大型城市綜合體火災風險評估研究*

肖國清，黃仁和，鄒 瑞，陳春燕，何 理

(1.西南石油大學 化學化工學院,四川 成都 610500；2.油氣消防四川省重點實驗室，四川 成都 611731；3.中國安全生產科學研究院，北京 100012)

0 引言

隨經濟快速發展，現代化、功能多、裝飾新的大型城市綜合體逐漸涌現。城市綜合體在豐富人們生活，完善城市功能的同時，也可能存在不小的火災隱患。近年來，國內外發生多起綜合體火災事故，造成人員傷亡及經濟損失：2008年1月，新疆烏魯木齊德匯國際廣場發生火災[1]；2011年2月，沈陽皇朝萬鑫國際大廈發生火災[2]；2018年3月25日，俄羅斯中部科邁羅沃娛樂中心發生特大火災，造成64人死亡、52人受傷[3]。為預防大型城市綜合體火災事故，進行火災風險評估十分必要，城市綜合體火災特殊性為火災風險評估帶來新的挑戰[4-5]。

國內外學者從不同角度對大型城市綜合體火災風險開展研究:Zheng等[6]通過將聚類與AHP結合,確定大型商場火災風險等級；Robert[7]從大型城市綜合體建筑復雜性和火災危險性出發，提出制定相關管理辦法以完善火災監測、煙霧報警系統；Howard[8]通過研究大型城市綜合體火災受損情況與火災溫度變化關系，提出以建筑結構為主的防火改進措施；曹耘[9]結合典型火災案例分析城市綜合體火災特點及危害；吳茂洪[10]通過制定滅火預案、增強實戰演練、增強排煙破拆及結合現代科技等手段,解決城市綜合體滅火救援難題。

目前,國內外對于大型城市綜合體火災風險評估研究較少，且基本處于定性階段，尚未形成成熟和科學的評價體系。傳統火災風險評估模型將火災發展與人員疏散同時進行評估，缺乏協調性，且指標權重為靜態，缺乏實時性。因此,本文針對大型城市綜合體火災特點，建立“雙主線”火災風險評估模型，基于物聯網、大數據、云計算數據[11]，運用貝葉斯網絡計算火災發展主線與人員疏散主線各節點可靠性，并通過改進的火災關聯度法對“雙主線”進行協調整合，確定風險節點動態權重。研究結果可定量評估大型城市綜合體火災風險，有效提高風險結果準確性。

1 大型城市綜合體火災特點

大型城市綜合體建筑面積一般超過50萬m2，且大多為高層建筑[12]，建筑體量大，內部結構復雜，本文將從火災發展與人員逃生2個方面對大型城市綜合體火災特點進行分析。

1.1 火災發展方面

1)大型城市綜合體建筑體量大，綜合體內部商店、娛樂廳、倉庫等場所眾多，導致火災荷載大。

2)用火、用電設備多，起火概率相對較高[13]，綜合體服務功能多，作業類別多樣，火災隱患區域主要有鍋爐房、餐飲店、娛樂場所、庫房和設備房等。

3)綜合體內商場、飯店、公寓、車庫、娛樂廳多場所相互聯結，火災易發生連鎖反應導致多米諾效應，造成損失呈幾何倍數增大。

4)可燃建筑裝飾材料使火災擴散至上下層，導致火情波及整個建筑[14]。

5)火災撲救困難，消防員往往需要前往建筑體內深處滅火。

1.2 人員逃生方面

1)客流量過大，人員密集，疏散困難。

2)疏散路程過長，內部布局復雜，導向性差，樓層較高，且疏散通道與安全出口距離較遠。

3)綜合體內人員主體為顧客，不熟悉逃生路線且無法進行安全演練。

4)綜合體火災燃燒不充分且內部溫度過高，產生高熱、有毒氣體，增加人員逃生風險。

2 “雙主線”火災風險評估模型建立

結合大型城市綜合體建筑特點與火災危險性，建立“雙主線”火災風險評估模型，即火災發展主線與人員疏散主線。火災發展主線按發展階段分為起火、火勢增長、滅火、火災蔓延、蔓延至周圍建筑5個節點；人員疏散主線按逃生過程分為組織疏散、疏散通道、疏散樓梯、安全出口4個節點。火災發展主線指標體系如圖1所示，人員疏散主線指標體系如圖2所示。

圖1 火災發展主線指標體系

圖2 人員疏散主線指標體系

采用層次分析法，以火災發展與人員疏散為目標層，圖1～2各節點為準則層，指標因素為方案層，按照兩兩對比的方式，由專家按1～9標度賦值，對比2個因素重要程度，構造判斷矩陣，計算得到雙主線各節點及指標因素對應權重值，見表1～2。

表1 雙主線節點權重值

表2 雙主線指標因素權重值

3 節點可靠性計算與動態權重確定

3.1 貝葉斯網絡計算模型

定量火災風險評估法方法概率求解問題具有不確定性，而貝葉斯網絡在求解不確定概率問題時,只要求解方向正確，即使得到的概率模糊，也可以得到精確值[15]。貝葉斯定理如式(1)所示：

(1)

