基于模糊数学的高层建筑消防安全评价方法研究

严定国　王卫国

【摘 要】随着中国经济的快速崛起，所建的房屋高度在增加，数量在增多，高层建筑发生的火灾频率也日趋频繁，消防方面遇到的问题也变得越来越复杂。采用模糊评价理论、模糊数学和模糊评判等多种模型，构建了高层建筑消防安全评估方法的指标体系及模型。本文所提出的基于模糊数学的高层建筑消防的安全模型，使在高层建筑火灾中，火灾危险性评估的每个影响因素之间的层次性和互相影响性等困难得以解决。所取得的研究成果将对于高层建筑消防安全评估方法的后续发展、实际应用和推广等方面都有着积极的意义。

【关键词】高层建筑;火灾;模糊评估;消防安全

中图分类号： TQ014 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）35-0227-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.35.111

自改革开放以来，随着我国经济不断的快速发展，国民都向往去大城市中去发展，而城市的建筑面积是有限制的，随着人口的不断增长，在城市内需要建设大量高层建筑供人民居住。由于高层建筑内楼层多、功能繁杂、相关设备繁多、空间跨度极大，一旦发生火灾，人员将很难及时安全疏散，这时人员的伤亡事件发生的概率大大增加，人民的私有财产和人身安全面临着极大的威胁，给社会带来严重的负面影响。因此，引入模糊数学的高层建筑消防安全评价方法研究弥补现有评价方法的不足。

1 模糊数学

模糊數学又被简称为Fuzzy数学，是被用来研究和解决众多模糊性现象及理论的一种方法[1]。提出利用“隶属函数”方程来描述差异的中间性过渡，因而打破了传统经典集合论中属于或者不属于之间的绝对关系。我国对模糊理论的研究开始于20世纪70年代中期，到90年代末期发展成熟。1982年，赵红和李太航建立了高炉治练的自主学习模糊预报系统（离线）[2]。而刘增良在1997年通过整理研究了各领域有关模糊技术或应用中的一些重要文章，将得到的结论发表在《模糊技术与应用选编》中[3]。模糊数学经过长期的不断发展，已然具备相当丰富的内容。到20世纪的90年代，不仅形成了具有特点鲜明和体系丰富的模糊拓扑学，然后还形成了逐渐成熟和完善的模糊随机数学等分支。模糊数学在实际中应用几乎遍布到人民生活和生产中的每个角落。在林业、农业、气象、化工、环境、医学和军事等，模糊数学都有其广泛而且成功的应用，它的发展速度甚至超过了其它很多应用数学的学科分支[4-5]。

2 高层建筑火灾特点

高层建筑是集多种功能为一体，用途广泛，结构复杂，人员繁多[6]，由于人的不安全行为和物的不安全状态造成建筑内可燃物的燃烧，内部的风道及机电设备等各类竖向管井封堵失效，防火门、防火卷帘关闭失效等，为火势的内部蔓延扩散提供了途径[7];再加上高空气压和风速的影响，使得火灾发生后扩散蔓延更为迅速，且易形成“烟囱效应”，，而高层建筑外部敷设的外墙保温系统、玻璃幕墙系统等，易产生外部火灾蔓延。火灾时主要依靠仅有的几个疏散楼梯逃生，由于疏散楼梯分布较远，要从火灾危险区域撤离出来，需要较长时间，且会随着楼层高度的增高，人员数量的曾多，疏散时间也会随之增长。

3 模糊数学的高层建筑消防

3.1 常规安全评估对比

对常规火灾进行安全评价时，常用的三种评估方法如表1所示。定性的评价方法是不具备量化风险，半定量评价的方法没有通用性，应用价值不高而且评价的结果精确度较低，受主观因素影响较大，而定量评价的方法客观、公正的评价精确度较高，但花费大量的人力物力，成本高。

表1 建筑火灾风险评估方法对比

3.2 模糊数学安全评估

进行模糊的综合评价时首先需要评价对象的因素集和评语集，计算各因素之间的权重向量关系，对各子集进行模糊评价，然后进行多层次多指标全方面的综合评价。多因素模糊综合评价是建立在单因素评价的基础上。因此高层建筑消防安全的最终评价是通过单因素权重和单因素之间相互作用来最终确定。由于高层建筑消防安全评估工作的复杂性、结构的多样性和影响因素多样性，在进行模糊的综合评估时，如果只用简单的评估模型，每一个元素得到的权重值很小，这又将会导致最终计算得到的综合评判值bj很小，所得的最终评价结果可能难以达到预期的要求。为了获得更加合理和符合预期要求的评估结果，对原有的评判模型需要加以改进。

