火灾预防技术研究实验室

实验室副主任兼火灾预防技术方向学术带头人：郭子东

郭子东，男，中国人民警察大学防火工程学院火灾科学教研室主任、副教授、博士，硕士生导师，主要从事火灾基础理论、消防工程、火灾风险评估等领域的教学和科研工作。先后主持河北省自然科学基金1项，河北省科学技术项目1项；参与国家自然科学基金项目2项，参与十一五科技支撑计划项目、十二五科技支撑计划项目、国家科技基础工作专项、公安部应用创新计划项目等国家和省部级课题多项。国家级精品在线开放课程《消防燃烧学》负责人。在《土木工程学报》、《消防科学与技术》、《火灾科学》等国内外学术期刊发表学术论文30余篇。

研究团队

主要研究方向

火灾预防技术：解决高层建筑火灾、大型综合体火灾、高架仓库火灾、工业建筑火灾与爆炸等重大灾害问题为导向，研究火灾的预防技术。研究内容包括动态火灾风险评估技术、建筑结构耐火、人群疏散理论与技术、智慧消防技术、工业火灾防控技术等。

主要研究内容

（1）开展超高层建筑、城市综合体、综合管廊、大型石化企业等重点场所的火灾风险评估技术、火灾预防技术，结合火灾基础科学，研究重要场所的火灾危险性，评估火灾风险，研究消防设施的设计方案，实现主动防火和被动防灭火的完美统一，为降低火灾风险提供技术支持。

（2）开展建筑结构耐火性能研究。建筑结构耐火性能研究是建筑火灾研究领域重要的研究内容之一，其研究内容包括：①对建筑结构进行耐火设计，确保建筑结构在火灾持续的一定时间内具有足够的承载力；②研究结构耐火性能预测模型，用以预测建筑结构倒塌风险和时间，确保消防员在救援中的安全；③研究建筑结构在火灾后的受损程度，制定受损结构的修复和加固方案，确保经修复结构的安全性。

（3）开展人员安全疏散模型和人流管控研究。近年来，火灾与人类行为相互关系的研究随着性能化消防规范的出现和对计算机疏散模型的需求而得到迅速发展。为最大限度地避免和降低火灾造成的人员伤亡，将开展不同建筑中人员行为模式特征、居住人员特征分类、疏散模型、疏散场景想定、疏散设计和社区消防安全预案等重点研究，开发大型公共建筑人员疏散模拟、考虑火灾中人员的个体和群体心理反应、建立智能化人群疏散模型成为必然趋势。具体包括①火灾等突发环境下人员疏散行为的异变研究；②人员疏散影响体系的构建及瓶颈参数研究；③多因素影响下的人员疏散路径优化研究；④人员疏散中的不确定性问题研究及模型构建；⑤紧急情况下人员疏散的诱导策略及效果研究；⑥疏散动力学数据库的建设及软件开发；⑦应急救援行动中的技战术研究等等；⑧大型活动中的人流管控。

（4）基于物联网、大数据和BIM技术，开展智慧消防研究。在整合消防监控系统、安防监控系统、电子地图、室内定位系统等基础上，研究火灾的风险动态、立体评估监控的新模式，研究人员智慧疏散动态、精准模型，最终形成事故处置智慧化指挥平台。

（5）工业火灾爆炸预防与控制研究。①化学品危险特性与致灾机理研究：围绕化学品特征危害性质，研究化学品事故的机理、临界条件、关键影响因素、危害后果等。

②化学事故与模拟技术研究：对化学事故进行统计分析，归纳事故规律和发展态势，选取关键问题进行模拟研究和专题研究。

③化工过程安全与预防控制技术研究：重点开展风险评估技术和风险控制技术研究，形成成套的事故防控技术方案。上述方向互相关联、互为因果、相互促动，共同集成了“危险化学品安全与事故防控”这一总研究方向。

④化工过程安全控制关键因素和技术方面的基础数据支持。

⑤锂离子电池的热失控机理。

⑥工业火灾与爆炸风险评估。

⑦开展火灾事故模拟仿真。

火灾预防技术研究进展和发展趋势

（1）火灾风险评估研究进展和发展趋势

我国关于火灾风险评估学的研究相对一些发达国家起步较晚，但是随着近年来与国外相关研究机构的交流，也已经开展了火灾风险评估方面的研究工作，并取得了一定的成果。国内目前公安部天津、上海、四川和沈阳四个消防科学研究所，中国建筑科学研究院建筑防火研究所，同济大学，中国科学技术大学，中国人民武装警察部队学院等科研单位和高校都在开展火灾风险评估相关方面的研究工作。

国内火灾风险评估主要包括针对建筑的火灾风险评估和针对城市的区域火灾风险评估。目前以性能化建筑防火规范为背景，以现阶段消防安全工程学的实际发展水平和我国现行处方式建筑防火规范为基本出发点，初步建立了建筑火灾危险性评估性能方法的基本框架。

