基于FAHP的高层建筑火灾风险评价研究

米红甫，王文和，肖国清，刘 洪，易 俊

(1.重庆科技学院 安全工程学院, 重庆 401331；2.重庆市安全生产科学研究院,重庆 401331；3.西南石油大学 化学与化工学院,四川 成都 610500)



基于FAHP的高层建筑火灾风险评价研究

米红甫1,2，王文和1,2，肖国清3，刘 洪1,2，易 俊1,2

(1.重庆科技学院 安全工程学院, 重庆 401331；2.重庆市安全生产科学研究院,重庆 401331；3.西南石油大学 化学与化工学院,四川 成都 610500)

在建立高层建筑火灾风险评价指标体系的基础上，运用三角模糊数，构造指标两两模糊判断矩阵，然后，结合三角模糊运算和模糊综合程度值计算，得到各指标的排序，进而求得权重。基于该模糊层次分析法(FAHP)，建立了高层建筑的火灾风险模糊综合评价模型，最后以某高层酒店为实例，计算出该高层建筑火灾风险隶属矩阵。依据最大隶属度原则，该高层建筑的火灾风险等级为“一般安全”；依据“赋值法”该高层建筑火灾安全等级为“一般”。两结论一致，且符合该高层建筑火灾的实际安全状况。

火灾风险；高层建筑；模糊层次分析法

随着我国经济的发展和城市化水平的大幅提高，建筑物结构与功能越来越复杂化，新技术也不断出现，这都导致了建筑火灾的因素大为增加，建筑火灾形势日趋严峻。据统计[1]，我国2005—2011年共发生建筑火灾169 568起，其中放火6 413起，电气73 082起，违章操作13 961起，用火不慎54 629起，吸烟8 972起，玩火9 524起，自燃2 491起，雷击21 498起，静电227起(2005—2007年未统计该项指标)，不明496起，其他15 336起。近10年也发生了多起重大建筑火灾事件，如2004年吉林中百商厦火灾，造成53人死亡，70人受伤；2005年吉林辽源市中心医院火灾，造成39人死亡，95人受伤；2009年香港旺角嘉禾大厦火灾，造成4人死亡，57人受伤；2010年上海高层教师楼火灾，造成58人死亡，52人受伤；2013年吉林“6·3”火灾，造成121人死亡，76人受伤。从以上数据可以看出建筑火灾已成为一种不可忽视的灾害。由于高层建筑对城市用地的节约化利用等特点，近年来城市建筑越来越高，而带来的火灾隐患也更严重。为预防和减少高层建筑火灾，对高层建筑物潜在的火灾风险进行评价是一种有效的手段。

火灾风险评价的方法很多，大致可以分为定性评价、半定量评价和定量评价3类[2]。由于定量评价比定性和半定量评价更加精确，所以定量评价已成为现阶段研究的热点。定量评价一般从事故的发生概率出发，但由于火灾事故数据的缺失及受时间、费用等方面的限制，准确计算火灾的概率是困难的。通常是借助专家的判断，引入模糊集合的概率对火灾风险进行评价，充分发挥模糊理论的优势[3]：杜红兵等[4]采用模糊综合评价法计算出高层建筑火灾风险等级，为高层建筑火灾安全管理提供了理论依据；田玉敏等[5]将概率方法与模糊方法相结合，建立高层建筑火灾概率模糊评价模型，为火灾风险评价方法研究提供了一种新的尝试；任贵红等[6]在对化工储罐火灾风险评估中，将灰关联分析引入到传统的层次分析法权重计算中，结果较好地反映了化工储罐的实际情况。在这些模糊评价的文献中，都运用了层次分析法确定指标体系的权重，而传统的层次分析法(AHP)，由于人判断的主观性，不同的评价主体结果差异很大。鉴于此，笔者在建立高层建筑火灾风险详尽指标体系基础上，引入模糊层次分析法(FAHP)，构造出各指标权重算法，并结合模糊理论建立了基于FAHP的模糊综合评价模型，最后结合实例对模型进行验证。

