基于ISM的历史街区消防安全韧性影响因素分析

卫朋丽 万杰

(1.西安建筑科技大学资源工程学院 西安 710055； 2.西安建筑科技大学建筑学院 西安 710055)

0 引言

传承城市文化脉络是历史街区的重要功能之一，历史街区不仅能保存珍贵文物，而且能比较真实地体现当地的传统格局和历史风貌，是具有一定规模的历史地段。由于历史街区建设年代久远，同时会面临复杂的火灾风险，其建筑材料、街区空间布局、基础设施等已达不到现代消防安全的要求，因此，对历史街区的消防安全研究具有重大意义。

当前，国内外研究人员对历史街区的消防安全问题进行了大量研究。IBRAHIMA M N等[1]利用火灾风险指数法评估了木结构建筑在遭受火灾时的安全性；孙乐雷[2]从古建筑基本情况、消防安全设施情况、消防安全管理三个方面出发建立了评估指标体系的具体内容，系统地分析了火灾风险的主要来源；张琳等[3]以历史街区为研究对象，建立了以建筑形式、消防安全管理、建筑防火、消防设施等方面的评价指标体系；甄珍[4]从耐火极限、防火分区、消防水源、用火用电等方面分析了南华门历史街区目前存在的消防安全问题，并提出了针对性的消防安全对策；韦善阳等[5]从安全管理、周围环境、建筑防火能力、电气防火及建筑消防系统五个方面建立了木结构建筑群火灾危险性评价的指标体系；何丘原等[6]从建筑防火分隔、建筑使用功能、建筑耐火性能、消防设施等几个方面分析了磁器口古镇存在的火灾安全隐患，进而提出针对山地历史街区的防火策略。

由于历史街区的年代悠久，其设计规划不符合现代消防要求，又因其建筑及街区历史要素(如消防通道、建筑防火间隔等)在历史文化上具有不可替代性，无法通过拆除和改建来达到现代的新标准新要求，只能通过其他科学方法弥补其在消防安全方面的不足，韧性理论便为火灾的风险研究提供了全新角度。“韧性”是指一个系统在面临危险状态时能够通过及时有效的方式抵抗、吸收和适应影响，并能从影响中恢复的能力，这种能力主要包括保护和恢复必要基础的设施和功能[7-8]。韧性评价方面，LABAKA L等[9]从技术、组织、经济和社会韧性4个维度，构建了关键设施的安全韧性框架；JOERIN J等[10]从物理、社会、经济、组织和自然5个维度进行研究，建立了面对气候灾难时的社区安全韧性评估体系。韧性评价是从系统整体对系统安全状态进行评价，弥补了传统历史街区消防安全评价的不足。

以上研究多是从火灾风险有关的人-物-环的角度出发对历史街区进行消防安全研究，对于从历史街区系统整体面对火灾的适灾能力及灾后恢复的角度进行消防安全评价的研究较少。因此，将韧性理论引入历史街区的消防安全研究中，分析其评估指标因素，对于构建安全韧性评价体系，提升历史街区整体的韧性及促使历史街区适应韧性城市规划要求具有积极意义。

1 历史街区消防安全韧性介绍

1.1 内涵及特征

历史街区消防安全韧性指当历史街区系统遭受火灾危险时，在系统韧性作用下，吸收和抵御风险、维持和恢复历史街区的消防安全稳定状态，其主要内容包括两个方面：一是火灾发生时，保护历史街区中的建筑和文物不受损害或所受损害能够快速有效修复，并维持系统基本功能正常运行，争取火灾损失降至最低；二是火灾发生后，迅速恢复历史街区的基础设施和功能，通过经验学习弥补系统消防体系建设的不足。历史街区消防安全韧性的特征要素主要包括5个方面，即稳定性、冗余性、效率性、适应性和自组织性[11]。

1.2 WSR理论

WSR理论是一种关于物理(W)-事理(S)-人理(R)的系统方法论，其中“物理”即实践和认识的客体；“事理”即实践和认识的活动；“人理”即实践和认识的主体，目前该方法已在多个领域得到普遍的应用。

