Research of Fire Risk Assessment System for Old Commercial Buildings
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摘要: 以老旧商业建筑的检测数据及相关资料调查为依据，采用模糊灰色综合评价法、层次分析法等最新信息处理技术构建老旧商业建筑火灾危险性评价模型。根据评价模型运用Visual Basic6.0编译老旧商业建筑火灾危险性评价系统软件。该系统软件可快速对某商业建筑室内火灾危险性进行评价并确定危险性等级，这不仅克服了利用评价模型进行人工手算时计算复杂、耗时久的弊端，还为老旧建筑进行防火改造提供一定理论依据。最后本文以一老旧商业建筑火灾危险性评价实例验证了该系统软件的可操作性。Abstract: Based on the inspection data and the relevant information of the old commercial buildings, the authors built a fire risk assessment system with the fuzzy grey comprehensive evaluation and the AHP which are the newest Information Processing Techniques. The software which runs in Visual Basic 6.0 according to the system were developed. This software could evaluate the fire risk indoor and determine the levels of fire risk of the commercial buildings. It not only overcomes the disadvantage of complex computing and long time for the manual calculation, but also provides a basis for how to transform the old commercial buildings. At last, the paper took of the evaluation of the fire risk of a old commercial building as an example to confirm the operability of the software.
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Keywords:
- Old Commercial Buildings /
- Fire Risk /
- Fuzzy Comprehensive Evaluation /
- Grey Theory
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1. 引言
随着我国城市建设的飞速发展，火灾已经成为城市灾害的一个重要组成部分。据统计从1991年到2003年间商场、市场特大火灾191起，伤亡人数653人。分别占到公共聚集场所特大火灾起火次数的67.7%，伤亡人数的24.3%[1]。这说明商业建筑火灾在建筑火灾中占有重要地位。从表 1中列举的典型商业火灾案例也不难看出，商业建筑火灾造成了财产和人员的巨大损失。尤其是老旧商业建筑，由于使用时间的增长，结构及防火设备都的老化问题，更是成为了商业火灾的高发区。所以对老旧商业建筑进行火灾危险性评价工作并为老旧建筑改造提供依据显得十分重要。
火灾名称 直接财产损失 死亡人数 时间 南昌万寿宫商场火灾 586万元 无 1993 唐山市林西百货大楼火灾 400万元 80 1993 北京隆福大厦火灾 2 000万元 无 1993 鞍山商场 866万元 35 1995 佳木斯华联商厦火灾 3 638万元 1 1998 达川市通州百货商城火灾 3 168万元 20 1999 洛阳东都商厦火灾 275万元 309 2000 吉林中百商厦火灾 426万元 54 2004 2. 模糊灰色数学模型的建立
2.1 建立评价矩阵
评价对象的因素集合为：U={u1, u2, …, um}，对于评价对象一共有m个因素影响。对各个因素的评语集合为V={v1, v2, …, vn}，将评语分了n个。总评价为直积空间U×V上的模糊灰色关系集合(
$\mathop {\tilde R}\limits_ \otimes $ )，为单因素GF矩阵：$ \mathop {\tilde R}\limits_ \otimes = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\left( {{\mu _{11}}, {v_{11}}} \right)}& \ldots &{\left( {{\mu _{1m}}, {v_{1n}}} \right)}\\ \vdots&\ddots&\vdots \\ {\left( {{\mu _{m1}}, {v_{m1}}} \right)}& \cdots &{\left( {{\mu _{mn}}, {v_{mn}}} \right)} \end{array}} \right) $
