基于改進模糊層次分析法的化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估

陳大川，彭文開

(湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082)

我國化學工業園的發展擴大，伴隨著極大的爆炸安全隱患，爆炸事故頻出，園區內建筑物結構安全面臨著化工爆炸事故的威脅，如何保證園區內建筑物結構抗爆安全性能是國家及化工企業一直面臨的難題。目前，我國不斷提高對相應化學工業建筑物結構抗爆性能的要求，工業和信息化部于2012年修改并發布了《石油化工控制室抗爆設計規范》(GB 50779—2012)，2017年住房和城鄉建設部又提出進一步擴大該規范的范圍，并制定了《石油化工建筑物抗爆設計標準》的工程建設標準規范制修訂及相關工作計劃。近年來國外許多學者對化工園區建筑物結構抗爆安全性能的風險因素進行了評估研究，如美國化學過程安全中心(USA,Center for Chemical Process Safety)針對有爆炸和火災風險的工業廠房建筑物結構進行了安全性能風險評估研究，并出版了《爆炸及火災的工藝廠房評估指南》；Olmati等針對鋼結構建筑在爆炸作用下的魯棒性進行了模擬評估，得出“魯棒性曲線”計算模型，為后續風險管理和評估提供了合適的工具；Heudier等通過評估建筑物結構的動力特性和估算爆炸引起的內力，對園區電力變壓器廠房抗爆性能進行了安全風險評估。而國內鮮有針對化工園區建筑物結構抗爆安全性能進行風險評估的研究，僅有部分學者針對石油企業的罐區建筑抗爆安全性能進行了風險評估，如陳日輝等運用事故樹分析法對酒精儲罐區的火災爆炸事故進行了風險分析與評估；辛保泉等通過對液化烴罐區建筑物結構抗爆性能和荷載的安全風險評估，得到了抗爆荷載設防目標和損毀破壞可接受的概率。

基于上述研究，本文根據實際管理的需求，在相應的抗爆設防等級上考慮抗爆安全風險的影響，運用改進后的模糊層次分析法和模糊綜合評價法對化學工業園區(簡稱化工園區)建筑物結構抗爆安全性能進行風險評估，建立了包括風險識別、風險估計、風險評價和風險控制4個階段的化工園區建筑物結構抗爆性能安全風險評估指標體系，并進行了工程實例驗證。

1 化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估指標體系的構建

根據常見的建筑物結構抗爆安全風險因素，結合化工園區建筑物使用和結構的特點，參考化工園區建筑物結構抗爆設計資料和相關規范，識別并總結了影響化工園區建筑物結構抗爆安全性能的風險因素，依據評價指標體系構建的原則，建立了化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估指標體系，見圖1。

圖1 化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估 指標體系Fig.1 Index system for risk assessment of anti-explosion safety performance of chemical industry park building structure

由圖1可知，化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估指標體系的一級評估指標包括建筑物結構因素、抗爆措施因素、危險源因素、防爆管理因素和外部及環境因素，具體分析如下：

(1) 建筑物結構因素。建筑物結構現狀對建筑物本身抗爆能力有直接的決定作用，其中建筑物結構類型、建筑物結構平立面形式以及建筑物結構高度和建筑物結構材料不同，其抵抗建筑物外部爆炸的承受力不同；建筑物結構抗爆水平與建筑物結構抗震能力水平呈正相關關系；化工爆炸中，建筑物極易引起連續性倒塌而產生“多米諾效應”，因此在建筑物結構抗爆設計中對建筑物結構整體穩定性和魯棒性要求很高；而建筑物結構冗余度反映了建筑物結構在爆炸荷載作用下極限狀態的構件受力替補性、穩定性和荷載重分布性。

