大型建筑火災影響因素PCA-FTA方法研究

周毅 雷林 王淑云 彭巧娟 劉娟 鄭宏偉

摘要：本文提出評價大型建筑火災的建筑結構、人員因素、消防設施、環境因素等四個一級指標和12個二級指標體系。首先應用PCA方法確定各個因素的權重，再通過FTA方法來求得各因素的臨界重要度，從而評價每個因素對于其火災大小的影響程度，結合PCA和FTA，定量計算得到建筑火災發生各影響因素權重。基于PCA-FTA的評價指標體系對建筑火災的隱患排查將更有針對性，能評價火災可能發生的重要因素，達到預防大型建筑火災目的。

關鍵詞：大型建筑;PCA;FTA;火災

近年來，大型建筑火災事故頻繁發生，引起了社會的廣泛關注。這些建筑通常具有內部空間結構復雜多樣、人員高度密集、人流量大等特點，一旦發生火災就會造成大規模的財產損失和人員傷亡。對建筑火災發生因素以及安全評價的研究有很多，如：牛發陽提出綜合PCA—FPP—BP神經網絡的高層建筑火災安全評價模型，用于解決高層建筑火災安全指標間交叉問題，實現科學、快速地評價高層建筑火災安全;馮洋洋提出門的通過率、樓梯的使用率和疏散瓶頸等問題對于火災疏散的影響;陳全帥提出以智能應急照明疏散指示系統來指引人們進行逃生，可以讓受困人員以最快的速度疏散至安全區域;張議丹選定火災環境、出口寬度、人員密度等13個因素來研究，并從人員管理、有毒有害物質管理、障礙物數量等方面提出降低疏散時間的有效措施;焦宇陽等提出人員的生理、心理特征對火災的影響，從而對優化了高層建筑火災疏散系統模型;陳長坤等人在其調查分析中通過采用皮爾遜卡方檢驗分析了性別、年齡、疏散教育培訓程度等與疏散心理和行為的相關性，提出了心理及行為對疏散的影響。

在這些研究的基礎上，本文將火災過程中對火災疏散影響相關性大的因素融合為四個一級指標層，其分別為：建筑結構、人員因素、消防設施和環境因素;再建立一級指標下的二級指標：建筑結構包含有通道的有效長度、安全門的開放率和建筑的防火等級等;人員因素包含人員的素質和個體差異;消防設施包含有消防滅火系統、應急系統、警報系統和指示系統等;環境因素包含有毒有害氣體、高溫、爆炸等。

一、模型的建立

本文擬采用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA），目的是將多個二級指標通過線性變換以選出較少的幾個互不相干的一級指標，進而用其刻畫個體。該方法首先通過專家打分得到一個具體的數值，接著通過PCA得到各個影響因素的準確權重，最后通過這些影響因素建立起一個影響火災嚴重程度的事故樹，從而計算建筑火災的等級和重要影響因素，并提出重點預防和監測方案。

對整體進行綜合評價：

（1）所有一級指標的權重之和等于1。

（2）每個一級指標所屬的二級指標的權重之和等于1。

（3）進行火災等級評價的大型建筑物，可以根據各建筑物結構、消防設施、人員因素和環境等因素，對部分指標參考權重進行調整，但調整規則必須依照前兩條的相關說明。

各二級指標的權重因素采用下式進行調整，構建一個安全檢查評分表，其計算公式如下：

其中? n：二級指標的個數;A：一級指標的得分;E：總的得分

最終通過式（4）求得的結果，對檢查結果進行劃分，共分為優良、合格、不合格三個等級，評定方法如下：

（一）優良：分項檢查表不存在零分，總分在8分以上。

（二）合格：分項檢查表不存在零分，總分在8分以下，6分以上。

（三）不合格：分項檢查表存在零分或者總分在6分以下。

通過對建筑進行總的評價，當結果為合格或者不合格時，我們對所有重大火災的影響因素建立事故樹（Fault Tree Analysis，FTA），通過FTA來排查事故隱患點，從而節約時間和減少排查難度，建立如圖1：

對以上結果進行排序，得到所需要的最優的改善方案，排名靠前的因素改善得到的回報將是最大。

二、模型分析應用

假設針對某個大型建筑物的這12組因素構建一個專家評價表，選取6個專家的評分進行分析，得到下表：

通過SPSS軟件，對各組數據進行PCA得到總方差解釋表及其成分分析表：

通過上表可以得到各二級指標的權重為：

對以上結果用（4）進行各一級指標的評分結果為：

最終用（4）得出綜合評分A為7.111。通過我們的評級方法可以得知，該大型建筑物的火災發生情況評價等級為合格，部分指標需要進行整改才能消除隱患，于是我們采用FTA法對其進行隱患排查，找出需要重點整改部分，減少排查整改時間。

從圖中可以發現χ8因素的權重最大，分析得知該大型建筑物的發生火災的主要影響因素是其警報系統，由于警報系統故障，未能及時預警及場所內的人群未能及時疏散，從而造成人員的大量傷亡。該大型建筑物后勤人員應該定期對其警報系統進行排查檢修，防止火災事故的發生。

三、結論

（一）模型計算結果表明大型建筑火災的主要影響因素為消防設施的警報系統，其功能的有效性影響火災發生后消除、控制、人員疏散和救援一系列工作;

（二）通過PCA和FTA結合建立和分析建筑火災的一級指標和二級指標為消防安全評價提供了一種新的定量評價方法;

（三）對二級指標的評分和權重利用事故樹分析法進行了計算得出建筑火災影響的一級指標得分：建筑結構約為2.13，人員因素約為1.414，消防設施約為2.157，環境因素約為1.41;

（四）通過計算一級指標得分確認了建筑火災主要影響因素的等級，并指導相關消防安全檢查重點項目。

參考文獻：

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作者簡介：

周毅（1997.9—），男，湖南婁底人，南華大學安全工程卓越計劃本科生，主要研究方向：建筑安全、安全管理。

通訊作者：

雷林（1975.12—），湖南省衡陽市南華大學環境資源與安全工程學院。

基金項目：

國家級大學生創新創業訓練計劃立項項目（201810555011）;湖南省普通高等學校教學改革研究項目“工程教育專業認證視域下核特色安全工程專業課程體系的改革與創新研究”（編號：2017-224）。