基于模糊數學的高層建筑消防安全評價方法研究

嚴定國　王衛國

【摘 要】隨著中國經濟的快速崛起，所建的房屋高度在增加，數量在增多，高層建筑發生的火災頻率也日趨頻繁，消防方面遇到的問題也變得越來越復雜。采用模糊評價理論、模糊數學和模糊評判等多種模型，構建了高層建筑消防安全評估方法的指標體系及模型。本文所提出的基于模糊數學的高層建筑消防的安全模型，使在高層建筑火災中，火災危險性評估的每個影響因素之間的層次性和互相影響性等困難得以解決。所取得的研究成果將對于高層建筑消防安全評估方法的后續發展、實際應用和推廣等方面都有著積極的意義。

【關鍵詞】高層建筑;火災;模糊評估;消防安全

中圖分類號： TQ014 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）35-0227-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.35.111

自改革開放以來，隨著我國經濟不斷的快速發展，國民都向往去大城市中去發展，而城市的建筑面積是有限制的，隨著人口的不斷增長，在城市內需要建設大量高層建筑供人民居住。由于高層建筑內樓層多、功能繁雜、相關設備繁多、空間跨度極大，一旦發生火災，人員將很難及時安全疏散，這時人員的傷亡事件發生的概率大大增加，人民的私有財產和人身安全面臨著極大的威脅，給社會帶來嚴重的負面影響。因此，引入模糊數學的高層建筑消防安全評價方法研究彌補現有評價方法的不足。

1 模糊數學

模糊數學又被簡稱為Fuzzy數學，是被用來研究和解決眾多模糊性現象及理論的一種方法[1]。提出利用“隸屬函數”方程來描述差異的中間性過渡，因而打破了傳統經典集合論中屬于或者不屬于之間的絕對關系。我國對模糊理論的研究開始于20世紀70年代中期，到90年代末期發展成熟。1982年，趙紅和李太航建立了高爐治練的自主學習模糊預報系統（離線）[2]。而劉增良在1997年通過整理研究了各領域有關模糊技術或應用中的一些重要文章，將得到的結論發表在《模糊技術與應用選編》中[3]。模糊數學經過長期的不斷發展，已然具備相當豐富的內容。到20世紀的90年代，不僅形成了具有特點鮮明和體系豐富的模糊拓撲學，然后還形成了逐漸成熟和完善的模糊隨機數學等分支。模糊數學在實際中應用幾乎遍布到人民生活和生產中的每個角落。在林業、農業、氣象、化工、環境、醫學和軍事等，模糊數學都有其廣泛而且成功的應用，它的發展速度甚至超過了其它很多應用數學的學科分支[4-5]。

2 高層建筑火災特點

高層建筑是集多種功能為一體，用途廣泛，結構復雜，人員繁多[6]，由于人的不安全行為和物的不安全狀態造成建筑內可燃物的燃燒，內部的風道及機電設備等各類豎向管井封堵失效，防火門、防火卷簾關閉失效等，為火勢的內部蔓延擴散提供了途徑[7];再加上高空氣壓和風速的影響，使得火災發生后擴散蔓延更為迅速，且易形成“煙囪效應”，，而高層建筑外部敷設的外墻保溫系統、玻璃幕墻系統等，易產生外部火災蔓延。火災時主要依靠僅有的幾個疏散樓梯逃生，由于疏散樓梯分布較遠，要從火災危險區域撤離出來，需要較長時間，且會隨著樓層高度的增高，人員數量的曾多，疏散時間也會隨之增長。

3 模糊數學的高層建筑消防

3.1 常規安全評估對比

對常規火災進行安全評價時，常用的三種評估方法如表1所示。定性的評價方法是不具備量化風險，半定量評價的方法沒有通用性，應用價值不高而且評價的結果精確度較低，受主觀因素影響較大，而定量評價的方法客觀、公正的評價精確度較高，但花費大量的人力物力，成本高。

表1 建筑火災風險評估方法對比

3.2 模糊數學安全評估

進行模糊的綜合評價時首先需要評價對象的因素集和評語集，計算各因素之間的權重向量關系，對各子集進行模糊評價，然后進行多層次多指標全方面的綜合評價。多因素模糊綜合評價是建立在單因素評價的基礎上。因此高層建筑消防安全的最終評價是通過單因素權重和單因素之間相互作用來最終確定。由于高層建筑消防安全評估工作的復雜性、結構的多樣性和影響因素多樣性，在進行模糊的綜合評估時，如果只用簡單的評估模型，每一個元素得到的權重值很小，這又將會導致最終計算得到的綜合評判值bj很小，所得的最終評價結果可能難以達到預期的要求。為了獲得更加合理和符合預期要求的評估結果，對原有的評判模型需要加以改進。

