基于事件樹的高層建筑火災風險評估

聞英男

北京市東城區(qū)消防救援支隊，北京 100010

0 引言

隨著社會經濟的高速發(fā)展，各地出現(xiàn)了大量高層建筑，其節(jié)約城市用地的同時也帶來了許多消防安全問題。高層建筑一旦發(fā)生火災，會造成嚴重后果，對高層建筑進行火災風險評估非常重要。國內外很多學者研究建筑火災風險評估。盧健等[1]利用層次分析法建立高層建筑評價指標體系，從消防安全、消防規(guī)劃、智能化信息管理等方面對高層建筑安全狀況進行評價。吳鐳[2]分析大型商業(yè)綜合體在安全疏散、防火分區(qū)方面存在的風險，提出構建高效疏散引導系統(tǒng)、環(huán)形疏散流線、對防火分隔進行透明化設計等安全疏散和防火分區(qū)優(yōu)化思路。苑小晶[3]應用層次分析法、模糊綜合評價法、專家打分法對某商場的消防安全能力進行分析，從建筑空間結構、日常消防管理、滅火救援設施等方面建立評價指標體系，采用模糊綜合評價法對商場進行實例評估。徐敏等[4]建立基于遺傳算法和神經網絡的高層建筑火災風險評價模型。田玉敏等[5]將概率方法與模糊評價方法相結合，建立高層建筑火災風險的概率模糊綜合評價模型。目前，對高層建筑火災風險評估方法與理論的研究比較豐富，大部分研究集中于模糊綜合評價方法的應用，將事件樹分析方法應用到高層建筑火災風險評估中的研究較少。

1 事件樹分析方法簡介

事件樹分析方法(Event Tree Analysis，簡稱ETA)起源于決策樹分析，是建立在概率論和運籌學基礎上的一種定量風險分析方法。事件樹分析方法最初用于系統(tǒng)可靠性分析，目前廣泛用于事故分析領域。事件樹分析以初始事件為起點，按分支事件發(fā)生發(fā)展的時間順序由初始事件推導可能的后果事件。事件樹既可以直觀反映整個事件的動態(tài)變化過程，預測事故及不安全因素，估計事故可能后果；又可以定量計算各階段和最終事故概率，從而對可能存在的風險進行定量分析[6]。

事件樹基本結構如圖1所示，主要包括初始事件、分支事件和后果。(1)初始事件是可能引發(fā)系統(tǒng)安全后果的內部故障或外部事件。(2)分支事件是在初始事件發(fā)生后，可能按一定順序相繼發(fā)生的其他事件，這些事件可能是系統(tǒng)功能設計中所決定的某些設施的啟動，也可能是系統(tǒng)外部正?；蚍钦Ｊ录陌l(fā)生。每一分支事件只能取完全對立的兩種狀態(tài)(成功或失敗，正常或故障，安全或危險等)之一，直到出現(xiàn)后果為止。(3)后果是由初始事件和分支事件的發(fā)生或不發(fā)生所產生的結果。

圖1 事件樹基本結構圖

事件樹火災風險評估方法就是將事件樹分析方法應用于火災風險評估領域，將火災事故發(fā)生的可能性、消防系統(tǒng)成功概率和火災后果結合起來度量火災風險。事件樹火災風險評估方法充分考慮可能出現(xiàn)的火災場景、可能造成的火災損失后果及發(fā)生概率等。

2 高層建筑事件樹火災風險評估方法構建

事件樹火災風險評估方法主要包括五個步驟：風險容忍度確定、事件樹構建、火災場景發(fā)生概率計算、火災損失后果計算、火災風險評估。

2.1 風險容忍度確定

風險容忍度就是人們可以承受的風險大小，超出范圍就必須采取措施。風險容忍度一般用傷亡人數(shù)和財產損失折合貨幣值來度量。實踐中，可以通過一段時期內(通常是一年)人員遭受火災而導致死亡的概率、建筑發(fā)生火災造成一定財產損失的概率來綜合確定風險容忍度。確定火災中人員傷亡和財產損失可接受風險水平是一個復雜問題，它既涉及工程技術問題，也涉及人們心理素質、道德觀念和經濟承受能力等；它不僅受技術手段影響，而且還涉及政治、經濟、健康和環(huán)境等領域。目前，我國對風險容忍度的研究還處于起步階段，還沒有出臺相應的火災風險容忍度標準。因此，在實際工程應用中，需要借鑒國外經驗與成果，同時結合我國相關法律法規(guī)來確定。

