大型城市綜合體火災(zāi)風(fēng)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(xué) 化學(xué)化工學(xué)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(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

隨經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，現(xiàn)代化、功能多、裝飾新的大型城市綜合體逐漸涌現(xiàn)。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(zāi)隱患。近年來，國內(nèi)外發(fā)生多起綜合體火災(zāi)事故，造成人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失：2008年1月，新疆烏魯木齊德匯國際廣場發(fā)生火災(zāi)[1]；2011年2月，沈陽皇朝萬鑫國際大廈發(fā)生火災(zāi)[2]；2018年3月25日，俄羅斯中部科邁羅沃娛樂中心發(fā)生特大火災(zāi)，造成64人死亡、52人受傷[3]。為預(yù)防大型城市綜合體火災(zāi)事故，進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險評估十分必要，城市綜合體火災(zāi)特殊性為火災(zāi)風(fēng)險評估帶來新的挑戰(zhàn)[4-5]。

國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對大型城市綜合體火災(zāi)風(fēng)險開展研究:Zheng等[6]通過將聚類與AHP結(jié)合,確定大型商場火災(zāi)風(fēng)險等級；Robert[7]從大型城市綜合體建筑復(fù)雜性和火災(zāi)危險性出發(fā)，提出制定相關(guān)管理辦法以完善火災(zāi)監(jiān)測、煙霧報警系統(tǒng)；Howard[8]通過研究大型城市綜合體火災(zāi)受損情況與火災(zāi)溫度變化關(guān)系，提出以建筑結(jié)構(gòu)為主的防火改進(jìn)措施；曹耘[9]結(jié)合典型火災(zāi)案例分析城市綜合體火災(zāi)特點及危害；吳茂洪[10]通過制定滅火預(yù)案、增強(qiáng)實戰(zhàn)演練、增強(qiáng)排煙破拆及結(jié)合現(xiàn)代科技等手段,解決城市綜合體滅火救援難題。

目前,國內(nèi)外對于大型城市綜合體火災(zāi)風(fēng)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(xué)的評價體系。傳統(tǒng)火災(zāi)風(fēng)險評估模型將火災(zāi)發(fā)展與人員疏散同時進(jìn)行評估，缺乏協(xié)調(diào)性，且指標(biāo)權(quán)重為靜態(tài)，缺乏實時性。因此,本文針對大型城市綜合體火災(zāi)特點，建立“雙主線”火災(zāi)風(fēng)險評估模型，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算數(shù)據(jù)[11]，運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計算火災(zāi)發(fā)展主線與人員疏散主線各節(jié)點可靠性，并通過改進(jìn)的火災(zāi)關(guān)聯(lián)度法對“雙主線”進(jìn)行協(xié)調(diào)整合，確定風(fēng)險節(jié)點動態(tài)權(quán)重。研究結(jié)果可定量評估大型城市綜合體火災(zāi)風(fēng)險，有效提高風(fēng)險結(jié)果準(zhǔn)確性。

1 大型城市綜合體火災(zāi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文將從火災(zāi)發(fā)展與人員逃生2個方面對大型城市綜合體火災(zāi)特點進(jìn)行分析。

1.1 火災(zāi)發(fā)展方面

1)大型城市綜合體建筑體量大，綜合體內(nèi)部商店、娛樂廳、倉庫等場所眾多，導(dǎo)致火災(zāi)荷載大。

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

3)綜合體內(nèi)商場、飯店、公寓、車庫、娛樂廳多場所相互聯(lián)結(jié)，火災(zāi)易發(fā)生連鎖反應(yīng)導(dǎo)致多米諾效應(yīng)，造成損失呈幾何倍數(shù)增大。

4)可燃建筑裝飾材料使火災(zāi)擴(kuò)散至上下層，導(dǎo)致火情波及整個建筑[14]。

5)火災(zāi)撲救困難，消防員往往需要前往建筑體內(nèi)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(nèi)部布局復(fù)雜，導(dǎo)向性差，樓層較高，且疏散通道與安全出口距離較遠(yuǎn)。

3)綜合體內(nèi)人員主體為顧客，不熟悉逃生路線且無法進(jìn)行安全演練。

4)綜合體火災(zāi)燃燒不充分且內(nèi)部溫度過高，產(chǎn)生高熱、有毒氣體，增加人員逃生風(fēng)險。

2 “雙主線”火災(zāi)風(fēng)險評估模型建立

結(jié)合大型城市綜合體建筑特點與火災(zāi)危險性，建立“雙主線”火災(zāi)風(fēng)險評估模型，即火災(zāi)發(fā)展主線與人員疏散主線?；馂?zāi)發(fā)展主線按發(fā)展階段分為起火、火勢增長、滅火、火災(zāi)蔓延、蔓延至周圍建筑5個節(jié)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(jié)點?；馂?zāi)發(fā)展主線指標(biāo)體系如圖1所示，人員疏散主線指標(biāo)體系如圖2所示。

圖1 火災(zāi)發(fā)展主線指標(biāo)體系

圖2 人員疏散主線指標(biāo)體系

采用層次分析法，以火災(zāi)發(fā)展與人員疏散為目標(biāo)層，圖1～2各節(jié)點為準(zhǔn)則層，指標(biāo)因素為方案層，按照兩兩對比的方式，由專家按1～9標(biāo)度賦值，對比2個因素重要程度，構(gòu)造判斷矩陣，計算得到雙主線各節(jié)點及指標(biāo)因素對應(yīng)權(quán)重值，見表1～2。

表1 雙主線節(jié)點權(quán)重值

表2 雙主線指標(biāo)因素權(quán)重值

3 節(jié)點可靠性計算與動態(tài)權(quán)重確定

3.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計算模型

定量火災(zāi)風(fēng)險評估法方法概率求解問題具有不確定性，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)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(fā)生前提下A發(fā)生概率；P(B|A)為A發(fā)生前提下B發(fā)生的概率。

