基于事件树的高层建筑火灾风险评估

闻英男

北京市东城区消防救援支队，北京 100010

0 引言

随着社会经济的高速发展，各地出现了大量高层建筑，其节约城市用地的同时也带来了许多消防安全问题。高层建筑一旦发生火灾，会造成严重后果，对高层建筑进行火灾风险评估非常重要。国内外很多学者研究建筑火灾风险评估。卢健等[1]利用层次分析法建立高层建筑评价指标体系，从消防安全、消防规划、智能化信息管理等方面对高层建筑安全状况进行评价。吴镭[2]分析大型商业综合体在安全疏散、防火分区方面存在的风险，提出构建高效疏散引导系统、环形疏散流线、对防火分隔进行透明化设计等安全疏散和防火分区优化思路。苑小晶[3]应用层次分析法、模糊综合评价法、专家打分法对某商场的消防安全能力进行分析，从建筑空间结构、日常消防管理、灭火救援设施等方面建立评价指标体系，采用模糊综合评价法对商场进行实例评估。徐敏等[4]建立基于遗传算法和神经网络的高层建筑火灾风险评价模型。田玉敏等[5]将概率方法与模糊评价方法相结合，建立高层建筑火灾风险的概率模糊综合评价模型。目前，对高层建筑火灾风险评估方法与理论的研究比较丰富，大部分研究集中于模糊综合评价方法的应用，将事件树分析方法应用到高层建筑火灾风险评估中的研究较少。

1 事件树分析方法简介

事件树分析方法(Event Tree Analysis，简称ETA)起源于决策树分析，是建立在概率论和运筹学基础上的一种定量风险分析方法。事件树分析方法最初用于系统可靠性分析，目前广泛用于事故分析领域。事件树分析以初始事件为起点，按分支事件发生发展的时间顺序由初始事件推导可能的后果事件。事件树既可以直观反映整个事件的动态变化过程，预测事故及不安全因素，估计事故可能后果；又可以定量计算各阶段和最终事故概率，从而对可能存在的风险进行定量分析[6]。

事件树基本结构如图1所示，主要包括初始事件、分支事件和后果。(1)初始事件是可能引发系统安全后果的内部故障或外部事件。(2)分支事件是在初始事件发生后，可能按一定顺序相继发生的其他事件，这些事件可能是系统功能设计中所决定的某些设施的启动，也可能是系统外部正常或非正常事件的发生。每一分支事件只能取完全对立的两种状态(成功或失败，正常或故障，安全或危险等)之一，直到出现后果为止。(3)后果是由初始事件和分支事件的发生或不发生所产生的结果。

图1 事件树基本结构图

事件树火灾风险评估方法就是将事件树分析方法应用于火灾风险评估领域，将火灾事故发生的可能性、消防系统成功概率和火灾后果结合起来度量火灾风险。事件树火灾风险评估方法充分考虑可能出现的火灾场景、可能造成的火灾损失后果及发生概率等。

2 高层建筑事件树火灾风险评估方法构建

事件树火灾风险评估方法主要包括五个步骤：风险容忍度确定、事件树构建、火灾场景发生概率计算、火灾损失后果计算、火灾风险评估。

2.1 风险容忍度确定

风险容忍度就是人们可以承受的风险大小，超出范围就必须采取措施。风险容忍度一般用伤亡人数和财产损失折合货币值来度量。实践中，可以通过一段时期内(通常是一年)人员遭受火灾而导致死亡的概率、建筑发生火灾造成一定财产损失的概率来综合确定风险容忍度。确定火灾中人员伤亡和财产损失可接受风险水平是一个复杂问题，它既涉及工程技术问题，也涉及人们心理素质、道德观念和经济承受能力等；它不仅受技术手段影响，而且还涉及政治、经济、健康和环境等领域。目前，我国对风险容忍度的研究还处于起步阶段，还没有出台相应的火灾风险容忍度标准。因此，在实际工程应用中，需要借鉴国外经验与成果，同时结合我国相关法律法规来确定。

