基于改进模糊层次分析法的化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估

陈大川，彭文开

(湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082)

我国化学工业园的发展扩大，伴随着极大的爆炸安全隐患，爆炸事故频出，园区内建筑物结构安全面临着化工爆炸事故的威胁，如何保证园区内建筑物结构抗爆安全性能是国家及化工企业一直面临的难题。目前，我国不断提高对相应化学工业建筑物结构抗爆性能的要求，工业和信息化部于2012年修改并发布了《石油化工控制室抗爆设计规范》(GB 50779—2012)，2017年住房和城乡建设部又提出进一步扩大该规范的范围，并制定了《石油化工建筑物抗爆设计标准》的工程建设标准规范制修订及相关工作计划。近年来国外许多学者对化工园区建筑物结构抗爆安全性能的风险因素进行了评估研究，如美国化学过程安全中心(USA,Center for Chemical Process Safety)针对有爆炸和火灾风险的工业厂房建筑物结构进行了安全性能风险评估研究，并出版了《爆炸及火灾的工艺厂房评估指南》；Olmati等针对钢结构建筑在爆炸作用下的鲁棒性进行了模拟评估，得出“鲁棒性曲线”计算模型，为后续风险管理和评估提供了合适的工具；Heudier等通过评估建筑物结构的动力特性和估算爆炸引起的内力，对园区电力变压器厂房抗爆性能进行了安全风险评估。而国内鲜有针对化工园区建筑物结构抗爆安全性能进行风险评估的研究，仅有部分学者针对石油企业的罐区建筑抗爆安全性能进行了风险评估，如陈日辉等运用事故树分析法对酒精储罐区的火灾爆炸事故进行了风险分析与评估；辛保泉等通过对液化烃罐区建筑物结构抗爆性能和荷载的安全风险评估，得到了抗爆荷载设防目标和损毁破坏可接受的概率。

基于上述研究，本文根据实际管理的需求，在相应的抗爆设防等级上考虑抗爆安全风险的影响，运用改进后的模糊层次分析法和模糊综合评价法对化学工业园区(简称化工园区)建筑物结构抗爆安全性能进行风险评估，建立了包括风险识别、风险估计、风险评价和风险控制4个阶段的化工园区建筑物结构抗爆性能安全风险评估指标体系，并进行了工程实例验证。

1 化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估指标体系的构建

根据常见的建筑物结构抗爆安全风险因素，结合化工园区建筑物使用和结构的特点，参考化工园区建筑物结构抗爆设计资料和相关规范，识别并总结了影响化工园区建筑物结构抗爆安全性能的风险因素，依据评价指标体系构建的原则，建立了化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估指标体系，见图1。

图1 化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估 指标体系Fig.1 Index system for risk assessment of anti-explosion safety performance of chemical industry park building structure

由图1可知，化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估指标体系的一级评估指标包括建筑物结构因素、抗爆措施因素、危险源因素、防爆管理因素和外部及环境因素，具体分析如下：

(1) 建筑物结构因素。建筑物结构现状对建筑物本身抗爆能力有直接的决定作用，其中建筑物结构类型、建筑物结构平立面形式以及建筑物结构高度和建筑物结构材料不同，其抵抗建筑物外部爆炸的承受力不同；建筑物结构抗爆水平与建筑物结构抗震能力水平呈正相关关系；化工爆炸中，建筑物极易引起连续性倒塌而产生“多米诺效应”，因此在建筑物结构抗爆设计中对建筑物结构整体稳定性和鲁棒性要求很高；而建筑物结构冗余度反映了建筑物结构在爆炸荷载作用下极限状态的构件受力替补性、稳定性和荷载重分布性。

(2) 抗爆措施因素。在建筑物结构抗爆设计中，对抗爆有要求的建筑物应有相应布置得当的抗爆措施。在化工园区对危险建筑物的整体规划应满足相应防爆安全距离；设置得当的防爆障碍物和防爆墙可减少爆炸事故对建筑物的损害；建筑物中门、窗、电梯等结构脆弱部位应进行相应的防爆处理；建筑物结构泄爆设计可有效疏导爆炸荷载作用，减轻建筑物主体结构的破坏程度。

(3) 危险源因素。建筑物内部的物料、装置和生产工艺的爆炸危险性各不相同，对建筑物抗爆能力的要求也不同，因此建筑物结构抗爆设计等级应与其危险性相匹配，即使建筑物内部的物料不发生爆炸，但建筑物外部发生的爆炸同样易引起建筑物内爆炸危险性高的物质产生连锁爆炸反应，从而对建筑物造成二次伤害。

