基于ISM和AHP高層建筑抵御火災(zāi)能力的影響因素研究

張立軍

摘要： 文章基于己有的文獻(xiàn)和事故案例，運用系統(tǒng)工程理論，采用ISM分析影響高層建筑抵御火災(zāi)能力的各個因素之間的聯(lián)系。應(yīng)用AHP對結(jié)構(gòu)模型中各因素指標(biāo)的影響力進(jìn)行排序，得出指標(biāo)體系中各因素的權(quán)重。結(jié)果表明： 定期消防檢查、教育培訓(xùn)等是最深層次的影響因素；在二級指標(biāo)中，管理問題為主要因素，在三級指標(biāo)中，教育培訓(xùn)、安全責(zé)任意識等最為重要。因此，在各個層面嚴(yán)格加強(qiáng)安全管理，進(jìn)一步明確各有關(guān)部門職能和責(zé)任，定期進(jìn)行消防教育與培訓(xùn)，以提高建筑的安全績效。

Abstract： Based on the literature and accident cases， the paper uses the system engineering theory to use ISM to analyze the relationship between various factors that affect the fire resistance of high-rise buildings. AHP is applied to sort the influence of each factor index in the structural model， and the weight of each factor in the index system is obtained. The results show that regular fire inspection， education and training are the most profound factors； in the two level， management is the main factor. Among the three level indicators， education and training， the sense of safety responsibility are the most important. Therefore， the safety management is strictly strengthened at all levels， the functions and responsibilities of various departments concerned are further clarified， and fire education and training are regularly carried out in order to improve the safety performance of the building.

關(guān)鍵詞：高層建筑火災(zāi)；解釋結(jié)構(gòu)模型；層次分析法

Key words： high-rise building fire；ISM；AHP

中圖分類號：TU714 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0075-04

0 引言

近年來，由于地價高昂、土地資源稀缺和經(jīng)濟(jì)快速增長，為解決城市化和經(jīng)濟(jì)增長對空間需求，布局復(fù)雜且人員密集的高層建筑日益增多。高層建筑具有多數(shù)量的樓層、龐大的體積、復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)、多樣化的功能等特點，在同樣的預(yù)防火災(zāi)等級下，其火災(zāi)的危害性比普通低層大得多，一旦發(fā)生火災(zāi)，其損失不可估量。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究以及相關(guān)部門的規(guī)定，對于高層建筑的火災(zāi)，其堅持的原則應(yīng)為“以固為主”[1]。

龐建軍[2]通過分析一高層酒店失火后，成功疏散建筑內(nèi)人員并達(dá)到零失誤的案例，簡述了高層建筑的火災(zāi)特點、撲救火災(zāi)及疏散人員的經(jīng)驗。喬萍[3]依據(jù)目前高層建筑火災(zāi)發(fā)生的特征，以及在進(jìn)行撲火救援過程中消防部隊所面臨的困難，結(jié)合系統(tǒng)安全分析的理論和方法，分析了高層建筑滅火救援的影響因素，并在此基礎(chǔ)上對高層建筑滅火救援存在的風(fēng)險進(jìn)行了綜合評估研究。馬曉明[4]依據(jù)高層建筑發(fā)生火災(zāi)后，內(nèi)部人員所面臨的疏散問題，提出并建立了與高層建筑火災(zāi)相關(guān)的模型。這些研究基本上是針對高層建筑火災(zāi)消防救援及逃生，而對建筑物抵御火災(zāi)能力的影響因素以及之間的關(guān)系研究較少。為此，文章結(jié)合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及已有成果文獻(xiàn)，采用系統(tǒng)工程中的解釋結(jié)構(gòu)模型（Interpretative Structural Modeling Method 簡稱ISM）和層次分析法（Analytic hierarchy process 簡稱AHP）通過分析影響高層建筑抵御火災(zāi)能力的因素，確定出不同層次之間的聯(lián)系，以及同一層次中各影響要素之間的關(guān)系，建立高層建筑抵御火災(zāi)能力ISM，并通過AHP法定量地確定出模型中各要素的影響力的排列順序，從而制定有效的預(yù)防措施和治理方案，對提高高層建筑自身消防安全具有重要的社會價值和現(xiàn)實意義。

