安 維

(惠州市消防支隊(duì)，廣東 惠州 516001)

?

基于突變理論的高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警

安 維

(惠州市消防支隊(duì)，廣東 惠州 516001)

高層建筑火災(zāi)火勢(shì)蔓延快，人員疏散困難，極易造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，給政府和社會(huì)的應(yīng)對(duì)帶來巨大的挑戰(zhàn)。在突變理論和模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套較為合理的高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，提出了一種基于突變理論的高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)方法，并以某五星級(jí)酒店為例，對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn)。

高層建筑；火災(zāi)；突變理論；危險(xiǎn)評(píng)估

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種高層建筑不斷涌現(xiàn)。如何預(yù)警和應(yīng)對(duì)高層建筑火災(zāi)，使損失降到最低從而維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和政府面臨的緊迫任務(wù)。本文在對(duì)高層建筑火災(zāi)的主要風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行有效分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套較為合理的高層建筑火災(zāi)的危險(xiǎn)評(píng)估綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了一種基于突變級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)法的高層建筑火災(zāi)預(yù)警分級(jí)方法。

1 突變理論

1.1 突變理論概述

突變是自然界中廣泛存在的一種現(xiàn)象。某種因素或某個(gè)變量的連續(xù)變化所導(dǎo)致的系統(tǒng)狀態(tài)突然發(fā)生改變的不連續(xù)變化過程，稱為突變[1]。突變理論使用數(shù)學(xué)中的參數(shù)來描述系統(tǒng)的狀態(tài)，研究系統(tǒng)的狀態(tài)變量在控制變量連續(xù)變化下發(fā)生突變的不連續(xù)變化過程。自然界中的所有突變現(xiàn)象都可以根據(jù)系統(tǒng)的控制空間和狀態(tài)空間的維數(shù)進(jìn)行分類[2]。當(dāng)系統(tǒng)的控制空間的維數(shù)不大于4個(gè)時(shí)，系統(tǒng)最多有7種突變形式，稱為初等突變；當(dāng)系統(tǒng)的控制空間的維數(shù)不大于5個(gè)時(shí)，系統(tǒng)最多有11種突變形式。其中，以7種基本突變模型為代表的初等突變?cè)诒姸囝I(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 突變理論在火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估中的適用性

從眾多火災(zāi)案例分析中可以發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)中存在一種特殊的現(xiàn)象：轟燃。所謂轟燃，主要是指一個(gè)比較小的火災(zāi)在某一時(shí)刻其增長速率和強(qiáng)度會(huì)突然快速增加[3]。轟燃現(xiàn)象是一種典型的突變過程，眾多學(xué)者利用突變理論對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了詳細(xì)的研究。謝之康指出突變現(xiàn)象在火災(zāi)中廣泛存在，是一種引發(fā)火災(zāi)或使火災(zāi)擴(kuò)大的非線性行為[4]。崔中平和吳玉國指出礦井自燃火災(zāi)的演化過程是一個(gè)非線性的過程，并運(yùn)用尖點(diǎn)突變理論建立了礦井自燃火災(zāi)的突變模型[5]。翁文國和范維澄利用突變理論研究建筑火災(zāi)中的轟燃現(xiàn)象[6]。周榮義等應(yīng)用尖點(diǎn)突變模型研究了基于突變理論的油庫火災(zāi)模糊動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法[7]。樓波等以腔體為例，介紹了突變理論在火災(zāi)轟燃領(lǐng)域的應(yīng)用研究過程[8]。王娟等利用突變理論分析了我國森林火災(zāi)的危險(xiǎn)性和評(píng)估方法[9]。丁元春等利用蝴蝶突變模型研究了高層建筑火災(zāi)安全綜合評(píng)價(jià)模型[10]。

燃燒和爆炸是高層建筑火災(zāi)中常見的兩種現(xiàn)象，因此，在高層建筑火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展過程中，突變現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的，使用突變理論研究高層建筑火災(zāi)的危機(jī)評(píng)估與預(yù)警方法是可行的。

2 高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系

火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立是火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估的首要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵，部分學(xué)者根據(jù)系統(tǒng)性原則、科學(xué)性原則、特殊性與普遍性原則、可量化原則，構(gòu)建了一系列的高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系。胡寶清等將安全疏散設(shè)施、阻燃與防火結(jié)構(gòu)、消防施救設(shè)施、報(bào)警與滅火系統(tǒng)、管理及其他作為高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一級(jí)指標(biāo)[11]。劉愛華等提出高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的4個(gè)維度：建筑防火能力、建筑滅火能力、安全疏散能力和安全管理水平[12]。丁元春等從自身?xiàng)l件、周圍環(huán)境、被動(dòng)消防系統(tǒng)以及主動(dòng)消防系統(tǒng)4個(gè)角度構(gòu)建了高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系[10]。

根據(jù)突變理論，在7種初等突變模型中，狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)不超過4個(gè)。因此，在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，各層指標(biāo)的個(gè)數(shù)也不能超過4個(gè)。

在參考上述學(xué)者構(gòu)建的建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合高層建筑火災(zāi)的特點(diǎn)，廣泛征求相關(guān)火災(zāi)防范和救援領(lǐng)域的專家和學(xué)者的意見，并多次召集筆者所在工作單位消防執(zhí)法人員進(jìn)行座談，構(gòu)建了一套較為合理的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系，見表1。

3 基于突變級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)法的高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警

3.1 高層建筑火災(zāi)預(yù)警和分級(jí)