(1) 其中:μij为元素(μij，vij)的隶属度，vij为元素(μij，vij)的点灰度。
$\tilde R $ 这里称之为模部,$ \mathop R\limits_ \otimes $ 称之为灰部。2.2 建立权重集合
权重集合用于描述评价对象与所建立指标集合之间的模糊灰色关系，若未能确定各因素的恰当的权重分配，只能掌握各权重的大概值，则可给出同一层次关于上一层准则的权重及所对应的点灰度值，可看作GF关系矩阵:
$ \mathop {\tilde A}\limits_ \otimes = \left[{\left( {{a_1}, {v_1}} \right), \left( {{a_2}, {v_2}} \right) \cdots \cdots \cdots \left( {{a_m}, {v_m}} \right)} \right] $
(2) 其中：ai为权重系数的隶属度，vj为权重系数的点灰度，
$\mathop {\tilde A}\limits_ \otimes $ 为权重集合。2.3 进行综合评价
为了在评价过程中尽可能的保留信息，在模部运算中采用M(·, ⊗)算子，在灰部运算中采用M(∧, ⊕)算子，其综合评价结果如下[6]：
$ \begin{array}{l} \mathop {\tilde B}\limits_ \otimes = \mathop {\tilde A}\limits_ \otimes \circ \mathop {\tilde R}\limits_ \otimes = {\left[{\left( {{b_j}, {v_{bj}}} \right)} \right]_n}\\ = \left[{\left\{ {\left( {\sum\limits_{k = 1}^m {{a_k} \cdot {\mu _{kj}}} } \right), \left( {\prod\limits_{k = 1}^m {\left( {1 \wedge \left( {{v_k} + {v_{kj}}} \right)} \right)} } \right)} \right\}} \right] \end{array} $
(3) 同理可将模糊灰色模型扩展成二级、三级甚至更多级数的评价模型。
3. 建筑火灾危险性灰度模糊综合评价过程
3.1 建立影响老旧商业建筑火灾危险性的因素集
影响老旧商业建筑火灾危险性的因素涉及各个方面，根据火灾具有随机性和确定性的双重特性综合考虑后[7]，将影响建筑火灾危险性的一级指标划分为以下六类：U1建筑情况：建筑物的装修材料、火灾荷载、火源位置等都对火灾的发生有重要影响。U2防火系统：建筑物所具有的防火系统将决定能否快速扑灭火灾，对火灾大小有一定控制作用。U3群居特性：人员密度，建筑物内人员安全素质等也是影响火灾危险性的重要因素。U4防火安全管理：完善的火灾疏散应急预案、定期维修检查各种防火设备是提前发现火灾隐患的最佳手段。U5安全疏散设施：合理的安全疏散通道和标记，良好的应急照明能够保证将人员伤亡降到最低。U6消防安全设计：合理的安全出口设计及防火分区，正常工作的防火卷帘有助于控制火灾的发展蔓延。基于以上分析相应的可以建立评价指标体系如表 2。
表 2 老旧商业建筑火灾危险性评价一、二指标体系一级指标 建筑情况U1 防火系统U2 群居特性U3 二级指标 建筑火灾荷载密度U11 消火栓系统U21 人员年龄构成U31 建筑装修材料U12 灭火器系统U22 建筑人员密度U32 建筑结构类型U13 自动喷水灭火系统U23 员工消防知识与技能U33 建筑耐火等级U14 员工消防知识与技能U33 建筑年龄U15 自动火灾探测、报警系统U24 建筑周边环境U16 防排烟系统U25 当地气象因素U17 火源位置U18 一级指标 防火安全管理U4 安全疏散设U5 消防设计U6 二级指标 安全宣传教育U41 消防车通道U51 安全出口设计U61 防火安全责任制分配及防火制度建设U42 安全疏散通道标志U52 防火门，防火卷帘现状U62 防火应急疏散演习U43 建筑物疏散通道是否保持畅通U53 防火分区分布合理性U63 定期检修与排查防火系统故障U44 应急照明U54 是否有专职值班人员U45 火灾应急广播疏散系统U55 3.2 评价指标体系各因素的确定
采用分五段区间的取值方法来定义定量指标的数值，以防火安全管理U4为例，U4的二级指标中安全宣传教育U41、防火应急疏散演习U43、定期检修与排查防火系统故障间隔时间U45这三个二级指标为定量指标。查阅相关规范及资料列出U41的相关隶属度、点灰度如表 3。
表 3 安全宣传教育U41(单位：次/年)
严重危险v1 比较危险v2 一般安全v3 比较安全v4 安全v5 >6 (0, 1) (0, 1) (0, 1) (0, 1) (1, 0.1) 5 (0, 1) (0, 1) (0, 1) (1, 0.2) (0, 1) 4 (0, 1) (0, 1) (1, 0.1) (0, 1) (0, 1) 1~3 (0, 1) (1, 0.2) (0, 1) (0, 1) (0, 1) < 1 (1, 0.1) (0, 1) (0, 1) (0, 1) (0, 1) 由于指标因素的多样性以及国内缺乏相关火灾调查资料统计，在评价建筑火灾危险性时有出现某些指标无法合理的进行定量分析，只能通过定性分析描述。同样以防火安全管理U4为例，其中防火安全责任制分配及防火制度建设U42、是否有专职值班人U45为定性分析指标，查阅相关规范及资料列出U42的相关隶属度、点灰度如表 4。