1 影響因素的層次結(jié)構(gòu)分析

解釋結(jié)構(gòu)模型（Interpretative Structural Modeling Method，ISM）技術(shù)是在1973年，美國J.華費爾特教授在研究復(fù)雜的社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的過程中開發(fā)的一種方法[5]，是一種最基本的、特色的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)。ISM具有把復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干個子系統(tǒng)（要素）的特點，然后利用人們的相關(guān)知識以及實踐經(jīng)驗，并依靠計算機(jī)運算，最后，將復(fù)雜系統(tǒng)分解構(gòu)造成一個多層遞階的模型。

依據(jù)系統(tǒng)工程中的結(jié)構(gòu)模型解法，對各個影響因素進(jìn)行綜合性的分析，可以確定各影響因素之間的關(guān)系以及層次結(jié)構(gòu)。ISM是一種定性地來表示系統(tǒng)的構(gòu)成要素，以及它們之間本質(zhì)上存在的互相依賴、互相制約和關(guān)聯(lián)情況的模型。建立模型的第一項任務(wù)是分析各影響因素，以確定各因素的相互關(guān)系；其次是建立鄰接矩陣和可達(dá)矩陣；再次是分析可達(dá)矩陣，最終建立高層建筑抵御火災(zāi)能力的影響因素的多層遞階結(jié)構(gòu)。

1.1 影響因素的選取

綜合考慮高層建筑的特點以及對以往事故報告的分析，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，最終確定了各個影響高層建筑抵御火災(zāi)能力的因素，見表1。

■

1.2 建立鄰接矩陣

鄰接矩陣是一個布爾矩陣，高層建筑抵御火災(zāi)能力系統(tǒng)的鄰接矩陣中每個要素之間的關(guān)系用0和1表示，得出一個的矩陣，根據(jù)影響高層建筑抵御火災(zāi)能力的因素間的直接、間接關(guān)系，兩兩比較11個影響因素，如式（1）所示

A=[aij]=1 Si與Sj有直接關(guān)系0 Si與Sj沒有直接關(guān)系 （i，j=1，2，…11）

（1）

其中，Si為行Sj為列，最終所得出的矩陣即為鄰接矩陣。

■

1.3 建立可達(dá)矩陣

可達(dá)矩陣（Reachability）M：有向連接圖各節(jié)點之間經(jīng)過一定長度的通路后，其可能達(dá)到的程度用矩陣的形式來表述。用1表示兩個要素之間能夠建立起通路，用0表示不能建立通路。各影響因素之間的直接關(guān)系可通過鄰接矩陣A來反映，其之間存在的間接關(guān)系可由可達(dá)矩陣M來描述。依據(jù)布爾矩陣法則，可根據(jù)矩陣A計算至M=（A+I）r+1=（A+I）r≠（A+I）r-1，其中，I是單位矩陣，在該模型中，計算可得：當(dāng)r=2時，滿足上述條件，其結(jié)果如下。

■

1.4 基于可達(dá)矩陣的影響因素的層級劃分

根據(jù)計算得到的可達(dá)矩陣，對其進(jìn)行區(qū)域和層級劃分，從而求得各個影響要素的可達(dá)集R（Si），先行集A（Si）和共同集C（Si）=R（Si）∩A（Si），如表2所示。其中：可達(dá)集合R（Si）表示要素Si能夠到達(dá)的所有因素組成的集合，可以通過矩陣M第i行上值為1的列所對應(yīng)的因素來得到。先行集合A（Si）表示可以到達(dá)要素Si的所有要素組成的集合，可以通過矩陣M第i列上值為1的行所對應(yīng)的因素得到。共同集合C（Si）表示的是可達(dá)集和先行集所共同的部分（交集）。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，通過分析可得到高層建筑抵御火災(zāi)能力的影響因素的第1級：L1=（5，7，11）；在可達(dá)矩陣中去掉S5、S7、S11所對的行和列，通過分析可得到高層建筑抵御火災(zāi)能力的影響因素的第2級：L2=（10），再在可達(dá)矩陣中去掉S10對應(yīng)的行和列，通過分析可以得到第3級：L3=（6）；同理，可分析得到第4級：L4=（8，9）；第5級：L5=（2，3，4）；以及第6級：L6=（1）。（第2-6級的先行集和可達(dá)集的表格在此省略）。

