基于ISM和AHP高层建筑抵御火灾能力的影响因素研究

张立军

摘要： 文章基于己有的文献和事故案例，运用系统工程理论，采用ISM分析影响高层建筑抵御火灾能力的各个因素之间的联系。应用AHP对结构模型中各因素指标的影响力进行排序，得出指标体系中各因素的权重。结果表明： 定期消防检查、教育培训等是最深层次的影响因素；在二级指标中，管理问题为主要因素，在三级指标中，教育培训、安全责任意识等最为重要。因此，在各个层面严格加强安全管理，进一步明确各有关部门职能和责任，定期进行消防教育与培训，以提高建筑的安全绩效。

Abstract： Based on the literature and accident cases， the paper uses the system engineering theory to use ISM to analyze the relationship between various factors that affect the fire resistance of high-rise buildings. AHP is applied to sort the influence of each factor index in the structural model， and the weight of each factor in the index system is obtained. The results show that regular fire inspection， education and training are the most profound factors； in the two level， management is the main factor. Among the three level indicators， education and training， the sense of safety responsibility are the most important. Therefore， the safety management is strictly strengthened at all levels， the functions and responsibilities of various departments concerned are further clarified， and fire education and training are regularly carried out in order to improve the safety performance of the building.

关键词：高层建筑火灾；解释结构模型；层次分析法

Key words： high-rise building fire；ISM；AHP

中图分类号：TU714 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）18-0075-04

0 引言

近年来，由于地价高昂、土地资源稀缺和经济快速增长，为解决城市化和经济增长对空间需求，布局复杂且人员密集的高层建筑日益增多。高层建筑具有多数量的楼层、庞大的体积、复杂的建筑结构、多样化的功能等特点，在同样的预防火灾等级下，其火灾的危害性比普通低层大得多，一旦发生火灾，其损失不可估量。根据国内外相关研究以及相关部门的规定，对于高层建筑的火灾，其坚持的原则应为“以固为主”[1]。

庞建军[2]通过分析一高层酒店失火后，成功疏散建筑内人员并达到零失误的案例，简述了高层建筑的火灾特点、扑救火灾及疏散人员的经验。乔萍[3]依据目前高层建筑火灾发生的特征，以及在进行扑火救援过程中消防部队所面临的困难，结合系统安全分析的理论和方法，分析了高层建筑灭火救援的影响因素，并在此基础上对高层建筑灭火救援存在的风险进行了综合评估研究。马晓明[4]依据高层建筑发生火灾后，内部人员所面临的疏散问题，提出并建立了与高层建筑火灾相关的模型。这些研究基本上是针对高层建筑火灾消防救援及逃生，而对建筑物抵御火灾能力的影响因素以及之间的关系研究较少。为此，文章结合相关国家标准规范以及已有成果文献，采用系统工程中的解释结构模型（Interpretative Structural Modeling Method 简称ISM）和层次分析法（Analytic hierarchy process 简称AHP）通过分析影响高层建筑抵御火灾能力的因素，确定出不同层次之间的联系，以及同一层次中各影响要素之间的关系，建立高层建筑抵御火灾能力ISM，并通过AHP法定量地确定出模型中各要素的影响力的排列顺序，从而制定有效的预防措施和治理方案，对提高高层建筑自身消防安全具有重要的社会价值和现实意义。

1 影响因素的层次结构分析

解释结构模型（Interpretative Structural Modeling Method，ISM）技术是在1973年，美国J.华费尔特教授在研究复杂的社会经济系统的过程中开发的一種方法[5]，是一种最基本的、特色的系统结构模型化技术。ISM具有把复杂的系统分解成若干个子系统（要素）的特点，然后利用人们的相关知识以及实践经验，并依靠计算机运算，最后，将复杂系统分解构造成一个多层递阶的模型。

依据系统工程中的结构模型解法，对各个影响因素进行综合性的分析，可以确定各影响因素之间的关系以及层次结构。ISM是一种定性地来表示系统的构成要素，以及它们之间本质上存在的互相依赖、互相制约和关联情况的模型。建立模型的第一项任务是分析各影响因素，以确定各因素的相互关系；其次是建立邻接矩阵和可达矩阵；再次是分析可达矩阵，最终建立高层建筑抵御火灾能力的影响因素的多层递阶结构。

