基于层次分析法的高层建筑火灾风险评估

刘毅敏

（山西省消防救援总队，山西太原 030000）

0.引言

当前，随着经济社会迅速发展，建筑数量日益增多，建筑结构日益复杂。大型商业综合体、高层建筑、地下建筑已经成为火灾防控管理工作的重点和难点。其中高层建筑一旦起火，人员疏散逃生困难、火灾蔓延迅速，火灾扑救难度大，极易造成群死群伤，产生重大社会影响[1-3]。因此亟需针对高层建筑建立灾风险评估体系，确定科学的评估方法。本文结合《建筑设计防火规范（2018年版）》（GВ50016-2014）[4]和消防安全管理相关实践经验，建立了基于层次分析法的高层建筑火灾风险评估的模型，为高层建筑火灾防治和风险评估工作提供辅助决策支撑。

1.高层建筑火灾风险评估指标体系的建立

建筑火灾风险评估要综合考虑从火灾发生的可能性和火灾防控能力2个方面进行评估。因此将火灾致灾因素作为火灾发生可能性的一级评价指标，将建筑主动防火设施、建筑被动灭火设施、消防管理水平、周边消防站实力4个指标作为火灾防控能力一级指标，共计4个指标进行综合考量，表1给出了高层建筑后火灾风险评价评价指标体系。

其中对于火灾发生可能性的角度来说，需要考虑的是火灾致灾因子。根据调查统计，全国火灾中，约有30%的火灾是由电气故障、电线短路、电路过载等问题引发。因此，将电气安全性作为重要的参考指标。装修材料是否易燃往往决定了火势是否会迅速扩大和蔓延，从而发展成为大火，而某些装修材料起火容易产生有毒有害的烟雾，在发生火灾之后，极易造成群死群伤局面的发生。因此，装修材料火灾荷载安全性也需要纳入火灾致灾因素指标之中。除此以外，人员活动密集，生产生活用火用电比较集中的区域容易发生发生，这都反映了外部因素对于火灾风险的影响。

火灾防控能力方面，依据消防工程专业知识，可以从建筑主动防火设施、被动防火设施、消防管理水平、消防站实力4个方面作为主要评估指标。其中，火灾自动报警系统、消防自动灭火系统、室内消火栓、建筑防排烟系统作为建筑最常见、最重要的主动防火设施，其性能完好性列为评估三级指标。建筑耐火等级、建筑防火分隔等消防设计方面的性能，同样对火灾蔓延有着巨大影响。疏散通道、安全出口等疏散方面的设计是否合规关系到人员能否顺利逃生。消防管理水平从消防安全培训、员工素质、火灾预案完备性3个角度考量，衡量单位消防管理水平的优劣。消防站的人员素质和人员数量、消防设施装备的完整好用性决定了消防站的灭火作战实力，而消防车道可用性、建筑距离最近消防站距离决定了消防站第一出动力量到场时间，从这几个方面入手可以判断周边消防站实力，作为火灾风险的重要参考指标。

表1 高层建筑火灾风险评估指标

针对二级指标，采用德尔菲法，进行专家打分。分数从0～100分不等，分数越高，表示该项指标安全性越高，风险越低。针对二级指标和一级指标，分别利用层次分析法，依据专家经验进行权重确定。最终得到层次总排序，形成最终评估结论。

2.高层建筑火灾风险性综合评估模型的构建

层次分析法可以按照几个明确的步骤进行。首先对所研究的问题层次化，即划分成不同的层次体系，将复杂的单个问题变成多层次的简单问题，分为最底部的方案层（需要进行决策的方案和策略或者是用于评价的、有量化数据的指标），中间的准则层（即中间评价指标），最上层的决策层（最终要研究的目的）相对于最高层（总目标）的相对重要性权值的确定或相对优劣次序的排序问题。

2.1 明确问题

在分析需要进行评价的统计、金融、社会、经济学问题时，必须清醒地认识问题的含义、目标、意义，才能有针对性地进行问题的解答和指标体系的建立。

2.2 建立评价层次结构

研究领域进行分析和综合之后，将研究包括的研究要点归纳分组，并把它们之间的共同特性看成是系统中新的层次中的一些因素，而这些因素本身也按照另外的特性组合起来，形成更高层次的因素，直到最终形成单一的最高层次因素。

2.3 建立评估因素论域和评语论域

建立待评估建筑的因素论域U={u1,u2,u3,u4,…uN}，依次表示火灾致灾因素、建筑主动防火设施、建筑被动防火设施、建筑消防安全管理水平、周边消防站实力5个一级指标。建立评语论域V={v1,v1,v3,v4…vM}，分别代表1～M个等级。等级越高表示火灾风险越大。

2.4 构建两两对比判断矩阵

（1）由于人对现实中各种评价指标的判断往往是两者之间相对重要性的模糊性判断，因此可以建立两两对比判断矩阵，来定量化表示专家对评价指标权重的判断。（2）采用1～9标度方法，可以针对不同指标的重要程度给出数值衡量。判断矩阵的标度指标的含义如表2所示。

