基于建筑防火特征參數(shù)的文物建筑評估方法

趙婧昱，盧世平，宋佳佳，明漢奇，張永利，肖玥琰

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省工業(yè)過程安全與應(yīng)急救援工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710054)

0 引 言

中國歷史悠久，文物建筑數(shù)量眾多，現(xiàn)有古建筑263 885處，地域分布廣，全國重點文物保護單位4 296處。文物建筑多為磚木結(jié)構(gòu)，通常由單體建筑組成庭院或建筑群，火災(zāi)荷載大、耐火等級低、火災(zāi)風(fēng)險高[1-3]。近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，旅游資源的不斷開發(fā)，游客訪問量的劇增，大幅度增加了文物建筑的火災(zāi)風(fēng)險隱患[4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對文物建筑的火災(zāi)風(fēng)險評估、防治技術(shù)、防火設(shè)計等方面進行了一定的研究。

風(fēng)險評估方面，孫宜然、高超、劉玉川等學(xué)者[5-9]通過對歷史街區(qū)消防安全的分析，構(gòu)建了全面的歷史街區(qū)消防安全指標體系；孫樂雷對新疆部分文物古建筑進行現(xiàn)場調(diào)研，基于層次分析方法，采用模糊綜合評價進行火災(zāi)風(fēng)險評價，為文物古建筑預(yù)防火災(zāi)事故發(fā)生和防控火災(zāi)隱患提供數(shù)據(jù)支撐[10]；王曉奇提出一種基于模糊層次分析法的木結(jié)構(gòu)古建筑評價方法并利用該方法對某木結(jié)構(gòu)古建筑進行檢測和評價[11]；馬礪、徐志勝等基于實地調(diào)研構(gòu)建出包括文物建筑特征、火災(zāi)危險源、消防設(shè)施、管理水平以及火災(zāi)發(fā)生后處理能力等5個一級指標和18個二級指標的評估體系[12-13]。此外，在防火技術(shù)和設(shè)計方面，薛奕結(jié)合現(xiàn)代消防技術(shù)，針對木構(gòu)文物建筑進行了具體的防火改造設(shè)計研究，并提出防火改造方案[14]；熊軍等為了對現(xiàn)存古建筑有針對性地進行消防保護，分析了古建筑的建筑特征，對現(xiàn)有古建筑消防保護措施的利弊進行了比較，提出采取傳統(tǒng)保護措施與現(xiàn)代保護技術(shù)相結(jié)合的方法[15-16]；李采芹、康雪峰等指出文物建筑火災(zāi)的特點、起因，同時提出了如何降低文物建筑火災(zāi)風(fēng)險筑火災(zāi)風(fēng)險[17-18]。

綜上，文物建筑消防安全形勢嚴峻，建筑物中存在可燃物多、耐火等級低、防護技術(shù)能力有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、監(jiān)管不嚴等問題，因此，對文物建筑的消防安全評估非常重要。基于現(xiàn)場調(diào)研，選取陜南地區(qū)漢中、商洛、安康3市的漢臺遺址、鳳凰街民居、漢濱東藥王廟3處典型文物建筑進行消防安全評估分析。文中建立基于建筑防火參數(shù)的定性分析法并結(jié)合層次分析法，構(gòu)建文物建筑消防安全評估模型，對3處典型文物建筑進行調(diào)研，分析文物建筑消防安全等級，并且根據(jù)評估結(jié)果提出相應(yīng)的防治措施，研究結(jié)果對文物建筑的消防安全保護具有重要的科學(xué)意義。

1 基于建筑防火參數(shù)的定性分析法

定性分析法是對研究對象的火災(zāi)危險情況進行系統(tǒng)和細致地檢查，根據(jù)檢查結(jié)果對火災(zāi)危險性進行評價。目前很多研究是以安全檢查表和預(yù)先危險性分析作為基礎(chǔ)進行的，并且這2種方法工作量大且安全檢查表的質(zhì)量受編制人員的知識水平和經(jīng)驗影響。基于建筑設(shè)計防火規(guī)范[19]建立建筑防火參數(shù)的定性分析法，確定了文物建筑使用性質(zhì)、防范能力、控制條件及火災(zāi)危害程度作為主要指標，對文物建筑進行火災(zāi)風(fēng)險評估。使用性質(zhì)指標考慮文物建筑內(nèi)人員密度、火災(zāi)荷載等因素；防范能力指標考慮文物建筑主體結(jié)構(gòu)的耐火等級、防火分區(qū)、建筑高度3個因素；控制條件指標以文物建筑周圍的火災(zāi)隱患、防火間距等為主要因素；火災(zāi)危害程度指標與文物保護單位遭受火災(zāi)的損失程度，同文物價值、保護單位級別、社會影響、次生災(zāi)害和災(zāi)害影響范圍等因素有關(guān)。

1.1 消防安全等級劃分

根據(jù)文物建筑的使用性質(zhì)、防范能力、控制條件及火災(zāi)危害程度主要指標建立指標體系，見表1；根據(jù)A，B，C等級進行風(fēng)險分級劃分，見表2。