■

1.5 建立解釋結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)分級結(jié)果經(jīng)簡化處理后，得到高層建筑抵御火災(zāi)能力的影響因素的ISM模型，如圖1。

■

1.6 基于模型的分析

從圖1中可以了解到，該模型是一個3級有向?qū)蛹壗Y(jié)構(gòu)模型，隨著層級數(shù)增高，其影響因素會變得更宏觀，所涵蓋的范圍也會變大；相比之下層級數(shù)低時，其影響因素更具體，而且涵蓋的范圍也會相對較小。我們可以從模型中觀察到，第一層直接影響因素為應(yīng)急預(yù)案、疏散通道布置、逃生自救能力和撲救初起火災(zāi)能力。這些因素直接影響到高層建筑抵御火災(zāi)的能力。第二層的間接因素對第一層的因素產(chǎn)生影響，第三層是根本因素，是導(dǎo)致事故發(fā)生的最深層次的原因，如：消防制度、組織機(jī)構(gòu)、定期消防檢查、教育培訓(xùn)。消防制度和組織機(jī)構(gòu)是提高建筑物安全績效最主要的手段，應(yīng)依據(jù)消防制度合理布局，杜絕有法不依、有章不循的現(xiàn)象，嚴(yán)格最受相關(guān)法律法規(guī)，組織機(jī)構(gòu)做好管理工作，減少事故的發(fā)生，增強(qiáng)建筑物抵御火災(zāi)的能力。此外，應(yīng)重視教育培訓(xùn)可以使群眾產(chǎn)生極強(qiáng)的安全意識、掌握滅火以及逃生技巧，降低人的不安全行為；依照規(guī)定進(jìn)行消防檢查，可以及時排除隱患、減少物的不安全狀態(tài)，從而提高建筑物抵御火災(zāi)的能力。由ISM模型可以看出，影響高層建筑抵御火災(zāi)能力的是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。

2 影響因素的影響力分析

ISM分析方法能定性分析影響危險品倉儲系統(tǒng)安全的要素間的內(nèi)在關(guān)系，但是不能確定各影響因素的權(quán)重，而層次分析法可對其進(jìn)行定量分析。美國運籌學(xué)家A.L.Saaty教授最早提出了層次分析法（Analytic hierarchy process簡稱AHP），AHP是一種對定性的問題進(jìn)行定量分析的具有簡便、靈活并且實用的特點的多準(zhǔn)則決策方法[6]。AHP法在決策分析時，可以把一個由眾多因素構(gòu)成的互相關(guān)聯(lián)、制約的復(fù)雜的系統(tǒng)從不同的角度進(jìn)行評價，根據(jù)系統(tǒng)的決策目標(biāo)將研究的問題層次化、條理化，建立遞階層次結(jié)構(gòu)并形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，一般由高到低分層，即：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，利用下層對其上層的相對重要性來評價因素的權(quán)重。

2.1 建立指標(biāo)體系

通過對近些年來發(fā)生的事故進(jìn)行分析，總結(jié)得出事故發(fā)生的原因大致可分為三類：人的原因、物的原因和管理問題。本文從這三個方面進(jìn)行考慮，應(yīng)用Yaaph層次分析法軟件建立高層建筑抵御火災(zāi)能力的影響因素系統(tǒng)等級層次分析結(jié)構(gòu)，如圖2。

■

2.2 構(gòu)造兩兩判斷矩陣及權(quán)重計算

X=X11 … X1n■ ■ ■Xm1 … Xmn其中，Xij表示第i個指標(biāo)對第j個指標(biāo)產(chǎn)生影響程度的情況，即表示由于一指標(biāo)發(fā)生變化給另一指標(biāo)帶來的影響，獲取的值見表3。

■

依據(jù)圖2中指標(biāo)體系以及表3的評分標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)專家打分法構(gòu)建判斷矩陣。如構(gòu)造管理問題因素的判斷矩陣，見表4。判斷矩陣一致性比例為0.0460，對高層建筑抵御火災(zāi)能力體系的權(quán)重為0.6144。同理，對人的原因、物的原因，分別構(gòu)造判斷矩陣，請專家打分后，得出高層建筑抵御火災(zāi)能力體系的每一個元素的權(quán)重，見表5。

