基于層次分析法的高層建筑火災風險評估

劉毅敏

（山西省消防救援總隊，山西太原 030000）

0.引言

當前，隨著經濟社會迅速發展，建筑數量日益增多，建筑結構日益復雜。大型商業綜合體、高層建筑、地下建筑已經成為火災防控管理工作的重點和難點。其中高層建筑一旦起火，人員疏散逃生困難、火災蔓延迅速，火災撲救難度大，極易造成群死群傷，產生重大社會影響[1-3]。因此亟需針對高層建筑建立災風險評估體系，確定科學的評估方法。本文結合《建筑設計防火規范（2018年版）》（GВ50016-2014）[4]和消防安全管理相關實踐經驗，建立了基于層次分析法的高層建筑火災風險評估的模型，為高層建筑火災防治和風險評估工作提供輔助決策支撐。

1.高層建筑火災風險評估指標體系的建立

建筑火災風險評估要綜合考慮從火災發生的可能性和火災防控能力2個方面進行評估。因此將火災致災因素作為火災發生可能性的一級評價指標，將建筑主動防火設施、建筑被動滅火設施、消防管理水平、周邊消防站實力4個指標作為火災防控能力一級指標，共計4個指標進行綜合考量，表1給出了高層建筑后火災風險評價評價指標體系。

其中對于火災發生可能性的角度來說，需要考慮的是火災致災因子。根據調查統計，全國火災中，約有30%的火災是由電氣故障、電線短路、電路過載等問題引發。因此，將電氣安全性作為重要的參考指標。裝修材料是否易燃往往決定了火勢是否會迅速擴大和蔓延，從而發展成為大火，而某些裝修材料起火容易產生有毒有害的煙霧，在發生火災之后，極易造成群死群傷局面的發生。因此，裝修材料火災荷載安全性也需要納入火災致災因素指標之中。除此以外，人員活動密集，生產生活用火用電比較集中的區域容易發生發生，這都反映了外部因素對于火災風險的影響。

火災防控能力方面，依據消防工程專業知識，可以從建筑主動防火設施、被動防火設施、消防管理水平、消防站實力4個方面作為主要評估指標。其中，火災自動報警系統、消防自動滅火系統、室內消火栓、建筑防排煙系統作為建筑最常見、最重要的主動防火設施，其性能完好性列為評估三級指標。建筑耐火等級、建筑防火分隔等消防設計方面的性能，同樣對火災蔓延有著巨大影響。疏散通道、安全出口等疏散方面的設計是否合規關系到人員能否順利逃生。消防管理水平從消防安全培訓、員工素質、火災預案完備性3個角度考量，衡量單位消防管理水平的優劣。消防站的人員素質和人員數量、消防設施裝備的完整好用性決定了消防站的滅火作戰實力，而消防車道可用性、建筑距離最近消防站距離決定了消防站第一出動力量到場時間，從這幾個方面入手可以判斷周邊消防站實力，作為火災風險的重要參考指標。

表1 高層建筑火災風險評估指標

針對二級指標，采用德爾菲法，進行專家打分。分數從0～100分不等，分數越高，表示該項指標安全性越高，風險越低。針對二級指標和一級指標，分別利用層次分析法，依據專家經驗進行權重確定。最終得到層次總排序，形成最終評估結論。

2.高層建筑火災風險性綜合評估模型的構建

層次分析法可以按照幾個明確的步驟進行。首先對所研究的問題層次化，即劃分成不同的層次體系，將復雜的單個問題變成多層次的簡單問題，分為最底部的方案層（需要進行決策的方案和策略或者是用于評價的、有量化數據的指標），中間的準則層（即中間評價指標），最上層的決策層（最終要研究的目的）相對于最高層（總目標）的相對重要性權值的確定或相對優劣次序的排序問題。

2.1 明確問題

在分析需要進行評價的統計、金融、社會、經濟學問題時，必須清醒地認識問題的含義、目標、意義，才能有針對性地進行問題的解答和指標體系的建立。

2.2 建立評價層次結構

研究領域進行分析和綜合之后，將研究包括的研究要點歸納分組，并把它們之間的共同特性看成是系統中新的層次中的一些因素，而這些因素本身也按照另外的特性組合起來，形成更高層次的因素，直到最終形成單一的最高層次因素。

2.3 建立評估因素論域和評語論域

建立待評估建筑的因素論域U={u1,u2,u3,u4,…uN}，依次表示火災致災因素、建筑主動防火設施、建筑被動防火設施、建筑消防安全管理水平、周邊消防站實力5個一級指標。建立評語論域V={v1,v1,v3,v4…vM}，分別代表1～M個等級。等級越高表示火災風險越大。

2.4 構建兩兩對比判斷矩陣

（1）由于人對現實中各種評價指標的判斷往往是兩者之間相對重要性的模糊性判斷，因此可以建立兩兩對比判斷矩陣，來定量化表示專家對評價指標權重的判斷。（2）采用1～9標度方法，可以針對不同指標的重要程度給出數值衡量。判斷矩陣的標度指標的含義如表2所示。

