗剪性能等多方面研究，高温下的研究却仅仅关注了节点在平面外弯矩作用下的力学性能^［37］。由此可见，铝合金板式节点的高温性能研究还不全面，无法为防火设计提供全面、可靠的理论指导。图1为焊接空心球节点和铝合金板式节点试验图。

值得注意的是，南京工业大学正在开展火灾后胶合木网壳节点剩余承载特性研究，旨在为木网壳建筑的推广应用以及相关抗火设计规范的完善提供依据和参考。

1.2.2 结构足尺试验研究

对真实建筑结构进行火灾试验研究是获得火灾下结构响应规律最直观有效的方法。中国科技大学和香港理工大学于1997年合作建造了一座大空间火灾实验厅，开展了一系列全尺度的大空间火灾试验^［38-39］。张国维等^［40］在一座60 m×30 m×9.2 m的钢厂房里开展高大空间640 kW及1 080 kW的小功率油池火灾试验，测量火源上方4.0～7.5 m处羽流中心线的轴向温度。LOU等^［41］对暴露在自然火灾中的全尺寸36 m×12 m门式刚架的倒塌行为进行了试验研究，发现框架结构构件内的温度分布非常不均匀，结构发生不对称倒塌。陈杲杲^［42］以山东钢铁集团日照钢铁厂的实际工程为研究对象进行实体火灾试验，获得了一定强度下钢桁架的温度随时间的变化规律。NI等^［43］在一座大空间建筑中设计并进行了三次不同火源功率的全尺寸大空间火灾试验，对提出的大空间球面网壳结构不同火灾区域稳态和瞬态温度场的预测模型进行了验证。LI等^［44-45］开发了一种以“实时测量、在线数据分析和实时预警”为核心的火灾下建筑倒塌实时预警系统，通过开展实际桁架结构建筑屋顶火灾倒塌试验验证了在实际火灾场景中部署该预警系统的可行性，并将该试验的数据集进行了共享。图2为大跨度空间结构足尺试验图。

针对索穹顶、弦支穹顶以及网壳结构等复杂大跨度结构开展的足尺试验则寥寥无几。现有的研究中，尹亮等^［46］建立了一足尺铝合金柱面网壳结构，并进行了以木垛为火源的局部火灾试验，结果表明：结构在受火倒塌时，铝合金构件附近的最高温度达到了333 ℃，远高于基于性能化防火设计中的临界温度150 ℃。此外，天津消防所正在编制《建筑空间结构火灾模拟试验方法》，有望为建筑空间结构足尺火灾模拟试验提供统一、科学、规范的方法与标准。

1.2.3 结构缩尺试验研究

诸多学者通过缩尺模型试验来对大跨度空间结构进行火灾下的力学性能研究、结构耐火性能评估、温度场分布研究以及防火设计方法验证，为结构防火的设计理论和相关规范的制定与完善提供了重要依据。王新堂等^［47-49］对四榀空间预应力钢桁架结构模型进行火灾下的结构响应及火灾后力学性能试验研究，试验结果表明：结构在受火过程中，虽然张拉钢索会出现一定的松弛，但不会发生整体坍塌；结构的抗火能力与自身刚度和预应力的施加次数有很大关系；受火后的结构模型仍具有较高的承载能力，在较大的受力范围内表现为线弹性。PYL等^［50］对门式刚架缩尺模型进行了火灾试验，结果表明其耐火极限为62 min。WONG^［51］对一个１∶５缩尺门式刚架厂房进行了三次抗火试验，发现局部火灾下檩条等次要构件对结构的抗火性能有较大影响，在结构抗火设计时应予以考虑。李国强等^［52］通过试验揭示了单跨门式刚架的四种倒塌模式，即柱侧向倒塌、柱屈曲倒塌、整体向内倒塌和整体向外倒塌。楼国彪等^［53-55］针对火灾作用下门式刚架的热力耦合力学行为展开研究，揭示了结构由常温受力状态逐步发展至整体坍塌全过程中轴力、弯矩与变形的演化规律；试验中还发现室内烟气上部温度高，下部温度低，呈现典型的双区域模型特征，升温曲线与ISO标准升温曲线有较大差别，顶部热烟气的聚集会导致构件升温加快而提前失效。杜二峰等^［56］通过门式刚架火灾缩尺试验得到了相似的结果。李国强等^［57］和张浩等^［58］还对倒塌机制和倒塌预测预警技术进行了研究，结果表明：雷达具有不受高温和热烟气影响的优点，可用于真实火灾下结构的位移和变形测量。JI等^［59］开展了双跨门式刚架火灾坍塌试验与数值分析，研究表明刚架柱的温度、位移演化规律可反映受火框架坍塌进程，能够为火灾救援现场实时监测提供重要参考依据。QI等^［60］通过试验研究建议将基于转角的预警方法和基于位移的预警方法相结合用于门式刚架火灾倒塌的现场预警，可有效提高精度和可靠性。