表2 判断矩阵标度含义

两两判断对比矩阵需要依据专家经验、相关规范规定来制定，确定高层建筑火灾风险评估指标体系中各个指标的相对重要性。

判断矩阵В具有如下特征：

（1）bii=1

（2）bji=1/bij

（3）bij=bik/bjk(i,j,k=1,2,…,n)

其中对于两两判断矩阵中的 ，需要根据专家的分析建议、历史数据资料以及相关进行数据分析的人员的经验经过充分讨论研究决定。应用AHP层次分析法需要在前后进行评价时，判断思维是一致、连续的，对于任何一个两两对比判断矩阵来说，只要矩阵中的bij满足上述3条关系式时，就说明判断矩阵具有完全的一致性。

2.5 层次单排序

层次单排序的过程需要计算层次中判断矩阵最大特征值对应的特征向量，将特征向量各个元素归一化得到层次单排序的权重。设判断矩阵A的最大特征根对应的特征向量为则：

依次让每一准则层中各个元素同其对应的下一层准则层所连接的元素做层次单排序，求得各个指标对上一层的权重 aij。

2.6 一致性检验

层次单排序的一致性检验需要通过计算相应的指标CI和RI的比值来得到。一致性指标CI的值越大，就可以说明判断矩阵越偏离完全一致性，偏离的成都越大，反之，CI数值越小的时候，可以说明判断矩阵接近于完全一致性的程度越高。其中一致性比率CI计算公式如下：

表3是给出了1～10阶正互反矩阵计算1000次的结果，表示的是平均随机一致性指标RI。当n<3时，判断矩阵永远具有完全一致性。

表3 判断矩阵阶数对应的RI数值

判断矩阵一致性指标C.I.与同阶平均随机一致性指标R.I.之比称为随机一致性比率CR(Consistency Ratio)。

2.7 层次总排序

依次得到所有的层次单排序以后，计算层次总排序。将一级指标的权重和各个二级指标的权重矩阵，做点积运算，得到最终的层次总排序结果，最后得到的层次总排序的权重之和为1。

2.8 计算最终火灾风险评估等级

依据下式得到最终评价得分。

确定最终评估等级对照表，如表4所示。

表4 判断矩阵阶数对应的RI数值

3.实例分析

本文提出的高层建筑火灾风险评估模型，具有较强的普适性。以山西省太原市某高层住宅建筑为例，进行研究。首先利用delphi法，获取专家对该建筑各个指标的得分，每项分数0～100分不等。指标体系确定好之后，就是判断矩阵的建立。针对4个要素，对每2个要素之间相对重要性进行比较，构建判断矩阵。依据专家评价，参考已有文献和实际经验，对各个因素建立如下的两判断矩阵。首先对准则层第一层进行判断矩阵的构建，即事故可能性和火灾防控能力建立两两对比判断矩阵，如下方矩阵所示。

如表3所示，由于事故可能性和事故严重性对最终风险评价所起的作用大小相近，因此给与相同的权重。

然后对准则层第二层的矩阵进行判断矩阵的构建，针对火灾致灾因子、建筑主动防火设施、建筑被动防火设施、消防管理水平、周边消防站实力5个要素进行两两对比。计算最大特征值和最大特征值对应的特征向量，并计算CR值，得到最终的权重矩阵。该矩阵在一致性检测时采用的RI值为1.12，判断矩阵的CR值为0.090，通过一致性检验，得到的权重矩阵为ω1，其中：

然后对准则层第三层的矩阵进行判断矩阵的构建，针对建筑主动防火设施、建筑被动防火设施、消防管理水平、周边消防站实力3个要素进行两两对比。同样的方法得到二级指标的判断矩阵和权重向量。计算CR值，得到火灾致灾因素、建筑主动防火设施、建筑被动防火设施、建筑消防安全管理水平、周边消防站实力的CR值分别为0.00793、0.0433、0.00484、0.03244和 0.00484。CR 值均小于1，通过一致性检验。计算得到层次单排序之后，计算层次总排序，可以得到层次总排序结果。依据公式得到最终评价结果，得分为83.07563337分，评定为较低风险。

4.结论

本文建立了高层建筑火灾风险评估模型，通过层次分析法各级指标权重，能够针对高层建筑进行科学的火灾危险性评估，可以为消防监管部门决策提供辅助支持。利用层次分析法，可以确定3层指标的层次总排序，从而确定各个致灾因子的权重大小，发现高层建筑的关键性指标和关键因素。模型抛弃了以往建筑火灾风险评估中，单纯使用安全检查表、预先危险性分析等具有较强主观经验的模式，确定了科学的权重确定方法，并保证了融合多轮、多位专家研讨经验，从而保证了指标体系和权重体系的有效性、统一性和规范性。