集成DEMATEL-ISM的古建筑火灾致因因素评价

2023-06-17张嬿妮黄罗鑫凌诗月

火灾科学 2023年1期

张嬿妮,杨丹,黄罗鑫,凌诗月

(1.西安科技大学安全科学与工程学院,西安,710054;2.西安市城市安全与消防救援重点实验室,西安,710054)

0 引言

中国属于世界四大文明古国,在其千年的发展中,许多稀有的古建筑被留存下来,是中国重要的文化遗产。目前,我国现存的大部分古建筑由于建筑自身特性或过度的商业开发等原因导致古建筑存在较大的消防隐患,一旦发生火灾事故,极易引发区域连锁反应,造成巨大损失[1-4]。

为有效管控古建筑火灾致因因素,提升古建筑安全水平,众多国内外学者对古建筑的火灾危险性展开了相关研究。张晓锦等[5]针对木结构古建筑群,进行实地调研,通过Gustav方法建立了古建筑群火灾风险评估模型,并提出相应古建筑火灾防护措施;刘晗等[6]将集队理论引入到古建筑火灾风险评估中,并基于集队分析构建了五元联系数火灾风险评价模型;徐志胜等[7]通过指标体系评估了张谷英村、凤凰古城和南岳大庙的火灾安全,该评估指标体系由风险指数法定量构造,并通过AHP进一步确定指标权重,最终发现建筑成片、消防工作人员安全意识薄弱、消防设施存在缺陷以及建筑耐火等级具有较大差异性等是古建筑火灾的主要致灾因素;官钰希等[8]利用消防安全管理、消防设施配备情况、古建筑消防安全特性三大因素构建火灾风险评估指标体系,并将其深化细分为45个子要素,采用层次分析法对湖北省3类古建筑群进行火灾风险分析,得出3类不同建筑的火灾风险等级,并根据分析结果提出相关整改建议;殷杰等[9]基于熵权可拓决策模型,使用Matlab7.0软件评估西安市回民街的火灾风险;马砺等[10]同样以西安市回民街为对象,采取熵权法和AHP对指标权重进行线性加权求解其综合权重,最后建立模糊综合评价模型进行火灾风险评估。目前古建筑火灾科学领域不断完善,安全管理水平逐渐提升,但是从以上内容可以发现所采用的火灾风险评估方法大多基于层次分析法及模糊层次分析法,评价方法复杂单一,缺少致灾因素间交互与耦合关系的分析。

因此,本文采用了适用于复杂系统的实验室决策分析法(DEMATEL)和解释结构模型法(ISM),通过两种方法的互补综合考虑古建筑火灾事故致因因素,对其进行定性定量分析[11,12],确定古建筑火灾事故评价系统中各指标因素的权重,获得古建筑火灾事故致因因素体系模型。在前人权重分析的基础上,对各致因因素进一步进行原因-结果属性分析及逻辑分级。采用DEMATEL-ISM评估方法可以大幅简化计算步骤,降低评估难度。为避免仅依靠DEMATEL-ISM法计算致因因素属性而造成与常规认知有所出入的情况,采用模糊层次分析法进行结果参照,为古建筑的消防安全管理提供理论基础。

1 DEMATEL-ISM方法

DEMATEL方法的首次提出者是美国学者Gabus和Fontela,而ISM方法被大量运用于现代系统工程分析中,属于结构模型化技术[13,14]。DEMATEL和ISM两种方法存在一定程度的共性,即都需要专家确立各个致灾因素之间的关系,构建关系矩阵,而区别在于DEMATEL方法可以分析致因因素的重要度,ISM方法则能够更好地分析致因因素的逻辑分层结构。目前,DEMATEL-ISM方法在事故调查及企业管理等方面取得了良好的应用,但在古建筑火灾事故体系中尚未使用。古建筑系统火灾事故的成因复杂,致灾因素多样。集成DEMATEL和ISM两种方法的特点可以有效减少重复矩阵的计算,确定致因因素间的耦合关系,找出导致古建筑火灾事故的深层因素。DEMATEL-ISM方法基于DEMATEL计算得到综合影响矩阵,并客观引入阈值λ,运用ISM方法得到可达矩阵,最终分析事故系统各因素间的逻辑关系。

