大型建筑火災(zāi)影響因素PCA-FTA方法研究

周毅 雷林 王淑云 彭巧娟 劉娟 鄭宏偉

摘要：本文提出評價大型建筑火災(zāi)的建筑結(jié)構(gòu)、人員因素、消防設(shè)施、環(huán)境因素等四個一級指標(biāo)和12個二級指標(biāo)體系。首先應(yīng)用PCA方法確定各個因素的權(quán)重，再通過FTA方法來求得各因素的臨界重要度，從而評價每個因素對于其火災(zāi)大小的影響程度，結(jié)合PCA和FTA，定量計算得到建筑火災(zāi)發(fā)生各影響因素權(quán)重?；赑CA-FTA的評價指標(biāo)體系對建筑火災(zāi)的隱患排查將更有針對性，能評價火災(zāi)可能發(fā)生的重要因素，達到預(yù)防大型建筑火災(zāi)目的。

關(guān)鍵詞：大型建筑;PCA;FTA;火災(zāi)

近年來，大型建筑火災(zāi)事故頻繁發(fā)生，引起了社會的廣泛關(guān)注。這些建筑通常具有內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、人員高度密集、人流量大等特點，一旦發(fā)生火災(zāi)就會造成大規(guī)模的財產(chǎn)損失和人員傷亡。對建筑火災(zāi)發(fā)生因素以及安全評價的研究有很多，如：牛發(fā)陽提出綜合PCA—FPP—BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高層建筑火災(zāi)安全評價模型，用于解決高層建筑火災(zāi)安全指標(biāo)間交叉問題，實現(xiàn)科學(xué)、快速地評價高層建筑火災(zāi)安全;馮洋洋提出門的通過率、樓梯的使用率和疏散瓶頸等問題對于火災(zāi)疏散的影響;陳全帥提出以智能應(yīng)急照明疏散指示系統(tǒng)來指引人們進行逃生，可以讓受困人員以最快的速度疏散至安全區(qū)域;張議丹選定火災(zāi)環(huán)境、出口寬度、人員密度等13個因素來研究，并從人員管理、有毒有害物質(zhì)管理、障礙物數(shù)量等方面提出降低疏散時間的有效措施;焦宇陽等提出人員的生理、心理特征對火災(zāi)的影響，從而對優(yōu)化了高層建筑火災(zāi)疏散系統(tǒng)模型;陳長坤等人在其調(diào)查分析中通過采用皮爾遜卡方檢驗分析了性別、年齡、疏散教育培訓(xùn)程度等與疏散心理和行為的相關(guān)性，提出了心理及行為對疏散的影響。

在這些研究的基礎(chǔ)上，本文將火災(zāi)過程中對火災(zāi)疏散影響相關(guān)性大的因素融合為四個一級指標(biāo)層，其分別為：建筑結(jié)構(gòu)、人員因素、消防設(shè)施和環(huán)境因素;再建立一級指標(biāo)下的二級指標(biāo)：建筑結(jié)構(gòu)包含有通道的有效長度、安全門的開放率和建筑的防火等級等;人員因素包含人員的素質(zhì)和個體差異;消防設(shè)施包含有消防滅火系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)、警報系統(tǒng)和指示系統(tǒng)等;環(huán)境因素包含有毒有害氣體、高溫、爆炸等。

一、模型的建立

本文擬采用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA），目的是將多個二級指標(biāo)通過線性變換以選出較少的幾個互不相干的一級指標(biāo)，進而用其刻畫個體。該方法首先通過專家打分得到一個具體的數(shù)值，接著通過PCA得到各個影響因素的準(zhǔn)確權(quán)重，最后通過這些影響因素建立起一個影響火災(zāi)嚴(yán)重程度的事故樹，從而計算建筑火災(zāi)的等級和重要影響因素，并提出重點預(yù)防和監(jiān)測方案。