2.2 事件樹構建

事件樹主要由火災初始事件、路徑事件、事件樹分支邏輯結構組成。(1)火災初始事件是構建事件樹的第一要件，它是在火災事故未發(fā)生時，可能導致事故發(fā)生的危害事件或危險事件，如設備短路、人為操作失誤、縱火等。火災初始事件通常通過歷史火災事故統(tǒng)計分析、場景辨識工作表等方法來確定。確定火災初始事件必須同時滿足兩個條件：一是火災事故后果超過了社會風險容忍度；二是該事件出現(xiàn)的概率不能過低。(2)路徑事件是火災初始事件后序發(fā)生的事件，是影響火災蔓延或限制火災初始事件發(fā)展的各相關因素。路徑事件主要有燃料性質(熱釋放速率)、火焰?zhèn)鞑ヅc二次引燃、通風作用、結構失效、火災探測報警系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)、被動防火措施(防火間隔、防火墻等)、人工滅火系統(tǒng)、空間限制等。(3)事件樹分支邏輯結構一般遵循由左至右的順序，從火災初始事件開始，按照事件發(fā)展過程逐層展開，用樹枝代表事件的發(fā)展途經。一般用上分支表示系統(tǒng)成功，下分支表示失敗，事件樹不同分支對應不同的火災事故后果。

2.3 火災場景發(fā)生概率計算

用事件樹進行火災風險評估，要確定事件樹初始事件、各分支事件的發(fā)生概率。目前，常用的方法主要有概率統(tǒng)計分析方法、專家打分法等。概率統(tǒng)計分析方法以過去事故統(tǒng)計數(shù)據為基礎，運用大數(shù)定律與正態(tài)分布規(guī)律，對事故數(shù)據進行定量預測，具有比較好的準確性。專家打分法是通過匿名方式征詢有關專家的意見，對專家意見進行統(tǒng)計、處理、分析和歸納，客觀綜合多數(shù)專家經驗與主觀判斷，經過多輪意見征詢、反饋和調整后，對研究目標的權值及可信度進行分析的方法。專家打分法可以對大量難以采用技術方法進行定量分析的因素作出合理估算。

2.4 火災損失后果計算

火災損失后果分為直接損失和間接損失。直接損失包括人員傷亡，建筑、設備和其他各類財產被燒毀、燒損等所造成的損失。間接損失包括因火災而停工、停產、停業(yè)所造成的損失，傷亡人員經濟收入的降低及治療、善后費用等。在火災風險評估中，為統(tǒng)一風險量化結果，往往將風險后果與等價貨幣值聯(lián)系起來考慮。根據《最高人民法院關于審理人身損害賠償案件適用法律若干問題的解釋》，我國公民死亡賠償金一般為40萬元左右，因此，以40萬元作為生命等價貨幣值。

2.5 火災風險評估

在獲得火災發(fā)生概率及火災損失的基礎上，通過式(1)計算各火災場景的風險大小。

Ri=Pi×Ci(1)

式中，Ri為風險；Pi為火災場景發(fā)生概率；Ci為火災損失。

各火災場景風險值總和即為總風險R，通過式(2)計算。

生命風險、財產風險、總風險的等價貨幣值分別按照式(3)、式(4)、式(5)計算。

RY=RYL+RYD(5)

式中，RYL為生命風險等價貨幣值；RL為生命風險；Y為生命貨幣值；P為火災發(fā)生概率；RYD為財產風險等價貨幣值；RD為財產風險等級；RYDu為RD所屬財產風險等級區(qū)間上閾等價貨幣值；RYDl為所屬財產風險等級區(qū)間下閾等價貨幣值；RDu為RD所屬財產風險等級區(qū)間上閾值；RDl為所屬財產風險等級區(qū)間下閾值；RY為總風險等價貨幣值。

評估得出的結果與可接受火災風險水平相比較，低于可接受水平，則目標處于安全狀態(tài)；高于可接受水平，則目標火災風險較大，必須制定安全措施使風險水平降低到可接受水平范圍內。

3 高層建筑事件樹火災風險評價方法實例應用

3.1 實例概況

某高層建筑為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，耐火等級為一級，地上10層，地下1層，總高度40.1 m，占地面積1 490 m2，總建筑面積12 608 m2。該建筑設兩部疏散樓梯，一部為室內封閉樓梯，一部為外置敞開式疏散樓梯，1～4層設置相互貫通的自動扶梯。整棟建筑設置火災自動報警系統(tǒng)和水噴淋滅火系統(tǒng)，自動扶梯四周設置耐火極限為3 h的防火卷簾。建筑1～4層為商業(yè)區(qū)，以經營服裝百貨為主，1層設有4個出口；5～10層為辦公區(qū)，每層南北向平行布置寫字間；地下1層為設備層，設有水泵房、消防水池間及發(fā)電機房等。

