基于層次分析法的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險評估

劉毅敏

（山西省消防救援總隊，山西太原 030000）

0.引言

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟社會迅速發(fā)展，建筑數(shù)量日益增多，建筑結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。大型商業(yè)綜合體、高層建筑、地下建筑已經(jīng)成為火災(zāi)防控管理工作的重點和難點。其中高層建筑一旦起火，人員疏散逃生困難、火災(zāi)蔓延迅速，火災(zāi)撲救難度大，極易造成群死群傷，產(chǎn)生重大社會影響[1-3]。因此亟需針對高層建筑建立災(zāi)風(fēng)險評估體系，確定科學(xué)的評估方法。本文結(jié)合《建筑設(shè)計防火規(guī)范（2018年版）》（GВ50016-2014）[4]和消防安全管理相關(guān)實踐經(jīng)驗，建立了基于層次分析法的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險評估的模型，為高層建筑火災(zāi)防治和風(fēng)險評估工作提供輔助決策支撐。

1.高層建筑火災(zāi)風(fēng)險評估指標(biāo)體系的建立

建筑火災(zāi)風(fēng)險評估要綜合考慮從火災(zāi)發(fā)生的可能性和火災(zāi)防控能力2個方面進行評估。因此將火災(zāi)致災(zāi)因素作為火災(zāi)發(fā)生可能性的一級評價指標(biāo)，將建筑主動防火設(shè)施、建筑被動滅火設(shè)施、消防管理水平、周邊消防站實力4個指標(biāo)作為火災(zāi)防控能力一級指標(biāo)，共計4個指標(biāo)進行綜合考量，表1給出了高層建筑后火災(zāi)風(fēng)險評價評價指標(biāo)體系。

其中對于火災(zāi)發(fā)生可能性的角度來說，需要考慮的是火災(zāi)致災(zāi)因子。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，全國火災(zāi)中，約有30%的火災(zāi)是由電氣故障、電線短路、電路過載等問題引發(fā)。因此，將電氣安全性作為重要的參考指標(biāo)。裝修材料是否易燃往往決定了火勢是否會迅速擴大和蔓延，從而發(fā)展成為大火，而某些裝修材料起火容易產(chǎn)生有毒有害的煙霧，在發(fā)生火災(zāi)之后，極易造成群死群傷局面的發(fā)生。因此，裝修材料火災(zāi)荷載安全性也需要納入火災(zāi)致災(zāi)因素指標(biāo)之中。除此以外，人員活動密集，生產(chǎn)生活用火用電比較集中的區(qū)域容易發(fā)生發(fā)生，這都反映了外部因素對于火災(zāi)風(fēng)險的影響。

火災(zāi)防控能力方面，依據(jù)消防工程專業(yè)知識，可以從建筑主動防火設(shè)施、被動防火設(shè)施、消防管理水平、消防站實力4個方面作為主要評估指標(biāo)。其中，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、消防自動滅火系統(tǒng)、室內(nèi)消火栓、建筑防排煙系統(tǒng)作為建筑最常見、最重要的主動防火設(shè)施，其性能完好性列為評估三級指標(biāo)。建筑耐火等級、建筑防火分隔等消防設(shè)計方面的性能，同樣對火災(zāi)蔓延有著巨大影響。疏散通道、安全出口等疏散方面的設(shè)計是否合規(guī)關(guān)系到人員能否順利逃生。消防管理水平從消防安全培訓(xùn)、員工素質(zhì)、火災(zāi)預(yù)案完備性3個角度考量，衡量單位消防管理水平的優(yōu)劣。消防站的人員素質(zhì)和人員數(shù)量、消防設(shè)施裝備的完整好用性決定了消防站的滅火作戰(zhàn)實力，而消防車道可用性、建筑距離最近消防站距離決定了消防站第一出動力量到場時間，從這幾個方面入手可以判斷周邊消防站實力，作為火災(zāi)風(fēng)險的重要參考指標(biāo)。

表1 高層建筑火災(zāi)風(fēng)險評估指標(biāo)

針對二級指標(biāo)，采用德爾菲法，進行專家打分。分?jǐn)?shù)從0～100分不等，分?jǐn)?shù)越高，表示該項指標(biāo)安全性越高，風(fēng)險越低。針對二級指標(biāo)和一級指標(biāo)，分別利用層次分析法，依據(jù)專家經(jīng)驗進行權(quán)重確定。最終得到層次總排序，形成最終評估結(jié)論。

