基于層次分析法的建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

徐堅(jiān)強(qiáng)，劉小勇

(1.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2018年全國(guó)共接報(bào)火災(zāi)事故23.7萬起，其中死亡人數(shù)達(dá)1 407人、受傷人數(shù)達(dá)798人，直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)36.75億元[1]。由于建筑火災(zāi)影響因素復(fù)雜多變，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作涉及面廣、工作量大，因此構(gòu)建科學(xué)、合理的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系對(duì)建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作顯得尤為重要[2]。美國(guó)消防工程師協(xié)會(huì)[3]以及李引擎等[4-5]在研究建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系方面取得了一定成果，但對(duì)于火災(zāi)發(fā)展過程的描述較少，且評(píng)估指標(biāo)多采用“靜態(tài)”指標(biāo)(在建筑使用周期內(nèi)一般不發(fā)生變化，如建筑面積、防火分區(qū)等)，評(píng)估對(duì)象多具有穩(wěn)定性，不能準(zhǔn)確地反映建筑火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)變化。為此，筆者將火災(zāi)事故發(fā)展階段與層次分析法相結(jié)合，注重“動(dòng)態(tài)”指標(biāo)(在建筑使用周期內(nèi)會(huì)發(fā)生變化，如防火門關(guān)閉情況、消防管理人員巡查頻次等)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地建立了一種以火災(zāi)事故發(fā)展為主線的建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系[6]。

1 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的建立方法及選定

1.1 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的建立方法選定

建立全面、準(zhǔn)確的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，是進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的關(guān)鍵。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法按照其評(píng)估方法的特點(diǎn)可分為定性、定量及半定量3類評(píng)估方法[7-8]。由于定性評(píng)估方法需依賴評(píng)估者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)狀況作出判斷，因此評(píng)估結(jié)果通常帶有評(píng)估者自身的主觀性；定量評(píng)估方法因需要較多火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)且計(jì)算過程復(fù)雜，故在國(guó)內(nèi)也較少使用。針對(duì)上述問題，筆者將定性與定量的評(píng)估方法相結(jié)合，得到半定量的評(píng)估方法。半定量的評(píng)估方法對(duì)數(shù)據(jù)要求相對(duì)不高，計(jì)算過程簡(jiǎn)便，因此使用較為廣泛，筆者將運(yùn)用較典型的層次分析法[9]構(gòu)建建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。

1.2 層次分析法

層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)[10]是由美國(guó)著名數(shù)學(xué)家斯塔于20世紀(jì)70年代提出的一種定性與定量相結(jié)合的綜合性系統(tǒng)分析方法，用以解決權(quán)系數(shù)確定問題的多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的決策方法。通過各要素在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)中的重要程度大小及所產(chǎn)生后果和影響因子的因果關(guān)聯(lián)進(jìn)行劃分，構(gòu)建指標(biāo)體系層。首先，基于以往火災(zāi)案例、火災(zāi)專家及研究者相關(guān)知識(shí)積累和工作經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)指標(biāo)體系中每層因子對(duì)上層風(fēng)險(xiǎn)因素影響的重要程度兩兩比較進(jìn)行打分，由此構(gòu)建判斷矩陣；其次，利用層次分析法的計(jì)算原理，通過特征值與特征向量的計(jì)算得出各層風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相對(duì)權(quán)重；最后，得出最底層評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于總目標(biāo)的累計(jì)權(quán)重[11-12]。層次分析法的主要流程如圖1所示。

圖1 層次分析法主要流程圖

2 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的建立

2.1 火災(zāi)階段劃分

根據(jù)建筑火災(zāi)事故發(fā)展的可能性階段，將建筑火災(zāi)劃分為火災(zāi)發(fā)生階段、火災(zāi)增長(zhǎng)階段、火災(zāi)全面發(fā)展階段、人員疏散階段、火災(zāi)蔓延階段5個(gè)階段，具體如表1所示。

表1 建筑火災(zāi)事故發(fā)展階段

2.2 風(fēng)險(xiǎn)因素劃分

在充分梳理火災(zāi)發(fā)展各階段關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素的基礎(chǔ)上，將風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為點(diǎn)火源、建筑基本特征、滅火設(shè)施、防排煙設(shè)施、疏散設(shè)施、消防管理情況及外部條件7類，各風(fēng)險(xiǎn)因素基本評(píng)估參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)表