1 FAHP原理

传统的AHP通过对指标两两比较，采用1～9标度法构造判断矩阵，得到定量化的结论，但是不同的人构造判断矩阵得到的结论差别会很大，而模糊数学能充分考虑人判断的模糊性，因此VAN LAARHOVEN于1983年把三角模糊数运用到构造判断矩阵中[7]，并结合三角模糊运算和最小二乘法，得到元素的排序，从而将传统的AHP与模糊理论相耦合，使其成为能在模糊环境下使用的FHAP。

1.1 三角模糊数及有关法则

三角模糊函数的隶属函数μM:R→[0，1]定义[8-9]如下：

(1)

式中:l≤m≤u，l和u分别表示三角模糊函数M的下界和上界；m为M的中值。一般可把三角模糊函数M记为(l,m,u)。

设M1=(l1,m1,u1)，M2=(l2,m2,u2)分别为三角模糊函数，M1≥M2的可能性程度被定义为：

(2)

1.2 模糊综合程度值

设X={x1,x2,…,xn}是一个对象集，U={u1,u2,…,un}是目标集，则第i个对象满足目标的程度值分别为M1Ei，M2Ei，…，MmEi(i=1,2,…,n)。这里MjEi均为三角模糊数。由此定义第i个对象关于m个目标的综合程度值为：

(3)

2 模糊综合评价方法

2.1 评价指标体系的建立

根据现代事故致因理论，导致事故的直接原因是人的不安全行为和物的不安全状态，而其根本原因是管理的失误[10]。因此建立高层建筑火灾风险指标体系主要着眼于建筑物本身状况及安全管理制度。笔者吸收前人工作成果，结合高层建筑自身特点，在专家咨询及实地调研的基础上，分别从防火能力、灭火能力、内部因子、安全管理4个方面出发，建立高层建筑火灾风险的评价指标体系，如表1所示。

表1 高层建筑火灾风险评价指标体系

2.2 FAHP法确定指标的权重

在进行模糊综合评价时，要给出各因素的权重，FAHP法确定权重的步骤为：

(1)根据高层建筑火灾风险评价总目标，建立层次系统结构。

(4)

其中aTij=[ltij,mtij,utij,](i,j=1,2,…,n;t=1,2,…，T)为第t个专家对指标i相对于指标j的重要性给出的三角模糊数。判断矩阵中三角模糊数的取值根据1～9标度法确定，三角模糊数的下界和上界则由专家判断模糊程度的大小来确定。

(3)对于各模糊判断矩阵，计算出其中各个元素的综合重要程度值Si。

(4)层次排序。对各模糊判断矩阵，计算其第i个元素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,再将其归一化，即得到权重向量W=(d(A1),d(A2),…,d(An))T。

2.3 单因素评价矩阵的建立

对于高层建筑火灾风险评价指标体系所包含的影响因素集，通过聘请消防、安全、建筑专家根据评价集对每一因素进行打分。设k个专家对单因素ui被评为vj的分值分别为cij1,cij2,…，cijk，其中0≤cijp≤100(p=1,2,…，k；i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)，则其平均值为：

(6)

再对各因素进行归一化处理：

(7)

最后得到各因素评价矩阵R。

2.4 选择合成算子

将权重向量W与模糊评价矩阵R合成得到模糊综合评价结果B:W∘R=B。

2.5 综合评价结果分析

采用最大隶属度原则和赋值法相结合，对评价结果进行综合分析，确定高层建筑火灾风险状况。所谓赋值法就是对高层建筑火灾安全等级赋值，且其火灾安全程度与火灾风险程度成反比，得分越高，火灾风险程度越低，高层建筑的消防安全等级越高，高层建筑火灾安全等级划分如表2所示。评价集用Y={98,85,75,65,55}表示。则高层建筑火灾安全的评价得分可表示为：

表2 高层建筑火灾安全等级划分

(8)

3 实例分析

3.1 某高层建筑简介

笔者以成都市某高层酒店为研究对象，该建筑于2010年正式投入使用，其地上18层，地下两层，该主体建筑面积为9 456.15 m2，建筑高度为63.85 m，该建筑设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。防火设计建筑分类为一类，耐火等级为一级。该酒店每个房间都设有自动喷淋灭火设施，防火门、防火窗和防火卷帘均为甲级，每层划分两个水平防火分区。