郭小农等^［61-63］针对铝合金网壳缩尺模型进行了结构受火试验，试验结果表明：空间温度场在大空间火灾下分布不均匀，且考虑温度水平梯度分布对结构的承载能力是有利的；火源位置、火源功率和通风条件对结构温度场分布具有较大影响；在所有结构模型受火试验过程中均发现网壳出现起拱变形。朱劭骏等^［64］通过试验研究了铝合金网壳的火灾倒塌行为，发现现场模拟可以准确地评估不均匀的空气温度分布，不均匀的结构温度分布将显著影响网壳的内力。图3为大跨度空间结构缩尺试验图。

综上所述，大量试验结果表明：火灾下节点等关键构件的失效足以引起大跨度空间结构的整体坍塌，应引起重视；大跨度空间结构空气温度场分布不均匀，会对整体结构的力学响应和失效模式产生影响；结构的耐火极限和倒塌机制受结构参数和火源参数的共同影响。此外，现有大跨度空间结构火灾足尺和缩尺试验对象75%左右为门式刚架结构，对其他众多大跨度空间结构体系和结构材料研究不足，尤其是木竹结构，其独特的材料属性和结构形式使其在火灾中的行为特性亟待深入挖掘。

1.3 数值分析

大跨度空间结构火灾过程的数值模拟是利用数学模型和计算机技术对火灾场景下大跨度空间结构的热响应、力学响应以及火灾发展过程进行定量描述和分析。其难点是火灾过程涉及到多种物化现象的耦合，结构在火灾高温作用下的力学性能变化复杂，包括材料的热膨胀、强度退化、结构的变形、失稳等。要准确模拟结构的响应，还需要考虑结构的几何非线性、材料非线性以及热-结构耦合效应等因素。当前，大跨度空间结构的抗火数值分析工作，主要依靠计算流体动力学法与有限元法来完成。

1.3.1 计算流体动力学法

计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）法是利用数值方法和计算机技术来求解流体流动问题的科学方法，可用于模拟火灾中的流体（空气、烟气等）流动和燃烧过程，通过与结构力学模型耦合，研究火焰和高温烟气对结构的热作用以及结构变形对流体流动的反作用。常用软件工具有ANSYS Fluent、FDS和CFX等，其中，美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的FDS软件基于计算流体动力学原理，采用有限体积法、有限差分法等数值方法，能够对火灾中的诸多关键要素进行模拟，其模拟结果得到了火灾试验的验证^{［43，46］}，是目前专家学者进行大跨度空间结构温度场模拟的重要工具。李国强等^［65］和薛素铎等^［66］通过FDS程序模拟火灾场景，对大空间建筑火灾空气升温过程进行了研究，并提出了大空间建筑火灾的空气升温数学模型。更有许多专家学者基于FDS建立了不同的大跨度空间结构模型，探究火源功率大小、燃烧材料性质、建筑尺寸、建筑结构形式和通风排烟口设施等条件对结构内部温度分布的影响规律^［67-70］，并根据温度分布情况对结构性能进行分析，为结构抗火研究提供了建议。

1.3.2 有限元法

有限元法的原理是利用有限元软件（如ANSYS、ABAQUS等）建立结构模型，再将结构离散为有限个单元，通过对每个单元进行力学和热学分析，建立结构的刚度矩阵、质量矩阵和热传导矩阵等，组合求解整体结构在火灾下的响应。按单元种类不同，有限元模型可分为微观模型（实体单元）、宏观模型（梁单元、壳单元、基于组件的节点模型）、多尺度及混合模型等^［71］。其中，微观模型和宏观模型广泛用于模拟预应力桁架结构^［72-73］、网壳结构^［74-76］、网架结构^{［16，77］}、索穹顶结构^{［19，78］}等大跨度空间结构火灾高温下的力学响应分析，包括分析火源面积、火源位置等火源参数和跨度、矢跨比、周边约束、杆件尺寸等参数对大跨度空间结构位移和耐火极限的影响规律。此外，李国强等^［79-80］采用经试验验证的三维有限元模型对火灾下门式刚架结构倒塌进行了仿真模拟，基于分析结果提出了适用于门式刚架多种倒塌模式的预警方法。

