大型城市综合体火灾风险评估研究*

肖国清，黄仁和，邹 瑞，陈春燕，何 理

(1.西南石油大学 化学化工学院,四川 成都 610500；2.油气消防四川省重点实验室，四川 成都 611731；3.中国安全生产科学研究院，北京 100012)

0 引言

随经济快速发展，现代化、功能多、装饰新的大型城市综合体逐渐涌现。城市综合体在丰富人们生活，完善城市功能的同时，也可能存在不小的火灾隐患。近年来，国内外发生多起综合体火灾事故，造成人员伤亡及经济损失：2008年1月，新疆乌鲁木齐德汇国际广场发生火灾[1]；2011年2月，沈阳皇朝万鑫国际大厦发生火灾[2]；2018年3月25日，俄罗斯中部科迈罗沃娱乐中心发生特大火灾，造成64人死亡、52人受伤[3]。为预防大型城市综合体火灾事故，进行火灾风险评估十分必要，城市综合体火灾特殊性为火灾风险评估带来新的挑战[4-5]。

国内外学者从不同角度对大型城市综合体火灾风险开展研究:Zheng等[6]通过将聚类与AHP结合,确定大型商场火灾风险等级；Robert[7]从大型城市综合体建筑复杂性和火灾危险性出发，提出制定相关管理办法以完善火灾监测、烟雾报警系统；Howard[8]通过研究大型城市综合体火灾受损情况与火灾温度变化关系，提出以建筑结构为主的防火改进措施；曹耘[9]结合典型火灾案例分析城市综合体火灾特点及危害；吴茂洪[10]通过制定灭火预案、增强实战演练、增强排烟破拆及结合现代科技等手段,解决城市综合体灭火救援难题。

目前,国内外对于大型城市综合体火灾风险评估研究较少，且基本处于定性阶段，尚未形成成熟和科学的评价体系。传统火灾风险评估模型将火灾发展与人员疏散同时进行评估，缺乏协调性，且指标权重为静态，缺乏实时性。因此,本文针对大型城市综合体火灾特点，建立“双主线”火灾风险评估模型，基于物联网、大数据、云计算数据[11]，运用贝叶斯网络计算火灾发展主线与人员疏散主线各节点可靠性，并通过改进的火灾关联度法对“双主线”进行协调整合，确定风险节点动态权重。研究结果可定量评估大型城市综合体火灾风险，有效提高风险结果准确性。

1 大型城市综合体火灾特点

大型城市综合体建筑面积一般超过50万m2，且大多为高层建筑[12]，建筑体量大，内部结构复杂，本文将从火灾发展与人员逃生2个方面对大型城市综合体火灾特点进行分析。

1.1 火灾发展方面

1)大型城市综合体建筑体量大，综合体内部商店、娱乐厅、仓库等场所众多，导致火灾荷载大。

2)用火、用电设备多，起火概率相对较高[13]，综合体服务功能多，作业类别多样，火灾隐患区域主要有锅炉房、餐饮店、娱乐场所、库房和设备房等。

3)综合体内商场、饭店、公寓、车库、娱乐厅多场所相互联结，火灾易发生连锁反应导致多米诺效应，造成损失呈几何倍数增大。

4)可燃建筑装饰材料使火灾扩散至上下层，导致火情波及整个建筑[14]。

5)火灾扑救困难，消防员往往需要前往建筑体内深处灭火。

1.2 人员逃生方面

1)客流量过大，人员密集，疏散困难。

2)疏散路程过长，内部布局复杂，导向性差，楼层较高，且疏散通道与安全出口距离较远。

3)综合体内人员主体为顾客，不熟悉逃生路线且无法进行安全演练。

4)综合体火灾燃烧不充分且内部温度过高，产生高热、有毒气体，增加人员逃生风险。

2 “双主线”火灾风险评估模型建立

结合大型城市综合体建筑特点与火灾危险性，建立“双主线”火灾风险评估模型，即火灾发展主线与人员疏散主线。火灾发展主线按发展阶段分为起火、火势增长、灭火、火灾蔓延、蔓延至周围建筑5个节点；人员疏散主线按逃生过程分为组织疏散、疏散通道、疏散楼梯、安全出口4个节点。火灾发展主线指标体系如图1所示，人员疏散主线指标体系如图2所示。

图1 火灾发展主线指标体系

图2 人员疏散主线指标体系

采用层次分析法，以火灾发展与人员疏散为目标层，图1～2各节点为准则层，指标因素为方案层，按照两两对比的方式，由专家按1～9标度赋值，对比2个因素重要程度，构造判断矩阵，计算得到双主线各节点及指标因素对应权重值，见表1～2。

表1 双主线节点权重值

表2 双主线指标因素权重值

3 节点可靠性计算与动态权重确定

3.1 贝叶斯网络计算模型

定量火灾风险评估法方法概率求解问题具有不确定性，而贝叶斯网络在求解不确定概率问题时,只要求解方向正确，即使得到的概率模糊，也可以得到精确值[15]。贝叶斯定理如式(1)所示：

