基于FAHP的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究

米紅甫，王文和，肖國清，劉 洪，易 俊

(1.重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 重慶 401331；2.重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,重慶 401331；3.西南石油大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,四川 成都 610500)

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基于FAHP的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究

米紅甫1,2，王文和1,2，肖國清3，劉 洪1,2，易 俊1,2

(1.重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 重慶 401331；2.重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,重慶 401331；3.西南石油大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,四川 成都 610500)

在建立高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，運(yùn)用三角模糊數(shù)，構(gòu)造指標(biāo)兩兩模糊判斷矩陣，然后，結(jié)合三角模糊運(yùn)算和模糊綜合程度值計(jì)算，得到各指標(biāo)的排序，進(jìn)而求得權(quán)重?；谠撃：龑哟畏治龇?FAHP)，建立了高層建筑的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評價(jià)模型，最后以某高層酒店為實(shí)例，計(jì)算出該高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)隸屬矩陣。依據(jù)最大隸屬度原則，該高層建筑的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級為“一般安全”；依據(jù)“賦值法”該高層建筑火災(zāi)安全等級為“一般”。兩結(jié)論一致，且符合該高層建筑火災(zāi)的實(shí)際安全狀況。

火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；高層建筑；模糊層次分析法

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化水平的大幅提高，建筑物結(jié)構(gòu)與功能越來越復(fù)雜化，新技術(shù)也不斷出現(xiàn)，這都導(dǎo)致了建筑火災(zāi)的因素大為增加，建筑火災(zāi)形勢日趨嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，我國2005—2011年共發(fā)生建筑火災(zāi)169 568起，其中放火6 413起，電氣73 082起，違章操作13 961起，用火不慎54 629起，吸煙8 972起，玩火9 524起，自燃2 491起，雷擊21 498起，靜電227起(2005—2007年未統(tǒng)計(jì)該項(xiàng)指標(biāo))，不明496起，其他15 336起。近10年也發(fā)生了多起重大建筑火災(zāi)事件，如2004年吉林中百商廈火災(zāi)，造成53人死亡，70人受傷；2005年吉林遼源市中心醫(yī)院火災(zāi)，造成39人死亡，95人受傷；2009年香港旺角嘉禾大廈火災(zāi)，造成4人死亡，57人受傷；2010年上海高層教師樓火災(zāi)，造成58人死亡，52人受傷；2013年吉林“6·3”火災(zāi)，造成121人死亡，76人受傷。從以上數(shù)據(jù)可以看出建筑火災(zāi)已成為一種不可忽視的災(zāi)害。由于高層建筑對城市用地的節(jié)約化利用等特點(diǎn)，近年來城市建筑越來越高，而帶來的火災(zāi)隱患也更嚴(yán)重。為預(yù)防和減少高層建筑火災(zāi)，對高層建筑物潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)是一種有效的手段。

火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的方法很多，大致可以分為定性評價(jià)、半定量評價(jià)和定量評價(jià)3類[2]。由于定量評價(jià)比定性和半定量評價(jià)更加精確，所以定量評價(jià)已成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)。定量評價(jià)一般從事故的發(fā)生概率出發(fā)，但由于火災(zāi)事故數(shù)據(jù)的缺失及受時(shí)間、費(fèi)用等方面的限制，準(zhǔn)確計(jì)算火災(zāi)的概率是困難的。通常是借助專家的判斷，引入模糊集合的概率對火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，充分發(fā)揮模糊理論的優(yōu)勢[3]：杜紅兵等[4]采用模糊綜合評價(jià)法計(jì)算出高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級，為高層建筑火災(zāi)安全管理提供了理論依據(jù)；田玉敏等[5]將概率方法與模糊方法相結(jié)合，建立高層建筑火災(zāi)概率模糊評價(jià)模型，為火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法研究提供了一種新的嘗試；任貴紅等[6]在對化工儲罐火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估中，將灰關(guān)聯(lián)分析引入到傳統(tǒng)的層次分析法權(quán)重計(jì)算中，結(jié)果較好地反映了化工儲罐的實(shí)際情況。在這些模糊評價(jià)的文獻(xiàn)中，都運(yùn)用了層次分析法確定指標(biāo)體系的權(quán)重，而傳統(tǒng)的層次分析法(AHP)，由于人判斷的主觀性，不同的評價(jià)主體結(jié)果差異很大。鑒于此，筆者在建立高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)詳盡指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，引入模糊層次分析法(FAHP)，構(gòu)造出各指標(biāo)權(quán)重算法，并結(jié)合模糊理論建立了基于FAHP的模糊綜合評價(jià)模型，最后結(jié)合實(shí)例對模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 FAHP原理

