基于改進(jìn)模糊層次分析法的化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

陳大川，彭文開

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

我國(guó)化學(xué)工業(yè)園的發(fā)展擴(kuò)大，伴隨著極大的爆炸安全隱患，爆炸事故頻出，園區(qū)內(nèi)建筑物結(jié)構(gòu)安全面臨著化工爆炸事故的威脅，如何保證園區(qū)內(nèi)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能是國(guó)家及化工企業(yè)一直面臨的難題。目前，我國(guó)不斷提高對(duì)相應(yīng)化學(xué)工業(yè)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆性能的要求，工業(yè)和信息化部于2012年修改并發(fā)布了《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50779—2012)，2017年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部又提出進(jìn)一步擴(kuò)大該規(guī)范的范圍，并制定了《石油化工建筑物抗爆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制修訂及相關(guān)工作計(jì)劃。近年來國(guó)外許多學(xué)者對(duì)化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了評(píng)估研究，如美國(guó)化學(xué)過程安全中心(USA,Center for Chemical Process Safety)針對(duì)有爆炸和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的工業(yè)廠房建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，并出版了《爆炸及火災(zāi)的工藝廠房評(píng)估指南》；Olmati等針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑在爆炸作用下的魯棒性進(jìn)行了模擬評(píng)估，得出“魯棒性曲線”計(jì)算模型，為后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)管理和評(píng)估提供了合適的工具；Heudier等通過評(píng)估建筑物結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和估算爆炸引起的內(nèi)力，對(duì)園區(qū)電力變壓器廠房抗爆性能進(jìn)行了安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。而國(guó)內(nèi)鮮有針對(duì)化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究，僅有部分學(xué)者針對(duì)石油企業(yè)的罐區(qū)建筑抗爆安全性能進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，如陳日輝等運(yùn)用事故樹分析法對(duì)酒精儲(chǔ)罐區(qū)的火災(zāi)爆炸事故進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估；辛保泉等通過對(duì)液化烴罐區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆性能和荷載的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得到了抗爆荷載設(shè)防目標(biāo)和損毀破壞可接受的概率。

基于上述研究，本文根據(jù)實(shí)際管理的需求，在相應(yīng)的抗爆設(shè)防等級(jí)上考慮抗爆安全風(fēng)險(xiǎn)的影響，運(yùn)用改進(jìn)后的模糊層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)化學(xué)工業(yè)園區(qū)(簡(jiǎn)稱化工園區(qū))建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立了包括風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)控制4個(gè)階段的化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆性能安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并進(jìn)行了工程實(shí)例驗(yàn)證。

1 化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)常見的建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全風(fēng)險(xiǎn)因素，結(jié)合化工園區(qū)建筑物使用和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，參考化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)資料和相關(guān)規(guī)范，識(shí)別并總結(jié)了影響化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能的風(fēng)險(xiǎn)因素，依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的原則，建立了化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，見圖1。

圖1 化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 指標(biāo)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(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的一級(jí)評(píng)估指標(biāo)包括建筑物結(jié)構(gòu)因素、抗爆措施因素、危險(xiǎn)源因素、防爆管理因素和外部及環(huán)境因素，具體分析如下：

(1) 建筑物結(jié)構(gòu)因素。建筑物結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀對(duì)建筑物本身抗爆能力有直接的決定作用，其中建筑物結(jié)構(gòu)類型、建筑物結(jié)構(gòu)平立面形式以及建筑物結(jié)構(gòu)高度和建筑物結(jié)構(gòu)材料不同，其抵抗建筑物外部爆炸的承受力不同；建筑物結(jié)構(gòu)抗爆水平與建筑物結(jié)構(gòu)抗震能力水平呈正相關(guān)關(guān)系；化工爆炸中，建筑物極易引起連續(xù)性倒塌而產(chǎn)生“多米諾效應(yīng)”，因此在建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)中對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和魯棒性要求很高；而建筑物結(jié)構(gòu)冗余度反映了建筑物結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下極限狀態(tài)的構(gòu)件受力替補(bǔ)性、穩(wěn)定性和荷載重分布性。

(2) 抗爆措施因素。在建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)中，對(duì)抗爆有要求的建筑物應(yīng)有相應(yīng)布置得當(dāng)?shù)目贡胧Ｔ诨@區(qū)對(duì)危險(xiǎn)建筑物的整體規(guī)劃應(yīng)滿足相應(yīng)防爆安全距離；設(shè)置得當(dāng)?shù)姆辣系K物和防爆墻可減少爆炸事故對(duì)建筑物的損害；建筑物中門、窗、電梯等結(jié)構(gòu)脆弱部位應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的防爆處理；建筑物結(jié)構(gòu)泄爆設(shè)計(jì)可有效疏導(dǎo)爆炸荷載作用，減輕建筑物主體結(jié)構(gòu)的破壞程度。

