高大空间钢结构建筑多为单层公共性建筑或厂房建筑,建筑内人员密集、火灾荷载较大、人员疏散危险性较高。因此,定量地评估高大空间建筑火灾时烟气危害、结构坍塌风险以及人员疏散安全度对科学开展高大空间建筑性能化防火设计研究极为重要。现有研究成果表明,高大空间建筑火灾不同于常规居室火灾,高大空间建筑火灾温度场呈现典型的非均匀分布特征。目前,火灾全过程中非均匀温度场作用下的钢结构整体坍塌风险、人员疏散安全度及其火灾风险定量评估等方面研究仍相对粗略。本论文充分地考虑了高大空间火灾非均匀温度场的时空分布特性,采用理论分析、实验研究、数值模拟相结合的方法,建立了火灾全过程高大空间非均匀烟气温度场的时空模型,提出了考虑火焰热辐射作用下的钢构件升温计算方法。将非均匀分布的时空温度场与结构应力场耦合,对火灾全过程中非均匀受火钢结构的整体稳定性进行定量评估。同时,还对高大空间建筑内人员疏散行为进行了研究,系统地提出了高大空间钢结构建筑火灾全过程性能化防火设计方法。研究将丰富高大空间钢结构整体抗火理论,为该类建筑的火灾风险评估提供工具。具体的研究工作包括如下几个方面:1)实验验证了大涡模拟技术预测高大空间火灾温度场分布的可行性。借助于大涡模拟技术,对近百个不同建筑高度、不同建筑面积、不同火源功率的高大空间建筑火灾烟气温度场分布规律进行了研究,提出了高大空间建筑火灾非均匀温度场时空模型,该模型能够较为准确全面地反应高大空间建筑火灾温度场的时间发展特点和空间非均匀分布规律。2)建立了高大空间受火钢构件热平衡方程,研究了火焰体直接热辐射、烟气热对流以及烟气热辐射对钢构件的热作用规律。参考点火源模型建立了火焰体对钢构件的热辐射模型,提出并实验验证了考虑火焰体热辐射作用下的高大空间受火钢构件温升模型和计算方法,分析了钢构件形状系数、建筑高度、火源功率以及构件距火源距离等主要参数对构件温升曲线的影响。3)提出了非均匀受火钢结构整体稳定性时变分析方法。将时空分布的非均匀温度场施加到有限元分析模型上,实现非均匀温度场与结构应力场耦合。该方法克服了采用ISO标准曲线、BS EN 1991-1-2:2002温升曲线或其他均匀室内温升曲线以均一温度替代非均匀温度场的天然缺陷,可以准确反映出时空变化的非均匀温度场的温度梯度差引起的结构附加内力和应力重分布现象。4)建立了基于黑箱理论的高大空间人员密度预测模型,提出了基于水力模型的人员疏散行动时间计算方法和基于计算机仿真模拟的人员疏散行动时间预测方法。实验验证并探讨了两种预测方法的精确度。5)对高大空间钢结构建筑性能化防火设计方法的一般程序以及部分关键科学问题进行了系统研究。确定了高大空间钢结构建筑性能化防火设计的一般安全目标与数学表达,认为准确预测设定火灾场景中人员可用安全疏散时间以及人员所需疏散时间是判断建筑内人员能否安全疏散的关键问题。同时,对影响人员疏散过程中的各危害因素进行了讨论分析,提出了各危害因素定量判断分析方法。通过对危害因素的定量分析以及人员疏散的动态预测,实现对性能化试设计方案安全度的定量评估。