對整體進行綜合評價：

（1）所有一級指標(biāo)的權(quán)重之和等于1。

（2）每個一級指標(biāo)所屬的二級指標(biāo)的權(quán)重之和等于1。

（3）進行火災(zāi)等級評價的大型建筑物，可以根據(jù)各建筑物結(jié)構(gòu)、消防設(shè)施、人員因素和環(huán)境等因素，對部分指標(biāo)參考權(quán)重進行調(diào)整，但調(diào)整規(guī)則必須依照前兩條的相關(guān)說明。

各二級指標(biāo)的權(quán)重因素采用下式進行調(diào)整，構(gòu)建一個安全檢查評分表，其計算公式如下：

其中? n：二級指標(biāo)的個數(shù);A：一級指標(biāo)的得分;E：總的得分

最終通過式（4）求得的結(jié)果，對檢查結(jié)果進行劃分，共分為優(yōu)良、合格、不合格三個等級，評定方法如下：

（一）優(yōu)良：分項檢查表不存在零分，總分在8分以上。

（二）合格：分項檢查表不存在零分，總分在8分以下，6分以上。

（三）不合格：分項檢查表存在零分或者總分在6分以下。

通過對建筑進行總的評價，當(dāng)結(jié)果為合格或者不合格時，我們對所有重大火災(zāi)的影響因素建立事故樹（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA），通過FTA來排查事故隱患點，從而節(jié)約時間和減少排查難度，建立如圖1：

對以上結(jié)果進行排序，得到所需要的最優(yōu)的改善方案，排名靠前的因素改善得到的回報將是最大。

二、模型分析應(yīng)用

假設(shè)針對某個大型建筑物的這12組因素構(gòu)建一個專家評價表，選取6個專家的評分進行分析，得到下表：

通過SPSS軟件，對各組數(shù)據(jù)進行PCA得到總方差解釋表及其成分分析表：

通過上表可以得到各二級指標(biāo)的權(quán)重為：

對以上結(jié)果用（4）進行各一級指標(biāo)的評分結(jié)果為：

最終用（4）得出綜合評分A為7.111。通過我們的評級方法可以得知，該大型建筑物的火災(zāi)發(fā)生情況評價等級為合格，部分指標(biāo)需要進行整改才能消除隱患，于是我們采用FTA法對其進行隱患排查，找出需要重點整改部分，減少排查整改時間。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)χ8因素的權(quán)重最大，分析得知該大型建筑物的發(fā)生火災(zāi)的主要影響因素是其警報系統(tǒng)，由于警報系統(tǒng)故障，未能及時預(yù)警及場所內(nèi)的人群未能及時疏散，從而造成人員的大量傷亡。該大型建筑物后勤人員應(yīng)該定期對其警報系統(tǒng)進行排查檢修，防止火災(zāi)事故的發(fā)生。

三、結(jié)論

（一）模型計算結(jié)果表明大型建筑火災(zāi)的主要影響因素為消防設(shè)施的警報系統(tǒng)，其功能的有效性影響火災(zāi)發(fā)生后消除、控制、人員疏散和救援一系列工作;

（二）通過PCA和FTA結(jié)合建立和分析建筑火災(zāi)的一級指標(biāo)和二級指標(biāo)為消防安全評價提供了一種新的定量評價方法;

（三）對二級指標(biāo)的評分和權(quán)重利用事故樹分析法進行了計算得出建筑火災(zāi)影響的一級指標(biāo)得分：建筑結(jié)構(gòu)約為2.13，人員因素約為1.414，消防設(shè)施約為2.157，環(huán)境因素約為1.41;

（四）通過計算一級指標(biāo)得分確認(rèn)了建筑火災(zāi)主要影響因素的等級，并指導(dǎo)相關(guān)消防安全檢查重點項目。

參考文獻：

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作者簡介：

周毅（1997.9—），男，湖南婁底人，南華大學(xué)安全工程卓越計劃本科生，主要研究方向：建筑安全、安全管理。

通訊作者：

雷林（1975.12—），湖南省衡陽市南華大學(xué)環(huán)境資源與安全工程學(xué)院。

基金項目：

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃立項項目（201810555011）;湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“工程教育專業(yè)認(rèn)證視域下核特色安全工程專業(yè)課程體系的改革與創(chuàng)新研究”（編號：2017-224）。