表 4 防火安全责任制分配及防火制度建设U42
严重危险V1 比较危险V2 一般安全V3 比较安全V4 安全V5 优 (0, 1) (0, 1) (0, 1) (0.25, 0.2) (0.75, 0.1) 良 (0, 1) (0, 1) (0, 1) (1, 0.2) (0, 1) 一般 (0, 1) (0, 1) (0.25, 0.1) (0.75, 0.2) (0, 1) 差 (0, 1) (0.5, 0.2) (0.5, 0.1) (0, 1) (0, 1) 3.3 利用层次分析法确定权重集合
利用层次分析法确定同层次中各指标的权重关系是一种比较成熟的方法，在这不多做介绍。它的优点在于能够减少主观错误，简化分析过程并有助于判断者保持思维一致性。引入1-9比率标度法，构造各级指标的评判矩阵并检查评判矩阵的一致性。
3.4 总评估过程
根据多级评价模型求得各二级隶属度函数，组成矩阵。得到最终评价行列式如下：
$ \begin{array}{l} \mathop {\tilde B}\limits_ \otimes = \mathop {\tilde A}\limits_ \otimes \cdot \mathop {\tilde R}\limits_ \otimes = \mathop {\tilde A}\limits_ \otimes \cdot \left\{ \begin{array}{l} \mathop {{{\tilde B}_1}}\limits_ \otimes \\ \; \vdots \\ \mathop {{{\tilde B}_6}}\limits_ \otimes \end{array} \right\} = \mathop {\tilde A}\limits_ \otimes \cdot \left\{ \begin{array}{l} \mathop {{{\tilde A}_1}}\limits_ \otimes \cdot \mathop {{{\tilde R}_1}}\limits_ \otimes \\ \;\; \vdots \\ \mathop {{{\tilde A}_6}}\limits_ \otimes \cdot \mathop {{{\tilde R}_6}}\limits_ \otimes \end{array} \right\} = \\ \mathop {\tilde A}\limits_ \otimes \circ \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\left( {{b_{11}}, {v_{11}}} \right)}& \ldots &{\left( {{b_{15}}, {v_{15}}} \right)}\\ \vdots&\ddots&\vdots \\ {\left( {{b_{61}}, {v_{61}}} \right)}& \cdots &{\left( {{b_{65}}, {v_{65}}} \right)} \end{array}} \right) \end{array} $
(4) 其中：
$\mathop {\tilde A}\limits_ \otimes $ 为一级指标权重集合，$\mathop {\tilde R}\limits_ \otimes $ 为二级隶属度函数集合，$\mathop {\tilde B}\limits_ \otimes $ 为最终评价行列式集合。3.5 评价结果处理
采用等级参数评判法[8-10]，将评价集合分为五个等级，并确定各等级的评分区间及评分参数如表 5。
表 5 综合评价系统的安全等级及对应分数区间评价等级V 严重危险V1 比较危险V2 一般安全V3 比较安全V4 安全V5 评分区间 < 60 60~70 70~80 80~90 >90 等级参数分数 55 65 75 85 95 各等级规定的参数分数列向量C={C1 C2 C3 C4 C5}T, 则等级参数评判结果公式：
$ Y = \tilde B \cdot C = \sum\limits_{j = 1}^5 {{b_j} \cdot {c_j}} = P\left( {P \in {\bf{R}}} \right) $
(5) 然后根据Y值确定所属评价等级。对综合评价灰度采用加权平均计算公式：
$ g\left( {\mathop B\limits_ \otimes } \right) = \left( {{v_1}, {v_2}, {v_3}, {v_4}, {v_5}} \right)/5 $
(6) 从而得到综合评价结果可靠度为
$1-g\left( {\mathop B\limits_ \otimes } \right) $ 。4. 软件设计及工程实例运用
4.1 软件设计
笔者运用编译软件VB6.0，根据以上所述的危险性评价方法自主编译了“老旧商业建筑火灾危险性评价系统软件1.0”。这款软件能针对老旧商业建筑物进行快速火灾危险性评价。评估软件主要由五个模块组成，分别为数据库模块、分析推理模块、结果处理及显示模块。各模块通过数据库相互联系，如图 1。
评价软件的窗口界面分为四部分：一级指标界面，二级指标录入界面，三级指标录入界面，评价结果显示界面。二级指标录入界面和三级指标录入界面是对建筑各指标的原始数据进行录入，数据存入数据库，计算模块从数据库读入相关数据进行计算，整理结果。四个阶段程序相互独立开发并通过全程变量数据文件传递数据。