(2) 抗爆措施因素。在建筑物結構抗爆設計中，對抗爆有要求的建筑物應有相應布置得當的抗爆措施。在化工園區對危險建筑物的整體規劃應滿足相應防爆安全距離；設置得當的防爆障礙物和防爆墻可減少爆炸事故對建筑物的損害；建筑物中門、窗、電梯等結構脆弱部位應進行相應的防爆處理；建筑物結構泄爆設計可有效疏導爆炸荷載作用，減輕建筑物主體結構的破壞程度。

(3) 危險源因素。建筑物內部的物料、裝置和生產工藝的爆炸危險性各不相同，對建筑物抗爆能力的要求也不同，因此建筑物結構抗爆設計等級應與其危險性相匹配，即使建筑物內部的物料不發生爆炸，但建筑物外部發生的爆炸同樣易引起建筑物內爆炸危險性高的物質產生連鎖爆炸反應，從而對建筑物造成二次傷害。

(4) 防爆管理因素。在化工建筑防爆管理中，加強對建筑物消防應急資源和危險源的日常管理極為重要，對具有爆炸風險的建筑物嚴格實行通風、隔熱降溫、防靜電等防爆管理措施，并設置防爆墻，在物體表面噴防爆涂料等，使其在爆炸發生時能發揮應有的防爆作用。

(5) 外部及環境因素。要加強對建筑物外部危險物質的管理，如易燃易爆的生產材料、垃圾、雜物等，嚴格規范生產傳輸車輛的停放，以免爆炸發生時對建筑物結構造成二次傷害；要嚴格按照防爆要求設計和規劃外部生產裝置、傳輸管道、臨時儲存罐以及外部水資源、電力等設施，并與建筑物之間設有防爆裝置，以減少對建筑物的傷害；建筑物周邊生態環境包括地形地貌、土壤質量、水文環境、植被景觀等同樣在爆炸時對建筑物結構的安全性能有一定的影響，應避免將較危險的生產建筑規劃在排污水渠、斜坡等不良環境中，并應盡量減少外部景觀物的設置。

2 化工園區建筑物結構抗爆設防等級

在化工園中建筑物結構抗爆設計中，考慮到不同的爆炸類型和不同程度的爆炸荷載沖擊，對建筑物的抗爆設防等級有所不同，因此建筑物結構抗爆安全性能風險評估體系需要在其建筑物相應的抗爆設防等級的基礎上建立。本文參考相關建筑物結構抗爆設計資料和規范，確立了化工園區建筑物結構抗爆設防等級，見表1至表3。

表1 化工園區建筑物抗爆設防烈度Table 1 Anti-explosion fortification intensity of chemical industry park buildings

表2 化工園區建筑物抗爆設防目標Table 2 Anti-explosion fortification target of chemical industry park buildings

表3 化工園區建筑物抗爆設防等級Table 3 Anti-explosion fortification level of chemical industry park buildings

參考《石油化工控制室抗爆設計規范》(GB 50779—2012)第5.3.1條規定和相關建筑物結構抗爆設防標準資料,當爆炸沖擊波超壓峰值過大時將會對建筑物結構抗爆性能要求極高，且建設成本極大，因此考慮到現實爆炸事故偶然性和經濟性原則，為了防止造成建設成本的巨大浪費，本文針對化工園區建筑物結構抗爆設防的爆炸沖擊波超壓峰值范圍取40～80 kPa，將抗爆基本設防烈度設為4度、抗爆設防等級設為2級，并在此基礎上對化工園區建筑物結構抗爆安全性能進行風險評估，并滿足下列要求：

(1) 在抗爆設防的爆炸沖擊波超壓峰值為80 kPa、設防烈度為5度時保證建筑物不倒塌。

(2) 在抗爆設防的爆炸沖擊波超壓峰值為55 kPa、抗爆設防烈度為4度時保證建筑物可修復。

(3) 在抗爆設防的爆炸沖擊波超壓峰值為40 kPa、抗爆設防烈度為3度時保證建筑物可繼續使用。

3 化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估模型構建

由于傳統模糊層次分析法存在主觀性較大的問題，故本文對模糊層次分析法進行了改進，使判斷矩陣一致性檢驗更加客觀和科學。在改進模糊層次分析法的基礎上，運用模糊綜合評判法對建筑物結構抗爆安全性能風險進行綜合評判，計算安全風險綜合評價值，并通過風險矩陣確定安全風險等級。構建的化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估模型，見圖2。