2.高層建筑火災(zāi)風(fēng)險性綜合評估模型的構(gòu)建

層次分析法可以按照幾個明確的步驟進行。首先對所研究的問題層次化，即劃分成不同的層次體系，將復(fù)雜的單個問題變成多層次的簡單問題，分為最底部的方案層（需要進行決策的方案和策略或者是用于評價的、有量化數(shù)據(jù)的指標(biāo)），中間的準(zhǔn)則層（即中間評價指標(biāo)），最上層的決策層（最終要研究的目的）相對于最高層（總目標(biāo)）的相對重要性權(quán)值的確定或相對優(yōu)劣次序的排序問題。

2.1 明確問題

在分析需要進行評價的統(tǒng)計、金融、社會、經(jīng)濟學(xué)問題時，必須清醒地認(rèn)識問題的含義、目標(biāo)、意義，才能有針對性地進行問題的解答和指標(biāo)體系的建立。

2.2 建立評價層次結(jié)構(gòu)

研究領(lǐng)域進行分析和綜合之后，將研究包括的研究要點歸納分組，并把它們之間的共同特性看成是系統(tǒng)中新的層次中的一些因素，而這些因素本身也按照另外的特性組合起來，形成更高層次的因素，直到最終形成單一的最高層次因素。

2.3 建立評估因素論域和評語論域

建立待評估建筑的因素論域U={u1,u2,u3,u4,…uN}，依次表示火災(zāi)致災(zāi)因素、建筑主動防火設(shè)施、建筑被動防火設(shè)施、建筑消防安全管理水平、周邊消防站實力5個一級指標(biāo)。建立評語論域V={v1,v1,v3,v4…vM}，分別代表1～M個等級。等級越高表示火災(zāi)風(fēng)險越大。

2.4 構(gòu)建兩兩對比判斷矩陣

（1）由于人對現(xiàn)實中各種評價指標(biāo)的判斷往往是兩者之間相對重要性的模糊性判斷，因此可以建立兩兩對比判斷矩陣，來定量化表示專家對評價指標(biāo)權(quán)重的判斷。（2）采用1～9標(biāo)度方法，可以針對不同指標(biāo)的重要程度給出數(shù)值衡量。判斷矩陣的標(biāo)度指標(biāo)的含義如表2所示。

表2 判斷矩陣標(biāo)度含義

兩兩判斷對比矩陣需要依據(jù)專家經(jīng)驗、相關(guān)規(guī)范規(guī)定來制定，確定高層建筑火災(zāi)風(fēng)險評估指標(biāo)體系中各個指標(biāo)的相對重要性。

判斷矩陣В具有如下特征：

（1）bii=1

（2）bji=1/bij

（3）bij=bik/bjk(i,j,k=1,2,…,n)

其中對于兩兩判斷矩陣中的 ，需要根據(jù)專家的分析建議、歷史數(shù)據(jù)資料以及相關(guān)進行數(shù)據(jù)分析的人員的經(jīng)驗經(jīng)過充分討論研究決定。應(yīng)用AHP層次分析法需要在前后進行評價時，判斷思維是一致、連續(xù)的，對于任何一個兩兩對比判斷矩陣來說，只要矩陣中的bij滿足上述3條關(guān)系式時，就說明判斷矩陣具有完全的一致性。

2.5 層次單排序

層次單排序的過程需要計算層次中判斷矩陣最大特征值對應(yīng)的特征向量，將特征向量各個元素歸一化得到層次單排序的權(quán)重。設(shè)判斷矩陣A的最大特征根對應(yīng)的特征向量為則：

依次讓每一準(zhǔn)則層中各個元素同其對應(yīng)的下一層準(zhǔn)則層所連接的元素做層次單排序，求得各個指標(biāo)對上一層的權(quán)重 aij。

2.6 一致性檢驗

層次單排序的一致性檢驗需要通過計算相應(yīng)的指標(biāo)CI和RI的比值來得到。一致性指標(biāo)CI的值越大，就可以說明判斷矩陣越偏離完全一致性，偏離的成都越大，反之，CI數(shù)值越小的時候，可以說明判斷矩陣接近于完全一致性的程度越高。其中一致性比率CI計算公式如下：