1.1 影响因素的选取

综合考虑高层建筑的特点以及对以往事故报告的分析，在查阅相关文献资料的基础上，最终确定了各个影响高层建筑抵御火灾能力的因素，见表1。

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1.2 建立邻接矩阵

邻接矩阵是一个布尔矩阵，高层建筑抵御火灾能力系统的邻接矩阵中每个要素之间的关系用0和1表示，得出一个的矩阵，根据影响高层建筑抵御火灾能力的因素间的直接、间接关系，两两比较11个影响因素，如式（1）所示

A=[aij]=1 Si与Sj有直接关系0 Si与Sj没有直接关系 （i，j=1，2，…11）

（1）

其中，Si为行Sj为列，最终所得出的矩阵即为邻接矩阵。

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1.3 建立可达矩阵

可达矩阵（Reachability）M：有向连接图各节点之间经过一定长度的通路后，其可能达到的程度用矩阵的形式来表述。用1表示两个要素之间能够建立起通路，用0表示不能建立通路。各影响因素之间的直接关系可通过邻接矩阵A来反映，其之间存在的间接关系可由可达矩阵M来描述。依据布尔矩阵法则，可根据矩阵A计算至M=（A+I）r+1=（A+I）r≠（A+I）r-1，其中，I是单位矩阵，在该模型中，计算可得：当r=2时，满足上述条件，其结果如下。

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1.4 基于可达矩阵的影响因素的层级划分

根据计算得到的可达矩阵，对其进行区域和层级划分，从而求得各个影响要素的可达集R（Si），先行集A（Si）和共同集C（Si）=R（Si）∩A（Si），如表2所示。其中：可达集合R（Si）表示要素Si能够到达的所有因素组成的集合，可以通过矩阵M第i行上值为1的列所对应的因素来得到。先行集合A（Si）表示可以到达要素Si的所有要素组成的集合，可以通过矩阵M第i列上值为1的行所对应的因素得到。共同集合C（Si）表示的是可达集和先行集所共同的部分（交集）。

根据表2中的数据，通过分析可得到高层建筑抵御火灾能力的影响因素的第1级：L1=（5，7，11）；在可达矩阵中去掉S5、S7、S11所对的行和列，通过分析可得到高层建筑抵御火灾能力的影响因素的第2级：L2=（10），再在可达矩阵中去掉S10对应的行和列，通过分析可以得到第3级：L3=（6）；同理，可分析得到第4级：L4=（8，9）；第5级：L5=（2，3，4）；以及第6级：L6=（1）。（第2-6级的先行集和可达集的表格在此省略）。

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1.5 建立解释结构模型

根据分级结果经简化处理后，得到高层建筑抵御火灾能力的影响因素的ISM模型，如图1。

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1.6 基于模型的分析

从图1中可以了解到，该模型是一个3级有向层级结构模型，随着层级数增高，其影响因素会变得更宏观，所涵盖的范围也会变大；相比之下层级数低时，其影响因素更具体，而且涵盖的范围也会相对较小。我们可以从模型中观察到，第一层直接影响因素为应急预案、疏散通道布置、逃生自救能力和扑救初起火灾能力。这些因素直接影响到高层建筑抵御火灾的能力。第二层的间接因素对第一层的因素产生影响，第三层是根本因素，是导致事故发生的最深层次的原因，如：消防制度、组织机构、定期消防检查、教育培训。消防制度和组织机构是提高建筑物安全绩效最主要的手段，应依据消防制度合理布局，杜绝有法不依、有章不循的现象，严格最受相关法律法规，组织机构做好管理工作，减少事故的发生，增强建筑物抵御火灾的能力。此外，应重视教育培训可以使群众产生极强的安全意识、掌握灭火以及逃生技巧，降低人的不安全行为；依照规定进行消防检查，可以及时排除隐患、减少物的不安全状态，从而提高建筑物抵御火灾的能力。由ISM模型可以看出，影响高层建筑抵御火灾能力的是一个复杂的系统。

2 影响因素的影响力分析

ISM分析方法能定性分析影响危险品仓储系统安全的要素间的内在关系，但是不能确定各影响因素的权重，而层次分析法可对其进行定量分析。美国运筹学家A.L.Saaty教授最早提出了层次分析法（Analytic hierarchy process简称AHP），AHP是一种对定性的问题进行定量分析的具有简便、灵活并且实用的特点的多准则决策方法[6]。AHP法在决策分析时，可以把一个由众多因素构成的互相关联、制约的复杂的系统从不同的角度进行评价，根据系统的决策目标将研究的问题层次化、条理化，建立递阶层次结构并形成一个多层次的分析结构模型，一般由高到低分层，即：目标层、准则层和指标层，利用下层对其上层的相对重要性来评价因素的权重。

