孫睿婷 田 宏教授

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

0 引言

高層住宅是我國(guó)城市建筑的一種重要建筑形式，在解決人民居住問(wèn)題的同時(shí)，也存在著許多火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。高層住宅具有建筑層數(shù)多、人員密集、火災(zāi)載荷大、疏散困難等特點(diǎn)[1]。因此，高層住宅的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于普通建筑，高層住宅的火災(zāi)預(yù)防工作也變得十分重要。對(duì)高層住宅進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果制定合理的火災(zāi)預(yù)防措施，對(duì)于高層住宅的火災(zāi)安全管理有著重要的意義。

國(guó)外對(duì)于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的研究從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，是以一些發(fā)達(dá)國(guó)家研究性能化防火設(shè)計(jì)為背景展開(kāi)的[2]。美國(guó)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(jì)方法等都得到了廣泛的應(yīng)用[3]。國(guó)外的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛，英國(guó)格林尼治大學(xué)在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位，丹麥、芬蘭和意大利共同開(kāi)發(fā)了STARS系統(tǒng)。目前，使用較廣的計(jì)算機(jī)仿真軟件有：美國(guó)的EXIT89，英國(guó)格林尼治大學(xué)的Building Exodus，澳大利亞的Firecale，愛(ài)丁堡大學(xué)的Simulex，美國(guó)的Thunderhead Engineening 公司研發(fā)的Pathfinder等[4]。

我國(guó)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究稍晚于一些發(fā)達(dá)國(guó)家，但經(jīng)過(guò)近年來(lái)我國(guó)學(xué)者與國(guó)外學(xué)者的不斷學(xué)習(xí)交流，我國(guó)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究方面的工作也有了很大的進(jìn)展。范維澄等將隨機(jī)性和確定性模型相結(jié)合，進(jìn)行雙重性規(guī)律研究[5]；杜紅兵等建立了建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)因素集，將模糊評(píng)價(jià)法引入建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)中[6]；李淑婷、李進(jìn)等將層次分析法引入高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[7]；鄭雙忠將層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)合進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出了建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)中各因素權(quán)重確定的方法[8]；西安建筑科技大學(xué)的閆金花應(yīng)用Bayes統(tǒng)計(jì)方法，推導(dǎo)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(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系差異性較大；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立針對(duì)性不強(qiáng)；在應(yīng)用評(píng)價(jià)體系對(duì)高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)際評(píng)價(jià)時(shí)，指標(biāo)體系計(jì)算較為復(fù)雜。此外，專家對(duì)各個(gè)因素的重要性判斷的差別可能會(huì)造成判斷矩陣不能滿足一致性檢驗(yàn)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(lái)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(lái)的方法，也將定性分析與定量分析相結(jié)合，通過(guò)德?tīng)柗茖＜艺{(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(jìn)行熵值計(jì)算、盲度分析，最終通過(guò)歸一化處理得到指標(biāo)權(quán)重值[10]。

本文以高層住宅為例，根據(jù)其特點(diǎn)，分析并獲取影響其火災(zāi)發(fā)生的各種不確定性因素，建立高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；利用結(jié)構(gòu)熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，提出高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)方法；并以某一高層住宅為例，進(jìn)行實(shí)證分析。

1 高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建

根據(jù)能量意外釋放理論，高層住宅火災(zāi)的第一類危險(xiǎn)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(xiǎn)源是人們?yōu)榱朔乐够馂?zāi)發(fā)生、減小火災(zāi)損失所采取的消防措施中的隱患[3]。結(jié)合《建筑設(shè)計(jì)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(xué)性、相對(duì)獨(dú)立性、可比性的原則，提出以建筑物內(nèi)主動(dòng)防火系統(tǒng)、建筑物內(nèi)被動(dòng)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(píng)價(jià)指標(biāo)，其中一級(jí)指標(biāo)5個(gè)，二級(jí)指標(biāo)16個(gè)。本文在建立一、二級(jí)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，引入三級(jí)指標(biāo)，對(duì)二級(jí)指標(biāo)的內(nèi)容進(jìn)行解釋說(shuō)明，三級(jí)指標(biāo)以《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2018年版)》GB 50016-2014為依據(jù)建立，共計(jì)38個(gè)。對(duì)于高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的說(shuō)明，見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system

續(xù)表

續(xù)表

一二級(jí)指標(biāo)采用重要度排序的方法，由20名專家進(jìn)行重要度排序，三級(jí)指標(biāo)運(yùn)用德?tīng)柗品ǎ蓪＜覍?shí)地調(diào)研后進(jìn)行打分。建筑物內(nèi)主動(dòng)防火系統(tǒng)、建筑物內(nèi)被動(dòng)防火系統(tǒng)、安全疏散系統(tǒng)3個(gè)指標(biāo)依據(jù)表2“評(píng)分細(xì)則”進(jìn)行打分，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2018年版)》GB 50016-2014，選擇不同的分?jǐn)?shù)等級(jí)。消防安全管理和周邊環(huán)境的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分為“1-2-3”3個(gè)級(jí)別，得分越高表明對(duì)火災(zāi)影響越小，分級(jí)判分是一種半定量的評(píng)估方法，此種方法目前已較為完善[4]。

2 高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估

設(shè)有r位專家參與調(diào)查問(wèn)卷，即調(diào)查問(wèn)卷數(shù)目為r張，對(duì)應(yīng)的每個(gè)指標(biāo)集記為U={u1，u2，…，un}。指標(biāo)集對(duì)應(yīng)的專家排序數(shù)組記為(ai1，ai2，…，ain)，可以得到r位專家的指標(biāo)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(duì)第j個(gè)指標(biāo)的重要性評(píng)價(jià)，該評(píng)價(jià)矩陣是由專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估之后得出的矩陣。