表1 指標體系

1.2 定性分析法建立消防安全評估模型

由于3個建筑在使用性質(zhì)方面均屬于參觀游覽類和居住類建筑，且防范能力較弱，火災(zāi)危險性較大，固均屬于一級風(fēng)險建筑，見表3。

表2 分級標準

2 基于層次分析法的文物建筑消防安全等級定量分析

層次分析法對難以量化的因素的重要性、影響力、優(yōu)先程度提供了一種科學(xué)的決策方法[20-22]具體步驟如下：構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造每個層次判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗以及層次總排序及一致性檢驗[23-25]。根據(jù)定性分析法建立消防安全評估模型可得出，使用性質(zhì)、防范能力、火災(zāi)危害程度3類因素均與人為因素有關(guān)；控制條件、火災(zāi)危害程度這2類因素與電氣因素有關(guān)；防范能力、火災(zāi)危害程度這2類與自然因素有關(guān)。

表3 文物建筑消防安全評估

2.1 層次分析法建立消防安全評估模型

文物建筑近10年來火災(zāi)事故因素如圖1所示，從圖1可以看出，文物建筑火災(zāi)發(fā)生最主要原因是由于人為因素、電氣因素和自然因素。

圖1 2010—2019年火災(zāi)事故因素占比統(tǒng)計Fig.1 2010—2019 statistics of fire accident factors

在節(jié)假時期人員密集，火災(zāi)隱患較多。由于年代久遠，建筑內(nèi)部出現(xiàn)電路老化以及電氣工程安裝施工不合格等電氣因素；由于沒有嚴格對員工安全教育培訓(xùn)，制度責(zé)任不明確，工作人員違規(guī)用火用電導(dǎo)致此建筑有較大的安全隱患。

2.1.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

以上面要素為出發(fā)點分析判斷進行精細劃分得到指標層的評價要素，以漢臺遺址為例，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchy chart

2.1.2 構(gòu)造判斷矩陣

通過對人為因素、電氣因素、自然因素3個方面對文物建筑消防安全狀況進行賦值，建立判斷矩陣，見表4。

表4 成對比較

用方根法計算評價因素權(quán)重向量Wi，見式(1)

(1)

∑ωi=3.871 7

對權(quán)重向量的近似值Wi進行歸一化處理得到評價因素權(quán)重向量Wi，見式(2)

(2)

2.1.3 中間一層對上一層的一致性檢驗

判斷矩陣AW=λW

計算得最大特征值λmax=3.038 5

一致性指標計算見式(3)

(3)

計算得CI=0.019 3，n=3時，RI=0.58

一致性比率計算見式(4)

(4)

2.1.4 底層對中間層權(quán)重計算及一致性檢驗

底層各個要素分別對中間層的人為因素、電氣因素、自然因素進行權(quán)重計算和一致性檢驗，構(gòu)造的判斷矩陣見表5、表6。

表5 判斷矩陣B1-C

由表5可得權(quán)重近似值

∑ωi=4.203

歸一化處理

判斷矩陣AW=λW

計算得λmax=3.038 6

一致性檢驗得CI=0.019 32，n=3時，RI=0.58

計算得CR=0.033 31<0.1，滿足一致性要求

表6 判斷矩陣B2-C

由表6可得權(quán)重近似值

∑ωi=2.683 3

歸一化處理

判斷矩陣AW=λW

計算得λmax=2.000 1

一致性檢驗得CI=0.001≈0滿足一致性要求。

表7 判斷矩陣B3-C

λ=n時，A為一致矩陣，滿足一致性要求。

2.1.5 底層對上層企業(yè)職業(yè)病安全狀況權(quán)重計算

人為因素對文物建筑消防安全狀況的權(quán)重為(0.111 7，0.151 5，0.373 8)

電氣因素對文物建筑消防安全狀況的權(quán)重為(0.043 1，0.215 2)

自然因素對文物建筑消防安全狀況的權(quán)重為(0.104 7)

從表8可以看出，每個因素對目標層的影響程度不同，在該文物建筑中對其消防安全狀況影響最大的是安全培訓(xùn)不合格。

表8 漢臺遺址文物建筑消防安全狀況的權(quán)重

漢臺遺址主要為參觀游覽類建筑，人流量較大加之安全培訓(xùn)不合格、電氣工程安裝、施工不嚴格、制度、責(zé)任不明確極易增大其火災(zāi)危險性。該文物建筑在消防安全培訓(xùn)方面應(yīng)該提高重視程度，制定這方面的預(yù)防和管理措施。

同理，鳳凰街民居與漢濱東藥王廟的安全狀況排序見表9、表10。

表9 鳳凰街民居文物建筑消防安全狀況的權(quán)重

從表9的綜合權(quán)重排序得出，不同因素對目標層的影響程度不同，對該文物建筑消防安全狀況起到?jīng)Q定性的作用是生活用火不慎、電氣設(shè)備使用時間過長以及電氣老化，其他因素的影響程度相對較小。

鳳凰街民居為居住類建筑，且防范能力較弱，生活用火不慎易導(dǎo)致火災(zāi)，加之電氣設(shè)備使用過長以及部分電氣老化，易增加其火災(zāi)危險性。