将现有的因素集合F划分M，假设M把F划分为n个不同子集，同时需要满足下列设立条件：

■f■=F

fi∩fj=φ（i≠j）

此时称M为F的一个划分，可以得F/M={f1，f2，…，fn}，而fi有ki个因素，即fi={fi1，fi2，…，fiki}，所以此时F总因素为∑■■ki。

对fi对应ki个因素个数，根据单因素评判模型进行综合评判，则

Ai·Ri=Bi=（bi1，bi2，…，bim）=（i=1，2，…，n）

式中的Ri代表总的评判矩阵，Ai对应的fi每个权重分到各个因素的权向量。

将评判结果列为行向量，可作一个矩阵R，则可以得到R=（B1，B2，…，Bn）T

在综合模糊评判中，各因素在决定过程中的作用和地位是通过权重向量而反映出来，而最后的安全评估结果的正确与否与权重的确定也直接挂钩，因此保证评估质量的好坏关键就是确定正确的权重。对于F集合中的每个因素，取多人对各因素提出权重分配aij（i=1，2，…，m，j=1，2，…，n）值的算术平均值作为各因素最后的权重向量，即：

A=■■a■，■■a■，…，■■a■

对于因素集合F中的n个元素，取一定数量人员对各因素提出权重分配值计算，再作加权统计如下：

aj=■XiWi（i=1，2，…，m，j=1，2，…，n）

通过模糊数学的高层建筑消防的安全模型，评价高层建筑的危险性，对复杂性问题量化，从而更加简单对高层建筑的危险性进行客观公正的评价。通过模糊数学做出一种定量评价的方法，可以通过借助专家判断，模糊集合概率來解决风险评估中不确定性因素的问题，模型简单，易操作，且精度高。

3.3 案例分析

对安徽理工大学平苑A栋高层宿舍楼进行案例分析，宿舍楼有15层，高度45m，每层有45间学生宿舍，每间宿舍住2人。对消防设施，人员意识，可燃物品危险源等进行模糊数学的安全评价分析。由表2和表3得出高层宿舍消防设施和防火措施具有一定的安全性，消防设施齐全，发生火灾的危险性低，发生火灾概率最大原因为可燃物造成火灾。

表2 消防工程检查表

表3 综合指标隶属度

4 结论

首先本文通过比较分析了三种安全评估方法的优缺点，比较了用于建筑火灾安全评估的优劣，在此基础上确定了模糊综合评估作为高层建筑火灾危险性评估的方法。即定性的评价方法不具备量化风险，半定量的评价方法没有通用性，应用的价值不高而且评价结果精确度较低，受主观影响较大。而定量评价的方法客观、公正的评价结果精确度较高。在充分的对比分析比较后，选择了定量分析方法其之一的模糊评价法为本文的主要研究方法。结合高层建筑消防应具备的各项安全指标，以及“加权计算法”，采用了基于综合模糊评价方法的高层建筑消防安全评价模型。得出高层建筑消防安全的模糊数学评价具备一定的合理性，适用于高层建筑的安全评价，具有合理性和准确性。

【参考文献】

[1]陈龙.基于模糊数学评价法地下水健康评估风险分析[J].水科学与工程技术，2019（04）：15-18.

[2]赵红，王世强.《高炉冶炼自学习模糊测辨实时在线系统》通过技术鉴定[J].自动化与仪表，1985（01）.

[3]刘增良.模糊技术与应用选编[M].北京航空航天大学出版社，1997.

[4]刘普寅，吴梦达.模糊理论及其应用[M].长沙：国防科技大学出版社，1998.

[5]陈守煜.工程模糊集理论与应用[M].北京：国防工业出版社，1998.

[6]王莹.高层多功能建筑工程的电气设计探讨[J].黑龙江科技信息，2014（18）：166.

[7]张明空，胡小兵，王静爱.考虑火灾动态扩散过程的高层建筑疏散路径研究[J].中国安全科学学报，2019，29（3）：32-38.