3.2 風險容忍度確定

風險容忍度是可接受火災風險水平，按照國際一般認可的生命風險可接受標準，選取1.0×10-4人·年-1作為可接受生命風險水平；可接受財產風險水平以不發(fā)生較大、重大、特別重大火災為準，直接財產損失以不超過1 000萬元為限?？傦L險等價貨幣值也以不超過1 000萬元為限。

3.3 事件樹構建

考慮到儲油間柴油儲存量比較少，且地下1層活動人員較少，火災危險性較小，寫字間人員較為固定，火災荷載相對較低，選取起火部位為火災荷載較密集的商場服裝柜臺。考慮最不利情況，選定初始起火部位為1層商場自動扶梯附近服裝柜臺。事件樹結構如圖2所示，分支事件有起火時間、被人發(fā)現(xiàn)、被人撲滅、探測系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、防火卷簾和噴淋系統(tǒng)。

圖2 事件樹結構圖

3.4 事件概率設定

參考相關統(tǒng)計資料[7-9]，設定初起火災概率、起火被人發(fā)現(xiàn)概率、消防設施啟動成功概率等，如表1所示。白天商場營業(yè)區(qū)一旦發(fā)生火災，會立即被人發(fā)現(xiàn)，因此設定火災被人員發(fā)現(xiàn)的概率為1。夜晚商場只有值班人員，巡視時間間隔在2 h以上，很難第一時間發(fā)現(xiàn)火災，因此在火災報警系統(tǒng)動作前，設定被人發(fā)現(xiàn)的概率為0。

3.5 火災場景發(fā)生概率計算

各火災場景出現(xiàn)的概率可通過初始起火發(fā)生概率與分支事件發(fā)生概率的乘積求得。通過計算，火災場景A1～A19出現(xiàn)概率分別為：0.154 0,0.080 9,0.027 0,0.008 0,0.002 7,0.009 0,0.003 0,0.000 9,0.000 3,0.022 3,0.112 4,0.037 5,0.011 1,0.003 7,0.012 5,0.004 2,0.001 2,0.000 4,0.031 0。

表1 事件概率設定表

3.6 火災危害后果計算

3.6.1 處于危險環(huán)境人數(shù)計算

計算處于危險環(huán)境中的人數(shù)，需要確定疏散所需時間和可用疏散時間。建筑內總疏散人數(shù)為2 905人，其中1～4層分別為337人、400人、362人、282人，5～10層均為254人。利用EVACNET軟件對疏散所需時間進行模擬計算，利用FDS對火場進行模擬，計算可用疏散時間，環(huán)境初始條件與邊界條件設定見表2。以臨界高度上下部煙氣平均溫度分別不超過180 ℃和65 ℃為臨界值，得到火場達到危險狀態(tài)的時間，與EVACNET軟件模擬結果進行對比，計算處于危險環(huán)境的人數(shù)(見表3)。

表2 環(huán)境初始條件與邊界條件設定表

3.6.2 火災財產損失計算

不同火災場景導致的火災損失不同，財產風險等級也不同。為計算方便，用1～5數(shù)字代表“可以忽略不計”“低級”“中級”“高級”“災難級”5個財產損失等級。該建筑投資總額約為8 000萬元，根據不同火災后果情況，設定5個財產損失等級對應的損失貨幣值D(萬元)分別為：D<10，10≤D<100，100≤D<1 000，1 000≤D<5 000，D≥5 000。通過分析事件樹中不同路徑成功與否來判定財產損失等級(見表3)。

3.7 火災風險評估

采用各火災場景發(fā)生概率和火災后果量化值，通過式(1)計算得出各火災場景生命風險和財產風險，具體結果見表3。該建筑火災風險即為各火災場景風險值的總和，按式(2)火災計算，生命風險即人員死亡的風險為4.574×10-4人·年-1，財產風險為0.875。根據式(3)、式(4)、式(5)計算得到生命風險、財產風險、總風險等價貨幣值，分別為4 440.78萬元、8.75萬元、4 449.53萬元。該建筑生命風險遠大于可接受生命風險水平(1.0×10-4人·年-1)，總風險等價貨幣值遠大于可接受風險水平(1 000萬元)，需要采取有效安全措施。

表3 各火災場景危害后果

4 結論

通過構建高層建筑事件樹火災風險評估方法和實例應用研究，得出以下結論：(1)事件樹分析方法層次清晰、分析過程符合人的邏輯思維過程，可以定量分析研究火災風險大小，實例應用表明，具有應用于高層建筑火災風險評估的可行性和優(yōu)越性；(2)火災風險評估中綜合考慮生命風險和財產風險，同時用等價貨幣值代表總風險，能比較全面直觀反映高層建筑火災風險大?。?3)將事件樹火災風險評估方法應用于某高層建筑，得出總火災風險等價貨幣值為4 449.53萬元、生命風險為4.574×10-4人·年-1，火災風險遠大于可接受風險水平。