表10 漢濱東藥王廟文物建筑消防安全狀況的權(quán)重

根據(jù)表10的綜合權(quán)重排序，人員的生活用火不慎、點燭燃燈、焚香燒紙是影響該建筑消防安全狀況最主要因素。

根據(jù)定性分析法得出漢濱東藥王廟為一級風(fēng)險建筑，該文物建筑為參觀游覽類建筑，節(jié)假日期間香客聚集，人流量大，加之人員的生活用火不慎以及參觀者點燭燃燈、焚香燒紙，極易增加其火災(zāi)危險性。

3 陜南地區(qū)文物建筑火災(zāi)防治對策措施分析

安全管理與技術(shù)措施是防治火災(zāi)事故的2種手段，并且這2個方面相輔相成缺一不可。為了避免火災(zāi)事故的發(fā)生，需制定嚴格合理的防火安全管理規(guī)章制度和消防預(yù)案，一旦發(fā)生火災(zāi)也可以迅速作出反應(yīng)并且及時撲滅。根據(jù)定性分析法和層次分析法得出，人為因素和電氣因素等可以作為提出防治對策措施的依據(jù)。

如圖3～圖5所示，建立的定性分析和層次分析模型可以得出以下結(jié)論。

圖3 漢臺遺址Fig.3 Hantai Site

圖4 鳳凰街民居Fig.4 Fenghuang street residence

圖5 漢濱東藥王廟Fig.5 Hanbin Dongyaowang temple

3.1 人為因素

定性和定量相結(jié)合，漢臺遺址中安全教育培訓(xùn)不合格和制度責(zé)任不明確導(dǎo)致漢臺遺址防范能力較弱，針對安全培訓(xùn)不合格，應(yīng)要求對員工進行安全教育，如果沒有按照法律、法規(guī)的規(guī)定履行職責(zé)，將會受到法律的制裁；對安全教育培訓(xùn)不合格人員，不得上崗。生活用火不慎導(dǎo)致鳳凰街民居防范能力較弱，針對此因素，盡量使用電燈，明火燈具不得靠近可燃物或者狹小空間。漢濱東藥王廟中，生活用火不慎、點燭燃燈、焚香燒紙均導(dǎo)致防范能力弱，針對這3個因素，需設(shè)立專人看管明火、蠟燭及燈油等易燃物品，設(shè)立獨立焚燒爐，防止燒紙時燃起的火星與可燃物接觸釀成火災(zāi)。

3.2 電氣因素

在漢臺遺址中，電氣工程安裝、施工不嚴格導(dǎo)致該建筑使用性質(zhì)單一，需提高電氣安裝人員的技術(shù)水平，提高安裝施工人員的整體素質(zhì)。總之，在電氣工程的安裝施工工程中，安裝質(zhì)量對后續(xù)施工進行保障起決定作用。只有降低安全隱患的出現(xiàn)，才能對電氣工程安裝過程中存在的質(zhì)量問題進行分析，并根據(jù)問題進行質(zhì)量控制。電氣設(shè)備使用以及電氣老化導(dǎo)致鳳凰街民居使用性質(zhì)單一，需定期找專人進行檢修來保證電氣設(shè)備長期穩(wěn)定運行。根據(jù)定性分析以及權(quán)重計算，電氣因素對漢濱東藥王廟影響較小。

綜上，根據(jù)文物建筑本身性質(zhì)，在發(fā)生火災(zāi)時，漢臺遺址宜選用抽氣式早期火災(zāi)探測器或線性光纖感溫探測器，以及可設(shè)置固定或半固定干粉、氣體滅火系統(tǒng)，或懸掛式自動干粉滅火裝置。鳳凰街民居宜采用纜式線型定溫探測器以及火焰探測器或紅外線感煙探測器以及濕式自動噴水滅火系統(tǒng)。漢濱東藥王廟應(yīng)選用纜式線型定溫探測器以及細水霧滅火系統(tǒng)，防止文物遭到損壞。

4 結(jié) 論

1)基于建筑防火規(guī)范建立定性分析方法，確定了文物建筑使用性質(zhì)、防火性能、控制條件、 危害程度4個典型指標，建立了可行的文物建筑火災(zāi)風(fēng)險評估模型，根據(jù)風(fēng)險程度的由高到地，進一步確定了4個指標的A，B，C等級。根據(jù)此指標，對漢中市的漢臺遺址，商洛市的鳳凰街民居以及安康市的漢濱東藥王廟進行評估，得出3處均為一級風(fēng)險建筑。

2)采用層次分析法得出漢臺遺址、鳳凰街民居、漢濱東藥王廟中對文物建筑消防安全狀況起到?jīng)Q定性的作用均為人為因素和電氣因素，需提高對該方面的重視程度，并且制定有關(guān)的預(yù)防和管理措施。

3)不同類型的文物建筑需要根據(jù)其內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)及空間布局的特殊性，分析各處危險源的風(fēng)險程度，在此基礎(chǔ)上，使用滿足其特定需求的專業(yè)防火裝置及滅火設(shè)備，制定不同的防火對策，從而實現(xiàn)對文物遺產(chǎn)的高效、有效保護。