圖2 化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估模型Fig.2 Risk assessment model for anti-explosion safety performance of chemical industry park building structure

3.1 風險因素集的建立

根據化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估指標體系，建立兩級風險因素集。設第一級風險因素集用

U

表示，風險因素集

U

中的子因素為

U

=(

U

，

U

,…,

U

)；

U

中每個子因素

U

(

i

=1,2,…,

m

)中含

n

個風險因素，用

U

(

j

=1,2,…,

n

)表示，則二級風險因素集

U

=(

U

1,

U

2,…,

U

)(見圖1)。

3.2 風險等級評語集的建立

根據上述評估指標體系與模糊綜合評價法的需要，建立風險等級評語集

V

=(

V

,

V

,…,

V

)。為了更好地評估化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險狀況，將化工園區建筑物結構抗爆安全風險水平分為5個等級，具體見表4。

表4 化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險等級分級標準Table 4 Safety performance risk level rating set of chemical industry park buiding structure

3.3 模糊層次分析法的改進

由于化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險具有極強的不確定性，僅采用模糊層次分析法很難表示其影響規律，因此本文利用響水實際爆炸案中建筑物檢測報告資料并結合專家打分的方法構建判斷矩陣，再通過檢測數據模擬調整評估指標權重參數來確定評估指標的權重，以盡量避免評估指標權重計算過程中人為因素的影響，使得賦值結果更符合實際。利用改進的模糊層次分析法確定評估指標權重的步驟如下：

3.3.1 構造模糊互補判斷矩陣

在構建化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估指標體系的基礎上，利用專家打分法綜合各層次風險因素，采用傳統的9標度法(見表5)構造初始判斷矩陣

A

=(

a

)×，其中

a

表示因素

U

相對于

U

的重要程度(

h

=1,2,…,

m

)。但傳統9標度標度法易將人為主觀性放大，需要進行繁雜的一致性檢驗，故本文利用

β

(

α

)函數將判斷矩陣

A

=(

a

)×轉換為模糊互補判斷矩陣

R

=(

β

(

α

))×，從而避免傳統9標度法需要進行復雜的一致性檢驗的缺陷。

β

(

α

)函數為

表5 傳統9標度含義Table 5 Meaning of traditional nine scale

(1)

其中，

α

為模糊互補轉換系數，令上式中

α

≥18，以保證當1≤

a

≤9時，有：0<

β

(

α

)<1，

β

(

α

)=0

.

5，

β

(

α

)+

β

(

α

)=1，則

R

=(

β

(

α

))×是模糊互補判斷矩陣。且通過計算發現，當

α

=18時，轉換后模糊標度區域能最大限度地覆蓋(0,1)范圍，其結果見表6。

表6 模糊標度含義Table 6 Meaning of fuzzy scale

3.3.2 確立最終權向量

模糊互補判斷矩陣建立后，根據文獻[17]的方法將其轉換為模糊一致性判斷矩陣并求得最初權向量

w

：

(2)

(3)

(4)

經過優化得出最初權向量值后，通過特征根法的冪法迭代思想來求解更高精度的最終權向量

W

(

k

)，具體方法如下：若

n

階判斷矩陣

A

>0，

x

=

e

(

e

為單位向量)時，有：

式中：

Y

為與判斷矩陣

A

的最大特征值對應的特征向量；

W

為當

x

為單位向量時，與

A

判斷矩陣的最大特征值對應的規范化特征向量，也就是權向量。

由此可得到特征根法的3個迭代步驟如下：

(1) 以

Y

=(

Y

，

Y

，…，

Y

0)=

w

為迭代初值，利用冪法迭代公式求特征向量

Y

+1，再求得

Y

+1的無窮級范數‖

Y

+1‖

.