2.3 各階段風(fēng)險(xiǎn)因素分析

2.3.1 火災(zāi)發(fā)生階段

通過分析可知，引起建筑起火的因素主要與燃燒三要素有關(guān)，在本階段需注意對(duì)火源點(diǎn)的監(jiān)控與管理、重點(diǎn)關(guān)注火源及減少室內(nèi)可燃物數(shù)量、注意季節(jié)變化等。導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生的因素主要有：①可燃物，主要考慮火災(zāi)荷載(可燃物性質(zhì)、可燃物數(shù)目、空間分布)、建筑面積等。②點(diǎn)火源，點(diǎn)火源包括化學(xué)點(diǎn)火源、高溫點(diǎn)火源、電氣點(diǎn)火源，主要考慮因素有是否存在易燃易爆化學(xué)品、不安全作業(yè)(明火、高溫、熱輻射)、電線電纜故障(電弧電火花、電氣線路高溫)等。③濕度，主要考慮南北氣候差異、季節(jié)變化、降雨情況等。

2.3.2 火災(zāi)增長(zhǎng)階段

建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)增長(zhǎng)迅速，能否及時(shí)有效地抑制火勢(shì)增長(zhǎng)取決于消防設(shè)施滅火響應(yīng)的有效性、人員滅火能力、周邊消防站設(shè)置等能否滿足及時(shí)滅火的要求。影響火災(zāi)增長(zhǎng)的因素主要包括：①消防設(shè)施響應(yīng)有效性，包括火災(zāi)探測(cè)聯(lián)動(dòng)可靠性、消防水源可靠性(天然水源水位、消防水池水位、高位水箱水位)、給水系統(tǒng)可靠性(消防泵啟停情況、閥門關(guān)閉情況、管網(wǎng)壓力、管網(wǎng)流量)等。②管理人員響應(yīng)有效性，包括安全制度落實(shí)情況(巡查人員在崗情況、定期巡查檢查情況)、管理人員業(yè)務(wù)水平(消防知識(shí)與技能掌握情況、消防設(shè)施熟練程度)等。③消防人員響應(yīng)有效性，包括消防隊(duì)業(yè)務(wù)能力、消防站距離、道路擁堵情況及消防車道占用情況等。

2.3.3 火災(zāi)全面發(fā)展階段

隨著火災(zāi)進(jìn)一步發(fā)展，建筑物內(nèi)溫度不斷升高并伴隨產(chǎn)生大量有毒有害煙氣，火災(zāi)突破防火分區(qū)開始向整棟建筑物蔓延，同時(shí)煙氣達(dá)到一定濃度。為避免造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，在此階段需考慮防火卷簾、防火門等防火分隔設(shè)施的完好情況，加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)管與巡查檢查頻次。影響火災(zāi)全面發(fā)展的因素主要包括：①建筑基本特征，包括建筑結(jié)構(gòu)、耐火等級(jí)、豎向貫通通道(數(shù)量、防火封堵情況)、防火分區(qū)(水平防火分區(qū)、豎向防火分區(qū))等。②防排煙系統(tǒng)可靠性，包括防火卷簾完好情況、防火門關(guān)閉情況、風(fēng)機(jī)正常啟停情況等。

2.3.4 人員疏散階段

火災(zāi)發(fā)生初期，應(yīng)迅速展開人員疏散、避難救援工作。隨著火災(zāi)的全面發(fā)展，消防設(shè)施滅火失敗，火災(zāi)迅速擴(kuò)展，本階段需確保疏散通道暢通、疏散指示和應(yīng)急照明等設(shè)備消防供電連續(xù)可靠。影響人員疏散的因素主要包括：①建筑基本特征，主要考慮建筑高度這一因素。②疏散設(shè)施可靠性，包括疏散通道(數(shù)量、占用情況)、安全出口(數(shù)量、占用情況)、疏散指示、應(yīng)急照明、消防廣播及消防電源工作情況等。③疏散人員可靠性，主要考慮人員密度、消防安全培訓(xùn)情況、年齡特征等人員特征方面的因素。

2.3.5 火災(zāi)蔓延階段

為了防止火災(zāi)向鄰近建筑蔓延，本階段需注意建筑周邊防火管理、消除鄰近建筑間可燃燒物、加強(qiáng)建筑外部生產(chǎn)及生活用火管理等。影響火災(zāi)蔓延至鄰近建筑的因素主要包括：①建筑基本特征，包括防火間距、鄰近建筑耐火等級(jí)等。②外部條件，包括環(huán)境因素如環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向等。③其他因素，包括飛火、熱輻射等。

