基于压力-状态-响应模型的历史街区防火韧性评估体系构建及应用——以福州市三坊七巷为例

闫 晨， 陈锦涛， 段 芮， 任 维， 兰思仁*

(1.福建农林大学园林学院， 福州 350002； 2.杭州园林设计院股份有限公司， 杭州 310000)

长期以来，历史街区由于其建造年代、整体格局、建筑结构及材料的特殊性，具有较高的失火频率，而近年来中外历史街区因火灾所造成的严重损失，也成为了人类历史上无法弥补的遗憾。2017年8月，中国十大历史文化名街之一的扬州东关街，因东侧城楼木质楼顶起火发生重大火灾；2019年4月，一场大火将法国巴黎圣母院2/3的屋顶付之一炬；同年10月，日本冲绳的首里城突发大火，琉球王国都城遗址几乎全部烧毁；2020年1月，位于美国纽约唐人街社区中心的华人博物馆，在火灾中永久失去了8.5万件珍贵的藏品。

面对历史街区一触即发的火灾风险，中外有关历史街区消防安全的研究工作也围绕着“火灾风险评估”和“消防规划设计”两大方面持续开展。在相对微观的历史建筑层面：文献[1-3]归纳了历史建筑的火灾发生规律，并对其消防安全风险进行了评估；Hasemi等[4]、刘芳等[5]、郑越等[6]结合建筑的性能化消防设计，建立了历史建筑防火保护的评估方法基本框架；Wilson[7]、陈晓峰[8]总结了所在地消防制度和管理模式中的问题，进而结合信息技术提出相应对策和发展方向。在相对宏观的历史街区总体层面：Himoto等[9]、张庆顺等[10]针对历史街区的火灾特征，基于“安全街区”理论，探讨了历史街区的消防规划和设计策略；Granda等[11]、胡敏[12]、唐珣[13]从建筑改造、规划手段、消防技术等方面提出了防火技术对策，并从行政管理和社会措施的角度探索了适用于历史街区的火灾风险评估办法和消防规划编制方法；李凌枫等[14-15]从消防供水条件、建筑火灾危险性、建筑防火性能和灭火救援能力等方面对历史街区内的消防分区进行了风险等级评价和分析；Ferreira[16]、袁奇峰等[17]、杨敏行等[18]、宋晓勇[19]对韧性视角下的历史街区的可持续性和受灾风险评估等方面进行了探讨。

目前，在中外有关历史街区火灾风险评估的研究中，研究视角主要集中在受灾体自身性能、受灾体所处环境以及消防救援能力等方面。然而，在当今全球“韧性城市”的建设背景下，历史街区的防火韧性已不仅限于物理和管理层面上的性能，还表现在应对火灾风险时，集历史街区生态环境、经济、社会和基础设施为一体的抵抗力及恢复力。因此，研究将运用压力-状态-响应(pressure-state-response,PSR)模型构建历史街区防火韧性的指标体系，以福州三坊七巷历史街区为例进行实证研究，通过评估历史街区面对火灾风险时表现出的刺激性、敏感性和适应性，探索影响历史街区防火韧性的主次因子，为历史街区的防火韧性优化提供决策依据，为韧性视角下的历史街区防灾保护开拓新的思路。

1 研究区与数据

1.1 三坊七巷历史街区概况

三坊七巷历史街区位于福州市鼓楼区的市中心，东邻八一七北路，西至通湖路，南接吉庇路，北至杨桥路，总占地面积约40 hm2(1 hm2=104m2)，作为国家5A级旅游景区，其年游客量超千万人次。三坊七巷历史街区始建于晋朝，是中国现存规模较大、保护较为完整的历史街区，是首批获文化部、国家文物局批准的“中国十大历史文化名街”之一。街区内现存古民居约有270座，其中159处被列入保护建筑，以沈葆桢故居、林觉民故居、严复故居为代表的三坊七巷古建筑群被国务院公布为全国重点文物保护单位。坊巷内的建筑以木质结构及砖木结构为主，密集分布于狭窄的坊巷中。

