孫睿婷 田 宏教授

(沈陽航空航天大學 安全工程學院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

高層住宅是我國城市建筑的一種重要建筑形式，在解決人民居住問題的同時，也存在著許多火災風險。高層住宅具有建筑層數(shù)多、人員密集、火災載荷大、疏散困難等特點[1]。因此，高層住宅的火災風險遠大于普通建筑，高層住宅的火災預防工作也變得十分重要。對高層住宅進行火災風險評估，根據(jù)評估結(jié)果制定合理的火災預防措施，對于高層住宅的火災安全管理有著重要的意義。

國外對于火災風險評價方法的研究從上世紀70年代開始，是以一些發(fā)達國家研究性能化防火設(shè)計為背景展開的[2]。美國的FRAMEworks方法、BFSEM方法，澳大利亞的RAM，加拿大的FIRECAM，日本的建筑物綜合防火安全設(shè)計方法等都得到了廣泛的應用[3]。國外的計算機仿真技術(shù)的應用也十分廣泛，英國格林尼治大學在計算機仿真技術(shù)應用方面處于領(lǐng)先地位，丹麥、芬蘭和意大利共同開發(fā)了STARS系統(tǒng)。目前，使用較廣的計算機仿真軟件有：美國的EXIT89，英國格林尼治大學的Building Exodus，澳大利亞的Firecale，愛丁堡大學的Simulex，美國的Thunderhead Engineening 公司研發(fā)的Pathfinder等[4]。

我國的火災風險評估的研究稍晚于一些發(fā)達國家，但經(jīng)過近年來我國學者與國外學者的不斷學習交流，我國火災風險評估研究方面的工作也有了很大的進展。范維澄等將隨機性和確定性模型相結(jié)合，進行雙重性規(guī)律研究[5]；杜紅兵等建立了建筑火災風險的評價因素集，將模糊評價法引入建筑火災風險中[6]；李淑婷、李進等將層次分析法引入高層建筑火災風險評價[7]；鄭雙忠將層次分析法與模糊綜合評價結(jié)合進行評價，給出了建筑火災風險模糊評價中各因素權(quán)重確定的方法[8]；西安建筑科技大學的閆金花應用Bayes統(tǒng)計方法，推導出建筑防火系統(tǒng)可靠度的近似分布函數(shù)[9]等等。

這些研究雖然取得了一定成果，但在高層建筑火災風險評價理論與方法的研究方面仍存在一些明顯不足。理論框架尚不統(tǒng)一；高層建筑火災風險評估指標體系差異性較大；風險評價指標體系的建立針對性不強；在應用評價體系對高層建筑火災風險進行實際評價時，指標體系計算較為復雜。此外，專家對各個因素的重要性判斷的差別可能會造成判斷矩陣不能滿足一致性檢驗的要求，在這種情況下需要重新獲取判斷矩陣。因此，本文選擇結(jié)構(gòu)熵權(quán)法來確定權(quán)重，這是一種將主觀賦值法與客觀賦值法結(jié)合起來的方法，也將定性分析與定量分析相結(jié)合，通過德爾菲專家調(diào)查法與模糊分析法形成“典型排序”，按照給定的熵決策公式進行熵值計算、盲度分析，最終通過歸一化處理得到指標權(quán)重值[10]。

本文以高層住宅為例，根據(jù)其特點，分析并獲取影響其火災發(fā)生的各種不確定性因素，建立高層住宅火災風險評價指標體系；利用結(jié)構(gòu)熵權(quán)法計算各指標的權(quán)重，提出高層住宅火災風險綜合評價方法；并以某一高層住宅為例，進行實證分析。

