基于突變理論的高層建筑火災危險評估與預警

安 維

(惠州市消防支隊，廣東 惠州 516001)

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基于突變理論的高層建筑火災危險評估與預警

安 維

(惠州市消防支隊，廣東 惠州 516001)

高層建筑火災火勢蔓延快，人員疏散困難，極易造成重大的人員傷亡和財產損失，給政府和社會的應對帶來巨大的挑戰。在突變理論和模糊數學的基礎上，構建了一套較為合理的高層建筑火災危險評估指標體系，提出了一種基于突變理論的高層建筑火災危險模糊綜合評價方法，并以某五星級酒店為例，對該方法進行了實際檢驗。

高層建筑；火災；突變理論；危險評估

隨著我國經濟的飛速發展，各種高層建筑不斷涌現。如何預警和應對高層建筑火災，使損失降到最低從而維護社會穩定，已經成為學術界和政府面臨的緊迫任務。本文在對高層建筑火災的主要風險源進行有效分析的基礎上，構建了一套較為合理的高層建筑火災的危險評估綜合評價指標體系，提出了一種基于突變級數評價法的高層建筑火災預警分級方法。

1 突變理論

1.1 突變理論概述

突變是自然界中廣泛存在的一種現象。某種因素或某個變量的連續變化所導致的系統狀態突然發生改變的不連續變化過程，稱為突變[1]。突變理論使用數學中的參數來描述系統的狀態，研究系統的狀態變量在控制變量連續變化下發生突變的不連續變化過程。自然界中的所有突變現象都可以根據系統的控制空間和狀態空間的維數進行分類[2]。當系統的控制空間的維數不大于4個時，系統最多有7種突變形式，稱為初等突變；當系統的控制空間的維數不大于5個時，系統最多有11種突變形式。其中，以7種基本突變模型為代表的初等突變在眾多領域中得到了廣泛的應用。

1.2 突變理論在火災危險評估中的適用性

從眾多火災案例分析中可以發現，火災中存在一種特殊的現象：轟燃。所謂轟燃，主要是指一個比較小的火災在某一時刻其增長速率和強度會突然快速增加[3]。轟燃現象是一種典型的突變過程，眾多學者利用突變理論對火災危險評估進行了詳細的研究。謝之康指出突變現象在火災中廣泛存在，是一種引發火災或使火災擴大的非線性行為[4]。崔中平和吳玉國指出礦井自燃火災的演化過程是一個非線性的過程，并運用尖點突變理論建立了礦井自燃火災的突變模型[5]。翁文國和范維澄利用突變理論研究建筑火災中的轟燃現象[6]。周榮義等應用尖點突變模型研究了基于突變理論的油庫火災模糊動態評價方法[7]。樓波等以腔體為例，介紹了突變理論在火災轟燃領域的應用研究過程[8]。王娟等利用突變理論分析了我國森林火災的危險性和評估方法[9]。丁元春等利用蝴蝶突變模型研究了高層建筑火災安全綜合評價模型[10]。

燃燒和爆炸是高層建筑火災中常見的兩種現象，因此，在高層建筑火災的發生和發展過程中，突變現象是經常發生的，使用突變理論研究高層建筑火災的危機評估與預警方法是可行的。

2 高層建筑火災危險評估的指標體系

火災危險評價指標體系的建立是火災危險評估的首要環節和關鍵，部分學者根據系統性原則、科學性原則、特殊性與普遍性原則、可量化原則，構建了一系列的高層建筑火災危險評估的指標體系。胡寶清等將安全疏散設施、阻燃與防火結構、消防施救設施、報警與滅火系統、管理及其他作為高層建筑火災危險評價的一級指標[11]。劉愛華等提出高層建筑火災危險評價的4個維度：建筑防火能力、建筑滅火能力、安全疏散能力和安全管理水平[12]。丁元春等從自身條件、周圍環境、被動消防系統以及主動消防系統4個角度構建了高層建筑火災危險評價的指標體系[10]。

