基于FAHP的高層建筑火災風險評價研究

米紅甫，王文和，肖國清，劉 洪，易 俊

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

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基于FAHP的高層建筑火災風險評價研究

米紅甫1,2，王文和1,2，肖國清3，劉 洪1,2，易 俊1,2

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

在建立高層建筑火災風險評價指標體系的基礎上，運用三角模糊數，構造指標兩兩模糊判斷矩陣，然后，結合三角模糊運算和模糊綜合程度值計算，得到各指標的排序，進而求得權重?；谠撃：龑哟畏治龇?FAHP)，建立了高層建筑的火災風險模糊綜合評價模型，最后以某高層酒店為實例，計算出該高層建筑火災風險隸屬矩陣。依據最大隸屬度原則，該高層建筑的火災風險等級為“一般安全”；依據“賦值法”該高層建筑火災安全等級為“一般”。兩結論一致，且符合該高層建筑火災的實際安全狀況。

火災風險；高層建筑；模糊層次分析法

隨著我國經濟的發展和城市化水平的大幅提高，建筑物結構與功能越來越復雜化，新技術也不斷出現，這都導致了建筑火災的因素大為增加，建筑火災形勢日趨嚴峻。據統計[1]，我國2005—2011年共發生建筑火災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年未統計該項指標)，不明496起，其他15 336起。近10年也發生了多起重大建筑火災事件，如2004年吉林中百商廈火災，造成53人死亡，70人受傷；2005年吉林遼源市中心醫院火災，造成39人死亡，95人受傷；2009年香港旺角嘉禾大廈火災，造成4人死亡，57人受傷；2010年上海高層教師樓火災，造成58人死亡，52人受傷；2013年吉林“6·3”火災，造成121人死亡，76人受傷。從以上數據可以看出建筑火災已成為一種不可忽視的災害。由于高層建筑對城市用地的節約化利用等特點，近年來城市建筑越來越高，而帶來的火災隱患也更嚴重。為預防和減少高層建筑火災，對高層建筑物潛在的火災風險進行評價是一種有效的手段。

火災風險評價的方法很多，大致可以分為定性評價、半定量評價和定量評價3類[2]。由于定量評價比定性和半定量評價更加精確，所以定量評價已成為現階段研究的熱點。定量評價一般從事故的發生概率出發，但由于火災事故數據的缺失及受時間、費用等方面的限制，準確計算火災的概率是困難的。通常是借助專家的判斷，引入模糊集合的概率對火災風險進行評價，充分發揮模糊理論的優勢[3]：杜紅兵等[4]采用模糊綜合評價法計算出高層建筑火災風險等級，為高層建筑火災安全管理提供了理論依據；田玉敏等[5]將概率方法與模糊方法相結合，建立高層建筑火災概率模糊評價模型，為火災風險評價方法研究提供了一種新的嘗試；任貴紅等[6]在對化工儲罐火災風險評估中，將灰關聯分析引入到傳統的層次分析法權重計算中，結果較好地反映了化工儲罐的實際情況。在這些模糊評價的文獻中，都運用了層次分析法確定指標體系的權重，而傳統的層次分析法(AHP)，由于人判斷的主觀性，不同的評價主體結果差異很大。鑒于此，筆者在建立高層建筑火災風險詳盡指標體系基礎上，引入模糊層次分析法(FAHP)，構造出各指標權重算法，并結合模糊理論建立了基于FAHP的模糊綜合評價模型，最后結合實例對模型進行驗證。

1 FAHP原理

傳統的AHP通過對指標兩兩比較，采用1～9標度法構造判斷矩陣，得到定量化的結論，但是不同的人構造判斷矩陣得到的結論差別會很大，而模糊數學能充分考慮人判斷的模糊性，因此VAN LAARHOVEN于1983年把三角模糊數運用到構造判斷矩陣中[7]，并結合三角模糊運算和最小二乘法，得到元素的排序，從而將傳統的AHP與模糊理論相耦合，使其成為能在模糊環境下使用的FHAP。

1.1 三角模糊數及有關法則

三角模糊函數的隸屬函數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M的下界和上界；m為M的中值。一般可把三角模糊函數M記為(l,m,u)。

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

(2)

1.2 模糊綜合程度值

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

(3)

2 模糊綜合評價方法

2.1 評價指標體系的建立

根據現代事故致因理論，導致事故的直接原因是人的不安全行為和物的不安全狀態，而其根本原因是管理的失誤[10]。因此建立高層建筑火災風險指標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，結合高層建筑自身特點，在專家咨詢及實地調研的基礎上，分別從防火能力、滅火能力、內部因子、安全管理4個方面出發，建立高層建筑火災風險的評價指標體系，如表1所示。