2.2 事件树构建

事件树主要由火灾初始事件、路径事件、事件树分支逻辑结构组成。(1)火灾初始事件是构建事件树的第一要件，它是在火灾事故未发生时，可能导致事故发生的危害事件或危险事件，如设备短路、人为操作失误、纵火等。火灾初始事件通常通过历史火灾事故统计分析、场景辨识工作表等方法来确定。确定火灾初始事件必须同时满足两个条件：一是火灾事故后果超过了社会风险容忍度；二是该事件出现的概率不能过低。(2)路径事件是火灾初始事件后序发生的事件，是影响火灾蔓延或限制火灾初始事件发展的各相关因素。路径事件主要有燃料性质(热释放速率)、火焰传播与二次引燃、通风作用、结构失效、火灾探测报警系统、自动灭火系统、被动防火措施(防火间隔、防火墙等)、人工灭火系统、空间限制等。(3)事件树分支逻辑结构一般遵循由左至右的顺序，从火灾初始事件开始，按照事件发展过程逐层展开，用树枝代表事件的发展途经。一般用上分支表示系统成功，下分支表示失败，事件树不同分支对应不同的火灾事故后果。

2.3 火灾场景发生概率计算

用事件树进行火灾风险评估，要确定事件树初始事件、各分支事件的发生概率。目前，常用的方法主要有概率统计分析方法、专家打分法等。概率统计分析方法以过去事故统计数据为基础，运用大数定律与正态分布规律，对事故数据进行定量预测，具有比较好的准确性。专家打分法是通过匿名方式征询有关专家的意见，对专家意见进行统计、处理、分析和归纳，客观综合多数专家经验与主观判断，经过多轮意见征询、反馈和调整后，对研究目标的权值及可信度进行分析的方法。专家打分法可以对大量难以采用技术方法进行定量分析的因素作出合理估算。

2.4 火灾损失后果计算

火灾损失后果分为直接损失和间接损失。直接损失包括人员伤亡，建筑、设备和其他各类财产被烧毁、烧损等所造成的损失。间接损失包括因火灾而停工、停产、停业所造成的损失，伤亡人员经济收入的降低及治疗、善后费用等。在火灾风险评估中，为统一风险量化结果，往往将风险后果与等价货币值联系起来考虑。根据《最高人民法院关于审理人身损害赔偿案件适用法律若干问题的解释》，我国公民死亡赔偿金一般为40万元左右，因此，以40万元作为生命等价货币值。

2.5 火灾风险评估

在获得火灾发生概率及火灾损失的基础上，通过式(1)计算各火灾场景的风险大小。

Ri=Pi×Ci(1)

式中，Ri为风险；Pi为火灾场景发生概率；Ci为火灾损失。

各火灾场景风险值总和即为总风险R，通过式(2)计算。

生命风险、财产风险、总风险的等价货币值分别按照式(3)、式(4)、式(5)计算。

RY=RYL+RYD(5)

式中，RYL为生命风险等价货币值；RL为生命风险；Y为生命货币值；P为火灾发生概率；RYD为财产风险等价货币值；RD为财产风险等级；RYDu为RD所属财产风险等级区间上阈等价货币值；RYDl为所属财产风险等级区间下阈等价货币值；RDu为RD所属财产风险等级区间上阈值；RDl为所属财产风险等级区间下阈值；RY为总风险等价货币值。

评估得出的结果与可接受火灾风险水平相比较，低于可接受水平，则目标处于安全状态；高于可接受水平，则目标火灾风险较大，必须制定安全措施使风险水平降低到可接受水平范围内。

3 高层建筑事件树火灾风险评价方法实例应用

3.1 实例概况

某高层建筑为钢筋混凝土框架剪力墙结构，耐火等级为一级，地上10层，地下1层，总高度40.1 m，占地面积1 490 m2，总建筑面积12 608 m2。该建筑设两部疏散楼梯，一部为室内封闭楼梯，一部为外置敞开式疏散楼梯，1～4层设置相互贯通的自动扶梯。整栋建筑设置火灾自动报警系统和水喷淋灭火系统，自动扶梯四周设置耐火极限为3 h的防火卷帘。建筑1～4层为商业区，以经营服装百货为主，1层设有4个出口；5～10层为办公区，每层南北向平行布置写字间；地下1层为设备层，设有水泵房、消防水池间及发电机房等。

3.2 风险容忍度确定

风险容忍度是可接受火灾风险水平，按照国际一般认可的生命风险可接受标准，选取1.0×10-4人·年-1作为可接受生命风险水平；可接受财产风险水平以不发生较大、重大、特别重大火灾为准，直接财产损失以不超过1 000万元为限。总风险等价货币值也以不超过1 000万元为限。