將現有的因素集合F劃分M，假設M把F劃分為n個不同子集，同時需要滿足下列設立條件：

■f■=F

fi∩fj=φ（i≠j）

此時稱M為F的一個劃分，可以得F/M={f1，f2，…，fn}，而fi有ki個因素，即fi={fi1，fi2，…，fiki}，所以此時F總因素為∑■■ki。

對fi對應ki個因素個數，根據單因素評判模型進行綜合評判，則

Ai·Ri=Bi=（bi1，bi2，…，bim）=（i=1，2，…，n）

式中的Ri代表總的評判矩陣，Ai對應的fi每個權重分到各個因素的權向量。

將評判結果列為行向量，可作一個矩陣R，則可以得到R=（B1，B2，…，Bn）T

在綜合模糊評判中，各因素在決定過程中的作用和地位是通過權重向量而反映出來，而最后的安全評估結果的正確與否與權重的確定也直接掛鉤，因此保證評估質量的好壞關鍵就是確定正確的權重。對于F集合中的每個因素，取多人對各因素提出權重分配aij（i=1，2，…，m，j=1，2，…，n）值的算術平均值作為各因素最后的權重向量，即：

A=■■a■，■■a■，…，■■a■

對于因素集合F中的n個元素，取一定數量人員對各因素提出權重分配值計算，再作加權統計如下：

aj=■XiWi（i=1，2，…，m，j=1，2，…，n）

通過模糊數學的高層建筑消防的安全模型，評價高層建筑的危險性，對復雜性問題量化，從而更加簡單對高層建筑的危險性進行客觀公正的評價。通過模糊數學做出一種定量評價的方法，可以通過借助專家判斷，模糊集合概率來解決風險評估中不確定性因素的問題，模型簡單，易操作，且精度高。

3.3 案例分析

對安徽理工大學平苑A棟高層宿舍樓進行案例分析，宿舍樓有15層，高度45m，每層有45間學生宿舍，每間宿舍住2人。對消防設施，人員意識，可燃物品危險源等進行模糊數學的安全評價分析。由表2和表3得出高層宿舍消防設施和防火措施具有一定的安全性，消防設施齊全，發生火災的危險性低，發生火災概率最大原因為可燃物造成火災。

表2 消防工程檢查表

表3 綜合指標隸屬度

4 結論

首先本文通過比較分析了三種安全評估方法的優缺點，比較了用于建筑火災安全評估的優劣，在此基礎上確定了模糊綜合評估作為高層建筑火災危險性評估的方法。即定性的評價方法不具備量化風險，半定量的評價方法沒有通用性，應用的價值不高而且評價結果精確度較低，受主觀影響較大。而定量評價的方法客觀、公正的評價結果精確度較高。在充分的對比分析比較后，選擇了定量分析方法其之一的模糊評價法為本文的主要研究方法。結合高層建筑消防應具備的各項安全指標，以及“加權計算法”，采用了基于綜合模糊評價方法的高層建筑消防安全評價模型。得出高層建筑消防安全的模糊數學評價具備一定的合理性，適用于高層建筑的安全評價，具有合理性和準確性。

【參考文獻】

[1]陳龍.基于模糊數學評價法地下水健康評估風險分析[J].水科學與工程技術，2019（04）：15-18.

[2]趙紅，王世強.《高爐冶煉自學習模糊測辨實時在線系統》通過技術鑒定[J].自動化與儀表，1985（01）.

[3]劉增良.模糊技術與應用選編[M].北京航空航天大學出版社，1997.

[4]劉普寅，吳夢達.模糊理論及其應用[M].長沙：國防科技大學出版社，1998.

[5]陳守煜.工程模糊集理論與應用[M].北京：國防工業出版社，1998.

[6]王瑩.高層多功能建筑工程的電氣設計探討[J].黑龍江科技信息，2014（18）：166.

[7]張明空，胡小兵，王靜愛.考慮火災動態擴散過程的高層建筑疏散路徑研究[J].中國安全科學學報，2019，29（3）：32-38.