基于ISM和AHP高層建筑抵御火災能力的影響因素研究

張立軍

摘要： 文章基于己有的文獻和事故案例，運用系統工程理論，采用ISM分析影響高層建筑抵御火災能力的各個因素之間的聯系。應用AHP對結構模型中各因素指標的影響力進行排序，得出指標體系中各因素的權重。結果表明： 定期消防檢查、教育培訓等是最深層次的影響因素；在二級指標中，管理問題為主要因素，在三級指標中，教育培訓、安全責任意識等最為重要。因此，在各個層面嚴格加強安全管理，進一步明確各有關部門職能和責任，定期進行消防教育與培訓，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.

關鍵詞：高層建筑火災；解釋結構模型；層次分析法

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

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

0 引言

近年來，由于地價高昂、土地資源稀缺和經濟快速增長，為解決城市化和經濟增長對空間需求，布局復雜且人員密集的高層建筑日益增多。高層建筑具有多數量的樓層、龐大的體積、復雜的建筑結構、多樣化的功能等特點，在同樣的預防火災等級下，其火災的危害性比普通低層大得多，一旦發生火災，其損失不可估量。根據國內外相關研究以及相關部門的規定，對于高層建筑的火災，其堅持的原則應為“以固為主”[1]。

龐建軍[2]通過分析一高層酒店失火后，成功疏散建筑內人員并達到零失誤的案例，簡述了高層建筑的火災特點、撲救火災及疏散人員的經驗。喬萍[3]依據目前高層建筑火災發生的特征，以及在進行撲火救援過程中消防部隊所面臨的困難，結合系統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，并在此基礎上對高層建筑滅火救援存在的風險進行了綜合評估研究。馬曉明[4]依據高層建筑發生火災后，內部人員所面臨的疏散問題，提出并建立了與高層建筑火災相關的模型。這些研究基本上是針對高層建筑火災消防救援及逃生，而對建筑物抵御火災能力的影響因素以及之間的關系研究較少。為此，文章結合相關國家標準規范以及已有成果文獻，采用系統工程中的解釋結構模型（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能力的因素，確定出不同層次之間的聯系，以及同一層次中各影響要素之間的關系，建立高層建筑抵御火災能力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實意義。

1 影響因素的層次結構分析

解釋結構模型（Interpretative Structural Modeling Method，ISM）技術是在1973年，美國J.華費爾特教授在研究復雜的社會經濟系統的過程中開發的一種方法[5]，是一種最基本的、特色的系統結構模型化技術。ISM具有把復雜的系統分解成若干個子系統（要素）的特點，然后利用人們的相關知識以及實踐經驗，并依靠計算機運算，最后，將復雜系統分解構造成一個多層遞階的模型。

依據系統工程中的結構模型解法，對各個影響因素進行綜合性的分析，可以確定各影響因素之間的關系以及層次結構。ISM是一種定性地來表示系統的構成要素，以及它們之間本質上存在的互相依賴、互相制約和關聯情況的模型。建立模型的第一項任務是分析各影響因素，以確定各因素的相互關系；其次是建立鄰接矩陣和可達矩陣；再次是分析可達矩陣，最終建立高層建筑抵御火災能力的影響因素的多層遞階結構。

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，在查閱相關文獻資料的基礎上，最終確定了各個影響高層建筑抵御火災能力的因素，見表1。

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1.2 建立鄰接矩陣

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

A=[aij]=1 Si與Sj有直接關系0 Si與Sj沒有直接關系 （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。

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1.3 建立可達矩陣

可達矩陣（Reachability）M：有向連接圖各節點之間經過一定長度的通路后，其可能達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系可通過鄰接矩陣A來反映，其之間存在的間接關系可由可達矩陣M來描述。依據布爾矩陣法則，可根據矩陣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r=2時，滿足上述條件，其結果如下。

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1.4 基于可達矩陣的影響因素的層級劃分

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

根據表2中的數據，通過分析可得到高層建筑抵御火災能力的影響因素的第1級：L1=（5，7，11）；在可達矩陣中去掉S5、S7、S11所對的行和列，通過分析可得到高層建筑抵御火災能力的影響因素的第2級：L2=（10），再在可達矩陣中去掉S10對應的行和列，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級的先行集和可達集的表格在此省略）。