(3) 危險(xiǎn)源因素。建筑物內(nèi)部的物料、裝置和生產(chǎn)工藝的爆炸危險(xiǎn)性各不相同，對(duì)建筑物抗爆能力的要求也不同，因此建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)等級(jí)應(yīng)與其危險(xiǎn)性相匹配，即使建筑物內(nèi)部的物料不發(fā)生爆炸，但建筑物外部發(fā)生的爆炸同樣易引起建筑物內(nèi)爆炸危險(xiǎn)性高的物質(zhì)產(chǎn)生連鎖爆炸反應(yīng)，從而對(duì)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(qiáng)對(duì)建筑物消防應(yīng)急資源和危險(xiǎn)源的日常管理極為重要，對(duì)具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)的建筑物嚴(yán)格實(shí)行通風(fēng)、隔熱降溫、防靜電等防爆管理措施，并設(shè)置防爆墻，在物體表面噴防爆涂料等，使其在爆炸發(fā)生時(shí)能發(fā)揮應(yīng)有的防爆作用。

(5) 外部及環(huán)境因素。要加強(qiáng)對(duì)建筑物外部危險(xiǎn)物質(zhì)的管理，如易燃易爆的生產(chǎn)材料、垃圾、雜物等，嚴(yán)格規(guī)范生產(chǎn)傳輸車輛的停放，以免爆炸發(fā)生時(shí)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)造成二次傷害；要嚴(yán)格按照防爆要求設(shè)計(jì)和規(guī)劃外部生產(chǎn)裝置、傳輸管道、臨時(shí)儲(chǔ)存罐以及外部水資源、電力等設(shè)施，并與建筑物之間設(shè)有防爆裝置，以減少對(duì)建筑物的傷害；建筑物周邊生態(tài)環(huán)境包括地形地貌、土壤質(zhì)量、水文環(huán)境、植被景觀等同樣在爆炸時(shí)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的安全性能有一定的影響，應(yīng)避免將較危險(xiǎn)的生產(chǎn)建筑規(guī)劃在排污水渠、斜坡等不良環(huán)境中，并應(yīng)盡量減少外部景觀物的設(shè)置。

2 化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)防等級(jí)

在化工園中建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)中，考慮到不同的爆炸類型和不同程度的爆炸荷載沖擊，對(duì)建筑物的抗爆設(shè)防等級(jí)有所不同，因此建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系需要在其建筑物相應(yīng)的抗爆設(shè)防等級(jí)的基礎(chǔ)上建立。本文參考相關(guān)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)資料和規(guī)范，確立了化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)防等級(jí)，見表1至表3。

表1 化工園區(qū)建筑物抗爆設(shè)防烈度Table 1 Anti-explosion fortification intensity of chemical industry park buildings

表2 化工園區(qū)建筑物抗爆設(shè)防目標(biāo)Table 2 Anti-explosion fortification target of chemical industry park buildings

表3 化工園區(qū)建筑物抗爆設(shè)防等級(jí)Table 3 Anti-explosion fortification level of chemical industry park buildings

參考《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50779—2012)第5.3.1條規(guī)定和相關(guān)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)資料,當(dāng)爆炸沖擊波超壓峰值過大時(shí)將會(huì)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆性能要求極高，且建設(shè)成本極大，因此考慮到現(xiàn)實(shí)爆炸事故偶然性和經(jīng)濟(jì)性原則，為了防止造成建設(shè)成本的巨大浪費(fèi)，本文針對(duì)化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)防的爆炸沖擊波超壓峰值范圍取40～80 kPa，將抗爆基本設(shè)防烈度設(shè)為4度、抗爆設(shè)防等級(jí)設(shè)為2級(jí)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并滿足下列要求：

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

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

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

3 化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建

由于傳統(tǒng)模糊層次分析法存在主觀性較大的問題，故本文對(duì)模糊層次分析法進(jìn)行了改進(jìn)，使判斷矩陣一致性檢驗(yàn)更加客觀和科學(xué)。在改進(jìn)模糊層次分析法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)判，計(jì)算安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)值，并通過風(fēng)險(xiǎn)矩陣確定安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。構(gòu)建的化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，見圖2。

圖2 化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型Fig.2 Risk assessment model for anti-explosion safety performance of chemical industry park building structure

3.1 風(fēng)險(xiǎn)因素集的建立

根據(jù)化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，建立兩級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素集。設(shè)第一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素集用