表2 判斷矩陣標度含義

兩兩判斷對比矩陣需要依據專家經驗、相關規范規定來制定，確定高層建筑火災風險評估指標體系中各個指標的相對重要性。

判斷矩陣В具有如下特征：

（1）bii=1

（2）bji=1/bij

（3）bij=bik/bjk(i,j,k=1,2,…,n)

其中對于兩兩判斷矩陣中的 ，需要根據專家的分析建議、歷史數據資料以及相關進行數據分析的人員的經驗經過充分討論研究決定。應用AHP層次分析法需要在前后進行評價時，判斷思維是一致、連續的，對于任何一個兩兩對比判斷矩陣來說，只要矩陣中的bij滿足上述3條關系式時，就說明判斷矩陣具有完全的一致性。

2.5 層次單排序

層次單排序的過程需要計算層次中判斷矩陣最大特征值對應的特征向量，將特征向量各個元素歸一化得到層次單排序的權重。設判斷矩陣A的最大特征根對應的特征向量為則：

依次讓每一準則層中各個元素同其對應的下一層準則層所連接的元素做層次單排序，求得各個指標對上一層的權重 aij。

2.6 一致性檢驗

層次單排序的一致性檢驗需要通過計算相應的指標CI和RI的比值來得到。一致性指標CI的值越大，就可以說明判斷矩陣越偏離完全一致性，偏離的成都越大，反之，CI數值越小的時候，可以說明判斷矩陣接近于完全一致性的程度越高。其中一致性比率CI計算公式如下：

表3是給出了1～10階正互反矩陣計算1000次的結果，表示的是平均隨機一致性指標RI。當n<3時，判斷矩陣永遠具有完全一致性。

表3 判斷矩陣階數對應的RI數值

判斷矩陣一致性指標C.I.與同階平均隨機一致性指標R.I.之比稱為隨機一致性比率CR(Consistency Ratio)。

2.7 層次總排序

依次得到所有的層次單排序以后，計算層次總排序。將一級指標的權重和各個二級指標的權重矩陣，做點積運算，得到最終的層次總排序結果，最后得到的層次總排序的權重之和為1。

2.8 計算最終火災風險評估等級

依據下式得到最終評價得分。

確定最終評估等級對照表，如表4所示。

表4 判斷矩陣階數對應的RI數值

3.實例分析

本文提出的高層建筑火災風險評估模型，具有較強的普適性。以山西省太原市某高層住宅建筑為例，進行研究。首先利用delphi法，獲取專家對該建筑各個指標的得分，每項分數0～100分不等。指標體系確定好之后，就是判斷矩陣的建立。針對4個要素，對每2個要素之間相對重要性進行比較，構建判斷矩陣。依據專家評價，參考已有文獻和實際經驗，對各個因素建立如下的兩判斷矩陣。首先對準則層第一層進行判斷矩陣的構建，即事故可能性和火災防控能力建立兩兩對比判斷矩陣，如下方矩陣所示。

如表3所示，由于事故可能性和事故嚴重性對最終風險評價所起的作用大小相近，因此給與相同的權重。

然后對準則層第二層的矩陣進行判斷矩陣的構建，針對火災致災因子、建筑主動防火設施、建筑被動防火設施、消防管理水平、周邊消防站實力5個要素進行兩兩對比。計算最大特征值和最大特征值對應的特征向量，并計算CR值，得到最終的權重矩陣。該矩陣在一致性檢測時采用的RI值為1.12，判斷矩陣的CR值為0.090，通過一致性檢驗，得到的權重矩陣為ω1，其中：

然后對準則層第三層的矩陣進行判斷矩陣的構建，針對建筑主動防火設施、建筑被動防火設施、消防管理水平、周邊消防站實力3個要素進行兩兩對比。同樣的方法得到二級指標的判斷矩陣和權重向量。計算CR值，得到火災致災因素、建筑主動防火設施、建筑被動防火設施、建筑消防安全管理水平、周邊消防站實力的CR值分別為0.00793、0.0433、0.00484、0.03244和 0.00484。CR 值均小于1，通過一致性檢驗。計算得到層次單排序之后，計算層次總排序，可以得到層次總排序結果。依據公式得到最終評價結果，得分為83.07563337分，評定為較低風險。

4.結論

本文建立了高層建筑火災風險評估模型，通過層次分析法各級指標權重，能夠針對高層建筑進行科學的火災危險性評估，可以為消防監管部門決策提供輔助支持。利用層次分析法，可以確定3層指標的層次總排序，從而確定各個致災因子的權重大小，發現高層建筑的關鍵性指標和關鍵因素。模型拋棄了以往建筑火災風險評估中，單純使用安全檢查表、預先危險性分析等具有較強主觀經驗的模式，確定了科學的權重確定方法，并保證了融合多輪、多位專家研討經驗，從而保證了指標體系和權重體系的有效性、統一性和規范性。