結(jié)合以上各火災(zāi)階段風(fēng)險(xiǎn)因素分析，建立建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系層次分析模型，如圖2所示。

2.4 指標(biāo)體系的建立

根據(jù)上述各階段層次分析模型，可得到該建筑在發(fā)生火災(zāi)后影響各階段的風(fēng)險(xiǎn)因素。依據(jù)建筑物本身的防火能力、滅火能力、安全管理水平及發(fā)生火災(zāi)后的安全疏散能力，在充分梳理火災(zāi)發(fā)展各階段關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化，由此建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，如表3所示。

該指標(biāo)體系主要包括“靜態(tài)指標(biāo)”和“動(dòng)態(tài)指標(biāo)”兩種。其中靜態(tài)指標(biāo)需根據(jù)建筑基本情況進(jìn)行采集，在整個(gè)建筑使用周期內(nèi)一般不發(fā)生變化，如建筑面積、建筑高度、建筑層數(shù)、防火分區(qū)、疏散通道數(shù)量、建筑耐火等級(jí)、消防站距離、防火間距等；而動(dòng)態(tài)指標(biāo)會(huì)發(fā)生一系列的變化，需要通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，如防火門關(guān)閉情況、消防管理人員巡查頻次、人員流動(dòng)性、給水管網(wǎng)水壓、流量等[13-14]。

利用該指標(biāo)體系進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的前提是對(duì)各狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：如防火門關(guān)閉情況可通過啟閉裝置在線實(shí)時(shí)獲??；對(duì)于消防管理人員巡查頻次、人員流動(dòng)性可通過視頻采集獲?。粚?duì)于給水管網(wǎng)水壓、流量可通過監(jiān)測(cè)設(shè)備得到。在已獲取動(dòng)態(tài)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取數(shù)據(jù)狀態(tài)所處區(qū)域，經(jīng)計(jì)算得到建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，以此反映建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)變化情況。

圖2 建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系層次分析模型

2.5 權(quán)重的計(jì)算

2.5.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

以建筑起火階段為例，利用層次分析法原理，將建筑起火階段影響因素劃分為：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層、措施層等。根據(jù)各層級(jí)之間隸屬關(guān)系，建立起火階段層次分析模型(見圖2)。

2.5.2 構(gòu)造判斷矩陣

構(gòu)造判斷矩陣是層次分析法的關(guān)鍵，判斷矩陣元素的值反映了人們對(duì)各因素相對(duì)重要性的認(rèn)識(shí)，一般采用1～9的標(biāo)度方法確定，具體如表4所示。

基于以往火災(zāi)案例、火災(zāi)專家及研究者相關(guān)知識(shí)積累和工作經(jīng)驗(yàn)，采用專家打分的方式，根據(jù)指標(biāo)體系中每層因子對(duì)上層風(fēng)險(xiǎn)因素影響的重要程度兩兩比較，由B層級(jí)各因素對(duì)A層級(jí)的相對(duì)于權(quán)重構(gòu)造出A-B判斷矩陣A。

表3 建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

續(xù)表3

表4 層次分析法1～9標(biāo)度法

2.5.3 計(jì)算權(quán)重系數(shù)

指標(biāo)權(quán)重體現(xiàn)了指標(biāo)體系中各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)水平影響的重要程度大小，對(duì)于權(quán)重的計(jì)算包括方根法、和法等多種求解方法。筆者采用方根法，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 方根法各系數(shù)取值

其中，mi表示判斷矩陣每一行元素乘積；wi表示mi的方根；Wi表示wi歸一化后的值；λmax表示判斷矩陣的最大特征值。

2.5.4 一致性檢驗(yàn)

為避免因經(jīng)驗(yàn)判斷導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果失真，需通過一致性檢驗(yàn)來評(píng)判所構(gòu)造的判斷矩陣是否可以被接受。

CR=CI/RI

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

式中：CR為一致性比率；CI為一致性指標(biāo)；n為成對(duì)比較因子個(gè)數(shù)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，具體數(shù)值如表6所示。

表6 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

一般認(rèn)為，當(dāng)CR<0.1時(shí)，則該判斷矩陣滿足一致性，否則需調(diào)整判斷矩陣。經(jīng)計(jì)算可得矩陣A的一致性比率CR值為0,小于0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。同理，按照上述步驟，經(jīng)計(jì)算可得判斷矩陣B1、B2、C1、C3、C4、C5均滿足一致性檢驗(yàn)。由此可得建筑起火階段各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，依照以上構(gòu)造判斷矩陣及求權(quán)重的方法，可得出其他各階段指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表3。