U

表示，風(fēng)險(xiǎn)因素集

U

中的子因素為

U

=(

U

，

U

,…,

U

)；

U

中每個(gè)子因素

U

(

i

=1,2,…,

m

)中含

n

個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，用

U

(

j

=1,2,…,

n

)表示，則二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素集

U

=(

U

1,

U

2,…,

U

)(見圖1)。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)語集的建立

根據(jù)上述評(píng)估指標(biāo)體系與模糊綜合評(píng)價(jià)法的需要，建立風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)語集

V

=(

V

,

V

,…,

V

)。為了更好地評(píng)估化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)狀況，將化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全風(fēng)險(xiǎn)水平分為5個(gè)等級(jí)，具體見表4。

表4 化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)

由于化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)具有極強(qiáng)的不確定性，僅采用模糊層次分析法很難表示其影響規(guī)律，因此本文利用響水實(shí)際爆炸案中建筑物檢測(cè)報(bào)告資料并結(jié)合專家打分的方法構(gòu)建判斷矩陣，再通過檢測(cè)數(shù)據(jù)模擬調(diào)整評(píng)估指標(biāo)權(quán)重參數(shù)來確定評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，以盡量避免評(píng)估指標(biāo)權(quán)重計(jì)算過程中人為因素的影響，使得賦值結(jié)果更符合實(shí)際。利用改進(jìn)的模糊層次分析法確定評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的步驟如下：

3.3.1 構(gòu)造模糊互補(bǔ)判斷矩陣

在構(gòu)建化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，利用專家打分法綜合各層次風(fēng)險(xiǎn)因素，采用傳統(tǒng)的9標(biāo)度法(見表5)構(gòu)造初始判斷矩陣

A

=(

a

)×，其中

a

表示因素

U

相對(duì)于

U

的重要程度(

h

=1,2,…,

m

)。但傳統(tǒng)9標(biāo)度標(biāo)度法易將人為主觀性放大，需要進(jìn)行繁雜的一致性檢驗(yàn)，故本文利用

β

(

α

)函數(shù)將判斷矩陣

A

=(

a

)×轉(zhuǎn)換為模糊互補(bǔ)判斷矩陣

R

=(

β

(

α

))×，從而避免傳統(tǒng)9標(biāo)度法需要進(jìn)行復(fù)雜的一致性檢驗(yàn)的缺陷。

β

(

α

)函數(shù)為

表5 傳統(tǒng)9標(biāo)度含義Table 5 Meaning of traditional nine scale

(1)

其中，

α

為模糊互補(bǔ)轉(zhuǎn)換系數(shù)，令上式中

α

≥18，以保證當(dāng)1≤

a

≤9時(shí)，有：0<

β

(

α

)<1，

β

(

α

)=0

.

5，

β

(

α

)+

β

(

α

)=1，則

R

=(

β

(

α

))×是模糊互補(bǔ)判斷矩陣。且通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)

α

=18時(shí)，轉(zhuǎn)換后模糊標(biāo)度區(qū)域能最大限度地覆蓋(0,1)范圍，其結(jié)果見表6。

表6 模糊標(biāo)度含義Table 6 Meaning of fuzzy scale

3.3.2 確立最終權(quán)向量

模糊互補(bǔ)判斷矩陣建立后，根據(jù)文獻(xiàn)[17]的方法將其轉(zhuǎn)換為模糊一致性判斷矩陣并求得最初權(quán)向量

w

：

(2)

(3)

(4)

經(jīng)過優(yōu)化得出最初權(quán)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(quán)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(shí)，有：

式中：

Y

為與判斷矩陣

A

的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；

W

為當(dāng)

x

為單位向量時(shí)，與

A

判斷矩陣的最大特征值對(duì)應(yīng)的規(guī)范化特征向量，也就是權(quán)向量。

由此可得到特征根法的3個(gè)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(jí)范數(shù)‖

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(duì)

Y

+1進(jìn)行歸一化處理，得到最終的權(quán)向量

W

(

k

)：

(6)

(3) 若達(dá)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(xù)迭代，直至達(dá)到精度要求。

綜上，利用響水實(shí)際爆炸案中建筑物檢測(cè)報(bào)告與相關(guān)文獻(xiàn)，并引入新的模糊轉(zhuǎn)換矩陣，對(duì)模糊層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，得到最終的權(quán)向量排序。這在一定程度上避免了復(fù)雜的一致性檢驗(yàn)，同時(shí)降低了主觀上的不確定性。