3.2 改進(jìn)關(guān)聯(lián)度法確定節(jié)點動態(tài)權(quán)重

引入經(jīng)典數(shù)學(xué)距的概念，定義風(fēng)險因素可靠性為xi，xi到風(fēng)險區(qū)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(fēng)險區(qū)間[aij,bij]的距離；d(xi,Xkj)為xi到風(fēng)險區(qū)間[akj,bkj]的距離；xi為風(fēng)險可靠性。

關(guān)聯(lián)度為指標(biāo)因素可靠性與火災(zāi)風(fēng)險關(guān)聯(lián)程度，本文對關(guān)聯(lián)度閾值進(jìn)行改進(jìn)，劃分風(fēng)險可接受與不可接受2個區(qū)間，簡化計算過程。建立關(guān)聯(lián)度函數(shù)如式(4)所示：

(4)

式中：Ki(xi)為關(guān)聯(lián)度。

結(jié)合表1～2得到“雙主線”各節(jié)點指標(biāo)風(fēng)險關(guān)聯(lián)度函數(shù),如式(5)所示：

(5)

式中：Ki為各節(jié)點風(fēng)險關(guān)聯(lián)度；wij為因素指標(biāo)權(quán)重。

將關(guān)聯(lián)度歸一化處理,得到的節(jié)點權(quán)重隨參數(shù)實時變化。

根據(jù)《關(guān)于調(diào)整火災(zāi)等級標(biāo)準(zhǔn)的通知》對火災(zāi)事故等級劃分即“紅橙黃藍(lán)”4色安全風(fēng)險管控體系，參考相關(guān)建筑設(shè)計防火規(guī)范要求[16-18]以及消防領(lǐng)域?qū)＜医ㄗh,將大型城市綜合體火災(zāi)風(fēng)險劃分為4個等級，見表3。

表3 大型城市綜合體火災(zāi)安全風(fēng)險水平等級

4 評價案例與結(jié)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(yè)中心，共有4幢建筑樓，總面積60萬m2，1號樓為商業(yè)廣場，樓內(nèi)采用中庭式結(jié)構(gòu)，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(cè)，每層樓內(nèi)疏散通道設(shè)計不同；2號建筑樓主要為居民區(qū)；3號樓為27層的高層建筑，包括寫字辦公、酒店住宿、體檢醫(yī)院等；4號樓為展廳與會議室。3號樓設(shè)有消防控制室，建立完善的大型綜合體樓宇系統(tǒng)，綜合體內(nèi)每條疏散通道按規(guī)定放置滅火器，樓層內(nèi)配置自動滅火系統(tǒng)、消防栓、應(yīng)急照明系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、火災(zāi)探測與自動報警、自動滅火聯(lián)動系統(tǒng)等。消防站距離綜合體5 km，每幢設(shè)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(biāo)可靠度通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及云計算得到，計算得到該大型城市綜合體火災(zāi)荷載密度為902 MJ/m2，以商業(yè)為主要業(yè)態(tài)的城市綜合體數(shù)量最多，根據(jù)文獻(xiàn)[19]計算得到，商業(yè)綜合體火災(zāi)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為750 MJ/m2，可燃物可靠性如式(6)所示：

(6)

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

P(x6)=92%×94%×(1-2%)=84.8%

(7)

同理，其余指標(biāo)可靠度參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或采集數(shù)據(jù)可直接計算得到，見表4～5。

表4 火災(zāi)發(fā)展主線指標(biāo)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(qū)間；[akj,bkj]為[0,100]，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重，得到火災(zāi)風(fēng)險關(guān)聯(lián)度。

表5 人員疏散主線指標(biāo)可靠度

對各節(jié)點關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理，如式(8)所示：

(8)

式中：Wi為各節(jié)點指標(biāo)權(quán)重；wi為原體系下節(jié)點權(quán)重；Ki為節(jié)點風(fēng)險關(guān)聯(lián)度，根據(jù)最大隸屬度原則取最大值。雙主線節(jié)點關(guān)聯(lián)度見表6。

表6 節(jié)點關(guān)聯(lián)度

把“雙主線”整合得到各節(jié)點動態(tài)權(quán)重值，見表7。節(jié)點權(quán)重根據(jù)關(guān)聯(lián)度實時變化。

表7 節(jié)點權(quán)重

將各節(jié)點可靠度作為先驗概率，結(jié)合指標(biāo)權(quán)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(biāo)權(quán)重；Pij為風(fēng)險因素可靠度。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果如圖3～4所示。滅火節(jié)點條件概率見表8。

表8 滅火節(jié)點條件概率

圖3 火災(zāi)發(fā)展主線貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合表7各節(jié)點權(quán)重，計算大型城市綜合體火災(zāi)風(fēng)險值如式(10)所示：

(10)

式中：R為大型城市綜合體火災(zāi)風(fēng)險；Ri為各節(jié)點風(fēng)險值；Wi為各節(jié)點權(quán)重。

由表3可知，該大型城市綜合體火災(zāi)風(fēng)險為Ⅱ級，屬于中等風(fēng)險，風(fēng)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(biāo)志、完善出口設(shè)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(wǎng)絡(luò)

5 結(jié)論

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

2)火災(zāi)風(fēng)險評估體系中指標(biāo)參數(shù)實時變化，基于關(guān)聯(lián)度得到權(quán)重動態(tài)變化，當(dāng)指標(biāo)可靠性降低，對應(yīng)節(jié)點權(quán)重升高。對比傳統(tǒng)層次分析法，動態(tài)權(quán)重得到結(jié)果更具客觀性。