国外关于火灾风险评估的研究主要是从20世纪70年代开始，以一些发达国家开始系统研究性能化防火设计为背景展开的。主要工作包括以下几个部分：

①火灾风险含义与火灾风险评估的基本框架。Magmisson对火灾安全工程领域的概率风险评估方法做了总体的概述。Frantzich对风险分析与火灾安全工程结合的相关问题进行了分析，提出了两种定量风险评估方法(Quantitative Risk Analysis，QRA)：标准的QRA与扩展的QRA(Standard QRA and Extended QRA)，并就这两种评估方法在处理不确定性问题的不同进行了分析。

②火灾财产损失评估与火灾安全投入的决策。在较少的防火经费投入下，火灾防治的有效性与经济性的统一十分重要。Beck早在1979年就开始开展建筑火灾影响下的风险评估建模的研究。此项研究的目标是通过达到可接受的火灾安全水平情况下，衡量安全投资有效设计的合理性。

③人员风险评估。He通过概率的风险评估方法对人员生命安全预期的火灾风险进行量化。由于火灾与人员疏散过程中的随机因素很多，因此这些不确定性为疏散安全评估提出了更高的要求。Magnusson和Frantzich考虑了人员疏散计算中的一些不确定性因素，运用一次二阶矩(FOSM)可靠指数方法对将人员安全疏散可靠性进行了评价。这种考虑可靠性指数的方法被Hasofer与Beck用来估计着火房间死亡人数。Hasofer和 Odigie提出了离散危险函数(discrete hazard function)，该函数通过随机建模的方式考虑了危险状态与人员逃生中变化因素的相互作用，以预期死亡人数为目标函数用来评估人员的安全性。

④火灾风险评估所需统计数据。在国内越来越多的学者开始认识到火灾基础统计数据对风险评估的重要作用并开展了相关研究。

⑤火灾风险评估的模型

国外在火灾风险评估方面的基础数据的积累相对完善，加上性能化设计的工程应用背景，使得许多研究小组发展了火灾风险评估的应用模型并开发出相关软件。由于这类模型密切结合防火设计的需要，并充分利用关于火灾防治的各研究领域的研究成果，因而是一些综合性很强的风险分析工具。比较著名的有加拿大的FIRECAMTM模型、FIERAsystem模型，澳大利亚的CESARE-RISK模型英国的CRISP模型等。

（2）建筑火灾防控技术研究进展和发展趋势

提升高层建筑对火灾的自防自救能力，是实现高层建筑火灾安全的最有效途径和关键。孙金华等研究了火灾对建筑结构与人员等承灾载体的影响与作用，揭示了高层建筑火灾的致灾机理；研究了常用外墙保温材料的火灾特性并建立其火灾安全评价方法和标准；发展了火灾立体蔓延的阻隔技术和建筑结构的抗火方法，提高建筑自身对火灾的防御能力。

建筑结构耐火是建筑防火策略的底线，对于保护火灾情况下建筑内人员安全和救援人员安全具有重要作用。国内外对建筑结构耐火性能研究主要集中在以下几个方面：①高温下材料本构关系的研究，如钢材和混凝土在高温下的强度、弹性模量及全过程曲线等。②高温下材料热工性能的研究，如高温下材料的热导率、比热、容重及膨胀系数等。③构件和结构内部温度场的研究与分析计算。④研究构件在高温环境中的破坏特征、不同构件形状或尺寸、不同受火方式的影响规律、构件和结构的耐火极限及全过程分析。⑤结构构件的耐火保护层计算。⑥结构构件耐火试验方法研究。⑦结构构件的耐火理论研究及相应的标准编制。⑧结构在火灾条件下的整体耐火性能研究，由于在火灾下单个结构构件的失效并不意味着整体结构的破坏。建筑结构在局部构件发生破坏后仍将因结构内力重分布而具有一定承载力。另外，目前所采用的标准温升曲线受火条件只考虑了建筑内以纤维火灾为主的火灾发展过程，未考虑实际的火灾荷载、通风条件等因素，其结果与实际状况有较大差异。因此，要实现以上研究目的，需要开展接近实际火灾条件下构件及结构整体的耐火性能研究。

由于地下空间火灾烟气蔓延速度快且不易排出，加速了空间内温度升高速度，人员疏散、火灾扑救难度增大，也给相关研究带来了困难。随着我国社会和经济发展，城市地下综合管廊、地铁、城市交通隧道、地下商场等地下空间数量和规模越来越大，其火灾风险也在不断增加。对地下空间火灾防控技术的研究也成为火灾科学研究的热点和难点。

