集成DEMATEL-ISM的古建筑火災致因因素評價

張嬿妮,楊 丹,黃羅鑫,凌詩月

(1.西安科技大學安全科學與工程學院,西安,710054;2.西安市城市安全與消防救援重點實驗室,西安,710054)

0 引言

中國屬于世界四大文明古國,在其千年的發展中,許多稀有的古建筑被留存下來,是中國重要的文化遺產。目前,我國現存的大部分古建筑由于建筑自身特性或過度的商業開發等原因導致古建筑存在較大的消防隱患,一旦發生火災事故,極易引發區域連鎖反應,造成巨大損失[1-4]。

為有效管控古建筑火災致因因素,提升古建筑安全水平,眾多國內外學者對古建筑的火災危險性展開了相關研究。張曉錦等[5]針對木結構古建筑群,進行實地調研,通過Gustav方法建立了古建筑群火災風險評估模型,并提出相應古建筑火災防護措施;劉晗等[6]將集隊理論引入到古建筑火災風險評估中,并基于集隊分析構建了五元聯系數火災風險評價模型;徐志勝等[7]通過指標體系評估了張谷英村、鳳凰古城和南岳大廟的火災安全,該評估指標體系由風險指數法定量構造,并通過AHP進一步確定指標權重,最終發現建筑成片、消防工作人員安全意識薄弱、消防設施存在缺陷以及建筑耐火等級具有較大差異性等是古建筑火災的主要致災因素;官鈺希等[8]利用消防安全管理、消防設施配備情況、古建筑消防安全特性三大因素構建火災風險評估指標體系,并將其深化細分為45個子要素,采用層次分析法對湖北省3類古建筑群進行火災風險分析,得出3類不同建筑的火災風險等級,并根據分析結果提出相關整改建議;殷杰等[9]基于熵權可拓決策模型,使用Matlab7.0軟件評估西安市回民街的火災風險;馬礪等[10]同樣以西安市回民街為對象,采取熵權法和AHP對指標權重進行線性加權求解其綜合權重,最后建立模糊綜合評價模型進行火災風險評估。目前古建筑火災科學領域不斷完善,安全管理水平逐漸提升,但是從以上內容可以發現所采用的火災風險評估方法大多基于層次分析法及模糊層次分析法,評價方法復雜單一,缺少致災因素間交互與耦合關系的分析。

因此,本文采用了適用于復雜系統的實驗室決策分析法(DEMATEL)和解釋結構模型法(ISM),通過兩種方法的互補綜合考慮古建筑火災事故致因因素,對其進行定性定量分析[11,12],確定古建筑火災事故評價系統中各指標因素的權重,獲得古建筑火災事故致因因素體系模型。在前人權重分析的基礎上,對各致因因素進一步進行原因-結果屬性分析及邏輯分級。采用DEMATEL-ISM評估方法可以大幅簡化計算步驟,降低評估難度。為避免僅依靠DEMATEL-ISM法計算致因因素屬性而造成與常規認知有所出入的情況,采用模糊層次分析法進行結果參照,為古建筑的消防安全管理提供理論基礎。

1 DEMATEL-ISM方法

DEMATEL方法的首次提出者是美國學者Gabus和Fontela,而ISM方法被大量運用于現代系統工程分析中,屬于結構模型化技術[13,14]。DEMATEL和ISM兩種方法存在一定程度的共性,即都需要專家確立各個致災因素之間的關系,構建關系矩陣,而區別在于DEMATEL方法可以分析致因因素的重要度,ISM方法則能夠更好地分析致因因素的邏輯分層結構。目前,DEMATEL-ISM方法在事故調查及企業管理等方面取得了良好的應用,但在古建筑火災事故體系中尚未使用。古建筑系統火災事故的成因復雜,致災因素多樣。集成DEMATEL和ISM兩種方法的特點可以有效減少重復矩陣的計算,確定致因因素間的耦合關系,找出導致古建筑火災事故的深層因素。DEMATEL-ISM方法基于DEMATEL計算得到綜合影響矩陣,并客觀引入閾值λ,運用ISM方法得到可達矩陣,最終分析事故系統各因素間的邏輯關系。

2 古建筑火災評價指標體系

在事故致因理論分析中,綜合致因因素可大致分為人、機、物、管理、環境五個方面[15]。依據2020年國家文物局對75處重點文物、博物館單位火災隱患抽查結果,引發火災原因如圖1所示,可以發現文物保護單位火災安全隱患主要表現為：電氣隱患、安全管理不當、消防設施不完善、消防值守不當及用火不慎。結合文獻調研與評價方法特點,從人員、古建筑消防系統、古建筑防火能力、安全管理與環境五方面確立23個古建筑火災事故致因因素,為保證指標因素的可靠有效,共邀請5名專家采用德爾菲法對致因因素指標進行修正。經專家多次討論(考慮由火災應急救援資源保障及消防檔案管理情況導致古建筑火災的可能性較低;配電線路敷設情況和消防安全投資兩因素可劃分到消防規劃與設施的下一級因素指標;墻體導熱及防火能力可劃分到建筑構件耐火等級)最終確定為18個古建筑火災事故致因因素,如表1所示。