根據突變理論，在7種初等突變模型中，狀態變量的個數不超過4個。因此，在構建評價指標體系時，各層指標的個數也不能超過4個。

在參考上述學者構建的建筑火災危險評價指標體系的基礎上，本文結合高層建筑火災的特點，廣泛征求相關火災防范和救援領域的專家和學者的意見，并多次召集筆者所在工作單位消防執法人員進行座談，構建了一套較為合理的高層建筑火災風險評估的指標體系，見表1。

3 基于突變級數評價法的高層建筑火災危險評估與預警

3.1 高層建筑火災預警和分級

根據《國家突發公共事件總體預控措施》，突發公共事件根據其危害程度、緊急程度和發展態勢可以分為4級：特別嚴重(一級)、嚴重(二級)、較重(三級)、一般(四級)。一些學者也提出了火災預警分級的方法：劉愛華將高層建筑火災危險等級劃分為安全、比較安全、一般安全、比較危險和危險[12]；丁元春等將高層建筑火災危險等級劃分為安全、低火災危險、輕度火災危險、中度火災危險、高火災危險和極度嚴重火災危險[10]。

在上述研究的基礎上，本文將高層建筑火災危險等級劃分為5級：安全、比較安全、較重、嚴重和特別嚴重，見表2。

表1 高層建筑火災危險評估指標體系

表2 高層建筑火災危險預警等級

3.2 基于突變理論的高層建筑火災危險模糊綜合評價

基于突變理論的模糊綜合評價法是一種結合突變理論與模糊數學的綜合評價方法。該方法將評價目標進行多層次矛盾分解，分別產生突變模糊隸屬函數，在求解分叉集后建立歸一公式得到總的隸屬函數，在定義好的預警等級的基礎上對評測目標進行分析與評價，如圖1所示。

圖1 基于突變理論的高層建筑火災

3.2.1 評價指標的量化

在消防領域，消防安全檢查人員習慣使用安全檢查表去具體評估被檢查方的消防安全狀況。為此，根據高層建筑火災危險評價指標體系，設計高層建筑火災安全檢查表，在此基礎上，讓消防領域的專業檢查人員打分，從而實現評價指標的量化。

3.2.2 數據規范化處理

根據突變理論，不同的控制變量分別從不同的角度描述了狀態變量的特征，但是，由于數據取值范圍和度量單位不一致，很難對這些控制變量進行準確分析和比較。為了消除多因子輸入帶來的差異及不可公度性，必須對控制變量的原始數據進行規范化處理。

高層建筑火災危險評價指標體系不僅包含眾多的定量指標，而且還有很多定性指標。為消除評價指標的模糊性和不確切性，使用三角形模糊數對控制變量的原始數據進行規范化處理，使其取值處于[0,1]范圍內。在高層建筑火災危險評價指標體系中，有的評價值是越大越好，而有的評價值是越小越好。因此，我們使用極差標準化變換方法使評價指標處于[0,1]范圍內。經過上述計算，可以得到所有評價指標的模糊隸屬函數，從而完成評價數據的規范化處理。

3.2.3 歸一運算

在底層指標隸屬函數的基礎上，可以利用初等突變數理模型及勢函數，計算出各突變模型的歸一公式。之后，可根據底層指標控制變量和狀態變量的個數，選擇合適的突變模型的歸一公式進行量化遞歸計算。

3.2.4 計算總的隸屬函數值

在得到所有評價指標的模糊隸屬函數后，可以利用突變理論在求解分叉集后建立歸一公式，在量化遞歸計算的基礎上，獲得底層指標的突變級數值，進而依據互補原則和非互補原則，逐層匯總得到系統總的突變隸屬函數值。在計算出某高層建筑的總的突變隸屬函數值后，可根據表2得到該高層建筑的火災危險等級，從而制定合理的預警措施。

4 實例應用

4.1 某五星級酒店概況

某五星級酒店位于城市新商業區的黃金地段，其總占地面積50 000 m2，總建筑面積122 958 m2，日均人流量達10 000人次，職工總人數3 000左右，是火災重點監控單位。該酒店包含眾多火災危險源，而且很容易產生濃煙，一旦發生火災，將會帶來巨大的人員傷亡和財產損失。本文在構建的高層建筑火災危險評價指標體系的基礎上，采用基于蝴蝶突變的高層建筑火災危險模糊綜合評價方法對其火災危險進行分析和評價。