该方法论主要用来确定系统的因素维度，在对历史街区的消防安全韧性影响因素研究中，其物理维度因素指的是该历史街区的建筑区域特征因素、设施因素，事理维度因素是指经济因素和组织管理因素，人理因素主要指社会因素。

1.3 韧性指标因素整理

在遵循科学性、系统性原则的基础上，依据相关政策及法律法规，结合历史街区实地调研情况及相关文献，基于WSR系统理论，从历史街区系统的建筑区域特征、设施、经济、组织管理和社会5个方面出发，并结合专家意见筛选出31个三级指标，得出各指标因素韧性特征，以此构建出历史街区消防安全韧性指标影响因素体系。历史街区的消防安全韧性指标及韧性特征如图1所示。

图1 历史街区消防安全的韧性指标体系及韧性特征

2 基于ISM的历史街区消防安全韧性指标因素分析

2.1 ISM模型建立

ISM法分析步骤如下：

(1)建立因素集S。确定研究对象的系统影响要素，建立因素集S={S1,S2, …,Sn}，其中n代表n个要素。城市历史街区的消防安全韧性是一个由众多因素相互作用组成的复杂系统S，因此建立因素集S={S1,S2,…,S31}。

(2)建立邻接矩阵A。确定系统各个因素间的影响关系，建立邻接矩阵A=[aij]n×n。邻接矩阵A中，元素aij等于1或者0。若矩阵中第i行j列的元素aij=1，表示因素Si能够对因素Sj造成某种直接影响；若aij=0，表示因素Si不会对因素Sj造成直接影响。

根据历史街区消防安全韧性影响因素建立起的邻接矩阵A如图2所示。

图2 邻接矩阵A

(3)建立可达矩阵M。可达矩阵可以用来表示两个要素之间是否具有相互连接的途径，利用布尔矩阵逻辑运算法则，对邻接矩阵A进行运算便能求出可达矩阵M。

计算公式为：

(1)

式中，E为A的同阶单位矩阵，则M为可达矩阵。建立起的可达矩阵M如图3所示。

(4)区域划分。先由可达矩阵M得到系统要素的可达集R(Si)、先行集Q(Si)和共同集C(Si)，其中可达集R(Si)是指在可达矩阵M中，行要素(Si)对应的所有矩阵元素为1的全部列要素(Sj)的集合；先行集Q(Si)是指在可达矩阵M中，列要素(Sj)对应的所有矩阵元素为1的全部行要素(Si)的集合；共同集C(Si)则为可达集与先行集的交集，其表达式为：

C(Si)=R(Si)∩Q(Si)

(2)

图3 可达矩阵M

历史街区的消防安全韧性影响因素区域划分如表1所示。

表1 区域划分

续表1

(5)层级划分。层级划分是在区域划分的基础上，根据共同集和可达集是否相同，确定系统要素的所在层级，具体实施步骤为：首先，当C(Si)=R(Si)时，将集合中要素Si作为第1层要素；其次，将上一层要素排除后，重复上一步确定本层要素；最后，重复前两个步骤直到要素全部划分完成。各要素层级表示为L1，L2，...，Ln，其中L1代表最高层级，Ln代表为最低层级。最终的历史街区消防安全韧性指标因素层级划分如图4所示。

(6)ISM层级模型建立。根据步骤(1)—(5)建立解释结构层级模型：首先，分区域按层次排列各级要素；其次，用有向线段连接各级要素；最后，得出ISM层级结构模型图，如图4所示。根据层级的划分结果及邻接矩阵A和可达矩阵M中各类要素间的相互影响关系，将这些要素从高层级向低层级排列分布，用箭头相互连接并去掉要素间的越级关系，以此来表达要素之间的二元层次结构关系。

由图4可知，历史街区的消防安全韧性影响因素体系是一个复杂的系统，ISM层级模型通过梳理指标因素间的关联性和层次性，得到历史街区的特征、设施、经济、组织管理和社会5层面的影响因素之间具有多级递阶的层次结构关系。通过层级划分方式将31个影响因素自上而下划分为L1～L7共7层，根据因素间的影响关系，可将指标因素分表层、中层和深层3级，即表层因素(L1)、中层因素(L2～L6)与深层因素(L7)，在该模型中，表层因素为直接影响因素，中层因素为间接影响因素，深层因素为根本影响因素。