3.4 評(píng)價(jià)矩陣的建立

評(píng)價(jià)矩陣表示因素集與評(píng)語集之間的關(guān)系，因素對(duì)評(píng)語

V

的隸屬度可由專家調(diào)查法得到。各因素集的評(píng)判矩陣

R

由因素集中單因素評(píng)估結(jié)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(gè)因素對(duì)評(píng)語集中第

j

評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

3. 5 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

(1) 一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。第一層次的每一個(gè)因素的單因素評(píng)價(jià)，是低一層次多因素的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。在得到第二層次指標(biāo)層權(quán)重矩陣

W

和評(píng)價(jià)矩陣

R

后，可利用下式計(jì)算第一準(zhǔn)則層的評(píng)判矩陣

R

:

R

=

W

°

R

(8)

式中：“°”為模糊算子，即為加權(quán)平均模型。

(2) 二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)得到的準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)矩陣

R

，結(jié)合準(zhǔn)則層權(quán)重矩陣

W

，可利用下式計(jì)算二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)集

B

為

B

=

W

°

R

(9)

(3) 模糊綜合評(píng)價(jià)。按照風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)和說明，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集

V

中的元素

V

進(jìn)行賦值,將評(píng)價(jià)結(jié)果量化，通過加權(quán)平均法來處理上述評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終得到化學(xué)工業(yè)園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)值

F

為

F

=

B

×

V

=(

b

,

b

,…,

b

)×(

v

,

v

,…,

v

)

(10)

4 化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定及修正

4.1 安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定

完成上述風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系和模糊綜合評(píng)價(jià)步驟后，需要對(duì)化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)的最終等級(jí)進(jìn)行判定。參考《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50779—2012)、《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344—2004)和《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50144—2019)等國(guó)家相關(guān)規(guī)范，結(jié)合現(xiàn)有建筑物結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)資料和響水實(shí)際爆炸案中建筑物檢測(cè)報(bào)告，確定化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)并將其量化。其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定準(zhǔn)則見表7。

表7 化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)及控制準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)等級(jí)修正

由于化工園區(qū)建筑物使用用途種類繁多，生產(chǎn)區(qū)與辦公區(qū)涇渭分明，因此若完全按照上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估則會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)區(qū)建筑物風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)過低，而辦公區(qū)建筑物風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)過高。因此，應(yīng)根據(jù)建筑物使用用途和其危險(xiǎn)源區(qū)域的不同對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行修正。安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)修正處理方法，見表8。

表8 安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)修正方法Table 8 Modification method of safety risk level

5 工程實(shí)例應(yīng)用與分析

5.1 工程實(shí)例概況

江蘇響水聯(lián)化科技有限公司東廠動(dòng)力車間(東12棟)結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)。該建筑物平面基本形狀為矩形，軸線總長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，框架抗震等級(jí)為四級(jí)，建筑物抗爆設(shè)防等級(jí)為2級(jí)。該建筑物北側(cè)有一附屬鋼結(jié)構(gòu)，其基本形狀為矩形，軸線總長(zhǎng)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(shè)有建筑防爆維護(hù)結(jié)構(gòu)及障礙物，抗爆安全距離約為5～8 m，其與周邊建筑物相對(duì)位置的關(guān)系示意圖，見圖3。該建筑物門窗玻璃電梯等僅進(jìn)行了簡(jiǎn)單、低量級(jí)的防爆處理，建筑物內(nèi)設(shè)有防火地面和防靜電裝置。該企業(yè)設(shè)有安全員且每日進(jìn)行消防及物料安全檢查，管理較為得當(dāng)。

圖3 被評(píng)估建筑物與周邊建筑物相對(duì)位置的關(guān)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(xiàn)場(chǎng)中，臨近化工廠發(fā)生硝化廢料爆炸形成的爆炸沖擊波對(duì)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(jié)構(gòu)構(gòu)件包括梁、柱、屋蓋等出現(xiàn)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(fù)后繼續(xù)使用，而北側(cè)的附屬鋼結(jié)構(gòu)建筑物部分坍塌，結(jié)構(gòu)失效。

圖4 爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the explosion accident scene

5.2 因素權(quán)重的確定

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法并參考各專家的意見，得到各層次風(fēng)險(xiǎn)因素的初始判斷矩陣，再根據(jù)公式(1)～(3)構(gòu)建模糊一致性矩陣。以準(zhǔn)則層風(fēng)險(xiǎn)因素