2 古建筑火灾评价指标体系

在事故致因理论分析中,综合致因因素可大致分为人、机、物、管理、环境五个方面[15]。依据2020年国家文物局对75处重点文物、博物馆单位火灾隐患抽查结果,引发火灾原因如图1所示,可以发现文物保护单位火灾安全隐患主要表现为：电气隐患、安全管理不当、消防设施不完善、消防值守不当及用火不慎。结合文献调研与评价方法特点,从人员、古建筑消防系统、古建筑防火能力、安全管理与环境五方面确立23个古建筑火灾事故致因因素,为保证指标因素的可靠有效,共邀请5名专家采用德尔菲法对致因因素指标进行修正。经专家多次讨论(考虑由火灾应急救援资源保障及消防档案管理情况导致古建筑火灾的可能性较低;配电线路敷设情况和消防安全投资两因素可划分到消防规划与设施的下一级因素指标;墙体导热及防火能力可划分到建筑构件耐火等级)最终确定为18个古建筑火灾事故致因因素,如表1所示。

表1 古建筑火灾事故致因因素指标体系Table 1 Index system of ancient building fire accident cause factors

图1 古建筑火灾事故致因因素Fig.1 Causes of fire accidents in ancient buildings

3 古建筑火灾致因因素分析

3.1 DEMATEL模型建立

1)针对选取修正后的18个古建筑火灾事故致因因素,记∂=(∂1,∂2,∂3…∂18)为古建筑火灾事故致因因素的集合,γ(表示因素∂i对∂j的影响程度)为因素之间的影响关系。

基于大量文献的查询阅读,同时邀请5名火灾事故专家对各致因因素相互之间的影响程度进行评价打分,影响程度等级标度如表2所示。

表2 影响程度等级标度表Table 2 Influence degree scale table

2)构建直接影响矩阵：采用德尔菲法得到18个致因因素间的直接影响矩阵A,见表3。

表3 直接影响矩阵ATable 3 Direct influence matrix A

3)综合影响矩阵：规范化处理直接影响矩阵A,将矩阵A代入公式(1)得矩阵B[12]：

(1)

T=B(E-B)-1=tij

(2)

其中,E为单位矩阵。

4)影响度Ci、被影响度Di、中心度Mi、原因度Ni。

影响度可将任一因素对指标体系中其他因素的影响程度定量表示,被影响度为其他因素综合影响该因素的分析指标;中心度可表明事故致因因素的重要程度;原因度包括原因因素和结果因素,可将事故致因因素进行逻辑分级,计算公式如式(3)～式(6)所示[13]：

(3)

(4)

Ni=Ci-Di,(i=1,2,…,n)

(5)

Mi=Ci+Di,(i=1,2,…,n)

(6)

按照DEMATEL法计算结果,绘制原因-结果图,如图2所示。当纵坐标原因度>0时,致因因素为原因属性,否则为结果属性。横坐标为中心度,图2中所划阴影部分即为中心度较大因素,表明阴影内因素重要程度较高。

图2 原因-结果图Fig.2 Cause-effect diagram

为保证评估结果的准确性,结合文献调研,邀请专家对指标因素的属性进行调整。并通过层次分析法,建立互补判断矩阵、一致矩阵,计算得到指标权重,以对指标因素间的因果关系进行参考。计算结果如表4所示。

表4 致因因素DEMATEL法计算结果表Table 4 Calculation results of DEMATEL method for cause factors

3.2 ISM模型建立

整体影响矩阵计算如公式(7)所示[13]。其中,I为单位矩阵,为了确定古建筑火灾事故致因因素的层级结构,需通过确立阈值λ计算可达矩阵,λ的不同取值会形成不同的层次递阶模型。目前大多通过专家判断进行λ取值选取,由于主观性强,很容易使分析结果偏离实际。因此,基于综合影响矩阵分布的数学期望值与标准差之和确立λ的赋值,可使致因因素逻辑分级更具有客观性[13]。

H=T+I=hij

(7)

λ=α+β

(8)

其中,α和β分别为综合影响矩阵的期望值和标准差。通过统计分析,可得λ=0.1429+0.0338=0.1767,按照公式(9)得可达矩阵M[13]：

(9)

对可达集合进行层级分析,根据公式(10)和公式(11)可分别求得可达集合和先行集合[13],按照公式(12)对所求可达集合和先行集合进行验证[13]。可以发现,当i=2,5,6,7,14,18时,Fi为Ri的子集,说明上述因素为首层因素,即首层致因因素指标集合为{∂2,∂5,∂6,∂7,∂14,∂18},排除首层因素指标,同理可计算得到第二层致因因素指标集合为{∂3,∂12,∂13,∂15},第三层致因因素指标集合为{∂10,∂11},第四层致因因素指标集合为{∂4,∂9,∂16},第五层致因因素指标集合为{∂1,∂8,∂17}。另外,根据层次分析法的指标权重计算结果发现,安全教育薄弱、安全监察失效及消防规划与设施3个指标的权重明显较高。因此也将其归于第一层级中,层次解释结构模型如图3所示。将致因因素层次解释结构模型进行划分,其中层级1为近邻原因,层级5为本质原因,层级2～4为过渡原因。