因此，受到外部环境、遗产价值、建筑构造及街巷格局等因素的影响，三坊七巷历史街区成为极为敏感的孕灾环境和承灾体。据不完全统计，在过去的20年间，三坊七巷历史街区共发生火灾26起。

1.2 数据来源

为保证数据的可靠性、可比性和统计口径的一致性，研究使用的数据均来源于市级以上权威部门发布的文件和内部资料，并结合问卷调查、访谈、测绘等实地调研对部分数据进行补充和修正。其中，主要来源资料包括中国气象局发布的《全国主要城镇雷暴日数统计》、福建省政府批准实施的《福州市三坊七巷文化遗产保护规划》、福州市政府发布的《福州市“十三五”消防事业发展规划》、中共福建省委党史研究和地方志编纂办公室提供的《福州市鼓楼区建设志》《福州建筑志》《福州民政志》《福州文化志》《福州电力工业志》等。

2 历史街区防火韧性评估体系构建

2.1 评估框架搭建

2.1.1 PSR评估模型

PSR模型是环境研究领域常用的一种评估框架体系。该模型主要用于分析环境受到的压力、自身的状态以及作出的响应三者之间的相互作用，旨在解释环境受到压力后进行自我调节，社会系统根据环境调节的状况而做出响应的过程[20]。PSR模型所反映出的原因-效应-反馈这一逻辑思维，充分体现了自然和人类社会与环境系统之间复杂的相互作用。由于具备动态性的系统论思想，PSR模型也被广泛应用于生态安全评估、资源环境承载力评估及各类灾害风险评估的研究中[21-23]。

PSR模型分为3类指标，即压力指标、状态指标和响应指标。压力指标形容自然过程或人为活动对环境系统施加的压力，这个压力包括直接压力，也包括起驱动作用的间接压力，该指标重点解释了系统为何产生变化的问题；状态指标形容环境系统在面对压力时自身的状态，反映了环境要素的特征，该指标重点解释了系统会发生怎样变化的问题；响应指标形容应对变化时系统应该做什么来进行自我调适，以适应变化并应对变化，反映了系统为减轻、预防或恢复变化而做出的行动措施，该指标重点解释了系统的反应问题[24]。

2.1.2 评估指标选取与框架搭建

首先，根据韧性城市理论提出的指导思想，凝练历史街区防火韧性的内涵本质，分别确定了压力层、状态层和响应层的评估要素；然后再通过文献调研和专家咨询，广泛收集可应用于防火韧性评估的备选指标；最后，进一步分析备选指标与评估要素之间的相关性，并结合指标的可比性、可量性和可获性情况，研究筛选出33项针对历史街区防火韧性的评估指标，如表1所示，其中压力指标10项，状态指标12项，响应指标11项。

基于PSR评估模型的作用机制，研究综合所有评估指标搭建了历史街区韧性评估的基本框架，如图1所示。在该评估框架中，历史街区的防火韧性被定义为：历史街区在面对自然或人为带来的火灾压力时，为了保持系统本身的状态、结构和功能稳定，而采取一系列响应来吸收、抵抗或适应火灾风险的能力。这种韧性是由压力层带来的刺激性、状态层本身的敏感性、响应层表现出的适应性综合作用的结果。

表1 历史街区防火韧性评估体系

图1 历史街区防火韧性评估框架Fig.1 Evaluation framework for fireproof resilience of historic blocks

2.2 指标权重确定

为确定每个指标对总目标层的重要程度，研究采用专家打分法结合层次分析法，邀请来自建筑学、城乡规划、消防工程、灾害学等相关学科领域的专家，对评估框架中的准则层、要素层、子要素层和指标层里每项指标的重要程度进行两两比较并赋值，通过对判断矩阵的最大特征根及特征向量的计算，得到相对重要性排序，并通过一致性检验和层次总排序检验[25-26]，确定每项评估指标的权重。具体计算步骤如下。