表3是給出了1～10階正互反矩陣計算1000次的結(jié)果，表示的是平均隨機一致性指標(biāo)RI。當(dāng)n<3時，判斷矩陣永遠(yuǎn)具有完全一致性。

表3 判斷矩陣階數(shù)對應(yīng)的RI數(shù)值

判斷矩陣一致性指標(biāo)C.I.與同階平均隨機一致性指標(biāo)R.I.之比稱為隨機一致性比率CR(Consistency Ratio)。

2.7 層次總排序

依次得到所有的層次單排序以后，計算層次總排序。將一級指標(biāo)的權(quán)重和各個二級指標(biāo)的權(quán)重矩陣，做點積運算，得到最終的層次總排序結(jié)果，最后得到的層次總排序的權(quán)重之和為1。

2.8 計算最終火災(zāi)風(fēng)險評估等級

依據(jù)下式得到最終評價得分。

確定最終評估等級對照表，如表4所示。

表4 判斷矩陣階數(shù)對應(yīng)的RI數(shù)值

3.實例分析

本文提出的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險評估模型，具有較強的普適性。以山西省太原市某高層住宅建筑為例，進行研究。首先利用delphi法，獲取專家對該建筑各個指標(biāo)的得分，每項分?jǐn)?shù)0～100分不等。指標(biāo)體系確定好之后，就是判斷矩陣的建立。針對4個要素，對每2個要素之間相對重要性進行比較，構(gòu)建判斷矩陣。依據(jù)專家評價，參考已有文獻和實際經(jīng)驗，對各個因素建立如下的兩判斷矩陣。首先對準(zhǔn)則層第一層進行判斷矩陣的構(gòu)建，即事故可能性和火災(zāi)防控能力建立兩兩對比判斷矩陣，如下方矩陣所示。

如表3所示，由于事故可能性和事故嚴(yán)重性對最終風(fēng)險評價所起的作用大小相近，因此給與相同的權(quán)重。

然后對準(zhǔn)則層第二層的矩陣進行判斷矩陣的構(gòu)建，針對火災(zāi)致災(zāi)因子、建筑主動防火設(shè)施、建筑被動防火設(shè)施、消防管理水平、周邊消防站實力5個要素進行兩兩對比。計算最大特征值和最大特征值對應(yīng)的特征向量，并計算CR值，得到最終的權(quán)重矩陣。該矩陣在一致性檢測時采用的RI值為1.12，判斷矩陣的CR值為0.090，通過一致性檢驗，得到的權(quán)重矩陣為ω1，其中：

然后對準(zhǔn)則層第三層的矩陣進行判斷矩陣的構(gòu)建，針對建筑主動防火設(shè)施、建筑被動防火設(shè)施、消防管理水平、周邊消防站實力3個要素進行兩兩對比。同樣的方法得到二級指標(biāo)的判斷矩陣和權(quán)重向量。計算CR值，得到火災(zāi)致災(zāi)因素、建筑主動防火設(shè)施、建筑被動防火設(shè)施、建筑消防安全管理水平、周邊消防站實力的CR值分別為0.00793、0.0433、0.00484、0.03244和 0.00484。CR 值均小于1，通過一致性檢驗。計算得到層次單排序之后，計算層次總排序，可以得到層次總排序結(jié)果。依據(jù)公式得到最終評價結(jié)果，得分為83.07563337分，評定為較低風(fēng)險。

4.結(jié)論

本文建立了高層建筑火災(zāi)風(fēng)險評估模型，通過層次分析法各級指標(biāo)權(quán)重，能夠針對高層建筑進行科學(xué)的火災(zāi)危險性評估，可以為消防監(jiān)管部門決策提供輔助支持。利用層次分析法，可以確定3層指標(biāo)的層次總排序，從而確定各個致災(zāi)因子的權(quán)重大小，發(fā)現(xiàn)高層建筑的關(guān)鍵性指標(biāo)和關(guān)鍵因素。模型拋棄了以往建筑火災(zāi)風(fēng)險評估中，單純使用安全檢查表、預(yù)先危險性分析等具有較強主觀經(jīng)驗的模式，確定了科學(xué)的權(quán)重確定方法，并保證了融合多輪、多位專家研討經(jīng)驗，從而保證了指標(biāo)體系和權(quán)重體系的有效性、統(tǒng)一性和規(guī)范性。