图4 ISM层级模型

2.2 ISM模型结果分析

2.2.1 表层因素分析

表层因素L1中的个人灭火自救能力C31、应急疏散设施完善情况C8和经济稳定性C13能够直接影响历史街区消防安全韧性。个人灭火自救能力C31是提升历史街区自身火灾适灾能力的直接因素，街区群众参与消防安全宣传演练活动，提升自身的防火安全意识等有助于在火灾中顺利逃生。应急疏散设施在抵御、适应火灾危害的过程中起到重要缓冲作用，完善应急疏散设施，有利于提高人员在外部空间的疏散与避灾能力，因此，应急疏散设施完善情况C8是提高历史街区对火灾适应性的关键因素。经济稳定性C13则是历史街区火灾承灾能力的重要影响因素，在火灾的灾前预防、灾中抵御、灾后恢复重建全周期都需要经济投入，需要稳定的经济能力做基础。以上3个因素(受中层和深层因素直接或间接地影响)可以直接影响历史街区的消防安全韧性。

2.2.2 中层因素分析

中层因素L2～L6的指标因素为间接影响因素。

从物理维度因素(W)分析，第一，在历史街区区域特征(B1)方面：首先，历史街区具有独特的历史文化价值，其中文物及历史建筑占比C1、建筑年代C3体现历史街区的价值，价值越高的街区，遭受火灾的损失越严重；另一方面，历史街区价值越高，街区的旅游业发展情况C19越发达，随之将提高街区群众的人均收入C15。其次，建筑年代C3、老旧建筑比C2、建筑密度C5和建筑防火间距C6将影响建筑防火能力C4；街区周围易燃易爆危险源数量C7是影响历史街区消防安全的重要风险因素，提升文物及历史建筑防火能力，控制街区内火灾风险源，增强历史街区系统火灾承载能力，以达到保护历史街区文化价值的目的。最后，灭火救援预案编制需要根据历史街区区域特征进行编制，因地制宜才能使灭火救援响应高效进行。第二，在设施因素(B2)方面：消防设施在火灾应对过程中起到了关键作用，消防栓、消防水源和消防车道等为消防员的灭火救援行动提供物质基础，而火灾监控预警系统可以使火灾早发现、灭火早响应，因此消防设施完善情况C9将直接影响历史街区的火灾救援能力。若历史街区的消防设施完善程度较好，则可能造成的火灾损失较小。在发生火灾后，医疗救援力量C10和路网密度C11可以为历史街区的灭火救援提供外部支持，及时的医疗救援和良好的交通可以增强街区的火灾应对能力。

从事理维度因素(S)分析。第一，在经济因素(B3)方面：历史街区的产业结构C14、人均收入C15、火灾保险覆盖率C16和旅游业发展情况C19将影响经济稳定性C13；旅游业发展情况C19和失业率C17直接影响历史街区人均收入C15；消防经费投入C18将影响街区的消防建设。产业合理的街区，人均收入更高，街区经济系统也更稳定；火灾保险投保，可一定程度上弥补街区群众因火灾造成的损失，增强群众应对火灾的经济适应性。旅游业的发展，在一方面有利于提升街区经济水平，另一方面，游客流量增大，引发消防隐患增多，相应地对历史街区的消防管理及设施就有了更高的要求。第二，在组织管理(B4)方面：历史街区相关的消防法制建设情况C25、灭火救援预案完善情况C23和消防宣传演练情况C22等因素影响相关政策制度体系的建设完善；消防队伍建设情况C21、消防宣传演练情况C22、灭火救援响应能力C24在火灾发生的响应过程中极为重要，直接影响了灭火救援行为的及时有效性；火灾经验学习能力C20表现为管理者和群众在事故经验中吸取经验教训，采取相应措施，从而提升历史系统自身预防、应对火灾的能力，是历史街区系统有较高的火灾风险容量。积极发动街区群众参与消防热情，完善公众参与消防的相关制度和机制，通过组织化学习促进主体能动性，是实现历史街区消防安全的有效途径。