研究发现，随着温度的改变大跨度空间结构的节点刚度有较大的变化^［81］，因此需要一种能同时计算节点局部受力和结构整体受力的有限元方法。多尺度有限元法可以综合考虑多个不同空间和时间尺度物理现象及其相互作用，根据构件和结构整体的受力情况耦合微观模型和宏观模型来开展更全面、更准确的结构响应分析（图4）。王景玄等^［83］以局部火灾作用下三层三跨钢管混凝土平面框架为例，采用多尺度有限元计算方法进行了耐火性能数值模拟。罗尧治等^［84］采用多尺度有限元法的思想，考虑了焊接空心球节点的变形，对网壳结构进行了理论研究和实际应用分析，验证了该方法的合理性。苟宝龙^［85］使用多尺度数值模拟方法开展了冲击荷载下网壳结构的参数分析，基于模拟结果，给出了焊接球节点单层钢网壳的破坏模式及失效机理。由此可见，多尺度有限元模型在结构工程领域火灾及冲击等复杂工况下结构性能的研究中已展现出独特的价值与潜力。但是，要将多尺度有限元法应用于大跨度空间结构防火研究，在模型耦合、计算效率、参数确定等方面还需要进一步改进。

综上所述，计算流体动力学法主要用于模拟空气温度，而有限元法则主要用于构件温度模拟和热-力耦合分析。两种方法的相互结合初步实现了对大跨度空间结构火灾场景下温度分布、结构力学响应等的综合模拟，其难点在于如何准确定义流体-结构界面、控制数据传递方式和精度、协调时间步长和空间网格。此外，为提高大跨度空间结构火灾数值分析的准确性和可靠性，需进一步探究高效、高精度的结构火灾数值分析模型和方法。

1.4 理论研究

1.4.1 材料本构模型

大跨度空间结构中常用的材料为钢材，近年来铝合金、胶合木等材料在空间结构中的应用也逐渐增多。针对普通钢材的材料属性随温度的变化情况，国内外学者基于钢材高温材性试验和理论分析提出了相应的本构模型，如SAAB和NETHERCOT提出的Saab模型^［86］、英国规范BS 5950-8中的本构模型^［87］、欧洲规范Eurocode 3中的本构模型^［88］、赵金城、沈祖炎等结合欧洲钢结构协会提出的材性模型曲线而提出的一种三折线模型^［89］等。杜咏等^［90-92］考虑钢索的热膨胀及高温蠕变效应，提出了相应的高温蠕变模型。针对不锈钢和高强钢，李国强等^［93-94］和杨成博等^［95］提出的材料高温本构模型具有较强的准确性和适用性，可为钢结构设计以及数值模拟提供参考。铝合金温度敏感性比较强，KAUFMAN^［96］、彭航等^［97］和王丽等^［98］对不同牌号的铝合金进行了高温试验，得到了高温下铝合金的弹性模量、名义屈服强度和极限强度等，并根据试验结果拟合得到高温下铝合金的材性模型。

1.4.2 构件升温的实用计算方法

构件的升温主要源于火灾环境向其传递的热量，欧洲规范Eurocode 3^［88］考虑阴影效应首先给出了无保护层钢构件的升温计算公式。基于欧洲规范提供的计算方法，结合国内相关学者的研究成果^［99-101］，《建筑钢结构防火技术规范》（CECS 200：2006）^［102］给出了标准火灾作用下增量形式的构件升温计算方法。但是，大跨度空间结构发生火灾时，构件一般处于火焰范围之外，其升温除了来自烟气的对流和辐射之外，还要考虑火焰辐射的影响^［103］，以上升温计算方法的适用性不高。基于此，杜咏等^{［104-105］}研究了大空间建筑火灾中火焰辐射对钢构件升温的影响，提出了考虑火焰辐射时无保护层钢构件升温的简化计算方法，其表达式如下：

