大型建筑火灾影响因素PCA-FTA方法研究

周毅 雷林 王淑云 彭巧娟 刘娟 郑宏伟

摘要：本文提出评价大型建筑火灾的建筑结构、人员因素、消防设施、环境因素等四个一级指标和12个二级指标体系。首先应用PCA方法确定各个因素的权重，再通过FTA方法来求得各因素的临界重要度，从而评价每个因素对于其火灾大小的影响程度，结合PCA和FTA，定量计算得到建筑火灾发生各影响因素权重。基于PCA-FTA的评价指标体系对建筑火灾的隐患排查将更有针对性，能评价火灾可能发生的重要因素，达到预防大型建筑火灾目的。

关键词：大型建筑;PCA;FTA;火灾

近年来，大型建筑火灾事故频繁发生，引起了社会的广泛关注。这些建筑通常具有内部空间结构复杂多样、人员高度密集、人流量大等特点，一旦发生火灾就会造成大规模的财产损失和人员伤亡。对建筑火灾发生因素以及安全评价的研究有很多，如：牛发阳提出综合PCA—FPP—BP神经网络的高层建筑火灾安全评价模型，用于解决高层建筑火灾安全指标间交叉问题，实现科学、快速地评价高层建筑火灾安全;冯洋洋提出门的通过率、楼梯的使用率和疏散瓶颈等问题对于火灾疏散的影响;陈全帅提出以智能应急照明疏散指示系统来指引人们进行逃生，可以让受困人员以最快的速度疏散至安全区域;张议丹选定火灾环境、出口宽度、人员密度等13个因素来研究，并从人员管理、有毒有害物质管理、障碍物数量等方面提出降低疏散时间的有效措施;焦宇阳等提出人员的生理、心理特征对火灾的影响，从而对优化了高层建筑火灾疏散系统模型;陈长坤等人在其调查分析中通过采用皮尔逊卡方检验分析了性别、年龄、疏散教育培训程度等与疏散心理和行为的相关性，提出了心理及行为对疏散的影响。

在这些研究的基础上，本文将火灾过程中对火灾疏散影响相关性大的因素融合为四个一级指标层，其分别为：建筑结构、人员因素、消防设施和环境因素;再建立一级指标下的二级指标：建筑结构包含有通道的有效长度、安全门的开放率和建筑的防火等级等;人员因素包含人员的素质和个体差异;消防设施包含有消防灭火系统、应急系统、警报系统和指示系统等;环境因素包含有毒有害气体、高温、爆炸等。

一、模型的建立

本文拟采用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA），目的是将多个二级指标通过线性变换以选出较少的几个互不相干的一级指标，进而用其刻画个体。该方法首先通过专家打分得到一个具体的数值，接着通过PCA得到各个影响因素的准确权重，最后通过这些影响因素建立起一个影响火灾严重程度的事故树，从而计算建筑火灾的等级和重要影响因素，并提出重点预防和监测方案。

对整体进行综合评价：

（1）所有一级指标的权重之和等于1。

（2）每个一级指标所属的二级指标的权重之和等于1。

（3）进行火灾等级评价的大型建筑物，可以根据各建筑物结构、消防设施、人员因素和环境等因素，对部分指标参考权重进行调整，但调整规则必须依照前两条的相关说明。

各二级指标的权重因素采用下式进行调整，构建一个安全检查评分表，其计算公式如下：

其中  n：二级指标的个数;A：一级指标的得分;E：总的得分

最终通过式（4）求得的结果，对检查结果进行划分，共分为优良、合格、不合格三个等级，评定方法如下：

（一）优良：分项检查表不存在零分，总分在8分以上。

（二）合格：分项检查表不存在零分，总分在8分以下，6分以上。

（三）不合格：分项检查表存在零分或者总分在6分以下。

通过对建筑进行总的评价，当结果为合格或者不合格时，我们对所有重大火灾的影响因素建立事故树（Fault Tree Analysis，FTA），通过FTA来排查事故隐患点，从而节约时间和减少排查难度，建立如图1：

对以上结果进行排序，得到所需要的最优的改善方案，排名靠前的因素改善得到的回报将是最大。

二、模型分析应用

假设针对某个大型建筑物的这12组因素构建一个专家评价表，选取6个专家的评分进行分析，得到下表：

通过SPSS软件，对各组数据进行PCA得到总方差解释表及其成分分析表：

通过上表可以得到各二级指标的权重为：

对以上结果用（4）进行各一级指标的评分结果为：

最终用（4）得出综合评分A为7.111。通过我们的评级方法可以得知，该大型建筑物的火灾发生情况评价等级为合格，部分指标需要进行整改才能消除隐患，于是我们采用FTA法对其进行隐患排查，找出需要重点整改部分，减少排查整改时间。

从图中可以发现χ8因素的权重最大，分析得知该大型建筑物的发生火灾的主要影响因素是其警报系统，由于警报系统故障，未能及时预警及场所内的人群未能及时疏散，从而造成人员的大量伤亡。该大型建筑物后勤人员应该定期对其警报系统进行排查检修，防止火灾事故的发生。

三、结论

（一）模型计算结果表明大型建筑火灾的主要影响因素为消防设施的警报系统，其功能的有效性影响火灾发生后消除、控制、人员疏散和救援一系列工作;

（二）通过PCA和FTA结合建立和分析建筑火灾的一级指标和二级指标为消防安全评价提供了一种新的定量评价方法;

（三）对二级指标的评分和权重利用事故树分析法进行了计算得出建筑火灾影响的一级指标得分：建筑结构约为2.13，人员因素约为1.414，消防设施约为2.157，环境因素约为1.41;

（四）通过计算一级指标得分确认了建筑火灾主要影响因素的等级，并指导相关消防安全检查重点项目。

参考文献：

牛发阳，段美栋，王建波，姜东民，杨冠楠.基于PCA-FPP-BP神经网络的高层建筑火灾安全评价[J].工业安全与环保，2016，42（07）：26-29.

冯洋洋.大型商业综合体火灾人员疏散研究[D].西安科技大学，2015.

陈全帅.大型综合建筑智能应急照明疏散指示系统的研究与实现[D].西安建筑科技大学，2016.

张议丹.建筑结构人员疏散影响因素研究[D].天津工業大学，2017.

焦宇阳，马鸿雁，刘世松.基于参数模糊优化的火灾疏散联合仿真研究[J].消防科学与技术，2018，37（09）：1191-1194.

陈长坤，秦文龙，童蕴贺，陈以琴.突发火灾下人员疏散心理及行为的调查与分析[J].中国安全生产科学技术，2018，14（08）：35-40.

杨高尚，彭立敏，安永林.基于主成分分析的公路隧道消防安全系统评价研究[J].火灾科学，2008（03）：194-200.

黄怡浪，严小丽，何超.高层建筑火灾事故树构建与重要度分析[J].上海工程技术大学学报，2014，28（01）：82-86.

作者简介：

周毅（1997.9—），男，湖南娄底人，南华大学安全工程卓越计划本科生，主要研究方向：建筑安全、安全管理。

通讯作者：

雷林（1975.12—），湖南省衡阳市南华大学环境资源与安全工程学院。

基金项目：

国家级大学生创新创业训练计划立项项目（201810555011）;湖南省普通高等学校教学改革研究项目“工程教育专业认证视域下核特色安全工程专业课程体系的改革与创新研究”（编号：2017-224）。