3.3 事件树构建

考虑到储油间柴油储存量比较少，且地下1层活动人员较少，火灾危险性较小，写字间人员较为固定，火灾荷载相对较低，选取起火部位为火灾荷载较密集的商场服装柜台。考虑最不利情况，选定初始起火部位为1层商场自动扶梯附近服装柜台。事件树结构如图2所示，分支事件有起火时间、被人发现、被人扑灭、探测系统、排烟系统、防火卷帘和喷淋系统。

图2 事件树结构图

3.4 事件概率设定

参考相关统计资料[7-9]，设定初起火灾概率、起火被人发现概率、消防设施启动成功概率等，如表1所示。白天商场营业区一旦发生火灾，会立即被人发现，因此设定火灾被人员发现的概率为1。夜晚商场只有值班人员，巡视时间间隔在2 h以上，很难第一时间发现火灾，因此在火灾报警系统动作前，设定被人发现的概率为0。

3.5 火灾场景发生概率计算

各火灾场景出现的概率可通过初始起火发生概率与分支事件发生概率的乘积求得。通过计算，火灾场景A1～A19出现概率分别为：0.154 0,0.080 9,0.027 0,0.008 0,0.002 7,0.009 0,0.003 0,0.000 9,0.000 3,0.022 3,0.112 4,0.037 5,0.011 1,0.003 7,0.012 5,0.004 2,0.001 2,0.000 4,0.031 0。

表1 事件概率设定表

3.6 火灾危害后果计算

3.6.1 处于危险环境人数计算

计算处于危险环境中的人数，需要确定疏散所需时间和可用疏散时间。建筑内总疏散人数为2 905人，其中1～4层分别为337人、400人、362人、282人，5～10层均为254人。利用EVACNET软件对疏散所需时间进行模拟计算，利用FDS对火场进行模拟，计算可用疏散时间，环境初始条件与边界条件设定见表2。以临界高度上下部烟气平均温度分别不超过180 ℃和65 ℃为临界值，得到火场达到危险状态的时间，与EVACNET软件模拟结果进行对比，计算处于危险环境的人数(见表3)。

表2 环境初始条件与边界条件设定表

3.6.2 火灾财产损失计算

不同火灾场景导致的火灾损失不同，财产风险等级也不同。为计算方便，用1～5数字代表“可以忽略不计”“低级”“中级”“高级”“灾难级”5个财产损失等级。该建筑投资总额约为8 000万元，根据不同火灾后果情况，设定5个财产损失等级对应的损失货币值D(万元)分别为：D<10，10≤D<100，100≤D<1 000，1 000≤D<5 000，D≥5 000。通过分析事件树中不同路径成功与否来判定财产损失等级(见表3)。

3.7 火灾风险评估

采用各火灾场景发生概率和火灾后果量化值，通过式(1)计算得出各火灾场景生命风险和财产风险，具体结果见表3。该建筑火灾风险即为各火灾场景风险值的总和，按式(2)火灾计算，生命风险即人员死亡的风险为4.574×10-4人·年-1，财产风险为0.875。根据式(3)、式(4)、式(5)计算得到生命风险、财产风险、总风险等价货币值，分别为4 440.78万元、8.75万元、4 449.53万元。该建筑生命风险远大于可接受生命风险水平(1.0×10-4人·年-1)，总风险等价货币值远大于可接受风险水平(1 000万元)，需要采取有效安全措施。

表3 各火灾场景危害后果

4 结论

通过构建高层建筑事件树火灾风险评估方法和实例应用研究，得出以下结论：(1)事件树分析方法层次清晰、分析过程符合人的逻辑思维过程，可以定量分析研究火灾风险大小，实例应用表明，具有应用于高层建筑火灾风险评估的可行性和优越性；(2)火灾风险评估中综合考虑生命风险和财产风险，同时用等价货币值代表总风险，能比较全面直观反映高层建筑火灾风险大小；(3)将事件树火灾风险评估方法应用于某高层建筑，得出总火灾风险等价货币值为4 449.53万元、生命风险为4.574×10-4人·年-1，火灾风险远大于可接受风险水平。