(1)采用Satty 1-9标度法进行评级赋值，得到判断矩阵P为

(1)

式(1)中：ui、uj表示各指标；uij表示ui对uj的相对重要性比值。

(2)为判定指标之间的相对重要性，将矩阵P的每一列向量进行归一化，即

(2)

(3)

式中：aij表示uij的具体数值。

(4)

将评估框架中的各指标进行权重配比，研究综合压力因素、状态因素和响应因素，构建了划分为3个层级的历史街区防火韧性评估指标体系。

2.3 评估模型构建

在历史街区防火韧性的评估体系中，压力指标可以评估受灾体所处环境的危险性，状态指标可以评估受灾体的脆弱性和价值暴露性，响应指标可以评估受灾体对灾害的适应性和恢复力。因此，研究将压力指标的评估结果描述为刺激性H，将状态指标的评估结果描述为敏感性E，将响应指标的评估结果描述为适应性V，并构建历史街区防火韧性评估模型，计算公式为

(5)

(6)

(7)

R=V/(H+E)

(8)

式中：nH为刺激性影响因素的指标个数；nE为敏感性影响因素的指标个数；nV为适应性影响因素的指标个数；yi为第i项指标因子的评分值；wi为第i项指标因子的权重。研究将每项指标的最高评分设为5分，最低评分设为1分，通过计算得到历史街区防火韧性指数的总体区间为(0.13，3.12)。结合指标的权重，将韧性指数的得分进行5个等级的划分，如表2所示，其中韧性等级Ⅰ级表示很低，Ⅱ级表示较低，Ⅲ级表示一般，Ⅳ级表示较高，Ⅴ级表示很高。在历史街区防火韧性的定义下，韧性指数得分和韧性等级越高，则表示受灾体应对火灾风险时的综合能力越强。

表2 历史街区防火韧性等级

3 三坊七巷历史街区防火韧性评估

3.1 三坊七巷历史街区防火韧性评估结果

利用历史街区防火韧性评估体系对福州市三坊七巷历史街区进行评分，并经过评估模型计算得出：三坊七巷历史街区的防火韧性指数为0.82，压力层总得分为0.44，状态层总得分为1.08，响应层总得分为1.25。参考韧性评估等级可知，三坊七巷历史街区的防火韧性为Ⅱ级，应对火灾风险的综合能力较低。

3.2 压力层评估结果分析

根据评估模型的原理，压力层的评估得分越高，则防火韧性的等级越低。如图2所示，明火使用情况、电力设施老化率、游客流量等来自内部潜在风险指标对压力层的影响最显著。

图2 压力层各项指标得分Fig.2 Scores of pressure indicators

三坊七巷作为福州地区的民俗文化聚集地，定期举办美食节、灯会、庙会、祭祀等民俗活动，伴随这些活动的餐饮业用火用气、烟花爆竹燃放、烧纸敬香以及吸烟等行为，都极易引发火灾；坐落在街区内的宗庙建筑内常年摆放供奉香火，如郎官巷中的天后宫、儒坊东林里的树神庙等，许多宅院和古民居内的电力设施的使用年限也已超过10 a，而千万人次的年游客量在提升历史街区活力的同时，也增加了街区内的火灾安全隐患。

外部环境也在一定程度上给三坊七巷的消防工作带来了压力。福州由于其地理位置一年中高温时间可持续4个月，即6—9月，三坊七巷所处的福州市中心在热岛效应的加剧下，高温时段平均气温超过31 ℃，极端气温可达42.3 ℃；此外，福州市雷暴多发，近5 a的平均雷暴日为54 d/a，高温和多雷暴的自然条件使三坊七巷处于火灾风险较高的孕灾环境。