表1 古建筑火災事故致因因素指標體系Table 1 Index system of ancient building fire accident cause factors

圖1 古建筑火災事故致因因素Fig.1 Causes of fire accidents in ancient buildings

3 古建筑火災致因因素分析

3.1 DEMATEL模型建立

1)針對選取修正后的18個古建筑火災事故致因因素,記?=(?1,?2,?3…?18)為古建筑火災事故致因因素的集合,γ(表示因素?i對?j的影響程度)為因素之間的影響關系。

基于大量文獻的查詢閱讀,同時邀請5名火災事故專家對各致因因素相互之間的影響程度進行評價打分,影響程度等級標度如表2所示。

表2 影響程度等級標度表Table 2 Influence degree scale table

2)構建直接影響矩陣：采用德爾菲法得到18個致因因素間的直接影響矩陣A,見表3。

表3 直接影響矩陣ATable 3 Direct influence matrix A

3)綜合影響矩陣：規范化處理直接影響矩陣A,將矩陣A代入公式(1)得矩陣B[12]：

(1)

T=B(E-B)-1=tij

(2)

其中,E為單位矩陣。

4)影響度Ci、被影響度Di、中心度Mi、原因度Ni。

影響度可將任一因素對指標體系中其他因素的影響程度定量表示,被影響度為其他因素綜合影響該因素的分析指標;中心度可表明事故致因因素的重要程度;原因度包括原因因素和結果因素,可將事故致因因素進行邏輯分級,計算公式如式(3)～式(6)所示[13]：

(3)

(4)

Ni=Ci-Di,(i=1,2,…,n)

(5)

Mi=Ci+Di,(i=1,2,…,n)

(6)

按照DEMATEL法計算結果,繪制原因-結果圖,如圖2所示。當縱坐標原因度>0時,致因因素為原因屬性,否則為結果屬性。橫坐標為中心度,圖2中所劃陰影部分即為中心度較大因素,表明陰影內因素重要程度較高。

圖2 原因-結果圖Fig.2 Cause-effect diagram

為保證評估結果的準確性,結合文獻調研,邀請專家對指標因素的屬性進行調整。并通過層次分析法,建立互補判斷矩陣、一致矩陣,計算得到指標權重,以對指標因素間的因果關系進行參考。計算結果如表4所示。

表4 致因因素DEMATEL法計算結果表Table 4 Calculation results of DEMATEL method for cause factors

3.2 ISM模型建立

整體影響矩陣計算如公式(7)所示[13]。其中,I為單位矩陣,為了確定古建筑火災事故致因因素的層級結構,需通過確立閾值λ計算可達矩陣,λ的不同取值會形成不同的層次遞階模型。目前大多通過專家判斷進行λ取值選取,由于主觀性強,很容易使分析結果偏離實際。因此,基于綜合影響矩陣分布的數學期望值與標準差之和確立λ的賦值,可使致因因素邏輯分級更具有客觀性[13]。

H=T+I=hij

(7)

λ=α+β

(8)

其中,α和β分別為綜合影響矩陣的期望值和標準差。通過統計分析,可得λ=0.1429+0.0338=0.1767,按照公式(9)得可達矩陣M[13]：

(9)

對可達集合進行層級分析,根據公式(10)和公式(11)可分別求得可達集合和先行集合[13],按照公式(12)對所求可達集合和先行集合進行驗證[13]?？梢园l現,當i=2,5,6,7,14,18時,Fi為Ri的子集,說明上述因素為首層因素,即首層致因因素指標集合為{?2,?5,?6,?7,?14,?18},排除首層因素指標,同理可計算得到第二層致因因素指標集合為{?3,?12,?13,?15},第三層致因因素指標集合為{?10,?11},第四層致因因素指標集合為{?4,?9,?16},第五層致因因素指標集合為{?1,?8,?17}。另外,根據層次分析法的指標權重計算結果發現,安全教育薄弱、安全監察失效及消防規劃與設施3個指標的權重明顯較高。因此也將其歸于第一層級中,層次解釋結構模型如圖3所示。將致因因素層次解釋結構模型進行劃分,其中層級1為近鄰原因,層級5為本質原因,層級2～4為過渡原因。

圖3 古建筑火災事故致因因素層次解釋結構模型Fig.3 ISM model of ancient building fire accident cause factors

Fi={?j|?j∈?,mij≠0}i=1,2,…,n

(10)

Ri={?j|?j∈?,mji≠0}i=1,2,…,n

(11)

