砖木结构古建筑火灾风险影响因子评估研究

2024-03-15李明海杨一帆常通

工业安全与环保 2024年2期

李明海杨一帆常通

（西安建筑科技大学资源工程学院，陕西西安 710055）

0 引言

古建筑有很高的历史文化价值，但是因为古代中国建筑多为木制结构和砖木结构，早已无法适应当前消防工作标准所规定的火灾荷载。现如今，随着旅游业的发展，商铺、餐厅、客栈等在古城内经营甚多，古建筑人流量大，布局相对密集，木质结构多，火灾风险高［1-2］。火灾不仅给人类的生命财产安全带来了威胁，并且由于古建筑的文化特殊性，在大火中文化遗产也将遭到损毁，因此有必要对古建筑火灾风险进行评估。

近年来，一部分研究者在对古建筑的火灾事故评价方面开展了研究。徐志胜等［3］在构建的古建筑火灾事故风险评估指标体系中采用了火灾风险指数法，并且通过层次分析的方式设定了评价指标权重，以实现对古建筑火灾事故危险性的有效分析，最后通过实例应用说明了方法的可行性；马砺等［4］依托熵权法修正AHP 法得出风险评价指标的评价权重，建立了模糊综合评价模型，并进行实例研究，给出了改进的对策和建议；游温娇等［5］采用物元分析法从隐性和显性的角度综合考虑评估，搭建古建筑火灾风险评价物元模型，同时将某座古城内古建筑作为实例分析，进一步证明了模型的合理性；刘晗等［6］提出一种基于集对分析的五元联系数火灾风险评价模型，将其进行实例应用以证明有效性，该模型将古建筑火灾风险静态性和动态性有效结合，实现了动态性认识系统风险的发展趋势；张葭伊等［7］将熵权法和可拓学方法融合，构建新的火灾风险等级评价模型，从而减少了人为的客观性因子对评估模式可靠度与客观性的干扰，达到了对古建筑火灾事故危险分级的真实评估。古建筑火灾风险大，火灾风险因子间相互影响，但是目前的研究缺乏对火灾风险因子间相互作用关系的分析，因此本文提出基于模糊集理论（Fuzzy Set Theory）-决策与实验室分析法（Decision Making Trial and Evaluation Laboratory）-解释结构模型（Interpretive Structural Modeling）的评价方法对古建筑火灾风险进行分析。

首先通过模糊集理论对评价进行模糊化，克服DEMATEL不确定性下的决策，以排除DEMATEL的主观偏差。其次，利用DEMATEL 对风险因子进行评价分析，得到古建筑各火灾风险因子间的相互关系及各因子的因果属性，确定系统中的关键风险因子。最后，利用ISM 对风险因子进行逻辑层级关系划分，以便于得到更全面的古建筑火灾风险评价结果。联用模糊DEMAEL-ISM 的方法既能够得到造成火灾风险的关键影响因素又有利于逐级管控风险，以期为古建筑的安全维护提供指导，并为后续与古建筑消防安全相关的研究提供理论支撑。

1 古建筑火灾风险因子识别

以风险理论为基础，通过阅读相关文献［4，6-8］及征集专家意见，结合实地调研，并参考依据《文物建筑及其周边区域火灾风险评估方法》，从建筑风险、设施风险、环境风险、组织管理风险4 个维度对火灾诱因进行识别，总结了导致古建筑火灾的4 大类风险因素，包括25 个火灾风险因子，形成了古建筑火灾事故风险因子集。古建筑火灾风险评价指标体系如图1 所示。

图1 古建筑火灾风险评价指标体系

2 模糊DEMATEL-ISM 风险分析模型

模糊DEMATEL法是基于模糊集理论对DEMATEL 进行改进，通过模糊化克服DEMATEL 的主观性从而提高复杂系统分析的准确性，再结合ISM 法对风险因子进行层级划分。建立的模糊DEMATELISM 方法能够研究各风险因子之间的逻辑关系，得到不同因子的影响度、被影响度、原因度和中心度，并由此确定因子间的相互关系，以及因子间的层级关系，以此更全面地讨论不同因子间的关联程度，并确定复杂系统中防控的关键点。模糊DEMATELISM 法流程见图2。

图2 模糊DEMATEL-ISM 法流程

模糊DEMATEL-ISM 法计算步骤：

（1）邀请专家对风险因子的相互影响关系进行语言评价。风险因子对火灾事故的影响程度分为无影响、影响很小、影响小、影响大、影响很大，对火灾风险评价指标体系中的每个因子分别进行行与列的评价，据此构建语言评价矩阵。

（2）将语言变量转化为三角模糊数（表1），并通过期望值对其进行清晰化（式1），以此来确定直接影响矩阵。

表1 语言算子与三角模糊数转换关系

语言变量对于无法准确度量的评价系统可以有效进行模糊评价，专家评判语言算子与三角模糊数的转换关系见表1。

三角模糊数的期望见式（1）：

其中的取值受决策者对风险态度的影响。当0.5 ＜＜1 时，决策者偏乐观；当=0.5 时，决策者保持中立；当0 ＜＜0.5 时，决策者偏悲观。

直接影响矩阵为：

（3）对直接影响矩阵采用归一化处理方法，得到每行（列）中的最大MAX（a，b），从而确定规范影响矩阵：

（4）对规范影响矩阵进行处理，得到综合影响矩阵：

式中，I为单位矩阵。

（5）根据综合影响矩阵得到各因子的影响度Di、被影响度Ci、中心度Mi与原因度Ri。

影响度Di表示该因子在系统中对其他因子的影响度：

被影响度Ci表示该因子在系统中受其他因子的影响度：

中心度Mi代表了该因子在整个系统中的重要性：

原因度Ri表示该因子相较于其他因子的因果属性，公式如下：

（6）构建各影响因子的主被动关系图和因子关联图。

（7）计算整体影响矩阵：

（8）确定可达矩阵：

（9）确定前因集Fi和可达集Ai：

如果满足Ai=Bi，则将对应的xi提取出来作为系统中第一层级的影响因子，即将可达矩阵中的该行该列删除，这样得到新的矩阵后再进行动作的重复，最后确定指标体系中所有元素的逻辑层级关系。