3.3 状态层评估结果分析

状态层的评估得分越高，则防火韧性的等级越低。如图3所示，建筑材料、建筑保护等级、建筑密度、建筑质量、建筑年代、保护建筑数量和古树名木价值等指标影响显著，体现了三坊七巷作为承灾体自身所具备较高的敏感性。

图3 状态层各项指标得分Fig.3 Scores of state indicators

当历史街区内部组成成分的价值越高，则面对火灾风险时可能受到的潜在损失就越严重。三坊七巷内明代之前的古建筑为所有建筑占地面积总和的16.14%，明清建筑为30.67%，民国时期建筑为5.52%，历史建筑的占比超过了50%；在三坊七巷的古建筑群中，具有较高保护等级的文物保护单位、保护建筑和历史建筑的比例达到了49.69%。此外，遗存在三坊七巷内树龄超过100 a的古树名木有12株，其中一级古树3株，三级古树9株。宝贵的历史文化遗产在火灾中的损毁是不可逆转和弥补的，因此三坊七巷的潜在受损价值成为防火韧性的消极影响因素。

三坊七巷内部空间环境和建筑的特征表现出了较高的易损性。近年来由于三坊七巷的保护开发工作持续开展，街区内的建筑总体质量较好，但还是有部分建筑因产权不明等原因而缺乏维护；三坊七巷的木构建筑为所有建筑占地面积总和的43.25%，砖木结构建筑占12.08%，两者占比之和超过了55%，易燃性较高；同时，三坊七巷的建筑分布密集，密度高达61.38%，不少建筑占用了逃生通道的空间，容易引发次生灾害。建筑的性能和街区的格局，使三坊七巷总体呈现出较为脆弱的状态。

3.4 响应层评估结果分析

响应层的评估得分越高，则防火韧性的等级越高。如图4所示，道路宽度和密度、消防栓和给水管网、消防措施、地区经济等指标都表现较好，表明三坊七巷在应对火灾过程中的救灾能力和灾后恢复力较强，但还是有个别指标暴露出抗灾方面的问题。

图4 响应层各项指标得分Fig.4 Scores of response indicators

三坊七巷的主要道路在经过近年的改造和修缮后，道路宽度基本满足消防需求，道路密度也较为适宜，表现出较好的道路疏散能力；消防栓和给水管网都实现了大范围均匀覆盖，街区内设有两个社区级消防站，并定期组织消防演练，说明了三坊七巷具备良好的消防机制；另外，较高的人均GPD和从业人口比例，也从侧面反映了街区拥有较好的社会经济水平和应灾恢复能力。

然而，三坊七巷的避灾空间面积不足，仅占户外面积的3%；现有的避灾空间仅有南后街、光禄坊公园、光禄吟台及其附属停车场，集中于三坊七巷的西南角，且未设置线路标识，对于街区内其他区域的可达性较差；此外，三坊七巷没有配置独立的消防水池及水泵房，消防用水仅来自于市政给水。

4 三坊七巷历史街区防火韧性优化

通过对三坊七巷历史街区防火韧性的评估，研究总结了导致街区防火韧性较低的影响因素主要有：①建筑材料耐火等级较低，建筑质量参差不齐；②建筑密度大，逃生通道被占用；③电力设施老化率高，易引发火灾；④明火使用率高，缺乏管控和消防安全教育；⑤游客数量多，人口密度大；⑥街区内避灾空间较少，且可达性较差；⑦消防水源种类单一。因此，研究就以下3个方面提出优化策略，旨在提高三坊七巷历史街区的防火韧性。

4.1 建筑性能优化

(1)在不对建筑和文物造成破坏的前提下，可以对三坊七巷内的建筑材料进行升级和适度改造。首先，对于建筑遗产本身或决定建筑风貌和韵味的关键部分，决不能轻易改动，对于非关键部分及辅材，可根据实际情况替换成耐火等级更高的材料。其次，结合木材阻燃技术，在不影响建筑外观的前提下，可喷涂透明的防火涂料或阻燃剂，以提高建筑的防火性能。