（3）工业火灾预防技术研究进展和发展趋势

随着现代工业的快速发展，新工艺、新材料和新技术的日新月异，大量涉及易燃易爆物质生产加工的工业生产装置与场所日益增多，工业火灾爆炸事故风险显著增大。工业火灾、爆炸事故通常是由于可燃物料泄漏、反应工艺失控、意外点火、蓄热自燃等因素引起，事故类型主要包括气体火灾、油类火灾、固体火灾、电气火灾、粉尘云爆燃与爆炸等。现代工业生产尤其是石油化工行业，其工艺过程主要通过一系列复杂的物理、化学反应构成，原料和产品以液态、气态组分为主，大都具有易燃易爆性、毒性和腐蚀性，且生产工艺连续性强，工艺操作环境常为高温高压（或低温低压）等复杂条件。由于物料输送泄漏、意外点火，反应条件失控以及人员误操作等原因，石油化工等工业生产过程易发生火灾、爆炸事故，呈现立体、大面积、多点等形式的燃烧、爆炸燃烧连锁、复燃等事故形态，易造成大量人员伤亡、财产损失以及环境破坏。

针对工业装置与场所的火灾、爆炸灾害事故防治，各国研究机构与学者已开展广泛研究。目前主要采取安全评价方法对设计阶段、验收阶段以及运行阶段的工业装置、设备以及场所火灾爆炸风险进行安全评价，使其处于可承受风险范围内，并利用各种监控监测设备加强对重点危险源的实时监管与安全防范；对于工业装置的火灾、爆炸灾害事故的应急处置，一方面不断加强对火灾、爆炸灾害事故抑制技术、装备的研发，提高应对灾害事故的技术水平；另一方面通过研究灾害事故演化规律，提高对工业火灾、爆炸事故危险源、事故发生原因、发展过程以及灾害后果的认识，并针对性开展工业灾害的防治技术与策略研究，在危险源辨识基础上，通过应急预案编制以提高应对突发灾害事故能力。

（4）智慧消防研究进展和发展趋势

随着城市建设的快速发展，各种城市建筑综合体、高层、超高层建筑纷纷涌现，复杂的结构、庞大的空间、数量众多的消防设备和由此带来的火灾风险给传统的消防管理模式带来了新的挑战。传统的二维平面管理模式已经不能有效地进行基于建筑消防需求的空间管理、设备管理和人员管理。因此，附着详细建筑信息和消防信息、可以进行便捷的数据共享和人机交互的可视化消防管理系统的研究已成为行业共识。开发能够实时监测评估参数、动态评估火灾风险的“综合性建筑火灾动态防控系统”，是满足如今结构复杂、功能多样、材料新颖、体量巨大的综合型建筑体的实际需求。

从技术手段上看，国内外普遍应用基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的“建筑消防安全管理综合应用系统”来实现建筑消防安全的实时监控和评估。该系统将消防设计图纸审查系统、建筑防火监督检查系统、灭火救援预案训练系统以及应急疏散逃生指示系统融为一体，在图形可视化、设计方案协调以及火灾场景模拟等方面具有显著的优势。但该系统尚未将建筑物内人员密度、消防设施、火灾荷载以及扑救条件的实时变动情况考虑在内。因此，本研究将动态耦合这些重要的参数，对建筑的火灾风险进行动态评估，获得建筑实时、动态、直观的风险水平，并能根据实时风险自动生成防控预案。

物联网是各类传感器和互联网相互街接的智能新技术。物联网在消防领域已经形成了多领域的成熟应用。本世纪初国内各厂商设计开发了多信息火灾报警监管联网系统，实现多联网用户消防设施运行和消防安全管理的网格化、多信息动态监管和信息查询；2006-2010期间，开展了城市建筑消防设施远程监控技术研究，针对建筑内有源类消防设施的运行状态进行实时的数据采集与数据传输，并制定了《城市消防远程监控系统技术规范》系列标准；2011-2015期间，开展了消防安全管理物联网技术研究，综合利用RFID（射频识别）、视频耦合和图像处理技术，针对大量无数据接口消防设施和非供电类、移动消防设施开展状态识别与动态监测研究，进一步扩大了消防设施的监控范围；2016年至今，综合利用RFID（射频识别）、无线传感、云计算、大数据等技术，依托有线、无线、移动互联网等现代通信手段，整合已有的各数据中心，扩大监控系统的联网用户数量，完善系统报警联动、设施巡检、单位管理、消防监督等功能，开始出现初步智能。

（5）人员安全疏散与人流管控研究进展和发展趋势

人在火场中的行为特征与疏散模型研究是建筑工程火灾防控技术的重点。在人员疏散研究方面，陈涛等成功发展了复合火灾疏散模型CFE，考虑了人员行为和火灾发展对疏散的影响；继而采用格子气模型对疏散动力学进行了模拟，揭示出行人堵塞现象的动力学特征及其与行人密度的关系。宋卫国等采用社会力模型模拟疏散行为，研究了建筑结构特征和人群疏散时间之间的关系，考察了步行者之间以及步行者与环境之间的相互作用，发展了包含排斥力和摩擦力模拟的元胞自动机模型。而杨立中等则研究发展了基于元胞自动机的微观离散疏散模型，细致考虑了疏散者的个体特征。