傳統(tǒng)的AHP通過對指標(biāo)兩兩比較，采用1～9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，得到定量化的結(jié)論，但是不同的人構(gòu)造判斷矩陣得到的結(jié)論差別會很大，而模糊數(shù)學(xué)能充分考慮人判斷的模糊性，因此VAN LAARHOVEN于1983年把三角模糊數(shù)運(yùn)用到構(gòu)造判斷矩陣中[7]，并結(jié)合三角模糊運(yùn)算和最小二乘法，得到元素的排序，從而將傳統(tǒng)的AHP與模糊理論相耦合，使其成為能在模糊環(huán)境下使用的FHAP。

1.1 三角模糊數(shù)及有關(guān)法則

三角模糊函數(shù)的隸屬函數(shù)μM:R→[0，1]定義[8-9]如下：

(1)

式中:l≤m≤u，l和u分別表示三角模糊函數(shù)M的下界和上界；m為M的中值。一般可把三角模糊函數(shù)M記為(l,m,u)。

設(shè)M1=(l1,m1,u1)，M2=(l2,m2,u2)分別為三角模糊函數(shù)，M1≥M2的可能性程度被定義為：

(2)

1.2 模糊綜合程度值

設(shè)X={x1,x2,…,xn}是一個(gè)對象集，U={u1,u2,…,un}是目標(biāo)集，則第i個(gè)對象滿足目標(biāo)的程度值分別為M1Ei，M2Ei，…，MmEi(i=1,2,…,n)。這里MjEi均為三角模糊數(shù)。由此定義第i個(gè)對象關(guān)于m個(gè)目標(biāo)的綜合程度值為：

(3)

2 模糊綜合評價(jià)方法

2.1 評價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)現(xiàn)代事故致因理論，導(dǎo)致事故的直接原因是人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)，而其根本原因是管理的失誤[10]。因此建立高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系主要著眼于建筑物本身狀況及安全管理制度。筆者吸收前人工作成果，結(jié)合高層建筑自身特點(diǎn)，在專家咨詢及實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，分別從防火能力、滅火能力、內(nèi)部因子、安全管理4個(gè)方面出發(fā)，建立高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

2.2 FAHP法確定指標(biāo)的權(quán)重

在進(jìn)行模糊綜合評價(jià)時(shí)，要給出各因素的權(quán)重，F(xiàn)AHP法確定權(quán)重的步驟為：

(1)根據(jù)高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)總目標(biāo)，建立層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(4)

其中aTij=[ltij,mtij,utij,](i,j=1,2,…,n;t=1,2,…，T)為第t個(gè)專家對指標(biāo)i相對于指標(biāo)j的重要性給出的三角模糊數(shù)。判斷矩陣中三角模糊數(shù)的取值根據(jù)1～9標(biāo)度法確定，三角模糊數(shù)的下界和上界則由專家判斷模糊程度的大小來確定。

(3)對于各模糊判斷矩陣，計(jì)算出其中各個(gè)元素的綜合重要程度值Si。

(4)層次排序。對各模糊判斷矩陣，計(jì)算其第i個(gè)元素Ai重要于其他各元素的可能性程度：

(5)

由此得出W′=(d′(A1),d′(A2)，…,d′(An))T,再將其歸一化，即得到權(quán)重向量W=(d(A1),d(A2),…,d(An))T。

2.3 單因素評價(jià)矩陣的建立

對于高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系所包含的影響因素集，通過聘請消防、安全、建筑專家根據(jù)評價(jià)集對每一因素進(jìn)行打分。設(shè)k個(gè)專家對單因素ui被評為vj的分值分別為cij1,cij2,…，cijk，其中0≤cijp≤100(p=1,2,…，k；i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)，則其平均值為：