4.2 火災危險模糊綜合評價

在高層建筑火災危險評價指標體系的基礎上，根據高層建筑消防安全檢查表，邀請消防領域的部分專業檢查人員對該酒店進行了實地檢查和打分。根據突變級數評價法，得到了參數η和α不同取值下，該酒店的火災危險模糊綜合評價隸屬函數值，見表3。

由表3可以得知，不管參數η和α如何變化，酒店總的突變隸屬函數值的區間始終在0.8～0.9之間，這表示基于蝴蝶突變的高層建筑火災危險模糊綜合評價方法具有穩定性。根據表3，我們計算出該酒店的火災預警等級為：II級預警。這表明酒店消防安全狀況整體較好，但存在一些火災隱患。

表3 某五星級酒店總的突變隸屬函數值

該酒店所屬公安機關消防機構，根據重點單位消防安全“戶籍化”管理檔案以及監督管理等情況，對重點單位實行“紅、黃、綠”三色預警動態監管(紅色表示單位消防安全管理“差”，黃色表示“一般”，綠色表示“好”)，該酒店的預警等級為黃色。由此可見，評價得到的該酒店火災危險評估結果與預警結果基本一致。

5 結論

在突變理論和模糊數學的基礎上，提出了一種基于突變理論的模糊綜合評價方法，并以某五星級酒店為例，對該方法進行了實際檢驗。結果顯示，使用突變理論研究高層建筑火災的危機評估與預警方法是科學、合理、可行的。

[1] 凌復華.突變理論及其應用[M].上海:上海交通大學出版社,1987.

[2] THOM R.Structural stability and morphogeniesis[M].Massachusetts:Benjamin Reading,1972.

[3] DRYSDALE D D.An introduction to fire dynamics[M].Chichester:Wiley,1985.

[4] 謝之康.火災現象與非線性(II)-突變火災學[J].中國礦業大學學報,2000,29(5):445-448.

[5] 崔中平,吳玉國.礦井自燃火災的突變研究[J].山西煤炭,2002,22(4):49-52.

[6] 翁文國,范維澄.建筑火災中轟燃現象的突變動力學研究[J].自然科學進展,2003,13(7):725-729.

[7] 周榮義,黎忠文,牛會永.基于突變理論的油庫火災爆炸分析與模糊動態評價[J].中國安全科學學報,2006,16(6):97-101.

[8] 樓波,陳昌明,張小英.突變理論在火災轟燃的應用分析[J].電力科學與技術學報,2007,22(4):45-49.

[9] 王娟,趙江平,張俊,等.我國森林火災預測及風險分析[J].中國安全生產科學技術,2008,4(4):41-45.

[10] 丁元春,翁發祿,唐敏康.基于突變理論的高層建筑火災安全綜合評價[J].建筑科學,2012,28(1):22-25.

[11] 胡寶清,劉敏,盧兆明.高層建筑火災安全模糊評價[J].武漢大學學報(工學版),2004,37(5):67-72.

[12] 劉愛華,施式亮,吳超.高層建筑火災風險評估的指標體系設計[J].中國工程科學,2006,8(9):90-94.

(責任編輯 李 蕾)

Risk Assessment and Early Warning Model of High-rise Building Fires Based on Catastrophe Theory

AN Wei

(HuizhouMunicipalFireBrigade,GuangdongProvince516001,China)

The rapid sprawling of high-rise building fires makes it difficult to evacuate people inside, resulting in significant casualties and large property loss, and posing a huge challenge to the society and government. This paper applies the catastrophe theory and fuzzy mathematics to the development of a fire risk evaluation index system for high-rise buildings, and proposes a fuzzy dynamic assessment method based on catastrophe theory with an illustration of a hotel to examine the effectiveness of the proposed method.

high-rise building; fire; catastrophe theory; risk assessment

2016-10-10

安維(1976— )，男，四川南充人，高級工程師，博士。

X931

A

1008-2077(2017)06-0066-04