基于结构塌落的高层建筑火灾事故逆向动力学研究及应用

High-rise building fires increase year by year and cause great loss of life and property as well as great social influence. Therefore, it is very urgent to study the reappearance of high-rise building fires and the method of performance-based fire protection for high-rise buildings. Focusing on the nonlinear coupling problem of “the inverse dynamics of high-rise building fires based on the structural collapse”, this project will make detailed study on the inverse dynamics theory of high-rise building fires, the 3D nonlinear modeling method, the high performance computing method, and the application and verification. Based on the flow-structure interaction theory, the 3D building structural model, the combustion dynamic model and the structure collapsing model will be created, coupling into a 3D nonlinear model of the high-rise building fire with a harmonic mesh size. Combining the finite difference method and the solid-air-collision finite element method, a stepwise numerical computation method will be developed. Based on the workload optimization in the computation, a high performance parallel computing method based on two level partition will be created. Therefore, this project will develop an original and systematic theory and method in the numerical computation on the inverse dynamics of high-rise building fires based on the structural collapse. It can be applied into the fire investigation and fire reappearance of high-rise buildings to improve the accuracy and reliability. It can also be applied into the performance-based fire protection of high-rise buildings to improve the fire protection performance. Therefore, this project will have profound theoretic significance and comprehensive application perspective.

高层建筑火灾事故逐年上升，造成巨大的生命财产损失和社会影响。因此，高层建筑火灾事故还原以及高层建筑性能化防火设计研究就显得非常迫切和必要。本项目拟紧紧围绕“基于结构塌落的高层建筑火灾事故逆向动力学”这个非线性耦合问题，对高层建筑火灾事故逆向动力学理论、三维非线性建模方法、高性能计算方法和应用实例验证进行深入研究。本项目拟以流固耦合理论为基础，建立高层建筑结构模型、燃烧动力学模型和塌落物运动模型三者完全耦合且网格尺寸调和的高层建筑火灾三维非线性模型；提出有限差分法和固-气碰撞有限元法相结合的分步数值计算方法；提出计算任务优化的两级分区高性能并行计算方法；从而形成具有创新性和系统性的高层建筑火灾逆向动力学问题的数值计算理论与方法。本项目可应用于高层建筑火灾事故的调查还原，提高准确性和可靠性；还可应用于高层建筑的性能化防火设计，提升防火性能。因此，本项目具有很大的理论意义和广泛的应用前景。

随着高层建筑的不断增多，火灾事故逐年上升，造成了巨大的生命财产损失和社会影响。因此，高层建筑火灾事故还原以及高层建筑性能化防火设计研究就显得非常迫切和必要。本项目紧紧围绕“基于结构塌落的高层建筑火灾事故逆向动力学”这个非线性耦合问题，对高层建筑火灾事故逆向动力学理论、三维非线性建模方法、高性能计算方法以及应用实例验证进行了深入研究。本项目的主要研究成果包括：基于燃烧动力学理论、运动力学理论以及流固耦合方法，建立了基于结构塌落的高层建筑火灾事故逆向动力学问题的数学模型；给出了高层建筑火灾事故逆向动力学问题的计算方法。建立了等效参数法和两级分区建模法相结合的高层建筑结构建模方法；建立了火-热耦合与热-力耦合之间的温度场转化建模方法；基于塌落物的运动特性以及燃烧动力特性，采用网格变化机制进行塌落物建模，并基于接触面耦合原理，建立了塌落物运动与燃烧模拟耦合的塌落物运动建模方法。采用高性能并行计算方法，建立了负载量化的计算性能评价方法和两级分区及分层计算的并行计算方法；开发了自均衡分区软件系统。本项目所提方法应用于某火灾实验的数值计算中，计算结果与实验结果吻合度高，验证了方法的可靠性；所提方法应用于某高层建筑火灾事故的数值计算中，计算结果与采用传统分区法的结果进行了比较，并行效率和加速比有明显提升，验证了方法的高效性。本项目研究成果可应用于高层建筑火灾事故的调查还原，提高可靠性和计算效率；还可应用于高层建筑的性能化防火设计，提升防火性能。