2.1 建立指标体系

通过对近些年来发生的事故进行分析，总结得出事故发生的原因大致可分为三类：人的原因、物的原因和管理问题。本文从这三个方面进行考虑，应用Yaaph层次分析法软件建立高层建筑抵御火灾能力的影响因素系统等级层次分析结构，如图2。

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2.2 构造两两判断矩阵及权重计算

X=X11 … X1n■ ■ ■Xm1 … Xmn其中，Xij表示第i个指标对第j个指标产生影响程度的情况，即表示由于一指标发生变化给另一指标带来的影响，获取的值见表3。

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依据图2中指标体系以及表3的评分标准，经专家打分法构建判断矩阵。如构造管理问题因素的判断矩阵，见表4。判断矩阵一致性比例为0.0460，对高层建筑抵御火灾能力体系的权重为0.6144。同理，对人的原因、物的原因，分别構造判断矩阵，请专家打分后，得出高层建筑抵御火灾能力体系的每一个元素的权重，见表5。

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由表5可得，高层建筑抵御火灾能力体系中，管理问题为主要因素，其权重为0.6144，在二级指标中占了总权重的一半，人的原因因素占0.2684，物的原因因素占0.1172。在三级指标中，教育培训、安全责任意识和应急预案最为重要。

结合图1的模型和表5的各个指标权重可以得到：影响高层建筑抵御火灾的能力的因素不仅数量众多、关系复杂而且结构不清晰，应用ISM和AHP相结合的方法，不仅可以看出各个因素之间的关系，还可以明确各因素在该系统中权重。如在影响高层建筑抵御火灾的能力的直接因素中，应急预案所占的权重（0.1634）较大，逃生自救能力和扑救初起火灾能力所占的权重（0.0383）相对较小，所以在进行安全管理，提高高层建筑的安全绩效时，应有所偏重，采取重点且有针对性的防范管理措施。

3 结论

ISM解释结构模型法，针对高层建筑抵御火灾的能力的特点，分析总结出对其有影响的11个因素。用ISM模型对11个因素进行分析，分成3个层次并得出他们之间逻辑关系。高层建筑抵御火灾的能力系统中最深层次因素是组织机构、消防制度、教育培训和定期消防检查，所以应完善组织结构、充分发挥组织机构的职能，严格遵守消防制度，定期开展宣传教育活动，提高建筑内人员的消防安全意识，对消防设施对其检查維修，加强建筑内消防设施的可靠性，降低建筑主体发生火灾的风险。

AHP层次分析法，计算得出了高层建筑抵御火灾的能力系统的所有元素的权重。教育培训的权重为0.2478，安全责任意识的权重为0.1918，应急预案的权重为0.1634。因此，应加强对这3个因素的重视，在各个环节、各个层面严格加强安全管理，进一步明确各有关部门和相关主体的职能和责任，加强日常管理和教育培训，确保最大限度的避免火灾的发生。这种方法能够比较准确地衡量各个要素之间的优劣关系，提高分析的可靠性。

高层建筑抵御火灾的能力的影响因素众多且关系复杂，采用ISM构建多级递阶层次模型，定性分析要素之间的关系，AHP分析法，通过两两要素相互比较从而确定层次中复杂因素的相对重要性，经过综合性判断后，得出各个要素的权重。定性分析和定量分析有效结合，提高分析的可靠性和有效性，从而为提高建筑物的安全绩效提供依据。

参考文献：

[1]师文喜.高层建筑楼梯间及相连空间内烟气流动特性与火行为研究[D].中国科学技术大学，2014.

[2]庞建军.高层建筑火灾特点及防范措施改进[J].消防科学与技术，2011，30（11）：1070-1073.

[3]乔萍，张树平，万杰，等.基于ISM高层建筑消防救援影响因素研究[J].消防科学与技术，2016（9）：1294-1297.

[4]马晓明.高层建筑火灾人员疏散问题研究[D].中央民族大学，2012.

[5]张博倩，吕淑然，马子超，等.基于ISM和AHP的危险品仓储风险影响因素研究[J].安全，2018（3）.

[6]马砺，刘晗，白磊.基于AHP和熵权法的古建筑火灾风险评估[J].西安科技大学学报，2017，37（4）：537-543.