Reliability of Mass Timber Buildings in Fire: A performance-based design method and its application to office buildings
本文提出了一种概率模拟方法，用于评估具有暴露式大体积木结构办公建筑的火灾可靠性，并展示了如何优化主动安全措施和允许的木材暴露面积，以满足欧洲结构规范（Structural Eurocode）的风险目标。
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木材正悄然但有力地回归现代城市的建筑天际线。几十年来，建筑业一直青睐钢材和混凝土——这些材料不会燃烧，而木材则被降级用于较小的结构。然而今天，工程师们正越来越多地转向集成材（mass timber），这是一种通过层叠实心木板来制造足以支撑高层建筑的梁柱和墙壁的材料。这一转变源于降低建筑碳足迹的渴望，因为木材在生产过程中是储存碳而非排放碳。然而，一个根本性的问题仍然存在：如果一座木制建筑发生火灾，它会表现如何？与受热时会变弱的钢材不同，木材的燃烧方式是可预测的，它会在表面形成一层焦炭层，从而可以绝热并保护内部核心，使结构能够长时间屹立。安全监管机构面临的挑战在于，确定究竟有多少比例的木材可以暴露在室内的空气中，而不至于危及室内人员的安全或附近建筑的安全。
来自法国、加拿大和瑞典的一个研究小组通过开发一种计算这些木结构防火安全的新方法，解决了这个问题。他们没有依赖于那些通常要求用防火石膏覆盖所有木材的僵化、一刀切的规则，而是使用计算机模拟来模拟数千种不同的火灾场景。他们不将火灾视为单一事件，而是将其视为一种取决于许多变量的随机现象：房间内有多少家具和纸张、窗户有多大、消防队到达的速度有多快，以及有多少木材是裸露的，有多少是被覆盖的。通过反复运行这些模拟，他们可以计算出建筑物在火灾中生存而不坍塌或向室外蔓 l 扩散的可能性。他们的工作专门针对办公楼，这是其中美学设计（对暴露木材的需求）与安全性平衡争议最激烈的常见建筑类型。
研究人员构建了一个能够模拟室内火灾物理过程的数字工具。他们首先承认火灾是不可预测的。在他们的模拟中，他们改变了燃料量、房间大小以及消防员到达的时间。他们还考虑了集成材的独特行为。当木材燃烧时，它会产生焦炭，而这层焦炭层就像一面盾牌。然而，如果木材被石膏等保护板覆盖，一旦保护板因受热脱落，保护就会失效。团队的模型对此进行了仔细追踪，计算保护层何时可能失效，以及暴露的木材随后会对火灾强度贡献多少。他们还纳入了喷淋系统的作用（喷淋系统可以在火势过大前控制火灾），以及消防员的行为（随着火势变得越来越热且剧烈，其灭火能力也会下降）。
为了测试他们的方法，该团队将其应用于一个标准的办公隔间。他们为每个场景运行了15,000次独立的模拟，实际上是让计算机想象在建筑物的整个寿命周期内，该房间内发生了15,000场不同的火灾。他们设定了一个严格的安全目标：建筑失效的可能性必须低于被认为可接受的特定阈值。该阈值对应于欧洲各地用于人员聚集建筑的安全水平。他们测试了三种不同的结构耐火等级，代表了建筑在火灾期间需要保持屹立的时间：60分钟、90分钟和120分钟。对于每种等级，他们测试了不同比例的暴露木材，范围从墙面面积的30%到90%，并分别测试了有无喷淋系统的情况。
结果为设计师提供了一条清晰的路径。对于要求60分钟耐火等级的建筑，模拟显示，即使没有喷淋系统，将30%的墙面作为暴露木材也是安全的。如果添加喷淋系统，这个比例可以增加到60%。对于要求90分钟耐火等级的建筑，暴露木材的安全限值在无喷淋情况下升至60%，有喷淋情况下为75%。最复杂的情况是120分钟的要求，这在超高层建筑中很常见。在这里，研究人员发现，只要配备喷淋系统，暴露75%的墙面面积也是安全的。在没有喷淋系统的情况下，火灾向建筑外部蔓延的风险成为了关注点，但有了喷淋系统，系统能够达到安全目标。
该研究的一个关键发现是，只要暴露木材的数量保持在这些计算出的限度内，火灾蔓延到相邻建筑或沿建筑侧面蔓延的风险通常很低。在针对最高建筑的模拟中，从窗户辐射出的热量偶尔会达到足以引燃附近结构的程度，但这仅发生在极端罕见的场景下，即火灾异常巨大且喷淋系统未能控制住火势。当研究人员将距离调整为更符合高层建筑实际情况的15米时，风险降到了可接受的水平。这表明，目前的严格规则（通常要求所有木材都必须被覆盖）可能比实际需要的更为保守。研究表明，通过合适的喷淋系统组合和计算好的暴露木材量，高层木制建筑可以达到与传统结构同样高的安全标准。
研究人员谨慎地指出，他们的工作是基于计算机模型，而非在每一种场景下都进行物理火灾实验。他们利用全球范围内的54项真实世界火灾实验对他们的工具进行了验证，计算机预测与现实世界的结局高度吻合，且往往倾向于保守估计。这增强了其结果的可信度，但他们也指出了未来改进的领域。例如，他们提到保护板的行为以及火灾冷却阶段热量如何在木材中传递，这些都可以进行更精确的模型化。他们还建议未来的规则应考虑风速和火灾在建筑内的具体位置等因素，因为这些因素可能会影响消防员干预的速度。
最终，这项研究为更灵活的木建筑设计提供了科学基础。它证明了安全性并不需要隐藏这种材料，而是需要理解这种材料在压力下的行为。通过使用概率方法，工程师现在可以设计出暴露更多精美、可持续木材的建筑，同时仍能保证结构不会失效且火灾不会蔓延。这项工作表明，对于办公建筑，只要有喷淋系统等主动安全措施，并且设计遵循特定的计算限度，就可以让很大一部分木质墙壁和天花板保持暴露。这为建筑师创造出感觉更温暖、更自然的空间打开了大门，同时又不会牺牲保护公众的严苛安全标准。
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