T_{\mathrm{s}\mathrm{f}}=T_{\mathrm{m}}[k_{\mathrm{1}}{e}^{-k_{\mathrm{2}}\mathrm{l}{\mathrm{g}}^{\mathrm{2}}(t/t_{\mathrm{m}})}+k_{\mathrm{3}}{e}^{-k_{\mathrm{4}}\mathrm{l}{\mathrm{g}}^{\mathrm{2}}(t/t_{\mathrm{m}})}]+T_{\mathrm{s}}（1）

式中：T_sf为受火焰辐射的钢构件在火灾历程t时刻的温度；T_m为仅考虑火焰辐射下钢构件最高升温；t_m为仅考虑火焰辐射下钢构件达到最高升温的时刻；k_i （i=1~4）为待定系数；T_s为结构初始环境温度。

张国维等^［106］改变杜咏模型中火焰辐射的计算方法，将火焰简化为点辐射源，从而向周围球面均匀释放热量，得到了新的构件升温计算方法。WICKSTRÖM等^［107］基于一系列的火灾试验，提出了采用绝缘表面温度作为火场和结构之间的交互条件。焦冰等^［108］对以上三种钢构件升温计算方法进行对比研究，结果表明在大空间建筑火灾中应考虑火焰辐射的影响，且火焰辐射对钢构件升温的影响程度和构件与火源的距离有关；杜咏模型更适用于简单钢构件的计算，张国维模型更适用于大空间局部火灾，而基于绝热表面温度原理的计算方法相较于另外两种计算方法而言，具有较高的灵活性，适用范围也更广。

目前，铝合金构件在火灾下的升温可按照欧洲规范Eurocode 9^［109］中给出的增量计算式进行计算，也可参考《大空间建筑铝合金结构防火技术标准》（DG/TJ 08-2420—2023）^［110］中的计算方法，无防火保护的铝合金构件升温表达式如下：

\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{a}\mathrm{l}}=\mathrm{\Delta }T(h_{\mathrm{c}}+h_{\mathrm{f}\mathrm{r}}+h_{\mathrm{r}})/(c_{\mathrm{a}\mathrm{l}}{\rho }_{\mathrm{a}\mathrm{l}})（2）

式中：∆T_al为铝合金构件的升温；h_c为烟气热对流传热系数；h_fr为火焰热辐射传热系数；h_r为烟气热辐射传热系数；c_al为铝合金的比热容；ρ_al为铝合金材料密度。

郭小农等^［111］通过火焰辐射试验得到了大空间火灾下火焰辐射会对构件升温产生较大影响的结论，并提出了大空间火灾下铝合金构件的升温计算方法。王卫永等^［112］通过增量法研究铝合金构件的升温曲线，得到有轻质保护层铝合金构件的升温简化计算公式，可为铝合金构件抗火设计提供参考。

1.4.3 火灾温度场经验公式

考虑大跨度空间结构实际火灾中空气温度分布的不均匀性，采用ISO 834等标准升温曲线进行温度场计算会存在较大误差。国外对大空间实际火灾空气升温简化计算方法的研究较少，STERN-GOTTFRIED^{［113-114］}考虑烟气蔓延的影响，提出了面向大空间结构设计的移动火灾温度预测模型。欧洲规范Eurocode 1^［115］中规定，当屋顶不在火焰范围之内时，采用Heskestad羽流模型作为热空气温度计算公式，其表达式如下：

T=T_{\mathrm{0}}+k{Q}^{\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}}{\left(\frac{z}{Q^{\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}}}\right)}^{-\eta }（3）

式中：T为羽流区某高度处的温度；T₀为环境温度；Q为火源的热释放速率；z为距离火源的高度；k和η为与热释放速率Q有关的无量纲参数。

国内在这方面的研究中取得了一些成果，李国强等^［65］在大空间建筑火灾下的空气升温场模型分析基础上，通过120例数值模拟的回归分析，提出了实用大空间建筑火灾下空气升温经验公式，其表达式如下；

\begin{array}{l}{T}_{(x,z,t)}-T_{\mathrm{g}}(\mathrm{0})=T_z(\mathrm{1}-\mathrm{0.08}{e}^{-\beta t}-\mathrm{0.2}{e}^{-\mathrm{0.1}\beta t})\\ [\eta +(\mathrm{1}-\eta )e^{-(x-b)/\mu }]\end{array}（4）