(1)

式中：P(A|B)为B发生前提下A发生概率；P(B|A)为A发生前提下B发生的概率。

3.2 改进关联度法确定节点动态权重

引入经典数学距的概念，定义风险因素可靠性为xi，xi到风险区间[aij,bij]与[akj,bkj](i=1,2,…,n;k=1,2,…,m)距离如式(2)～(3)所示：

(2)

(3)

式中：d(xi,Xij)为xi到风险区间[aij,bij]的距离；d(xi,Xkj)为xi到风险区间[akj,bkj]的距离；xi为风险可靠性。

关联度为指标因素可靠性与火灾风险关联程度，本文对关联度阈值进行改进，划分风险可接受与不可接受2个区间，简化计算过程。建立关联度函数如式(4)所示：

(4)

式中：Ki(xi)为关联度。

结合表1～2得到“双主线”各节点指标风险关联度函数,如式(5)所示：

(5)

式中：Ki为各节点风险关联度；wij为因素指标权重。

将关联度归一化处理,得到的节点权重随参数实时变化。

根据《关于调整火灾等级标准的通知》对火灾事故等级划分即“红橙黄蓝”4色安全风险管控体系，参考相关建筑设计防火规范要求[16-18]以及消防领域专家建议,将大型城市综合体火灾风险划分为4个等级，见表3。

表3 大型城市综合体火灾安全风险水平等级

4 评价案例与结果分析

以成都某大型城市综合体为评价对象，综合体地处城市商业中心，共有4幢建筑楼，总面积60万m2，1号楼为商业广场，楼内采用中庭式结构，楼层间采用自动扶梯连接，疏散楼梯(宽度2 m)与6座电梯分别位于中庭两侧，每层楼内疏散通道设计不同；2号建筑楼主要为居民区；3号楼为27层的高层建筑，包括写字办公、酒店住宿、体检医院等；4号楼为展厅与会议室。3号楼设有消防控制室，建立完善的大型综合体楼宇系统，综合体内每条疏散通道按规定放置灭火器，楼层内配置自动灭火系统、消防栓、应急照明系统、防排烟系统和通风空调系统、火灾探测与自动报警、自动灭火联动系统等。消防站距离综合体5 km，每幢设置4个安全出口，分别位于对称4个方位，建筑耐火等级为Ⅰ级。

各2级指标可靠度通过物联网技术以及云计算得到，计算得到该大型城市综合体火灾荷载密度为902 MJ/m2，以商业为主要业态的城市综合体数量最多，根据文献[19]计算得到，商业综合体火灾荷载标准值为750 MJ/m2，可燃物可靠性如式(6)所示：

(6)

供水系统可靠性由管网流量、压力与故障率共同决定，该大型城市综合体流量稳定性为94%，压力稳定性为92%，故障率为2%，则供水系统可靠性如式(7)所示：

P(x6)=92%×94%×(1-2%)=84.8%

(7)

同理，其余指标可靠度参照行业标准或采集数据可直接计算得到，见表4～5。

表4 火灾发展主线指标可靠度

将表4与表5中可靠度带入式(2)～(5)，为方便计算，将[aij,bij]定义为[50,100]、[0,50]2个区间；[akj,bkj]为[0,100]，结合指标权重，得到火灾风险关联度。

表5 人员疏散主线指标可靠度

对各节点关联度进行归一化处理，如式(8)所示：

(8)

式中：Wi为各节点指标权重；wi为原体系下节点权重；Ki为节点风险关联度，根据最大隶属度原则取最大值。双主线节点关联度见表6。

表6 节点关联度

把“双主线”整合得到各节点动态权重值，见表7。节点权重根据关联度实时变化。

表7 节点权重

将各节点可靠度作为先验概率，结合指标权重输入条件概率值，条件概率值如式(9)所示：

(9)

式中：P(Y|X)为条件概率值；wij为因素指标权重；Pij为风险因素可靠度。

贝叶斯网络计算结果如图3～4所示。灭火节点条件概率见表8。

表8 灭火节点条件概率

图3 火灾发展主线贝叶斯网络

结合表7各节点权重，计算大型城市综合体火灾风险值如式(10)所示：

(10)

式中：R为大型城市综合体火灾风险；Ri为各节点风险值；Wi为各节点权重。

由表3可知，该大型城市综合体火灾风险为Ⅱ级，属于中等风险，风险可接受，需局部整改：减少装饰可燃材料使用量、加装逃生指示标志、完善出口设计、缩短安全出口与疏散楼梯的距离等。

图4 人员疏散主线贝叶斯网络

5 结论

1)针对大型城市综合体特点，建立“双主线”火灾风险评估模型，2条主线对于整体火灾风险相互独立又相互联系。通过计算分析火灾风险关联度，将2条主线整合成1个整体，使火灾风险值更加精确。

2)火灾风险评估体系中指标参数实时变化，基于关联度得到权重动态变化，当指标可靠性降低，对应节点权重升高。对比传统层次分析法，动态权重得到结果更具客观性。