4.2 工程实例运用
某商业大厦建于1987年，1990年开业，固定资产超亿元月人流量超万次，总建筑面积42 000m2，商厦为五层建筑，顶层是舞蹈学校和健身房，四楼是家具城，二、三层则是商业大厦最大的承租方大富豪鞋城，一楼是日杂百货。该建筑采用钢筋混凝土结构，耐火等级为一级，项目地市较平坦，位于东北某城市闹市区。建筑物之间的具体防火间距满足现行规范要求，消防设备器材都选择了消防部门核准的产品。假设火源在第一层远离安全出口处，周围存在一定数量可燃物。
对建筑进行详细调查，统计其二级指标所需数据将其输入到软件中。二级指标、三级指标的详细数据及调查统计由于篇幅有限，本文不进行详述。录入过程如图 2-图 6。
进入系统主界面如图 2，单击“开始”后填写商场基本信息，填写完成后点击“进入指标体系数据录入”，如图 3。填写建筑情况U1中的指标信息。单击“确认”后点击“下一步”，如图 4-图 5。按软件提示逐步录入各项指标因素后进入评价界面单击“进行评价”，在评价结果窗口处将出现该建筑室内火灾危险性的综合评价结果，如图 6。
4.3 评价结果与分析
该老旧商业建筑整体火灾危险性评价等级为一般安全，根据实际情况，该商业建筑从建成开始并没有发生过大的火灾事故，这说明该商业建筑的各项防火指标基本符合国家的相关规范，自身的火灾危险性并不大。然而由于使用时间的增长，建筑的电气及防火设备的老化程度将进一步加大，所以不能松懈对建筑火灾的管理工作，积极排查火灾隐患，真正做到“预防为主，安全第一”。
5. 结论与建议
系统软件通过对某老旧商业建筑的实际运用，可以看出老旧商业建筑火灾危险性评价指标体系及软件的评价结论能够比较真实的反应该建筑的火灾危险性现状，说明建立的老旧建筑火灾危险性评价指标体系是可行的，可用于城市老旧建筑火灾危险性评价现状的实际工作中。
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火灾名称 直接财产损失 死亡人数 时间 南昌万寿宫商场火灾 586万元 无 1993 唐山市林西百货大楼火灾 400万元 80 1993 北京隆福大厦火灾 2 000万元 无 1993 鞍山商场 866万元 35 1995 佳木斯华联商厦火灾 3 638万元 1 1998 达川市通州百货商城火灾 3 168万元 20 1999 洛阳东都商厦火灾 275万元 309 2000 吉林中百商厦火灾 426万元 54 2004 
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表 2 老旧商业建筑火灾危险性评价一、二指标体系
一级指标 建筑情况U1 防火系统U2 群居特性U3 二级指标 建筑火灾荷载密度U11 消火栓系统U21 人员年龄构成U31 建筑装修材料U12 灭火器系统U22 建筑人员密度U32 建筑结构类型U13 自动喷水灭火系统U23 员工消防知识与技能U33 建筑耐火等级U14 员工消防知识与技能U33 建筑年龄U15 自动火灾探测、报警系统U24 建筑周边环境U16 防排烟系统U25 当地气象因素U17 火源位置U18 一级指标 防火安全管理U4 安全疏散设U5 消防设计U6 二级指标 安全宣传教育U41 消防车通道U51 安全出口设计U61 防火安全责任制分配及防火制度建设U42 安全疏散通道标志U52 防火门，防火卷帘现状U62 防火应急疏散演习U43 建筑物疏散通道是否保持畅通U53 防火分区分布合理性U63 定期检修与排查防火系统故障U44 应急照明U54 是否有专职值班人员U45 火灾应急广播疏散系统U55
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表 3 安全宣传教育U41(单位：次/年)
严重危险v1 比较危险v2 一般安全v3 比较安全v4 安全v5 >6 (0, 1) (0, 1) (0, 1) (0, 1) (1, 0.1) 5 (0, 1) (0, 1) (0, 1) (1, 0.2) (0, 1) 4 (0, 1) (0, 1) (1, 0.1) (0, 1) (0, 1) 1~3 (0, 1) (1, 0.2) (0, 1) (0, 1) (0, 1) < 1 (1, 0.1) (0, 1) (0, 1) (0, 1) (0, 1)
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表 4 防火安全责任制分配及防火制度建设U42
严重危险V1 比较危险V2 一般安全V3 比较安全V4 安全V5 优 (0, 1) (0, 1) (0, 1) (0.25, 0.2) (0.75, 0.1) 良 (0, 1) (0, 1) (0, 1) (1, 0.2) (0, 1) 一般 (0, 1) (0, 1) (0.25, 0.1) (0.75, 0.2) (0, 1) 差 (0, 1) (0.5, 0.2) (0.5, 0.1) (0, 1) (0, 1)
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表 5 综合评价系统的安全等级及对应分数区间
评价等级V 严重危险V1 比较危险V2 一般安全V3 比较安全V4 安全V5 评分区间 < 60 60~70 70~80 80~90 >90 等级参数分数 55 65 75 85 95
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