3 實(shí)例分析

以合肥市某辦公樓為例，根據(jù)建筑日常使用情況及消防安全管理情況，對(duì)其進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。在建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，由于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)與安全之間無法明確劃分出界限，加之火災(zāi)發(fā)展過程影響因素眾多，且各項(xiàng)指標(biāo)衡量方式，給各項(xiàng)指標(biāo)的統(tǒng)一度量和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)造成困難。基于模糊理論的方法，通過邀請(qǐng)多位專家根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)將系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)設(shè)定為5個(gè)等級(jí)，各等級(jí)所對(duì)應(yīng)的量化關(guān)系如表7所示。

表7 指標(biāo)量化準(zhǔn)則

根據(jù)上述各指標(biāo)量化準(zhǔn)則，通過專家打分的形式對(duì)評(píng)估體系最底層的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分，具體分值的確定可參各防火規(guī)范及相關(guān)消防驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、消防管理細(xì)則等，評(píng)估體系中每一項(xiàng)指標(biāo)的滿分定為100分。由此，對(duì)該辦公樓進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，按式(3)計(jì)算火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R：

R=∑xiwi

(3)

式中：xi為各指標(biāo)評(píng)分；wi為指標(biāo)組合權(quán)重。

最終得出該辦公樓的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)為R=71.914 8，即該辦公樓火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一般安全，不夠安全，比較容易發(fā)生火災(zāi)。同時(shí)，針對(duì)各火災(zāi)發(fā)展階段評(píng)估得分，可得到各階段火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，如表8所示。

表8 各階段火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

由表8可知，①在火災(zāi)發(fā)生階段，該辦公樓評(píng)分比較危險(xiǎn)，易發(fā)于生火災(zāi)，應(yīng)加強(qiáng)建筑物內(nèi)、外火源控制，減少易燃易爆等可燃物品數(shù)量，注意季節(jié)性天氣變化；②在火災(zāi)增長(zhǎng)階段，該辦公樓評(píng)分一般安全，火勢(shì)相對(duì)易于增長(zhǎng)，應(yīng)加強(qiáng)消防安全管理、建筑物內(nèi)既有消防設(shè)施檢查，確保消防設(shè)施可靠性、人員響應(yīng)有效性；③在火災(zāi)全面發(fā)展階段，該辦公樓評(píng)分比較安全，火災(zāi)不易蔓延，防排煙性能良好；④在火災(zāi)蔓延迫使人員疏散階段，該辦公樓評(píng)分比較安全，疏散設(shè)施可靠性較好，能夠滿足人員疏散的需求，但仍應(yīng)加強(qiáng)人員培訓(xùn)，提高相應(yīng)的防火檢查、巡查頻次，以保證消防安全管理情況；⑤在人員疏散階段，該辦公樓評(píng)分一般安全，外部環(huán)境因素較差，火災(zāi)相對(duì)易于蔓延至臨近建筑，應(yīng)注重天氣變化，消除鄰近建筑間可燃物，加強(qiáng)高溫、大風(fēng)等天氣防火檢查。

4 結(jié)論

(1)創(chuàng)新性地建立了以“火災(zāi)事故發(fā)展”為主線的建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。注重考慮“動(dòng)態(tài)”因素對(duì)建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)變化的影響，從“靜態(tài)”“動(dòng)態(tài)”兩個(gè)角度進(jìn)行考慮，建立了一種簡(jiǎn)明、全面的建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，能夠較好地反映風(fēng)險(xiǎn)因素變化對(duì)建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響情況。

(2)通過實(shí)例分析可知，根據(jù)一次性輸入的靜態(tài)指標(biāo)和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)獲取的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，可輸出建筑火災(zāi)發(fā)展各階段對(duì)應(yīng)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分項(xiàng)指數(shù)以及該建筑的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)。同時(shí)，根據(jù)評(píng)估結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的問題，能夠針對(duì)性地提出整改建議，以降低建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)。

(3)建筑火災(zāi)是一個(gè)極其復(fù)雜的過程。目前，針對(duì)該指標(biāo)體系仍需進(jìn)一步優(yōu)化，特別是“動(dòng)態(tài)指標(biāo)”部分，如何進(jìn)行指標(biāo)狀態(tài)值劃分，通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)閾值及分級(jí)設(shè)定，利用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行指標(biāo)評(píng)分的獲取，將是筆者未來研究的重點(diǎn)。