式中：P(A|B)為B發生前提下A發生概率；P(B|A)為A發生前提下B發生的概率。

3.2 改進關聯度法確定節點動態權重

引入經典數學距的概念，定義風險因素可靠性為xi，xi到風險區間[aij,bij]與[akj,bkj](i=1,2,…,n;k=1,2,…,m)距離如式(2)～(3)所示：

(2)

(3)

式中：d(xi,Xij)為xi到風險區間[aij,bij]的距離；d(xi,Xkj)為xi到風險區間[akj,bkj]的距離；xi為風險可靠性。

關聯度為指標因素可靠性與火災風險關聯程度，本文對關聯度閾值進行改進，劃分風險可接受與不可接受2個區間，簡化計算過程。建立關聯度函數如式(4)所示：

(4)

式中：Ki(xi)為關聯度。

結合表1～2得到“雙主線”各節點指標風險關聯度函數,如式(5)所示：

(5)

式中：Ki為各節點風險關聯度；wij為因素指標權重。

將關聯度歸一化處理,得到的節點權重隨參數實時變化。

根據《關于調整火災等級標準的通知》對火災事故等級劃分即“紅橙黃藍”4色安全風險管控體系，參考相關建筑設計防火規范要求[16-18]以及消防領域專家建議,將大型城市綜合體火災風險劃分為4個等級，見表3。

表3 大型城市綜合體火災安全風險水平等級

4 評價案例與結果分析

以成都某大型城市綜合體為評價對象，綜合體地處城市商業中心，共有4幢建筑樓，總面積60萬m2，1號樓為商業廣場，樓內采用中庭式結構，樓層間采用自動扶梯連接，疏散樓梯(寬度2 m)與6座電梯分別位于中庭兩側，每層樓內疏散通道設計不同；2號建筑樓主要為居民區；3號樓為27層的高層建筑，包括寫字辦公、酒店住宿、體檢醫院等；4號樓為展廳與會議室。3號樓設有消防控制室，建立完善的大型綜合體樓宇系統，綜合體內每條疏散通道按規定放置滅火器，樓層內配置自動滅火系統、消防栓、應急照明系統、防排煙系統和通風空調系統、火災探測與自動報警、自動滅火聯動系統等。消防站距離綜合體5 km，每幢設置4個安全出口，分別位于對稱4個方位，建筑耐火等級為Ⅰ級。

各2級指標可靠度通過物聯網技術以及云計算得到，計算得到該大型城市綜合體火災荷載密度為902 MJ/m2，以商業為主要業態的城市綜合體數量最多，根據文獻[19]計算得到，商業綜合體火災荷載標準值為750 MJ/m2，可燃物可靠性如式(6)所示：

(6)

供水系統可靠性由管網流量、壓力與故障率共同決定，該大型城市綜合體流量穩定性為94%，壓力穩定性為92%，故障率為2%，則供水系統可靠性如式(7)所示：

P(x6)=92%×94%×(1-2%)=84.8%

(7)

同理，其余指標可靠度參照行業標準或采集數據可直接計算得到，見表4～5。

表4 火災發展主線指標可靠度

將表4與表5中可靠度帶入式(2)～(5)，為方便計算，將[aij,bij]定義為[50,100]、[0,50]2個區間；[akj,bkj]為[0,100]，結合指標權重，得到火災風險關聯度。

表5 人員疏散主線指標可靠度

對各節點關聯度進行歸一化處理，如式(8)所示：

(8)

式中：Wi為各節點指標權重；wi為原體系下節點權重；Ki為節點風險關聯度，根據最大隸屬度原則取最大值。雙主線節點關聯度見表6。

表6 節點關聯度

把“雙主線”整合得到各節點動態權重值，見表7。節點權重根據關聯度實時變化。

表7 節點權重

將各節點可靠度作為先驗概率，結合指標權重輸入條件概率值，條件概率值如式(9)所示：

(9)

式中：P(Y|X)為條件概率值；wij為因素指標權重；Pij為風險因素可靠度。

貝葉斯網絡計算結果如圖3～4所示。滅火節點條件概率見表8。

表8 滅火節點條件概率

圖3 火災發展主線貝葉斯網絡

結合表7各節點權重，計算大型城市綜合體火災風險值如式(10)所示：

(10)

式中：R為大型城市綜合體火災風險；Ri為各節點風險值；Wi為各節點權重。

由表3可知，該大型城市綜合體火災風險為Ⅱ級，屬于中等風險，風險可接受，需局部整改：減少裝飾可燃材料使用量、加裝逃生指示標志、完善出口設計、縮短安全出口與疏散樓梯的距離等。

圖4 人員疏散主線貝葉斯網絡

5 結論

1)針對大型城市綜合體特點，建立“雙主線”火災風險評估模型，2條主線對于整體火災風險相互獨立又相互聯系。通過計算分析火災風險關聯度，將2條主線整合成1個整體，使火災風險值更加精確。

2)火災風險評估體系中指標參數實時變化，基于關聯度得到權重動態變化，當指標可靠性降低，對應節點權重升高。對比傳統層次分析法，動態權重得到結果更具客觀性。