Fi=Fi∩Rii=1,2,…,n

(12)

由于近鄰原因是影響古建筑火災發生的直接因素,一旦風險形成容易互相迅速傳遞,所以可將第一層級作為評價古建筑消防安全狀態的指標。對古建筑火災致因因素各指標分級完成后,通過公式(13)計算第一層評價指標的權重[14]：

(13)

其中,τi為各指標因素的權重。權重計算結果如表5所示。

表5 指標因素權重Table 5 Weight of index factors

3.3 模型分析

1)中心度、原因度分析

在古建筑火災事故致因因素指標體系中,中心度的取值越大,表明該致因因素在指標體系中的重要性比重越大。由原因-結果圖可以得知,系統結構脆性、內飾材料、建筑構件耐火等級、消防控制室管理、火災巡查制度、安全監察失效以及消防安全意識在指標體系中非常重要,而人為失誤、報警系統可靠性、滅火設施可靠性、火災探測系統可靠性的重要程度偏低,其余因素處于中間水平。

當致因因素的原因度取值大于0時,表明該因素在指標體系中屬于原因因素?？梢园l現,阻燃及耐火結構、安全知識更新慢以及消防規劃與設施是導致古建筑火災事故的主要因素,是古建筑火災消防風險的主要來源。反之,當致因因素的原因度取值小于0時,則該因素為結果因素,由圖2及表4可知影響程度較大的結果因素為系統結構脆性、火災巡查制度、消防控制室管理。

2)因素邏輯關系分析

從古建筑火災事故致因因素層級邏輯關系分析可知,各個事故致因因素之間存在著復雜的聯系,由圖3可知,第一層級中因素與建筑內設備、基礎設施、自然基礎條件及安全教育等有關,是解釋結構模型中的近鄰原因,這類因素也是導致古建筑發生火災的直接致災因素。通過對較低層級中的致因因素加強管理和控制,可有效避免系統全面崩潰。消防安全意識、消防控制室管理、火災巡查制度位于第2層級,火災荷載位于第3層級,系統結構脆性、交通情況及內飾材料位于第4層級,以上因素均是導致古建筑火災事故的過渡原因,主要通過安全管理制度、系統潛在隱患及自身火災荷載等因素影響事故預防和控制。安全知識更新慢、建筑構件耐火等級位于結構模型中第5層級,是造成古建筑火災事故的本質原因。

3.4 案例分析

本文以西安市的某古建筑為例,對其消防安全水平進行系統的量化評價。將影響因素的評價指標劃分為良好、及格、較差、極差4個等級,對應區間分別為(100,80]、(80,60]、(60,40]、(40,0]。

根據古建筑火災致因因素各單項指標的數據資料,共邀請5名專家進行打分,通過權重計算得出該古建筑火災安全的最終評價結果,打分結果及最終評價結果如表6所示。由表6可以看出,該古建筑評價分數為70.88分,整體表現為及格,說明該古建筑暫時處于較安全水平。由評價結果可以發現,在防滅火設施的配備方面,該古建筑得分評價普遍較好,對于防滅火設備上的成本投入力度較高。但是,同時也暴露出消防設備日常維護及人的安全行為存在較大缺陷,因此,該古建筑日常消防安全管理中,在保證安全投入的前提下,應有效規避自然因素所造成的火災致災因素,同時定期委派專人對消防設施設備進行維護管理,加大安全培養力度,減少人為失誤次數。

表6 古建筑專家打分及評價結果Table 6 Evaluation results of ancient architecture experts

此外通過該古建筑中心度分析,應重點注意內飾材料及人員消防安全意識,查明裝修是否違規采用聚氨酯、海綿、聚苯乙烯等易燃可燃材料,同時加大安全培訓力度,培養人員消防安全意識、安全知識及安全技能。另外不能完全忽視對古建筑火災事故影響程度較低的指標因素。明確古建筑在各防火分區內的隱患,同時基于古建筑現有交通、氣候、環境等自然因素的基礎上,完善區域內消防規劃,加強消防設施的布控和管理,提高古建筑火災預防與控制能力。

4 結論

1)在文獻調研以及典型事故分析的基礎上,采用德爾菲法從人員、古建筑消防系統、古建筑防火能力、安全管理與環境五方面共確立18個古建筑火災事故致因因素。

2)通過DEMATEL模型對致因因素進行原因度及中心度分析;通過ISM模型將古建筑火災致因因素指標體系分為5個層級,為明確各致因因素間邏輯關系,進一步劃分為近鄰原因、過渡原因和本質原因。

3)分析西安市某古建筑的評價結果發現,該古建筑消防設施配備情況較好,在器材維護及人員安全素質方面表現總體較差,該古建筑應進一步完善消防安全管理體系,重塑人員消防安全觀念。