特征向量

Y

+1為

Y

+1=

EY

(5)

式中：

E

=(

e

)×,

e

=

r

/r

.

(2) 若‖

Y

+1‖-‖

Y

‖≤

ε

(

ε

為精度要求，本文取

ε

=0

.

000 1)，則‖

Y

+1‖為最大特征值；然后對

Y

+1進行歸一化處理，得到最終的權向量

W

(

k

)：

(6)

(3) 若達不到步驟(2)的精度要求，則將

作為新的迭代初值，重新代入公式(5)繼續迭代，直至達到精度要求。

綜上，利用響水實際爆炸案中建筑物檢測報告與相關文獻，并引入新的模糊轉換矩陣，對模糊層次分析法進行改進，得到最終的權向量排序。這在一定程度上避免了復雜的一致性檢驗，同時降低了主觀上的不確定性。

3.4 評價矩陣的建立

評價矩陣表示因素集與評語集之間的關系，因素對評語

V

的隸屬度可由專家調查法得到。各因素集的評判矩陣

R

由因素集中單因素評估結果

r

按行排列組合而成，有：

(7)

式中:

r

(

i

=1,2,…,

n

；

j

=1,2,…,

p

)表示因素集中第

i

個因素對評語集中第

j

評價等級的隸屬度。

3. 5 多級模糊綜合評價

(1) 一級模糊綜合評價。第一層次的每一個因素的單因素評價，是低一層次多因素的綜合評價結果。在得到第二層次指標層權重矩陣

W

和評價矩陣

R

后，可利用下式計算第一準則層的評判矩陣

R

:

R

=

W

°

R

(8)

式中：“°”為模糊算子，即為加權平均模型。

(2) 二級模糊綜合評價。根據一級模糊綜合評價得到的準則層評價矩陣

R

，結合準則層權重矩陣

W

，可利用下式計算二級模糊綜合評價集

B

為

B

=

W

°

R

(9)

(3) 模糊綜合評價。按照風險評價等級劃分標準和說明，對風險評語集

V

中的元素

V

進行賦值,將評價結果量化，通過加權平均法來處理上述評價指標，最終得到化學工業園區建筑物結構抗爆安全性能風險的綜合評價值

F

為

F

=

B

×

V

=(

b

,

b

,…,

b

)×(

v

,

v

,…,

v

)

(10)

4 化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險等級評定及修正

4.1 安全風險等級評定

完成上述風險指標體系和模糊綜合評價步驟后，需要對化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險的最終等級進行判定。參考《石油化工控制室抗爆設計規范》(GB 50779—2012)、《建筑結構檢測技術標準》(GB/T 50344—2004)和《工業建筑可靠性鑒定標準》(GB 50144—2019)等國家相關規范，結合現有建筑物結構抗爆設計資料和響水實際爆炸案中建筑物檢測報告，確定化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評價等級并將其量化。其風險等級評定準則見表7。

表7 化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評價等級及控制準則Table 7 Levels and control standards of risk assessment of anti-explosion safety performance of chemical industry park buildings structure

4.2 安全風險等級修正

由于化工園區建筑物使用用途種類繁多，生產區與辦公區涇渭分明，因此若完全按照上述風險評估模型對化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險進行評估則會導致生產區建筑物風險等級過低，而辦公區建筑物風險等級過高。因此，應根據建筑物使用用途和其危險源區域的不同對建筑物結構抗爆安全性能風險等級進行修正。安全風險等級修正處理方法，見表8。