U

為例，構(gòu)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(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)因素U1相對(duì)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(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)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(quán)向量。在此工程實(shí)例下，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論的距離判別分析法得出當(dāng)

a

=2時(shí)利用約束規(guī)劃解法得出的權(quán)向量初值比利用行和歸一法得出的權(quán)向量更加貼近最佳值，精度更加準(zhǔn)確，且最終經(jīng)過一次迭代后得出的最終權(quán)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(zhǔn)則層風(fēng)險(xiǎn)因素和方案層風(fēng)險(xiǎn)因素各因素的權(quán)重計(jì)算結(jié)果，見表11。

表11 化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)各因素的權(quán)重Table 11 Risk factor weight for risk assessment of antiexplosion safety performance of chemical industry park building structure

5.3 評(píng)價(jià)矩陣的建立

為了得到化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)水平的評(píng)價(jià)等級(jí),在計(jì)算了各因素的權(quán)重后,本文采用分值法即邀請(qǐng)5名相關(guān)專業(yè)專家對(duì)各因素的安全風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行打分,得到該建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果(即評(píng)價(jià)矩陣)，見表12。

表12 化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)

(1) 一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)公式(8)，結(jié)合表11和表12，可得到一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)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(jí)模糊評(píng)價(jià)。根據(jù)一級(jí)模糊評(píng)價(jià)的結(jié)果,由公式(9)可得到二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)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(píng)價(jià)。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,由公式(10)和表7，可得到江蘇響水聯(lián)化科技有限公司東廠動(dòng)力車間(東12棟)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)水平模糊綜合評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)分值為

F

=

B

×

V

=

B

×(0

.

95,0

.

80,0

.

65,0

.

50,0

.

20)

=0.663 3

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)修正方法(見表8)，該建筑物為動(dòng)力車間提供動(dòng)力，無危險(xiǎn)物質(zhì)生產(chǎn)和儲(chǔ)存，因而屬于工業(yè)生產(chǎn)區(qū)但非工業(yè)生產(chǎn)建筑，可維持原風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。該化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)水平模糊綜合評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)分值

F

為0.663 3，該建筑物在相應(yīng)的抗爆設(shè)防等級(jí)下的抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)屬于Ⅲ級(jí)即“一般安全級(jí)”，在風(fēng)險(xiǎn)控制準(zhǔn)則中屬于較高風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取適當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)管控措施并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)。在實(shí)際工程案例中，該建筑物在4度左右的抗爆設(shè)防烈度中，主體結(jié)構(gòu)有一定的損壞，但可修復(fù)，而附屬鋼結(jié)構(gòu)則徹底破壞無法修復(fù)，說明本文建立的化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果與爆炸后建筑物實(shí)際檢測(cè)結(jié)果基本相符，可以較好地反映該建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)水平，通過評(píng)估后采取相應(yīng)的管控措施可有效地降低實(shí)際爆炸后建筑物的損傷，可為化工園區(qū)建筑物火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)管理提供一定的參考。

6 結(jié)論與建議

(1) 根據(jù)常見建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能的風(fēng)險(xiǎn)因素，參考相關(guān)資料和規(guī)范，分析并總結(jié)出影響化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能的風(fēng)險(xiǎn)因素，以建筑物結(jié)構(gòu)因素、抗爆措施因素、危險(xiǎn)源因素、防爆管理因素和外部及環(huán)境因素5個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素為主要方面，建立了化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。

(2) 確立了針對(duì)化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)的抗爆設(shè)防等級(jí)，為整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型建立了基礎(chǔ)和前提，使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型更具有針對(duì)性和實(shí)用性。

(3) 對(duì)模糊層次分析法進(jìn)行了有針對(duì)性的改進(jìn)，運(yùn)用大量爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)建筑物檢測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合多位專家評(píng)分確立了各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，隨后采用模糊綜合評(píng)價(jià)法從安全風(fēng)險(xiǎn)的角度對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判，建立了化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

(4) 確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并將其量化，且考慮建筑物使用類別和危險(xiǎn)源區(qū)域引入安全風(fēng)險(xiǎn)修正系數(shù)，從而綜合得到化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

(5) 將建立的化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型運(yùn)用到實(shí)際的工程案例中，所得評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，說明該評(píng)估模型能有效和可靠地評(píng)估化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能的風(fēng)險(xiǎn)水平。

(6) 本文所建立的化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系在一定程度上彌補(bǔ)和豐富了化工園區(qū)安全生產(chǎn)管理的內(nèi)容，對(duì)指導(dǎo)化工園區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能管理有一定的借鑒意義。今后可進(jìn)一步研究風(fēng)險(xiǎn)管控措施內(nèi)容和建立建筑物結(jié)構(gòu)抗爆安全性能的預(yù)警體系，將研究成果落實(shí)到實(shí)際操作管理中，以提高研究課題的現(xiàn)實(shí)作用和意義。