式中：T_{（x，z，t）}为对应t时刻距火源中心水平距离x、距地面垂直距离z处的空气温度；T_g（0）为火灾发生前的环境温度；T_z 为从火源中心距地面垂直距离z处的最高空气升温；β为由火源功率和火源增长类型确定的升温曲线形状系数；t为时间；η为距火源中心水平距离x处的温度衰减系数；b为火源形状中心至火源最外边缘的距离；μ为系数；x为距火源中心水平距离；z为距地面的垂直距离。

薛素铎和梁劲等^{［66，116］}考虑烟气通风，对火灾下大空间结构空气温度的经验公式进行了修正，得出空气升温速率系数和平衡温度是描述空间温度场特性的主要参数，利用曲线拟合方法得出大空间建筑火灾空气升温经验公式，其表达式如下：

\theta (t)=\frac{{\theta }_{\mathrm{m}}}{\mathrm{1}+\left(\frac{{\theta }_{\mathrm{m}}}{{\theta }_{\mathrm{0}}}-\mathrm{1}\right)e^{-rt}}（5）

式中：θ_m为平衡温度，为常数；r为升温速率系数；θ₀为初始温度，取20 ℃。

张国维等^［117］基于不同理论和工程实况，也建立了大空间建筑实际火灾空气升温计算公式。但是，上述各文献给出的经验公式都是基于特定的建筑构形和火灾场景提出的，于志超等^［118］基于一个大空间火灾试验结果，对不同的经验公式进行了对比，发现这些公式的适用性有差别。在实际工程应用中，这些经验公式对于相似建筑抗火性能和火灾场景的初步评估和快速计算有一定的价值。然而，要想更精准地预测大空间建筑火灾温度场，需结合具体情况，利用更先进的模拟技术，对经验公式进行修正或者构建更符合实际情况的数值模型。

2 大跨度空间结构抗火设计的主要进展

结构抗火设计的核心目标是确保火灾高温下结构的抗火能力不低于抗火需求。伴随复杂多功能建筑的大量建设以及火灾科学、数值模拟技术的迭代升级，结构抗火设计已从传统试验法逐步过渡至计算分析法，并不断向性能化设计体系发展^［119］。

性能化的抗火设计突破了传统固定参数条文设计模式的束缚，以满足特定的建筑消防安全目标为核心，综合考虑火灾场景、结构响应和人员安全等多方面因素，通过计算为结构提供更科学合理的抗火设计方案，其设计思路见图5。

就大跨度空间结构而言，往往由于其复杂的结构体系和使用功能上的需要（如机场、车站、体育馆、展览馆等），传统抗火设计难以满足需求，而性能化抗火设计能依据其结构、功能特点精准分析火灾响应，合理制定防火与疏散方案，使设计更加科学合理。我国《建筑钢结构防火技术规程》（CECS 200：2006）^［102］中首次采用计算方法进行抗火设计，且明确指出：对于多功能、大跨度、大空间的建筑可采用有科学依据的性能化设计方法模拟火灾升温，分析结构的抗火性能，并采取合理、有效的防火保护措施，保证结构的抗火设计安全。2017年，住建部发布的国家标准《建筑钢结构防火技术规范》（GB 51249—2017）^［120］也指出：（1） 跨度不小于60 m的大跨度钢结构，宜采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法；（2） 预应力钢结构和跨度不小于120 m的大跨度建筑钢结构，宜采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法。基于性能化抗火设计的大跨度空间结构研究逐渐得到重视，基于性能化的抗火设计方法在国内外的大型工程火灾安全评估中均得到了成功的应用，如2000年悉尼奥林匹克体育场馆^［121］、上海南站钢结构屋盖^［122］、杭州国际会议中心钢结构^［123］以及西安咸阳国际机场T3A航站楼^［124］等都进行了基于性能化的抗火设计。

相关学者在总结众多工程实践经验的基础上，提出了系统的大空间结构性能化抗火设计方法。史健勇等^［13］基于临界温度的设计思想，提出了面向结构整体的大空间钢结构性能化抗火设计流程，能够适配各类真实火灾场景，完成结构整体防火性能分析与抗火设计。华莹等^［125］整理了有关火灾安全性能化设计方法的规范条例及内容，提出了建筑结构性能化抗火设计中的几个关键问题，建立了一种基于火灾随机性的性能化抗火设计方法，为这些关键问题提出解决思路。考虑火灾、传热和结构之间的相互作用，集火灾模拟、传热分析、结构抗火验算功能于一体的计算软件研发工作已取得一定进展^［119］，史健勇等^［126］采用SFSAS系统对北京航空航天大学体育练习馆在火灾作用下的结构反应和力学性能进行了分析，充分表现出计算机仿真技术在建筑防火分析中的优越性。陈适才等^［127］基于性能化抗火设计的方法，结合连续性倒塌分析思路，提出了结构在火灾下基于性能的抗倒塌分析方法，并开发了结构反应分析程序FireStru。