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1.5 建立解釋結構模型

根據分級結果經簡化處理后，得到高層建筑抵御火災能力的影響因素的ISM模型，如圖1。

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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級有向層級結構模型，隨著層級數增高，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急預案、疏散通道布置、逃生自救能力和撲救初起火災能力。這些因素直接影響到高層建筑抵御火災的能力。第二層的間接因素對第一層的因素產生影響，第三層是根本因素，是導致事故發生的最深層次的原因，如：消防制度、組織機構、定期消防檢查、教育培訓。消防制度和組織機構是提高建筑物安全績效最主要的手段，應依據消防制度合理布局，杜絕有法不依、有章不循的現象，嚴格最受相關法律法規，組織機構做好管理工作，減少事故的發生，增強建筑物抵御火災的能力。此外，應重視教育培訓可以使群眾產生極強的安全意識、掌握滅火以及逃生技巧，降低人的不安全行為；依照規定進行消防檢查，可以及時排除隱患、減少物的不安全狀態，從而提高建筑物抵御火災的能力。由ISM模型可以看出，影響高層建筑抵御火災能力的是一個復雜的系統。

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安全的要素間的內在關系，但是不能確定各影響因素的權重，而層次分析法可對其進行定量分析。美國運籌學家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行定量分析的具有簡便、靈活并且實用的特點的多準則決策方法[6]。AHP法在決策分析時，可以把一個由眾多因素構成的互相關聯、制約的復雜的系統從不同的角度進行評價，根據系統的決策目標將研究的問題層次化、條理化，建立遞階層次結構并形成一個多層次的分析結構模型，一般由高到低分層，即：目標層、準則層和指標層，利用下層對其上層的相對重要性來評價因素的權重。

2.1 建立指標體系

通過對近些年來發生的事故進行分析，總結得出事故發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行考慮，應用Yaaph層次分析法軟件建立高層建筑抵御火災能力的影響因素系統等級層次分析結構，如圖2。

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2.2 構造兩兩判斷矩陣及權重計算

X=X11 … X1n■ ■ ■Xm1 … Xmn其中，Xij表示第i個指標對第j個指標產生影響程度的情況，即表示由于一指標發生變化給另一指標帶來的影響，獲取的值見表3。

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依據圖2中指標體系以及表3的評分標準，經專家打分法構建判斷矩陣。如構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能力體系的權重為0.6144。同理，對人的原因、物的原因，分別構造判斷矩陣，請專家打分后，得出高層建筑抵御火災能力體系的每一個元素的權重，見表5。

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由表5可得，高層建筑抵御火災能力體系中，管理問題為主要因素，其權重為0.6144，在二級指標中占了總權重的一半，人的原因因素占0.2684，物的原因因素占0.1172。在三級指標中，教育培訓、安全責任意識和應急預案最為重要。

結合圖1的模型和表5的各個指標權重可以得到：影響高層建筑抵御火災的能力的因素不僅數量眾多、關系復雜而且結構不清晰，應用ISM和AHP相結合的方法，不僅可以看出各個因素之間的關系，還可以明確各因素在該系統中權重。如在影響高層建筑抵御火災的能力的直接因素中，應急預案所占的權重（0.1634）較大，逃生自救能力和撲救初起火災能力所占的權重（0.0383）相對較小，所以在進行安全管理，提高高層建筑的安全績效時，應有所偏重，采取重點且有針對性的防范管理措施。

3 結論

ISM解釋結構模型法，針對高層建筑抵御火災的能力的特點，分析總結出對其有影響的11個因素。用ISM模型對11個因素進行分析，分成3個層次并得出他們之間邏輯關系。高層建筑抵御火災的能力系統中最深層次因素是組織機構、消防制度、教育培訓和定期消防檢查，所以應完善組織結構、充分發揮組織機構的職能，嚴格遵守消防制度，定期開展宣傳教育活動，提高建筑內人員的消防安全意識，對消防設施對其檢查維修，加強建筑內消防設施的可靠性，降低建筑主體發生火災的風險。

AHP層次分析法，計算得出了高層建筑抵御火災的能力系統的所有元素的權重。教育培訓的權重為0.2478，安全責任意識的權重為0.1918，應急預案的權重為0.1634。因此，應加強對這3個因素的重視，在各個環節、各個層面嚴格加強安全管理，進一步明確各有關部門和相關主體的職能和責任，加強日常管理和教育培訓，確保最大限度的避免火災的發生。這種方法能夠比較準確地衡量各個要素之間的優劣關系，提高分析的可靠性。

高層建筑抵御火災的能力的影響因素眾多且關系復雜，采用ISM構建多級遞階層次模型，定性分析要素之間的關系，AHP分析法，通過兩兩要素相互比較從而確定層次中復雜因素的相對重要性，經過綜合性判斷后，得出各個要素的權重。定性分析和定量分析有效結合，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。

參考文獻：

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

[2]龐建軍.高層建筑火災特點及防范措施改進[J].消防科學與技術，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].消防科學與技術，2016（9）：1294-1297.

[4]馬曉明.高層建筑火災人員疏散問題研究[D].中央民族大學，2012.

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

[6]馬礪，劉晗，白磊.基于AHP和熵權法的古建筑火災風險評估[J].西安科技大學學報，2017，37（4）：537-543.