(4) 防爆管理因素。在化工建筑防爆管理中，加强对建筑物消防应急资源和危险源的日常管理极为重要，对具有爆炸风险的建筑物严格实行通风、隔热降温、防静电等防爆管理措施，并设置防爆墙，在物体表面喷防爆涂料等，使其在爆炸发生时能发挥应有的防爆作用。

(5) 外部及环境因素。要加强对建筑物外部危险物质的管理，如易燃易爆的生产材料、垃圾、杂物等，严格规范生产传输车辆的停放，以免爆炸发生时对建筑物结构造成二次伤害；要严格按照防爆要求设计和规划外部生产装置、传输管道、临时储存罐以及外部水资源、电力等设施，并与建筑物之间设有防爆装置，以减少对建筑物的伤害；建筑物周边生态环境包括地形地貌、土壤质量、水文环境、植被景观等同样在爆炸时对建筑物结构的安全性能有一定的影响，应避免将较危险的生产建筑规划在排污水渠、斜坡等不良环境中，并应尽量减少外部景观物的设置。

2 化工园区建筑物结构抗爆设防等级

在化工园中建筑物结构抗爆设计中，考虑到不同的爆炸类型和不同程度的爆炸荷载冲击，对建筑物的抗爆设防等级有所不同，因此建筑物结构抗爆安全性能风险评估体系需要在其建筑物相应的抗爆设防等级的基础上建立。本文参考相关建筑物结构抗爆设计资料和规范，确立了化工园区建筑物结构抗爆设防等级，见表1至表3。

表1 化工园区建筑物抗爆设防烈度Table 1 Anti-explosion fortification intensity of chemical industry park buildings

表2 化工园区建筑物抗爆设防目标Table 2 Anti-explosion fortification target of chemical industry park buildings

表3 化工园区建筑物抗爆设防等级Table 3 Anti-explosion fortification level of chemical industry park buildings

参考《石油化工控制室抗爆设计规范》(GB 50779—2012)第5.3.1条规定和相关建筑物结构抗爆设防标准资料,当爆炸冲击波超压峰值过大时将会对建筑物结构抗爆性能要求极高，且建设成本极大，因此考虑到现实爆炸事故偶然性和经济性原则，为了防止造成建设成本的巨大浪费，本文针对化工园区建筑物结构抗爆设防的爆炸冲击波超压峰值范围取40～80 kPa，将抗爆基本设防烈度设为4度、抗爆设防等级设为2级，并在此基础上对化工园区建筑物结构抗爆安全性能进行风险评估，并满足下列要求：

(1) 在抗爆设防的爆炸冲击波超压峰值为80 kPa、设防烈度为5度时保证建筑物不倒塌。

(2) 在抗爆设防的爆炸冲击波超压峰值为55 kPa、抗爆设防烈度为4度时保证建筑物可修复。

(3) 在抗爆设防的爆炸冲击波超压峰值为40 kPa、抗爆设防烈度为3度时保证建筑物可继续使用。

3 化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估模型构建

由于传统模糊层次分析法存在主观性较大的问题，故本文对模糊层次分析法进行了改进，使判断矩阵一致性检验更加客观和科学。在改进模糊层次分析法的基础上，运用模糊综合评判法对建筑物结构抗爆安全性能风险进行综合评判，计算安全风险综合评价值，并通过风险矩阵确定安全风险等级。构建的化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估模型，见图2。

图2 化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估模型Fig.2 Risk assessment model for anti-explosion safety performance of chemical industry park building structure

3.1 风险因素集的建立

根据化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估指标体系，建立两级风险因素集。设第一级风险因素集用

U

表示，风险因素集

U

中的子因素为

U

=(

U

，

U

,…,

U

)；

U

中每个子因素

U

(

i

=1,2,…,

m

)中含

n

个风险因素，用

U

(

j

=1,2,…,

n

)表示，则二级风险因素集

U

=(

U

1,

U

2,…,

U

)(见图1)。

3.2 风险等级评语集的建立

根据上述评估指标体系与模糊综合评价法的需要，建立风险等级评语集

V

=(

V

,

V

,…,

V

)。为了更好地评估化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险状况，将化工园区建筑物结构抗爆安全风险水平分为5个等级，具体见表4。

表4 化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险等级分级标准Table 4 Safety performance risk level rating set of chemical industry park buiding structure