表8 安全風險等級修正方法Table 8 Modification method of safety risk level

5 工程實例應用與分析

5.1 工程實例概況

江蘇響水聯化科技有限公司東廠動力車間(東12棟)結構體系為現澆鋼筋混凝土框架結構，基礎采用預應力混凝土管樁基礎。該建筑物平面基本形狀為矩形，軸線總長度為45.0 m，軸線總寬度為15.0 m；建筑物地上為三層，建筑高度為17.30 m，總建筑面積為2 446 m；建筑物結構的設計使用年限為50年，抗震設防烈度為6度，框架抗震等級為四級，建筑物抗爆設防等級為2級。該建筑物北側有一附屬鋼結構，其基本形狀為矩形，軸線總長度約為36.0 m，軸線總寬度約為16.0 m，建筑面積約為576 m；建筑物四周均設有建筑防爆維護結構及障礙物，抗爆安全距離約為5～8 m，其與周邊建筑物相對位置的關系示意圖，見圖3。該建筑物門窗玻璃電梯等僅進行了簡單、低量級的防爆處理，建筑物內設有防火地面和防靜電裝置。該企業設有安全員且每日進行消防及物料安全檢查，管理較為得當。

圖3 被評估建筑物與周邊建筑物相對位置的關系 示意圖Fig.3 Schematic diagram of the relative position relationship between the assessed building and surrounding buildings

在爆炸事故現場中，臨近化工廠發生硝化廢料爆炸形成的爆炸沖擊波對該建筑物造成了一定程度的損傷，由于該建筑物位于爆炸中心東北方向，距離爆炸中心約700 m(見圖4)，爆炸沖擊波使得該建筑物門窗玻璃全部損壞，主體結構構件包括梁、柱、屋蓋等出現大量裂縫，造成建筑物整體受外部附屬建筑物的影響向西北方向傾斜，該建筑物雖有一定程度的損傷但整體可被修復后繼續使用，而北側的附屬鋼結構建筑物部分坍塌，結構失效。

圖4 爆炸事故現場示意圖Fig.4 Schematic diagram of the explosion accident scene

5.2 因素權重的確定

根據上述評價方法并參考各專家的意見，得到各層次風險因素的初始判斷矩陣，再根據公式(1)～(3)構建模糊一致性矩陣。以準則層風險因素

U

為例，構建的初始判斷矩陣和模糊一致性矩陣見表9和表10。

表9 化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險因素U1相對重要性的初始判斷矩陣Table 9 Initial judgment matrix of relative importance of U1 factor layer for risk assessment of antiexplosion safety performance of chemical industry park building structure

表10 化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險因素U1的模糊一致性矩陣Table 10 Fuzzy consistency matrix of U1 factor layer for risk assessment of anti-explosion safety performance of chemical industry park building structure

由公式(4)～(6)可求得矩陣的最終權向量。在此工程實例下，應用模糊數學理論的距離判別分析法得出當

a

=2時利用約束規劃解法得出的權向量初值比利用行和歸一法得出的權向量更加貼近最佳值，精度更加準確，且最終經過一次迭代后得出的最終權向量為

W

()=(0.182 9,0.112 8,0.098 3,0.133 2,0.128 4,0.128 5,0.138 8,0.076 1)

準則層風險因素和方案層風險因素各因素的權重計算結果，見表11。

表11 化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險各因素的權重Table 11 Risk factor weight for risk assessment of antiexplosion safety performance of chemical industry park building structure

5.3 評價矩陣的建立

為了得到化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險水平的評價等級,在計算了各因素的權重后,本文采用分值法即邀請5名相關專業專家對各因素的安全風險情況進行打分,得到該建筑物結構抗爆安全性能單因素風險評價結果(即評價矩陣)，見表12。

表12 化工園區建筑物結構抗爆安全性能單因素風險評價矩陣Table 12 Single-factor risk assessment matrix for antiexplosion safety performance of chemical industry park building structure

5.4 模糊綜合評價

(1) 一級模糊綜合評價。根據公式(8)，結合表11和表12，可得到一級模糊綜合評價結果如下：

B

=(0

.