图3 古建筑火灾事故致因因素层次解释结构模型Fig.3 ISM model of ancient building fire accident cause factors

Fi={∂j|∂j∈∂,mij≠0}i=1,2,…,n

(10)

Ri={∂j|∂j∈∂,mji≠0}i=1,2,…,n

(11)

Fi=Fi∩Rii=1,2,…,n

(12)

由于近邻原因是影响古建筑火灾发生的直接因素,一旦风险形成容易互相迅速传递,所以可将第一层级作为评价古建筑消防安全状态的指标。对古建筑火灾致因因素各指标分级完成后,通过公式(13)计算第一层评价指标的权重[14]：

(13)

其中,τi为各指标因素的权重。权重计算结果如表5所示。

表5 指标因素权重Table 5 Weight of index factors

3.3 模型分析

1)中心度、原因度分析

在古建筑火灾事故致因因素指标体系中,中心度的取值越大,表明该致因因素在指标体系中的重要性比重越大。由原因-结果图可以得知,系统结构脆性、内饰材料、建筑构件耐火等级、消防控制室管理、火灾巡查制度、安全监察失效以及消防安全意识在指标体系中非常重要,而人为失误、报警系统可靠性、灭火设施可靠性、火灾探测系统可靠性的重要程度偏低,其余因素处于中间水平。

当致因因素的原因度取值大于0时,表明该因素在指标体系中属于原因因素。可以发现,阻燃及耐火结构、安全知识更新慢以及消防规划与设施是导致古建筑火灾事故的主要因素,是古建筑火灾消防风险的主要来源。反之,当致因因素的原因度取值小于0时,则该因素为结果因素,由图2及表4可知影响程度较大的结果因素为系统结构脆性、火灾巡查制度、消防控制室管理。

2)因素逻辑关系分析

从古建筑火灾事故致因因素层级逻辑关系分析可知,各个事故致因因素之间存在着复杂的联系,由图3可知,第一层级中因素与建筑内设备、基础设施、自然基础条件及安全教育等有关,是解释结构模型中的近邻原因,这类因素也是导致古建筑发生火灾的直接致灾因素。通过对较低层级中的致因因素加强管理和控制,可有效避免系统全面崩溃。消防安全意识、消防控制室管理、火灾巡查制度位于第2层级,火灾荷载位于第3层级,系统结构脆性、交通情况及内饰材料位于第4层级,以上因素均是导致古建筑火灾事故的过渡原因,主要通过安全管理制度、系统潜在隐患及自身火灾荷载等因素影响事故预防和控制。安全知识更新慢、建筑构件耐火等级位于结构模型中第5层级,是造成古建筑火灾事故的本质原因。

3.4 案例分析

本文以西安市的某古建筑为例,对其消防安全水平进行系统的量化评价。将影响因素的评价指标划分为良好、及格、较差、极差4个等级,对应区间分别为(100,80]、(80,60]、(60,40]、(40,0]。

根据古建筑火灾致因因素各单项指标的数据资料,共邀请5名专家进行打分,通过权重计算得出该古建筑火灾安全的最终评价结果,打分结果及最终评价结果如表6所示。由表6可以看出,该古建筑评价分数为70.88分,整体表现为及格,说明该古建筑暂时处于较安全水平。由评价结果可以发现,在防灭火设施的配备方面,该古建筑得分评价普遍较好,对于防灭火设备上的成本投入力度较高。但是,同时也暴露出消防设备日常维护及人的安全行为存在较大缺陷,因此,该古建筑日常消防安全管理中,在保证安全投入的前提下,应有效规避自然因素所造成的火灾致灾因素,同时定期委派专人对消防设施设备进行维护管理,加大安全培养力度,减少人为失误次数。

表6 古建筑专家打分及评价结果Table 6 Evaluation results of ancient architecture experts

此外通过该古建筑中心度分析,应重点注意内饰材料及人员消防安全意识,查明装修是否违规采用聚氨酯、海绵、聚苯乙烯等易燃可燃材料,同时加大安全培训力度,培养人员消防安全意识、安全知识及安全技能。另外不能完全忽视对古建筑火灾事故影响程度较低的指标因素。明确古建筑在各防火分区内的隐患,同时基于古建筑现有交通、气候、环境等自然因素的基础上,完善区域内消防规划,加强消防设施的布控和管理,提高古建筑火灾预防与控制能力。