在典型排序形成以后，需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行量化，但是在打分過(guò)程中專家可能會(huì)由于主觀原因，對(duì)于指標(biāo)的排序有一定的不確定性，因此，為了消除不確定性，需要對(duì)矩陣進(jìn)行盲度分析[12]。

將隸屬度轉(zhuǎn)化函數(shù)定義為：

(1)

若認(rèn)為該指標(biāo)最重要?jiǎng)t排為1號(hào)，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(duì)指標(biāo)uj的話語(yǔ)權(quán)相同，即計(jì)算r位專家對(duì)uj的“一致看法”，稱為平均認(rèn)識(shí)度，記為bj，且

(2)

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

(3)

總體認(rèn)識(shí)度記為xj，表示了r位專家關(guān)于指標(biāo)uj的總體認(rèn)識(shí)度。

xj=bj(1-σj)

(4)

這樣就可以得到r位專家對(duì)于指標(biāo)uj的評(píng)價(jià)向量X=[x1，x2，…，xn]。然后對(duì)評(píng)價(jià)向量X進(jìn)行歸一化處理，令

(5)

因此，得到了r位專家對(duì)于指標(biāo)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(jì)算高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)度，高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)度G計(jì)算公式為：

(6)

式中：

ωa—一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重；

ωb—二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重；

Pb—二級(jí)指標(biāo)的最終得分。

(7)

式中：

Sb—二級(jí)指標(biāo)最高的評(píng)分總和；

Cc—三級(jí)指標(biāo)的得分；

k—三級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

3 實(shí)例分析

本文所提出的高層住宅火災(zāi)評(píng)估方法具有廣泛適用性，可以應(yīng)用于所有高層住宅的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估。本文以遼寧省沈陽(yáng)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(qǐng)20名專家對(duì)高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要度進(jìn)行排序，根據(jù)專家的排序結(jié)果可以得到由各個(gè)指標(biāo)重要度排序組成的矩陣。將隸屬度轉(zhuǎn)化為函數(shù)，以一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)為例，由式(2)計(jì)算得建筑物內(nèi)主動(dòng)防火系統(tǒng)的平均認(rèn)識(shí)度為1、建筑物內(nèi)被動(dòng)防火系統(tǒng)的平均認(rèn)識(shí)度為0.990、安全疏散系統(tǒng)的平均認(rèn)識(shí)度為0.861、消防安全管理的平均認(rèn)識(shí)度為0.881、周邊環(huán)境的平均認(rèn)識(shí)度為0.693。由式(3)得建筑物內(nèi)主動(dòng)防火系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)盲度為0、建筑物內(nèi)被動(dòng)防火系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)盲度為0.032、安全疏散系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)盲度為0.060、消防安全管理的認(rèn)識(shí)盲度為0.084、周邊環(huán)境的認(rèn)識(shí)盲度為0.084。之后，根據(jù)得到的平均認(rèn)識(shí)度和認(rèn)識(shí)盲度計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的總體認(rèn)識(shí)度，一級(jí)指標(biāo)的總體認(rèn)識(shí)度分別是1、0.958、0.809、0.807、0.635。

將評(píng)價(jià)向量做歸一化處理，得到高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的一級(jí)指標(biāo)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(dòng)防火系統(tǒng)的權(quán)重向量為：ω1=(0.300，0.269，0.229，0.202)；被動(dòng)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(jí)指標(biāo)的權(quán)重適用于任何一個(gè)高層住宅，在三級(jí)指標(biāo)的打分過(guò)程中，專家根據(jù)每個(gè)樓的實(shí)際情況進(jìn)行打分，三級(jí)指標(biāo)的打分過(guò)程體現(xiàn)出每個(gè)高層住宅的差異性。將三級(jí)指標(biāo)得分代入式(7)，可得出二級(jí)指標(biāo)的最終得分。三級(jí)指標(biāo)的打分過(guò)程以火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)為例，見(jiàn)表3。

最后根據(jù)式(6)計(jì)算火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)度得出該住宅的最終風(fēng)險(xiǎn)度為81.41。本文將高層住宅火災(zāi)等級(jí)分為5個(gè)等級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)度(90，100]火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)低，(80，90]火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低，(70，80]火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一般，(60，70]火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，[0,60]火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高。由火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可知，該住宅屬于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Ⅱ級(jí)，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較低。

表3 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)三級(jí)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(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，引入了三級(jí)指標(biāo)對(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行解釋說(shuō)明。引入“結(jié)構(gòu)熵權(quán)法”來(lái)確定權(quán)重，提出了通用的高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并運(yùn)用該方法進(jìn)行實(shí)例分析，驗(yàn)證了該方法的可行性。通過(guò)計(jì)算得出指標(biāo)的權(quán)重和得分情況，為進(jìn)一步制定整改措施提供理論依據(jù)。

(2)建立高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系時(shí)，還有一些影響火災(zāi)的自然因素，例如風(fēng)速、風(fēng)向等因素沒(méi)有考慮，有待需進(jìn)一步討論與研究。

(3)“結(jié)構(gòu)熵權(quán)法”計(jì)算量較大，將所提出的高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法整合到軟件中，可以減少評(píng)估人員的工作量，高層住宅火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可視化開(kāi)發(fā)有待進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。