3 古建筑火灾风险因子测算分析

本文选取位于陕西省华阴市的西岳庙主殿——灏灵殿为研究对象，该建筑位于西岳庙古建筑群的中心位置，年代久远，为西汉元光元年（公元前134年）建成，属于我国重点文物保护单位。房屋为传统的砖木结构，具有较大的火灾荷载，且耐火等级比较低，同时由于年代久远导致木材含水率较低，因此建筑的易燃性极高，有很大的火灾风险，是消防改造的重点对象。

3.1 模糊DEMATEL-ISM 的模型构建

本研究邀请来自消防方面的教授、消防评估从业人员、消防队人员和古建筑保护单位人员共10 位建筑火灾方向的专家组成评价小组，使其对图1 的25 个潜在风险因子的相互影响关系进行语言评价，得到了语言评价矩阵。根据表1 将语言变量转化为三角模糊数，对专家的评分进行平均，然后再通过式（1）取三角模糊数的期望值（取=0.5），以确定直接影响矩阵。将直接影响矩阵经过式（2）—式（3）的处理得到综合影响矩阵：

进而通过式（4）—式（7）计算得到各不同风险因子的影响度、被影响度、中心度、原因度，如表2 所示。

表2 各风险因子的影响度、被影响度、中心度及原因度

根据表2 绘制各火灾风险因子的因子关联图，如图3 所示。

图3 火灾风险因子关联

表3 可达矩阵

对可达矩阵根据式（10）和式（11）进行处理，得到前因集和可达集，再根据式（12）得到A1、A2、A3、A5、A6、A8、A13、A14、A15、A22 为第一层级，将这些因素的行与列删除得到新的可达集，重复操作可计算得到火灾风险因子间的逻辑层次结构关系，见图4。

3.2 结果分析

（1）原因度分析。根据图3，位于0 轴上方的为原因因子，位于0 轴下方的为结果因子。原因因子是指其变化同时也能导致其他因子发生变化的因子，结果因子则是指能因其他因子发生变化而改变的因子。越靠近0轴的因子原因/结果度越弱，相反则越强。

图3 表明A4、A5、A6、A7、A8、A10、A11、A16、A17、A18、A19、A20、A21、A24、A25 为原因因子，说明这些风险因子对系统内其他因子的影响度较大。A1、A2、A3、A9、A12、A13、A14、A15、A22、A23 为结果因子，说明这些因子容易受到其他因子的干扰。

其中疏散与扑救条件（A16）、电器设备隐患（A18）的原因度较高，容易影响其他因子，需要对其进行控制，切断传播路径，防止其影响其他因子导致火灾发生。耐火等级（A2）、火灾荷载（A3）的结果度较高，为火灾发生的主要原因。

（2）中心度分析。根据图3，越靠近右侧说明因子的中心度越强，中心度越强的因子在系统中所占的比重越重。疏散与扑救条件（A16）、易燃易爆危险品（A17）、电气设备隐患（A18）、周边环境（A20）、灭火应急预案和演练（A25）的中心度较高，中心度越高则该因子在系统中占的比重越大，属于影响火灾发生的关键因子，是需要防控的关键点，应予以重点关注。

（3）逻辑层次结构分析。图4 表明构建的古建筑火灾风险评价指标的逻辑层级共分为10 个层级，由上到下分别是导致此系统发生火灾的表层原因和根本原因，为过渡关系。

图4 古建筑火灾风险评价指标的逻辑层次结构模型

防火间距（A1）、耐火等级（A2）、火灾荷载（A3）、建筑参数（A5）、装修材料燃烧性能（A6）、人员荷载（A8）、消防给水系统（A13）、防排烟系统（A14）、风速与风向（A15）、日常巡查与整治（A22）为第1 层级，这些因子为导致火灾发生的表层原因，容易受其他因子的影响，也为事故的直接诱导原因。其中建筑参数（A5）、装修材料燃烧性能（A6）、人员荷载（A8）为独立因子，这是由于它们的原因度和中心度都较低。疏散与扑救条件（A16）属于第10 层级，是导致事故发生的根本原因，电器设备隐患（A18）和安全责任制（A21)也同样重要。疏散与扑救条件（A16）、易燃易爆危险品（A17）、电器设备隐患（A18）、安全责任制（A21)、灭火应急预案和演练（A25）的节点较多，在DEMATEL 法的中心度分析中结果也是如此，因此需要在系统中对这些因子予以更多关注。

综上，疏散与扑救条件（A16）、易燃易爆危险品（A17）、电气设备隐患（A18）、安全责任制（A21)、灭火应急预案和演练（A25）为古建筑火灾的关键风险因子。基于以上结果，建议古建筑确保疏散与扑救条件，主要从救援场地的出入口及消防水源有无消防车道的配置，疏散口是否畅通，引导标识是否设置作为切入点，确保人员的撤离与扑救顺利进行；管控易燃易爆危险品，建议可以考查易燃易爆危险品的数量、品类和燃烧特性，然后采取相应管控措施；对于电器设备隐患，建议评估是否有电力过载情形，防止乱拉电线，保证风险较大的用电有人员值守，降低危险发生的可能性；建议制定消防安全责任制，并保证其严格执行；建议制定消防紧急预案方案，并进行演练，以便应对突发事件，从而把风险减至最低。