(2)对部分质量较差的古建筑进行结构加固和修缮，并严格按照我国相关部门制定的技术规范进行具体工程作业。同时，针对古建筑群安装防雷设施和灾害监测系统，并定期检查维护。

(3)清理违章搭盖的构筑物或生活设施，疏通建筑和院落内外的逃生通道和消防安全出口。结合现有的防火墙，根据实际条件在院落内或建筑一侧种植阻火树种，提升建筑之间的消防分隔能力。

4.2 街区空间优化

(1)三坊七巷中的一部分宅院空间已经过改造，并结合文化艺术展览、休闲娱乐、科普宣传、餐饮、游客服务等功能对公众开放。针对街区内缺乏避灾空间的问题，可进一步增强这些宅院空间的开放性，增强内部宅院空间和外部坊巷空间的连通性，将原有的内部庭院转化为外部开敞空间；同时，可拆除建筑质量较差或影响整体街区风貌的非保护建筑，以增设小型绿地、广场等公共活动空间，丰富街区避灾空间的类型。

(2)在增加避灾空间的基础上，拆除巷道内的障碍物，规划合理的消防线路和逃生线路，并在重要路口和节点设置指示牌，提高避灾空间的可达性。

(3)注重三坊七巷内部的生态环境构建，通过绿化改善街区内部的小气候、缓解城市热岛效应、提升空气质量，降低孕灾环境的敏感度；并结合街区景观提升，号召公众参与，促进公众身心健康，增强居民的归属感和社区凝聚力，从自然环境和社会环境两方面共同提升三坊七巷的防灾韧性。

4.3 管理机制优化

(1)针对明火的较高使用率，三坊七巷的管理部门要加强监管香火、纸制品、烟花爆竹等易燃物的存放、使用和阻燃处理，引导公众减少对此类易燃物的使用；定期对餐饮业的用火用气进行安全检查和消防教育，对火灾隐患较大的明火使用区域实施重点监管机制，加强消防设备、监测系统、火灾预警系统的布控[26]；定期对街区内的电力设施、燃气管道等进行检查和更新。

(2)加强游客的管理和引导工作，旅游高峰期采用实名预约游览机制，并对游客的游览路线进行分散引导，避免人群扎堆；设置独立的吸烟区，明确禁烟区、禁火区，并加大消防安全科普宣传的力度。

(3)利用三坊七巷周边的城市内河、街区内的水景、宅院中的蓄水池等，增加街区内的消防水源种类，并对此类应急消防水源进行规划和管理。

(4)建立智慧云街区，协同居民、游客、志愿者等，共同参与三坊七巷的保护、改造与管理；结合卫星地图和网络大数据，将街区内实时的消防安全状况和突发事件上传至共享云端，号召公众协助监管和献计献策，利用信息技术优化传统的管理机制，实现具有社会韧性的安全社区。

5 结论

(1)结合“压力-状态-响应”模型的作用机制，构建了历史街区防火韧性的评估体系和评估模型。这种韧性是由压力层带来的刺激性、状态层本身的敏感性、响应层表现出的适应性所综合作用的结果。

(2)福州市三坊七巷历史街区防火韧性的评估结果表明：虽然外部压力作为火灾风险的客观条件是不可避免的，但是建筑性能、街区空间和管理机制的优化是提升其防火韧性的关键。

(3)对于本文研究尺度之外的历史街道、建筑群或小型街区，该评估体系和模型还需要进一步根据尺度和地域性差异进行调整和优化。但是评估指标的选取原则适用于其他尺度的历史街区，并且选取的过程实现了定量化，这将有利于管理者和研究者根据其研究对象的实际情况完善评估指标，具有较强的可操作性和可推广性。