综上所述，基于性能化的抗火设计具有较好的理论与实用价值。但当前许多工程结构的抗火设计往往是对已建成结构的抗火性能进行评估，缺乏设计的理念；同时，目前国家规范中尚未对大跨度空间结构的性能化抗火设计细节做出规定，相关规范的编制有待进一步推进。

3 大跨度空间结构抗火研究的发展趋势与关键问题

3.1 研究的不足

已有结构抗火研究主要针对单一火灾，对多灾害耦合作用下（火灾、地震、冲击荷载等）的结构响应规律研究不足。目前的研究中存在以下问题：（1） 在结构类型方面，主要研究对象为门式刚架结构和网壳结构，对膜结构、索穹顶结构和混合结构的研究相对匮乏；（2） 在试验研究方面，现有的试验设备和技术手段在应对火灾场景试验时存在局限性，难以获取全面准确的结构响应数据，导致火灾场景下大部分结构的性能分析缺乏足够的试验数据支撑；（3） 在材料研究方面，主要针对钢材的高温本构模型，对常见建筑采用的铝合金材料高温蠕变特性的研究匮乏，对材料高温性能与结构一体化的研究相对薄弱；（4） 目前的研究方法，火灾全过程数值分析仍是主流，但现有分析多基于理想化模型和假设条件，数值模拟精度与可靠性有待提高；（5） 现有计算大空间火灾下空气温度分布的经验公式尚不完善。针对大跨度空间结构的性能化抗火设计，现有规范尚无法提供系统的理论支撑。

3.2 发展趋势

（1） 发展多种结构体系和多荷载耦合作用的火灾试验技术是进行大跨度空间结构抗火理论验证的发展趋势。

（2） 采用更精细的动态-高温材料模型和微观-细观-宏观多尺度结构模型是大跨度空间结构抗火计算的发展趋势。

（3） 真实火灾现场结构倒塌的准确预警是大跨度空间结构火灾安全保障领域的重要发展趋势。

（4） 建立基于性能的结构抗火设计方法是大跨度空间结构火灾安全评估和抗火设计的发展趋势。

3.3 待解决的关键问题

（1） 发展结构火灾试验技术。木竹结构、膜结构、弦支穹顶结构等新型大跨度空间结构火灾全过程试验，地震-火灾、火灾-冲击荷载耦合试验，多火源火灾试验技术等。

（2） 构建高效、高精度的结构火灾数值仿真模型。铝合金、胶合木、竹材等新型建筑材料的动态、高温模型，考虑节点效应的多尺度有限元模型和适用于大型结构分析的精细化高效建模技术。

（3） 研发火灾下结构倒塌快速预警技术。高灵敏度、高可靠性、适用于大空间的火灾探测技术和设备，如雷达监测、气体分析等。基于人工智能方法的结构安全快速推演与研判技术以及具有预测结构是否倒塌、如何倒塌、何时倒塌功能的结构倒塌预测预警系统^［71］。

（4） 建立改进的结构抗火性能评估与设计方法。火灾场景随机性和不确定性的定量描述方法，准确的抗火性能评估方法和指标体系，基于性能化的标准化抗火设计方法以及多灾害作用下的协同设计方法。

4 结论

随着大跨度空间结构在实际工程应用中的兴起，其在火灾高温下的安全问题也受到了工程界的广泛关注。近年来，在大跨度空间结构抗火试验、数值分析、理论研究等方面均取得了诸多代表性的成果，极大地推动了该领域的技术进步和理论发展。

值得注意的是，目前的研究中依然有许多亟待解决的问题，如发展新型结构的火灾试验技术、构建高效高精度的结构火灾数值仿真模型、研发火灾下结构倒塌快速预警技术、建立改进的结构抗火性能评估与设计方法等。相信在未来的研究与实践中，国内外学者能够克服现有的困难，形成完整的大跨度空间结构抗火设计体系，进一步提升大跨度空间结构的安全性能。

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基金资助

国家自然科学基金(52278224)