3.2 模糊综合评价

3.2.1 运用FHAP确定指标的权重

3位火灾方面的专家通过对4个一级指标重要性的两两比较，就指标层对目标层的重要程度采取1～9标度法进行打分，得到4个一级指标对于高层建筑火灾风险的三角模糊判断矩阵，如表3所示。

表3 U1～U4的三角模糊判断矩阵

首先根据式(3)计算各个一级指标相对于其他一级指标的综合重要程度值：

(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)

再根据式(2)和式(5)求得各个一级指标重要于其他一级指标的可能性程度：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)。将W′归一化，得到U1～U4相对于U的权重向量为W=(0.22,0.32,0.18,0.28)。同理可计算出其他各二级指标的权重，如表4所示。

3.2.2 确定各单因素评价矩阵

邀请10位专家对该高层建筑评价打分，并根据式(6)和式(7)求得各单因素评价矩阵，汇总如表4所示。

3.2.3 合成模糊综合评价结果

通过应用多因素多级模糊综合评价方法，对建筑火灾风险进行综合评价，建筑防火能力的评价结果为：

表4 指标体系权重值及隶属度

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)

同理可得灭火能力、内部因子、安全管理的评价结果分别为：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)。最后得到合成的高层建筑火灾风险评价结果为:

B=W∘R=(0.22,0.32,0.18,0.28)∘

(0.13,0.25,0.39,0.20,0.04)

3.2.4 结果分析

表5所示为模糊综合评价结果汇总。①根据最大隶属度原则，可知建筑火灾风险第三级隶属度最大，对应于“一般安全”级别，表明该酒店火灾风险基本合格。②高层建筑火灾风险通过上述的“赋值法”进一步量化，根据式(8)可得T=B∘YT=(0.13,0.25,0.39,0.20,0.04)∘(95,85,75,65,55)T=78.05，即对应于安全等级为“一般”，与前面所得结果一致。③从表5可知防火能力和灭火能力第二级即“较安全”隶属度分别达到了0.30和0.28，表明该高层建筑在防火和灭火这两方面的消防设计做得比较规范，并且实际消防设施也满足要求。而内部因子和安全管理的第四级即比较危险的隶属度分别达到了0.23和0.26，主要原因是人员消防意识不够、输配电设计不够系统(线路复杂)、消防安全疏散管理低下以及用火用电用油管理混乱，所以该高层建筑需在以上这些方面进行改进。

表5 模糊综合评价结果汇总

4 结论

(1)笔者采用三角模糊数构造出指标体系的模糊判断矩阵，通过三角模糊数的运算和最小二乘法求得各指标的权重，该FAHP法既避免了权重确定中人为的随意性，又考虑了人为判断的模糊性，是一种更贴近实际状况的权重计算方法。

(2)笔者基于FAHP法，通过多级模糊综合评价得出该建筑火灾风险最大隶属度为0.39，对应风险等级为“一般安全”，通过分析各一级指标隶属度，指出了该高层建筑火灾风险防范的薄弱环节。再通过安全等级赋值，得出该高层建筑的消防安全得分为78.05，对应等级为“一般”。该综合分析方法避免了最大隶属度的单一性和片面性，所得结果与该建筑实际安全状况吻合，能更直观明了地找出安全风险隐患。

(3)基于FAHP法的高层建筑火灾风险模糊综合评价是在火灾安全工程评价方法基础上演绎而来，其本质是火灾安全工程评价方法在地上空间火灾风险评价中的具体运用。其为高层建筑的“性能化”防火设计提供了新思路，为更加科学、合理、有效地防治高层建筑火灾提供了理论支撑。

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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.

米红甫(1986-),男,四川南部人,重庆科技学院安全工程学院讲师，博士,主要研究方向为油气化工安全、建筑火灾风险评估.

2017年度重庆市教委科学技术研究基金项目(KJ1713332).

X9

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.006