■

■

由表5可得，高層建筑抵御火災(zāi)能力體系中，管理問題為主要因素，其權(quán)重為0.6144，在二級指標(biāo)中占了總權(quán)重的一半，人的原因因素占0.2684，物的原因因素占0.1172。在三級指標(biāo)中，教育培訓(xùn)、安全責(zé)任意識和應(yīng)急預(yù)案最為重要。

結(jié)合圖1的模型和表5的各個指標(biāo)權(quán)重可以得到：影響高層建筑抵御火災(zāi)的能力的因素不僅數(shù)量眾多、關(guān)系復(fù)雜而且結(jié)構(gòu)不清晰，應(yīng)用ISM和AHP相結(jié)合的方法，不僅可以看出各個因素之間的關(guān)系，還可以明確各因素在該系統(tǒng)中權(quán)重。如在影響高層建筑抵御火災(zāi)的能力的直接因素中，應(yīng)急預(yù)案所占的權(quán)重（0.1634）較大，逃生自救能力和撲救初起火災(zāi)能力所占的權(quán)重（0.0383）相對較小，所以在進(jìn)行安全管理，提高高層建筑的安全績效時，應(yīng)有所偏重，采取重點且有針對性的防范管理措施。

3 結(jié)論

ISM解釋結(jié)構(gòu)模型法，針對高層建筑抵御火災(zāi)的能力的特點，分析總結(jié)出對其有影響的11個因素。用ISM模型對11個因素進(jìn)行分析，分成3個層次并得出他們之間邏輯關(guān)系。高層建筑抵御火災(zāi)的能力系統(tǒng)中最深層次因素是組織機(jī)構(gòu)、消防制度、教育培訓(xùn)和定期消防檢查，所以應(yīng)完善組織結(jié)構(gòu)、充分發(fā)揮組織機(jī)構(gòu)的職能，嚴(yán)格遵守消防制度，定期開展宣傳教育活動，提高建筑內(nèi)人員的消防安全意識，對消防設(shè)施對其檢查維修，加強(qiáng)建筑內(nèi)消防設(shè)施的可靠性，降低建筑主體發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險。

AHP層次分析法，計算得出了高層建筑抵御火災(zāi)的能力系統(tǒng)的所有元素的權(quán)重。教育培訓(xùn)的權(quán)重為0.2478，安全責(zé)任意識的權(quán)重為0.1918，應(yīng)急預(yù)案的權(quán)重為0.1634。因此，應(yīng)加強(qiáng)對這3個因素的重視，在各個環(huán)節(jié)、各個層面嚴(yán)格加強(qiáng)安全管理，進(jìn)一步明確各有關(guān)部門和相關(guān)主體的職能和責(zé)任，加強(qiáng)日常管理和教育培訓(xùn)，確保最大限度的避免火災(zāi)的發(fā)生。這種方法能夠比較準(zhǔn)確地衡量各個要素之間的優(yōu)劣關(guān)系，提高分析的可靠性。

高層建筑抵御火災(zāi)的能力的影響因素眾多且關(guān)系復(fù)雜，采用ISM構(gòu)建多級遞階層次模型，定性分析要素之間的關(guān)系，AHP分析法，通過兩兩要素相互比較從而確定層次中復(fù)雜因素的相對重要性，經(jīng)過綜合性判斷后，得出各個要素的權(quán)重。定性分析和定量分析有效結(jié)合，提高分析的可靠性和有效性，從而為提高建筑物的安全績效提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]師文喜.高層建筑樓梯間及相連空間內(nèi)煙氣流動特性與火行為研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[2]龐建軍.高層建筑火災(zāi)特點及防范措施改進(jìn)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2011，30（11）：1070-1073.

[3]喬萍，張樹平，萬杰，等.基于ISM高層建筑消防救援影響因素研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2016（9）：1294-1297.

[4]馬曉明.高層建筑火災(zāi)人員疏散問題研究[D].中央民族大學(xué)，2012.

[5]張博倩，呂淑然，馬子超，等.基于ISM和AHP的危險品倉儲風(fēng)險影響因素研究[J].安全，2018（3）.

[6]馬礪，劉晗，白磊.基于AHP和熵權(quán)法的古建筑火災(zāi)風(fēng)險評估[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2017，37（4）：537-543.