(6)

再對各因素進(jìn)行歸一化處理：

(7)

最后得到各因素評價(jià)矩陣R。

2.4 選擇合成算子

將權(quán)重向量W與模糊評價(jià)矩陣R合成得到模糊綜合評價(jià)結(jié)果B:W°R=B。

2.5 綜合評價(jià)結(jié)果分析

采用最大隸屬度原則和賦值法相結(jié)合，對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，確定高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)狀況。所謂賦值法就是對高層建筑火災(zāi)安全等級賦值，且其火災(zāi)安全程度與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度成反比，得分越高，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度越低，高層建筑的消防安全等級越高，高層建筑火災(zāi)安全等級劃分如表2所示。評價(jià)集用Y={98,85,75,65,55}表示。則高層建筑火災(zāi)安全的評價(jià)得分可表示為：

表2 高層建筑火災(zāi)安全等級劃分

(8)

3 實(shí)例分析

3.1 某高層建筑簡介

筆者以成都市某高層酒店為研究對象，該建筑于2010年正式投入使用，其地上18層，地下兩層，該主體建筑面積為9 456.15 m2，建筑高度為63.85 m，該建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。防火設(shè)計(jì)建筑分類為一類，耐火等級為一級。該酒店每個(gè)房間都設(shè)有自動噴淋滅火設(shè)施，防火門、防火窗和防火卷簾均為甲級，每層劃分兩個(gè)水平防火分區(qū)。

3.2 模糊綜合評價(jià)

3.2.1 運(yùn)用FHAP確定指標(biāo)的權(quán)重

3位火災(zāi)方面的專家通過對4個(gè)一級指標(biāo)重要性的兩兩比較，就指標(biāo)層對目標(biāo)層的重要程度采取1～9標(biāo)度法進(jìn)行打分，得到4個(gè)一級指標(biāo)對于高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的三角模糊判斷矩陣，如表3所示。

表3 U1～U4的三角模糊判斷矩陣

首先根據(jù)式(3)計(jì)算各個(gè)一級指標(biāo)相對于其他一級指標(biāo)的綜合重要程度值：

(0.141,0.225,0.341)

S2≈(0.194,0.297,0.474)

S3≈(0.125,0.212,0.305)

S4≈(0.173,0.265,0.427)

再根據(jù)式(2)和式(5)求得各個(gè)一級指標(biāo)重要于其他一級指標(biāo)的可能性程度：d′(U1)=V(S1≥S2,S3,S4)=min(0.671,1.000,0.807)=0.671，d′(U2)=V(S2≥S1,S3,S4)=min(1.000,1.000,1.000)=1.000，d′(U3)=V(S3≥S1,S2,S4)=min(0.925,0.565,0.712)=0.565，d′(U4)=V(S4≥S1,S2,S3)=min(1.000,0.880,1.000)=0.880。

由上可知，W′=(0.671,1.000,0.565,0.880)。將W′歸一化，得到U1～U4相對于U的權(quán)重向量為W=(0.22,0.32,0.18,0.28)。同理可計(jì)算出其他各二級指標(biāo)的權(quán)重，如表4所示。

3.2.2 確定各單因素評價(jià)矩陣

邀請10位專家對該高層建筑評價(jià)打分，并根據(jù)式(6)和式(7)求得各單因素評價(jià)矩陣，匯總?cè)绫?所示。

3.2.3 合成模糊綜合評價(jià)結(jié)果

通過應(yīng)用多因素多級模糊綜合評價(jià)方法，對建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評價(jià)，建筑防火能力的評價(jià)結(jié)果為：

表4 指標(biāo)體系權(quán)重值及隸屬度

B1=W1°R1=

(0.10,0.11,0.13,0.17,0.18,0.12,0.19)°

(0.20,0.30,0.33,0.15,0.20)

同理可得滅火能力、內(nèi)部因子、安全管理的評價(jià)結(jié)果分別為：B2=(0.13,0.28,0.39,0.15,0.05),B3=(0.18,0.21,0.35,0.23,0.03),B4=(0.03,0.19,0.46,0.26, 0.06)。最后得到合成的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果為:

