基于TOPSIS法的高层建筑火灾危险性评比分析

刘星魁,张建芳

(河南工程学院 安全工程学院,河南 郑州 451191)



基于TOPSIS法的高层建筑火灾危险性评比分析

刘星魁,张建芳

(河南工程学院 安全工程学院,河南 郑州 451191)

为了降低高层建筑的火灾风险，选取三处地标建筑，透过建立的指标体系，利用TOPSIS方法对三处建筑物进行火灾风险排序.从中发现，硬件设施不足的旧式建筑火灾风险最高；新式建筑虽然由于建筑高度造成了较高的固有风险，但其软硬件指标较为完善，总体风险低于旧式建筑.最后，依据得到的风险排序结果，对每一种建筑物提出了相应的火灾风险控制措施.

高层建筑；火灾；TOPSIS；风险排序；控制措施

随着城市化进程的加快，各大城市中高层建筑物的数量都大量增加[1].高层建筑物一方面提高了土地利用效率、节约了建筑成本、利于城市规划管理，但另一方面极大地增加了群体风险，各种大型商场、医院、办公楼、居民小区普遍为高层建筑，人员大量集中且通常缺乏消防和自救知识，发生火灾后极易造成重大的人员伤亡[2].

高层建筑物发生火灾后，火势蔓延迅速、烟流传播规律复杂[3]，加上建筑物内部电器设备多、电梯可靠性差，使得人员逃生困难、救灾难度很大.从以往的事故经验看，对于高层建筑物火灾的治理必须以预防为主，平时通过开展安全分析与评价，将导致火灾发生的隐患消除在萌芽状态，降低高层建筑的固有风险.文献[4-5]利用模糊综合评价法对高层建筑的火灾风险进行了等级划分，提出了相应措施；文献[6]根据高层建筑防火与灭火设计的要求，构建了钢管厂高层建筑火灾危险性指标评价体系，确定了火灾影响因素的权重；文献[7]利用FAHP-FCE模型结合模糊层次分析法对高层建筑的火灾风险进行了评估，分析了导致火灾发生的各类原因.上述研究普遍将某一建筑物作为分析对象，划分该建筑物的危险等级并找出相关影响因素，侧重于安全评价.本研究借助TOPSIS方法对多个建筑物进行火灾风险比较，通过对比找出每种建筑物的优势和劣势，进而制定相应的预防措施.

1 高层建筑物火灾风险指标体系及相关评比方法

1.1 指标体系

高层建筑物的火灾影响因素很多，如建筑物的规模、电器设备、耐火等级、疏散通道、安全制度、相关人员的安全素质、人员密度、消防演练的经验等.为了利于同时展开几处建筑物火灾风险的横向评比、避免大量不必要的计算，只取其中一些代表性因素构建简要的指标体系.本研究选择郑州三处地标性建筑物——二七纪念塔、中原福塔、千禧广场为评比对象，通过现场走访并询问相关的专业管理人员确定简要的指标体系，如表1所示.

1.2 高层建筑物火灾风险评比方法

TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)方法是Hwang和Yoon在1981年提出的一种多指标决策方法[8]，基本原理是对比有限个评价对象与虚拟的理想化目标的接近程度，依据对比结果进行现有对象的优劣排序.不同于层次分析法，TOPSIS法本质上是一种完全量化式的比较决策方法，最终的优劣排序结果依据严谨的计算步骤得出，能将每一个评价对象在多个指标下的表现值汇总得出综合表现值，有利于风险的比较.

表1 所选高层建筑物火灾危险评价指标体系Tab.1 Structure of fire risk evaluation index system for selected high buildings

本研究选了3个评价对象，即二七纪念塔、中原福塔和千禧广场，共有8个评价指标，即楼层高度、安全出口数量、安全出口宽度、建筑物中的人员密度、防火教育情况、有关人员的消防技能与知识、有关人员的合作能力及建筑物内其他人员的防火训练情况.计算步骤如下：

(1)将8个指标的属性趋同化处理.

(1)

每个指标中，表现值量级越大越好的称为高优指标.与之对应,越小越好的称为低优指标(这里指楼层高度)，接近中间最佳的称为中性指标，计算时根据实际情况将数据按式(1)进行转换.

(2)为了便于将3个评价对象直接进行比较，必须将高优与低优指标下的表现值进行同向处理，按下式将第一步所得数据趋同化处理：

(2)

(3)

(3)确定所选三处高层建筑物中的最优情况和最劣情况：

(4)

(5)计算所选三处高层建筑物与最优方案的接近程度

(5)

式中：0≤Ci≤1，Ci→1表明评价对象越优.

(6)按Ci由大到小对所选三处高层建筑物的火灾危险性进行排序，比较并分析其中的原因，制定改进措施.这里需要说明，排序结果仅是三者的相对优劣排序，侧重分析三者之间的差距，还可借助等级评价方法如综合评价法确立一处标杆，再进行评比获得绝对优劣排序，这里不再详述.

2 实例应用

第一步，首先调查收集二七纪念塔、中原福塔和千禧广场这3个对象对应的8个指标的原始数据，其中的非量化指标如教育情况、安全知识、组织能力、防火演习情况按照百分制给出一定的主观分数,如表2所示.

表2 三处高层建筑物的原指标数据Tab.2 Original data for the three high buildings

第二步，将表2中的原始数据按式(1)与式(2)进行归一化处理，得到表3.

表3 三处高层建筑物的原指标数据归一化处理结果Tab.3 Integrated data for original data for the three high buildings

第三步，参考之前文献[9]提出的折衷权重方法得出8个指标的权重系数分别为0.3，0.15，0.1,0.2,0.08,0.15,0.01和0.01.利用式(3)与表3数据进行加权得到加权矩阵：

(6)

第四步，由矩阵Z′可确定最优解和最劣解.