1 高層住宅火災風險評價指標的構(gòu)建

根據(jù)能量意外釋放理論，高層住宅火災的第一類危險源包括建筑中的可燃物、燃燒產(chǎn)生的煙氣及有毒有害氣體；第二類危險源是人們?yōu)榱朔乐够馂陌l(fā)生、減小火災損失所采取的消防措施中的隱患[3]。結(jié)合《建筑設(shè)計防火規(guī)范(2018年版)》GB 50016-2014[11]和事故致因理論、專家調(diào)查法等理論，依據(jù)系統(tǒng)性、科學性、相對獨立性、可比性的原則，提出以建筑物內(nèi)主動防火系統(tǒng)、建筑物內(nèi)被動防火系統(tǒng)、安全疏散系統(tǒng)、消防安全管理、周邊環(huán)境為主要內(nèi)容的評價指標，其中一級指標5個，二級指標16個。本文在建立一、二級指標的基礎(chǔ)上，引入三級指標，對二級指標的內(nèi)容進行解釋說明，三級指標以《建筑設(shè)計防火規(guī)范(2018年版)》GB 50016-2014為依據(jù)建立，共計38個。對于高層住宅火災風險評價指標的說明，見表1。

表1 評價指標體系Tab.1 Evaluation index system

續(xù)表

續(xù)表

一二級指標采用重要度排序的方法，由20名專家進行重要度排序，三級指標運用德爾菲法，由專家實地調(diào)研后進行打分。建筑物內(nèi)主動防火系統(tǒng)、建筑物內(nèi)被動防火系統(tǒng)、安全疏散系統(tǒng)3個指標依據(jù)表2“評分細則”進行打分，根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范(2018年版)》GB 50016-2014，選擇不同的分數(shù)等級。消防安全管理和周邊環(huán)境的指標評分標準分為“1-2-3”3個級別，得分越高表明對火災影響越小，分級判分是一種半定量的評估方法，此種方法目前已較為完善[4]。

2 高層住宅火災風險綜合評估

設(shè)有r位專家參與調(diào)查問卷，即調(diào)查問卷數(shù)目為r張，對應的每個指標集記為U={u1，u2，…，un}。指標集對應的專家排序數(shù)組記為(ai1，ai2，…，ain)，可以得到r位專家的指標排序矩陣，記為A(A=(aij)r×n,i=1,2,…,r,j=1,2,…,n),

將A稱作“典型排序”矩陣，其中aij表示第i位專家對第j個指標的重要性評價，該評價矩陣是由專家進行現(xiàn)場評估之后得出的矩陣。

在典型排序形成以后，需要對評價指標的隸屬度進行量化，但是在打分過程中專家可能會由于主觀原因，對于指標的排序有一定的不確定性，因此，為了消除不確定性，需要對矩陣進行盲度分析[12]。

將隸屬度轉(zhuǎn)化函數(shù)定義為：

(1)

若認為該指標最重要則排為1號，則I取1，以此類推，若排序數(shù)為2，則I取2，排序存在并列的情況。轉(zhuǎn)化參數(shù)量m=max(I)+2。

將各矩陣中的I=aij代入到式(1)中，令bij=μ(aij)即可得到排序數(shù)I的隸屬度矩陣B，B=(bij)r×n。設(shè)r位專家對指標uj的話語權(quán)相同，即計算r位專家對uj的“一致看法”，稱為平均認識度，記為bj，且

(2)

假設(shè)某專家由于認知而產(chǎn)生的不確性，這一不確定性被稱為認識盲度，記作σj。

(3)

總體認識度記為xj，表示了r位專家關(guān)于指標uj的總體認識度。

xj=bj(1-σj)

(4)

這樣就可以得到r位專家對于指標uj的評價向量X=[x1，x2，…，xn]。然后對評價向量X進行歸一化處理，令

(5)

因此，得到了r位專家對于指標U={u1，u2，…，un}的重要性一致性判斷，歸一化后的權(quán)重向量記為Y=[β1，β2，…，βn]。

最后計算高層住宅火災風險度，高層住宅火災風險度G計算公式為：

(6)

式中：

ωa—一級指標的權(quán)重；

ωb—二級指標的權(quán)重；

Pb—二級指標的最終得分。

(7)