B=W°R=(0.22,0.32,0.18,0.28)°

(0.13,0.25,0.39,0.20,0.04)

3.2.4 結(jié)果分析

表5所示為模糊綜合評價(jià)結(jié)果匯總。①根據(jù)最大隸屬度原則，可知建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)第三級隸屬度最大，對應(yīng)于“一般安全”級別，表明該酒店火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)基本合格。②高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)通過上述的“賦值法”進(jìn)一步量化，根據(jù)式(8)可得T=B°YT=(0.13,0.25,0.39,0.20,0.04)°(95,85,75,65,55)T=78.05，即對應(yīng)于安全等級為“一般”，與前面所得結(jié)果一致。③從表5可知防火能力和滅火能力第二級即“較安全”隸屬度分別達(dá)到了0.30和0.28，表明該高層建筑在防火和滅火這兩方面的消防設(shè)計(jì)做得比較規(guī)范，并且實(shí)際消防設(shè)施也滿足要求。而內(nèi)部因子和安全管理的第四級即比較危險(xiǎn)的隸屬度分別達(dá)到了0.23和0.26，主要原因是人員消防意識不夠、輸配電設(shè)計(jì)不夠系統(tǒng)(線路復(fù)雜)、消防安全疏散管理低下以及用火用電用油管理混亂，所以該高層建筑需在以上這些方面進(jìn)行改進(jìn)。

表5 模糊綜合評價(jià)結(jié)果匯總

4 結(jié)論

(1)筆者采用三角模糊數(shù)構(gòu)造出指標(biāo)體系的模糊判斷矩陣，通過三角模糊數(shù)的運(yùn)算和最小二乘法求得各指標(biāo)的權(quán)重，該FAHP法既避免了權(quán)重確定中人為的隨意性，又考慮了人為判斷的模糊性，是一種更貼近實(shí)際狀況的權(quán)重計(jì)算方法。

(2)筆者基于FAHP法，通過多級模糊綜合評價(jià)得出該建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最大隸屬度為0.39，對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級為“一般安全”，通過分析各一級指標(biāo)隸屬度，指出了該高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防范的薄弱環(huán)節(jié)。再通過安全等級賦值，得出該高層建筑的消防安全得分為78.05，對應(yīng)等級為“一般”。該綜合分析方法避免了最大隸屬度的單一性和片面性，所得結(jié)果與該建筑實(shí)際安全狀況吻合，能更直觀明了地找出安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

(3)基于FAHP法的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評價(jià)是在火災(zāi)安全工程評價(jià)方法基礎(chǔ)上演繹而來，其本質(zhì)是火災(zāi)安全工程評價(jià)方法在地上空間火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的具體運(yùn)用。其為高層建筑的“性能化”防火設(shè)計(jì)提供了新思路，為更加科學(xué)、合理、有效地防治高層建筑火災(zāi)提供了理論支撐。

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MI Hongfu:Lect.; School of Safety Engineering, Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331, China.

Research on Fire Risk Assessment of High-rise Building Based on FAHP

MIHongfu,WANGWenhe,XIAOGuoqing,LIUHong,YIJun

After establishing the evaluation index system for high-rise building, fuzzy judgement matrix was constructed with the aid of the triangular fuzzy number. Then, the rankings of index were obtained by using the triangle fuzzy operation and fuzzy comprehensive value calculation. Finally, the weights were obtained. Based on fuzzy analysis hierarchy process (FAHP), fire risk fuzzy comprehensive evaluation model is established for high-rise building, and taking a high-rise building hotel as an example, the fire risk membership matrix was obtained by using this model. According to the maximum membership degree principle, the fire risk level of the high-rise building is "general safety"; According to assignment method, the fire safety rating of the high-rise building is "general". Both conclusions are consistent and in line with the actual safety situation of the high building fire.

fire risk; high-rise building; fuzzy analytical hierarchy process

2095-3852(2017)02-0148-05

A

2016-11-20.

米紅甫(1986-),男,四川南部人,重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院講師，博士,主要研究方向?yàn)橛蜌饣ぐ踩⒔ㄖ馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估.

2017年度重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究基金項(xiàng)目(KJ1713332).

X9

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.006