表1 高層建筑火災風險評價指標體系

2.2 FAHP法確定指標的權重

在進行模糊綜合評價時，要給出各因素的權重，FAHP法確定權重的步驟為：

(1)根據高層建筑火災風險評價總目標，建立層次系統結構。

(4)

其中aTij=[ltij,mtij,utij,](i,j=1,2,…,n;t=1,2,…，T)為第t個專家對指標i相對于指標j的重要性給出的三角模糊數。判斷矩陣中三角模糊數的取值根據1～9標度法確定，三角模糊數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，計算出其中各個元素的綜合重要程度值Si。

(4)層次排序。對各模糊判斷矩陣，計算其第i個元素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，即得到權重向量W=(d(A1),d(A2),…,d(An))T。

2.3 單因素評價矩陣的建立

對于高層建筑火災風險評價指標體系所包含的影響因素集，通過聘請消防、安全、建筑專家根據評價集對每一因素進行打分。設k個專家對單因素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)

再對各因素進行歸一化處理：

(7)

最后得到各因素評價矩陣R。

2.4 選擇合成算子

將權重向量W與模糊評價矩陣R合成得到模糊綜合評價結果B:W°R=B。

2.5 綜合評價結果分析

采用最大隸屬度原則和賦值法相結合，對評價結果進行綜合分析，確定高層建筑火災風險狀況。所謂賦值法就是對高層建筑火災安全等級賦值，且其火災安全程度與火災風險程度成反比，得分越高，火災風險程度越低，高層建筑的消防安全等級越高，高層建筑火災安全等級劃分如表2所示。評價集用Y={98,85,75,65,55}表示。則高層建筑火災安全的評價得分可表示為：

表2 高層建筑火災安全等級劃分

(8)

3 實例分析

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，該建筑設計使用年限為50年，結構安全等級為二級。防火設計建筑分類為一類，耐火等級為一級。該酒店每個房間都設有自動噴淋滅火設施，防火門、防火窗和防火卷簾均為甲級，每層劃分兩個水平防火分區。

3.2 模糊綜合評價

3.2.1 運用FHAP確定指標的權重

3位火災方面的專家通過對4個一級指標重要性的兩兩比較，就指標層對目標層的重要程度采取1～9標度法進行打分，得到4個一級指標對于高層建筑火災風險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

首先根據式(3)計算各個一級指標相對于其他一級指標的綜合重要程度值：

(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)

再根據式(2)和式(5)求得各個一級指標重要于其他一級指標的可能性程度：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的權重向量為W=(0.22,0.32,0.18,0.28)。同理可計算出其他各二級指標的權重，如表4所示。

3.2.2 確定各單因素評價矩陣

邀請10位專家對該高層建筑評價打分，并根據式(6)和式(7)求得各單因素評價矩陣，匯總如表4所示。

3.2.3 合成模糊綜合評價結果

通過應用多因素多級模糊綜合評價方法，對建筑火災風險進行綜合評價，建筑防火能力的評價結果為：

表4 指標體系權重值及隸屬度

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、內部因子、安全管理的評價結果分別為：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風險評價結果為:

B=W°R=(0.22,0.32,0.18,0.28)°

(0.13,0.25,0.39,0.20,0.04)

3.2.4 結果分析

表5所示為模糊綜合評價結果匯總。①根據最大隸屬度原則，可知建筑火災風險第三級隸屬度最大，對應于“一般安全”級別，表明該酒店火災風險基本合格。②高層建筑火災風險通過上述的“賦值法”進一步量化，根據式(8)可得T=B°YT=(0.13,0.25,0.39,0.20,0.04)°(95,85,75,65,55)T=78.05，即對應于安全等級為“一般”，與前面所得結果一致。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計做得比較規范，并且實際消防設施也滿足要求。而內部因子和安全管理的第四級即比較危險的隸屬度分別達到了0.23和0.26，主要原因是人員消防意識不夠、輸配電設計不夠系統(線路復雜)、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行改進。

表5 模糊綜合評價結果匯總

4 結論

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

(2)筆者基于FAHP法，通過多級模糊綜合評價得出該建筑火災風險最大隸屬度為0.39，對應風險等級為“一般安全”，通過分析各一級指標隸屬度，指出了該高層建筑火災風險防范的薄弱環節。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，所得結果與該建筑實際安全狀況吻合，能更直觀明了地找出安全風險隱患。

(3)基于FAHP法的高層建筑火災風險模糊綜合評價是在火災安全工程評價方法基礎上演繹而來，其本質是火災安全工程評價方法在地上空間火災風險評價中的具體運用。其為高層建筑的“性能化”防火設計提供了新思路，為更加科學、合理、有效地防治高層建筑火災提供了理論支撐。

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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,重慶科技學院安全工程學院講師，博士,主要研究方向為油氣化工安全、建筑火災風險評估.

2017年度重慶市教委科學技術研究基金項目(KJ1713332).

X9

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.006