从人理维度因素(R)分析，在社会因素(B5)方面：人口密度C27、老龄人口占比C28、群众消费安全素质C29、邻里熟悉情况C30和个人灭火自救能力C31体现历史街区内群众对火灾的预防及抵御能力。街区人口密度C27及老龄人口占比C28的值越大，可能造成街区群众整体抵御火灾的能力降低；群众消费安全素质C29、邻里熟悉情况C30和个人灭火自救能力C31则体现了街区群众对火灾的自适应性，即火灾过程，不依靠外部救援力量自行灭火救援，甚至防止人为火灾的能力。

2.2.3 深层因素分析

深层因素L7的基础设施稳定性C12和部门履责情况C26为根本影响因素，对历史街区消防安全韧性的维持和提升起关键作用。首先，历史街区的基础设施是抵御火灾破坏、减少灾害造成的损失及灾后重建与发展的硬件支撑，具体内容包括：保证道路畅通，保证受灾群众及时得到医疗救援；灾后保持或恢复区域内水电供应、燃气供应和正常通信等基础功能，保障群众生产生活正常进行等。电力线路的老化及铺设方式，燃气管道是否泄漏及供水设施是否完好等都将影响基础设施稳定性C12。其次，相关组织管理部门履责C26是火灾前预防检查、火灾中领导指挥、火灾后恢复重建的重要支持力量，为历史街区系统健康运行提供重要保障。

3 熵权法分析

ISM 模型反映了指标因素的多重反馈关系，但无法解释各指标因素影响力的大小，而熵权法可以确定权重，从而确定指标因素的重要度。熵权法是一种客观赋权方法，若某个指标的熵值越小，表明指标值的变异程度越大，提供的信息量就越大，在综合评价中该指标起的作用就越明显，其权重应该更高，对应重要度也更高。利用熵权法得出历史街区消防安全韧性指标因素权重，如表2所示。

由表2中各指标因素权重可知，历史街区消防安全韧性的二级指标因素重要度排序依次为：历史街区区域特征B1(0.260)>设施因素B2(0.247)>组织管理B4(0.161)>经济因素B3(0.260)>社会因素B5(0.137)。由于历史街区具有独特和不可替代的历史文化价值，一旦遭遇火灾，造成的损失无法弥补，因此，历史街区区域特征B1在二级指标中最为重要。建筑防火能力C4和易燃易爆危险源数量C7权重较高，体现历史街区的火灾风险性；文物及历史建筑占比C1、建筑年代C3体现历史街区的历史价值特征，权重较高。其余指标中，应急疏散设施完善情况C8权重为0.068，基础设施稳定性C12权重为0.055，经济稳定性C13权重为0.046，部门履责情况C26权重为0.049，个人灭火自救能力C31权重为0.051，在三级指标权重占比较高。该结果和ISM层级模型分析得出的结果一致。

表2 历史街区的消防安全韧性指标因素权重

4 结论

(1)历史街区消防安全韧性指标因素体系包含了区域特征(B1)、设施(B2)、经济(B3)、组织管理(B4)和社会(B5)5个二级指标因素和31个三级指标因素(C1～C31)。

(2)ISM层级模型表明，历史街区消防安全韧性的根本影响因素为基础设施稳定性(C12)及部门履责情况(C26)，直接影响因素为应急救援设施完善情况(C8)及经济稳定性(C13)、个人灭火自救能力(C31)。

(3)利用熵权法得到历史街区的消防安全韧性二级指标因素的重要度排序为：区域特征B1>设施因素B2>组织管理B4>经济因素B3>社会因素B5。在三级指标因素中，权重占比较高的为：应急疏散设施完善情况C8、基础设施稳定性C12、经济稳定性C13、部门履责情况C26和个人灭火自救能力C31。该结果和ISM层级模型分析得出的结果一致。