3.3 模糊层次分析法的改进

由于化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险具有极强的不确定性，仅采用模糊层次分析法很难表示其影响规律，因此本文利用响水实际爆炸案中建筑物检测报告资料并结合专家打分的方法构建判断矩阵，再通过检测数据模拟调整评估指标权重参数来确定评估指标的权重，以尽量避免评估指标权重计算过程中人为因素的影响，使得赋值结果更符合实际。利用改进的模糊层次分析法确定评估指标权重的步骤如下：

3.3.1 构造模糊互补判断矩阵

在构建化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估指标体系的基础上，利用专家打分法综合各层次风险因素，采用传统的9标度法(见表5)构造初始判断矩阵

A

=(

a

)×，其中

a

表示因素

U

相对于

U

的重要程度(

h

=1,2,…,

m

)。但传统9标度标度法易将人为主观性放大，需要进行繁杂的一致性检验，故本文利用

β

(

α

)函数将判断矩阵

A

=(

a

)×转换为模糊互补判断矩阵

R

=(

β

(

α

))×，从而避免传统9标度法需要进行复杂的一致性检验的缺陷。

β

(

α

)函数为

表5 传统9标度含义Table 5 Meaning of traditional nine scale

(1)

其中，

α

为模糊互补转换系数，令上式中

α

≥18，以保证当1≤

a

≤9时，有：0<

β

(

α

)<1，

β

(

α

)=0

.

5，

β

(

α

)+

β

(

α

)=1，则

R

=(

β

(

α

))×是模糊互补判断矩阵。且通过计算发现，当

α

=18时，转换后模糊标度区域能最大限度地覆盖(0,1)范围，其结果见表6。

表6 模糊标度含义Table 6 Meaning of fuzzy scale

3.3.2 确立最终权向量

模糊互补判断矩阵建立后，根据文献[17]的方法将其转换为模糊一致性判断矩阵并求得最初权向量

w

：

(2)

(3)

(4)

经过优化得出最初权向量值后，通过特征根法的幂法迭代思想来求解更高精度的最终权向量

W

(

k

)，具体方法如下：若

n

阶判断矩阵

A

>0，

x

=

e

(

e

为单位向量)时，有：

式中：

Y

为与判断矩阵

A

的最大特征值对应的特征向量；

W

为当

x

为单位向量时，与

A

判断矩阵的最大特征值对应的规范化特征向量，也就是权向量。

由此可得到特征根法的3个迭代步骤如下：

(1) 以

Y

=(

Y

，

Y

，…，

Y

0)=

w

为迭代初值，利用幂法迭代公式求特征向量

Y

+1，再求得

Y

+1的无穷级范数‖

Y

+1‖

.

特征向量

Y

+1为

Y

+1=

EY

(5)

式中：

E

=(

e

)×,

e

=

r

/r

.

(2) 若‖

Y

+1‖-‖

Y

‖≤

ε

(

ε

为精度要求，本文取

ε

=0

.

000 1)，则‖

Y

+1‖为最大特征值；然后对

Y

+1进行归一化处理，得到最终的权向量

W

(

k

)：

(6)

(3) 若达不到步骤(2)的精度要求，则将

作为新的迭代初值，重新代入公式(5)继续迭代，直至达到精度要求。

综上，利用响水实际爆炸案中建筑物检测报告与相关文献，并引入新的模糊转换矩阵，对模糊层次分析法进行改进，得到最终的权向量排序。这在一定程度上避免了复杂的一致性检验，同时降低了主观上的不确定性。

3.4 评价矩阵的建立

评价矩阵表示因素集与评语集之间的关系，因素对评语

V

的隶属度可由专家调查法得到。各因素集的评判矩阵

R

由因素集中单因素评估结果

r

按行排列组合而成，有：

(7)

式中:

r

(

i

=1,2,…,

n

；

j

=1,2,…,

p

)表示因素集中第

i

个因素对评语集中第

j

评价等级的隶属度。

3. 5 多级模糊综合评价

(1) 一级模糊综合评价。第一层次的每一个因素的单因素评价，是低一层次多因素的综合评价结果。在得到第二层次指标层权重矩阵

W

和评价矩阵

R

后，可利用下式计算第一准则层的评判矩阵

R

:

R

=

W

∘

R

(8)

式中：“∘”为模糊算子，即为加权平均模型。

(2) 二级模糊综合评价。根据一级模糊综合评价得到的准则层评价矩阵

R

，结合准则层权重矩阵

W

，可利用下式计算二级模糊综合评价集

B

为

B

=

W

∘

R

(9)