176 8,0

.

308 3,0

.

256 3,0

.

169 3,0

.

089 3)；

B

=(0

.

120 6,0

.

158 4,0

.

272 8,0

.

253 3,0

.

194 9)；

B

=(0

.

227 0,0

.

239 1,0

.

271 8,0

.

333 7,0

.

076 4)；

B

=(0

.

391 0,0

.

230 1,0

.

185 6,0

.

132 3,0

.

061 0)；

B

=(0

.

184 3,0

.

320 3,0

.

275 4,0

.

185 2,0

.

034 8)。

(2) 二級模糊評價。根據一級模糊評價的結果,由公式(9)可得到二級模糊綜合評價結果為

B

=

W

°

R

=(0

.

191 2,0

.

248 6,0

.

258 0,0

.

194 0,0

.

109 2)

(3) 模糊綜合評價。根據上述計算結果,由公式(10)和表7，可得到江蘇響水聯化科技有限公司東廠動力車間(東12棟)建筑物結構抗爆安全性能風險水平模糊綜合評價的標準分值為

F

=

B

×

V

=

B

×(0

.

95,0

.

80,0

.

65,0

.

50,0

.

20)

=0.663 3

根據風險等級修正方法(見表8)，該建筑物為動力車間提供動力，無危險物質生產和儲存，因而屬于工業生產區但非工業生產建筑，可維持原風險等級。該化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險水平模糊綜合評價的標準分值

F

為0.663 3，該建筑物在相應的抗爆設防等級下的抗爆安全性能風險水平等級屬于Ⅲ級即“一般安全級”，在風險控制準則中屬于較高風險，應采取適當風險管控措施并進行風險監測。在實際工程案例中，該建筑物在4度左右的抗爆設防烈度中，主體結構有一定的損壞，但可修復，而附屬鋼結構則徹底破壞無法修復，說明本文建立的化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估結果與爆炸后建筑物實際檢測結果基本相符，可以較好地反映該建筑物結構抗爆安全性能風險等級水平，通過評估后采取相應的管控措施可有效地降低實際爆炸后建筑物的損傷，可為化工園區建筑物火災爆炸事故風險管理提供一定的參考。

6 結論與建議

(1) 根據常見建筑物結構抗爆安全性能的風險因素，參考相關資料和規范，分析并總結出影響化工園區建筑物結構抗爆安全性能的風險因素，以建筑物結構因素、抗爆措施因素、危險源因素、防爆管理因素和外部及環境因素5個一級風險因素為主要方面，建立了化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估指標體系。

(2) 確立了針對化工園區建筑物結構的抗爆設防等級，為整個建筑物結構抗爆安全性能風險評估模型建立了基礎和前提，使風險評估模型更具有針對性和實用性。

(3) 對模糊層次分析法進行了有針對性的改進，運用大量爆炸事故現場建筑物檢測數據并結合多位專家評分確立了各風險因素的權重，隨后采用模糊綜合評價法從安全風險的角度對評估指標進行綜合評判，建立了化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估模型。

(4) 確定風險等級并將其量化，且考慮建筑物使用類別和危險源區域引入安全風險修正系數，從而綜合得到化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險等級。

(5) 將建立的化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估模型運用到實際的工程案例中，所得評估結果與實際情況基本相符，說明該評估模型能有效和可靠地評估化工園區建筑物結構抗爆安全性能的風險水平。

(6) 本文所建立的化工園區建筑物結構抗爆安全性能風險評估體系在一定程度上彌補和豐富了化工園區安全生產管理的內容，對指導化工園區建筑物結構抗爆安全性能管理有一定的借鑒意義。今后可進一步研究風險管控措施內容和建立建筑物結構抗爆安全性能的預警體系，將研究成果落實到實際操作管理中，以提高研究課題的現實作用和意義。