最优解为Z′+=(0.241 21，0.119 1，0.063 4，0.174 6，0.055 9，0.097 0，0.006 5，0.006 2);

最劣解为Z′-=(0.039 2，0.017 9，0.050 7，0.043 6，0.037 3，0.073 8，0.004 9，0.005 4).

第六步，依据式(5)计算各建筑物与最优方案的接近程度Ci：

二七纪念塔与最优方案的接近度C1=0.36; 千禧广场与最优方案的接近度C2=0.62; 中原福塔与最优方案的接近度C3=0.60.

第七步，按Ci由大到小排列三处高层建筑物的优劣次序：千禧广场≻中原福塔≻二七纪念塔.

透过综合排序来看，千禧广场的8个权重指标中有6个处于最优状态，虽然其楼层较高、人员密度在三座建筑物中处于中等，但安全出口的数量最多、宽度最大，对员工的防火教育情况良好，管理者的消防知识与技能储备相对充足，这些指标均为权重较大的代表性指标，所以千禧广场的火灾风险处于最低水平.二七纪念塔属于旧式建筑，虽然建筑高度最低且安全教育培训、人员的消防技能和合作能力、消防演练情况与中原福塔差距不大，但由于其安全出口的数量最少、出口宽度最小、建筑空间较小、人员密度在三者之间最高，在本次排序中表现最差.未来可考虑对二七纪念塔进行消防改造，增加安全出口的数量和宽度，通过工作日志协调管理对建筑物内的人员进行合理分流以降低火灾风险.中原福塔属于新式建筑，在消防安全的软硬件方面表现正常，与千禧广场各方面的差距不大，但其建筑高度最高，固有的火灾风险最大，所以排序落后于千禧广场，未来应考虑在其他几处指标上加大投入，以平衡其固有的不利因素.

由于指标之间的表现值相差不大，上述结果中千禧广场和中原福塔的综合评比结果差距很小.为了简化计算步骤，这里只选取8个重要指标讨论方法的应用过程，未来应增加指标的数量，体现出评比对象的差别，以获得更加准确客观的评比结果.

3 结论

(1)利用TOPSIS方法透过建立的指标体系对三处建筑物进行了火灾风险排序，针对每一种建筑物的安全形势提出了降低火灾风险的相应措施.

(2)在本研究选取的评比对象中，旧式建筑由于安全出口的数量和宽度等硬件条件不足，火灾风险最高，应及时进行消防改造.新式建筑虽然硬件设施较好，但由于层高造成了固有的火灾风险，必须强化软件指标建设，尤其是人员的安全素质和应急演练熟练程度的提高，以降低建筑高度造成的固有风险.

(3)与单一建筑物进行纵向安全评价不同，本研究对多处建筑物的火灾风险进行了横向评比，可方便地得出建筑物综合风险的排序情况，有利于及时总结经验、控制火灾风险、改善抗灾水平.

(4)本研究讨论的方法是依据接近度比较建筑物之间火灾风险的相对大小，结果仅为相对优劣排序，侧重于比较三者之间的差距并分析其中原因，存在一定的局限.未来可借助等级评价方法如综合评价法、层次分析法等，结合某一具体建筑物火灾风险的评级结果，先确立一处标杆地点，再选取其他建筑物与之评比，以获得绝对优劣排序.

[1] 顾朝林.中国城市发展的新趋势[J].城市规划,2006(3):26-31.

[2] 鲁磊，洪克宽，杨庆军.高层建筑火灾特性与防控对策研究[J].火灾科学,2010(2)：92-95.

[3] 毕伟民，郭进平，赵江平.高层建筑火灾烟气竖直方向传播规律及分布研究[J].中国安全生产科学技术，2008,4(3)：97-100.

[4] 何祖才.高层建筑火灾危险性安全评价的建立[J].科学技术与工程，2011,11(4)：3354-3357.

[5] 孙迎霞.高层建筑火灾危险性模糊综合评估方法研究[D].武汉:武汉大学,2004.

[6] 陈骥，邹树梁，唐德文.基于灰色关联度的集对分析方法在高层建筑火灾危险性评价中的应用[J].中国安全生产科学技术，2015,11(5)：136-141.

[7] 曹功立.基于FAHP-FCE模型的高层建筑火灾风险评估研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[8] HWANG C L,YOON K.Multiple Attribute Decision Making Methods and Application[M].Berlin:Springer,1981.

[9] 刘星魁，朱红青，张圣柱.基于折衷权重的多层次安全性评价方法研究[J].中国安全生产科学技术，2010,6(5):92-96.

Analysis and comparison of fire risk of high buildings based on TOPSIS method

LIU Xingkui，ZHANG Jianfang

(CollegeofSafetyEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

In order to decrease the fire risk of high buildings,combining with index system,the TOPSIS method was used to obtain fire risk order for three selected landmark buildings. The results show that the old buildings have highest fire risk by the reason of shortage of hardware facilities ,although new buildings has higher intrinsic fire risk for the higher height,but its comprehensive risk is lower than old building because of its impeccable software and hardware index. Last,the fire prevention method was established for each kind of buildings at macro level according to resulting order of comprehensive fire risk.

high buildings；fire；TOPSIS；risk order；fire prevention method

2016-06-22

刘星魁(1981-)，男，河南鹤壁人，副教授，博士，主要从事煤矿安全技术、事故风险分析与评价等方面的研究.

X913.4

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1674-330X(2016)04-0027-04