(3) 模糊综合评价。按照风险评价等级划分标准和说明，对风险评语集

V

中的元素

V

进行赋值,将评价结果量化，通过加权平均法来处理上述评价指标，最终得到化学工业园区建筑物结构抗爆安全性能风险的综合评价值

F

为

F

=

B

×

V

=(

b

,

b

,…,

b

)×(

v

,

v

,…,

v

)

(10)

4 化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险等级评定及修正

4.1 安全风险等级评定

完成上述风险指标体系和模糊综合评价步骤后，需要对化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险的最终等级进行判定。参考《石油化工控制室抗爆设计规范》(GB 50779—2012)、《建筑结构检测技术标准》(GB/T 50344—2004)和《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB 50144—2019)等国家相关规范，结合现有建筑物结构抗爆设计资料和响水实际爆炸案中建筑物检测报告，确定化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评价等级并将其量化。其风险等级评定准则见表7。

表7 化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评价等级及控制准则Table 7 Levels and control standards of risk assessment of anti-explosion safety performance of chemical industry park buildings structure

4.2 安全风险等级修正

由于化工园区建筑物使用用途种类繁多，生产区与办公区泾渭分明，因此若完全按照上述风险评估模型对化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险进行评估则会导致生产区建筑物风险等级过低，而办公区建筑物风险等级过高。因此，应根据建筑物使用用途和其危险源区域的不同对建筑物结构抗爆安全性能风险等级进行修正。安全风险等级修正处理方法，见表8。

表8 安全风险等级修正方法Table 8 Modification method of safety risk level

5 工程实例应用与分析

5.1 工程实例概况

江苏响水联化科技有限公司东厂动力车间(东12栋)结构体系为现浇钢筋混凝土框架结构，基础采用预应力混凝土管桩基础。该建筑物平面基本形状为矩形，轴线总长度为45.0 m，轴线总宽度为15.0 m；建筑物地上为三层，建筑高度为17.30 m，总建筑面积为2 446 m；建筑物结构的设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，框架抗震等级为四级，建筑物抗爆设防等级为2级。该建筑物北侧有一附属钢结构，其基本形状为矩形，轴线总长度约为36.0 m，轴线总宽度约为16.0 m，建筑面积约为576 m；建筑物四周均设有建筑防爆维护结构及障碍物，抗爆安全距离约为5～8 m，其与周边建筑物相对位置的关系示意图，见图3。该建筑物门窗玻璃电梯等仅进行了简单、低量级的防爆处理，建筑物内设有防火地面和防静电装置。该企业设有安全员且每日进行消防及物料安全检查，管理较为得当。

图3 被评估建筑物与周边建筑物相对位置的关系 示意图Fig.3 Schematic diagram of the relative position relationship between the assessed building and surrounding buildings

在爆炸事故现场中，临近化工厂发生硝化废料爆炸形成的爆炸冲击波对该建筑物造成了一定程度的损伤，由于该建筑物位于爆炸中心东北方向，距离爆炸中心约700 m(见图4)，爆炸冲击波使得该建筑物门窗玻璃全部损坏，主体结构构件包括梁、柱、屋盖等出现大量裂缝，造成建筑物整体受外部附属建筑物的影响向西北方向倾斜，该建筑物虽有一定程度的损伤但整体可被修复后继续使用，而北侧的附属钢结构建筑物部分坍塌，结构失效。

图4 爆炸事故现场示意图Fig.4 Schematic diagram of the explosion accident scene

5.2 因素权重的确定

根据上述评价方法并参考各专家的意见，得到各层次风险因素的初始判断矩阵，再根据公式(1)～(3)构建模糊一致性矩阵。以准则层风险因素

U

为例，构建的初始判断矩阵和模糊一致性矩阵见表9和表10。

表9 化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险因素U1相对重要性的初始判断矩阵Table 9 Initial judgment matrix of relative importance of U1 factor layer for risk assessment of antiexplosion safety performance of chemical industry park building structure

表10 化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险因素U1的模糊一致性矩阵Table 10 Fuzzy consistency matrix of U1 factor layer for risk assessment of anti-explosion safety performance of chemical industry park building structure

由公式(4)～(6)可求得矩阵的最终权向量。在此工程实例下，应用模糊数学理论的距离判别分析法得出当

a

=2时利用约束规划解法得出的权向量初值比利用行和归一法得出的权向量更加贴近最佳值，精度更加准确，且最终经过一次迭代后得出的最终权向量为

W

()=(0.182 9,0.112 8,0.098 3,0.133 2,0.128 4,0.128 5,0.138 8,0.076 1)