式中：

Sb—二級指標最高的評分總和；

Cc—三級指標的得分；

k—三級指標的個數(shù)。

3 實例分析

本文所提出的高層住宅火災評估方法具有廣泛適用性，可以應用于所有高層住宅的火災風險綜合評估。本文以遼寧省沈陽市某高層住宅為例，建筑總高度58m，屬于一類高層民用建筑。

首先，邀請20名專家對高層住宅火災風險評價指標的重要度進行排序，根據(jù)專家的排序結(jié)果可以得到由各個指標重要度排序組成的矩陣。將隸屬度轉(zhuǎn)化為函數(shù)，以一級評價指標為例，由式(2)計算得建筑物內(nèi)主動防火系統(tǒng)的平均認識度為1、建筑物內(nèi)被動防火系統(tǒng)的平均認識度為0.990、安全疏散系統(tǒng)的平均認識度為0.861、消防安全管理的平均認識度為0.881、周邊環(huán)境的平均認識度為0.693。由式(3)得建筑物內(nèi)主動防火系統(tǒng)的認識盲度為0、建筑物內(nèi)被動防火系統(tǒng)的認識盲度為0.032、安全疏散系統(tǒng)的認識盲度為0.060、消防安全管理的認識盲度為0.084、周邊環(huán)境的認識盲度為0.084。之后，根據(jù)得到的平均認識度和認識盲度計算出各個指標的總體認識度，一級指標的總體認識度分別是1、0.958、0.809、0.807、0.635。

將評價向量做歸一化處理，得到高層住宅火災風險評價指標體系的一級指標的權(quán)重向量為：ω=(0.238，0.228，0.192，0.192，0.151)；建筑物內(nèi)主動防火系統(tǒng)的權(quán)重向量為：ω1=(0.300，0.269，0.229，0.202)；被動防火系統(tǒng)的權(quán)重向量為：ω2=(0.326，0.428，0.246)；安全疏散系統(tǒng)的權(quán)重向量為：ω3=(0.333，0.164，0.221，0.279)；消防安全管理系統(tǒng)的權(quán)重向量為：ω4=(0.338，0.444，0.217)；建筑物周邊環(huán)境的權(quán)重向量為：ω5=(0.613，0.387)。

以上得到的一、二級指標的權(quán)重適用于任何一個高層住宅，在三級指標的打分過程中，專家根據(jù)每個樓的實際情況進行打分，三級指標的打分過程體現(xiàn)出每個高層住宅的差異性。將三級指標得分代入式(7)，可得出二級指標的最終得分。三級指標的打分過程以火災自動報警系統(tǒng)為例，見表3。

最后根據(jù)式(6)計算火災風險度得出該住宅的最終風險度為81.41。本文將高層住宅火災等級分為5個等級，風險度(90，100]火災風險等級低，(80，90]火災風險等級較低，(70，80]火災風險等級一般，(60，70]火災風險等級較高，[0,60]火災風險等級高。由火災風險等級可知，該住宅屬于火災風險等級Ⅱ級，火災風險較低。

表3 火災自動報警系統(tǒng)三級打分表格Tab.3 The third level scoring form of automatic fire alarm system

4 結(jié)論

(1)建立了高層住宅火災風險評價指標體系，引入了三級指標對二級指標進行解釋說明。引入“結(jié)構(gòu)熵權(quán)法”來確定權(quán)重，提出了通用的高層住宅火災風險評估方法，并運用該方法進行實例分析，驗證了該方法的可行性。通過計算得出指標的權(quán)重和得分情況，為進一步制定整改措施提供理論依據(jù)。

(2)建立高層住宅火災風險評估體系時，還有一些影響火災的自然因素，例如風速、風向等因素沒有考慮，有待需進一步討論與研究。

(3)“結(jié)構(gòu)熵權(quán)法”計算量較大，將所提出的高層住宅火災風險評估方法整合到軟件中，可以減少評估人員的工作量，高層住宅火災風險評估的可視化開發(fā)有待進一步實現(xiàn)。