准则层风险因素和方案层风险因素各因素的权重计算结果，见表11。

表11 化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险各因素的权重Table 11 Risk factor weight for risk assessment of antiexplosion safety performance of chemical industry park building structure

5.3 评价矩阵的建立

为了得到化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险水平的评价等级,在计算了各因素的权重后,本文采用分值法即邀请5名相关专业专家对各因素的安全风险情况进行打分,得到该建筑物结构抗爆安全性能单因素风险评价结果(即评价矩阵)，见表12。

表12 化工园区建筑物结构抗爆安全性能单因素风险评价矩阵Table 12 Single-factor risk assessment matrix for antiexplosion safety performance of chemical industry park building structure

5.4 模糊综合评价

(1) 一级模糊综合评价。根据公式(8)，结合表11和表12，可得到一级模糊综合评价结果如下：

B

=(0

.

176 8,0

.

308 3,0

.

256 3,0

.

169 3,0

.

089 3)；

B

=(0

.

120 6,0

.

158 4,0

.

272 8,0

.

253 3,0

.

194 9)；

B

=(0

.

227 0,0

.

239 1,0

.

271 8,0

.

333 7,0

.

076 4)；

B

=(0

.

391 0,0

.

230 1,0

.

185 6,0

.

132 3,0

.

061 0)；

B

=(0

.

184 3,0

.

320 3,0

.

275 4,0

.

185 2,0

.

034 8)。

(2) 二级模糊评价。根据一级模糊评价的结果,由公式(9)可得到二级模糊综合评价结果为

B

=

W

∘

R

=(0

.

191 2,0

.

248 6,0

.

258 0,0

.

194 0,0

.

109 2)

(3) 模糊综合评价。根据上述计算结果,由公式(10)和表7，可得到江苏响水联化科技有限公司东厂动力车间(东12栋)建筑物结构抗爆安全性能风险水平模糊综合评价的标准分值为

F

=

B

×

V

=

B

×(0

.

95,0

.

80,0

.

65,0

.

50,0

.

20)

=0.663 3

根据风险等级修正方法(见表8)，该建筑物为动力车间提供动力，无危险物质生产和储存，因而属于工业生产区但非工业生产建筑，可维持原风险等级。该化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险水平模糊综合评价的标准分值

F

为0.663 3，该建筑物在相应的抗爆设防等级下的抗爆安全性能风险水平等级属于Ⅲ级即“一般安全级”，在风险控制准则中属于较高风险，应采取适当风险管控措施并进行风险监测。在实际工程案例中，该建筑物在4度左右的抗爆设防烈度中，主体结构有一定的损坏，但可修复，而附属钢结构则彻底破坏无法修复，说明本文建立的化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估结果与爆炸后建筑物实际检测结果基本相符，可以较好地反映该建筑物结构抗爆安全性能风险等级水平，通过评估后采取相应的管控措施可有效地降低实际爆炸后建筑物的损伤，可为化工园区建筑物火灾爆炸事故风险管理提供一定的参考。

6 结论与建议

(1) 根据常见建筑物结构抗爆安全性能的风险因素，参考相关资料和规范，分析并总结出影响化工园区建筑物结构抗爆安全性能的风险因素，以建筑物结构因素、抗爆措施因素、危险源因素、防爆管理因素和外部及环境因素5个一级风险因素为主要方面，建立了化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估指标体系。

(2) 确立了针对化工园区建筑物结构的抗爆设防等级，为整个建筑物结构抗爆安全性能风险评估模型建立了基础和前提，使风险评估模型更具有针对性和实用性。

(3) 对模糊层次分析法进行了有针对性的改进，运用大量爆炸事故现场建筑物检测数据并结合多位专家评分确立了各风险因素的权重，随后采用模糊综合评价法从安全风险的角度对评估指标进行综合评判，建立了化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估模型。

(4) 确定风险等级并将其量化，且考虑建筑物使用类别和危险源区域引入安全风险修正系数，从而综合得到化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险等级。

(5) 将建立的化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估模型运用到实际的工程案例中，所得评估结果与实际情况基本相符，说明该评估模型能有效和可靠地评估化工园区建筑物结构抗爆安全性能的风险水平。

(6) 本文所建立的化工园区建筑物结构抗爆安全性能风险评估体系在一定程度上弥补和丰富了化工园区安全生产管理的内容，对指导化工园区建筑物结构抗爆安全性能管理有一定的借鉴意义。今后可进一步研究风险管控措施内容和建立建筑物结构抗爆安全性能的预警体系，将研究成果落实到实际操作管理中，以提高研究课题的现实作用和意义。