根據(jù)《國家突發(fā)公共事件總體預(yù)控措施》，突發(fā)公共事件根據(jù)其危害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢(shì)可以分為4級(jí)：特別嚴(yán)重(一級(jí))、嚴(yán)重(二級(jí))、較重(三級(jí))、一般(四級(jí))。一些學(xué)者也提出了火災(zāi)預(yù)警分級(jí)的方法：劉愛華將高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)劃分為安全、比較安全、一般安全、比較危險(xiǎn)和危險(xiǎn)[12]；丁元春等將高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)劃分為安全、低火災(zāi)危險(xiǎn)、輕度火災(zāi)危險(xiǎn)、中度火災(zāi)危險(xiǎn)、高火災(zāi)危險(xiǎn)和極度嚴(yán)重火災(zāi)危險(xiǎn)[10]。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文將高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)劃分為5級(jí)：安全、比較安全、較重、嚴(yán)重和特別嚴(yán)重，見表2。

表1 高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

表2 高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)

3.2 基于突變理論的高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)

基于突變理論的模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種結(jié)合突變理論與模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法。該方法將評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行多層次矛盾分解，分別產(chǎn)生突變模糊隸屬函數(shù)，在求解分叉集后建立歸一公式得到總的隸屬函數(shù)，在定義好的預(yù)警等級(jí)的基礎(chǔ)上對(duì)評(píng)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，如圖1所示。

圖1 基于突變理論的高層建筑火災(zāi)

3.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化

在消防領(lǐng)域，消防安全檢查人員習(xí)慣使用安全檢查表去具體評(píng)估被檢查方的消防安全狀況。為此，根據(jù)高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，設(shè)計(jì)高層建筑火災(zāi)安全檢查表，在此基礎(chǔ)上，讓消防領(lǐng)域的專業(yè)檢查人員打分，從而實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化。

3.2.2 數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

根據(jù)突變理論，不同的控制變量分別從不同的角度描述了狀態(tài)變量的特征，但是，由于數(shù)據(jù)取值范圍和度量單位不一致，很難對(duì)這些控制變量進(jìn)行準(zhǔn)確分析和比較。為了消除多因子輸入帶來的差異及不可公度性，必須對(duì)控制變量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理。

高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不僅包含眾多的定量指標(biāo)，而且還有很多定性指標(biāo)。為消除評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性和不確切性，使用三角形模糊數(shù)對(duì)控制變量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，使其取值處于[0,1]范圍內(nèi)。在高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，有的評(píng)價(jià)值是越大越好，而有的評(píng)價(jià)值是越小越好。因此，我們使用極差標(biāo)準(zhǔn)化變換方法使評(píng)價(jià)指標(biāo)處于[0,1]范圍內(nèi)。經(jīng)過上述計(jì)算，可以得到所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊隸屬函數(shù)，從而完成評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理。

3.2.3 歸一運(yùn)算

在底層指標(biāo)隸屬函數(shù)的基礎(chǔ)上，可以利用初等突變數(shù)理模型及勢(shì)函數(shù)，計(jì)算出各突變模型的歸一公式。之后，可根據(jù)底層指標(biāo)控制變量和狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)，選擇合適的突變模型的歸一公式進(jìn)行量化遞歸計(jì)算。

3.2.4 計(jì)算總的隸屬函數(shù)值

在得到所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊隸屬函數(shù)后，可以利用突變理論在求解分叉集后建立歸一公式，在量化遞歸計(jì)算的基礎(chǔ)上，獲得底層指標(biāo)的突變級(jí)數(shù)值，進(jìn)而依據(jù)互補(bǔ)原則和非互補(bǔ)原則，逐層匯總得到系統(tǒng)總的突變隸屬函數(shù)值。在計(jì)算出某高層建筑的總的突變隸屬函數(shù)值后，可根據(jù)表2得到該高層建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)，從而制定合理的預(yù)警措施。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 某五星級(jí)酒店概況

某五星級(jí)酒店位于城市新商業(yè)區(qū)的黃金地段，其總占地面積50 000 m2，總建筑面積122 958 m2，日均人流量達(dá)10 000人次，職工總?cè)藬?shù)3 000左右，是火災(zāi)重點(diǎn)監(jiān)控單位。該酒店包含眾多火災(zāi)危險(xiǎn)源，而且很容易產(chǎn)生濃煙，一旦發(fā)生火災(zāi)，將會(huì)帶來巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。本文在構(gòu)建的高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，采用基于蝴蝶突變的高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)其火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

4.2 火災(zāi)危險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)

在高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)高層建筑消防安全檢查表，邀請(qǐng)消防領(lǐng)域的部分專業(yè)檢查人員對(duì)該酒店進(jìn)行了實(shí)地檢查和打分。根據(jù)突變級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)法，得到了參數(shù)η和α不同取值下，該酒店的火災(zāi)危險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)隸屬函數(shù)值，見表3。

由表3可以得知，不管參數(shù)η和α如何變化，酒店總的突變隸屬函數(shù)值的區(qū)間始終在0.8～0.9之間，這表示基于蝴蝶突變的高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)方法具有穩(wěn)定性。根據(jù)表3，我們計(jì)算出該酒店的火災(zāi)預(yù)警等級(jí)為：II級(jí)預(yù)警。這表明酒店消防安全狀況整體較好，但存在一些火災(zāi)隱患。

表3 某五星級(jí)酒店總的突變隸屬函數(shù)值

該酒店所屬公安機(jī)關(guān)消防機(jī)構(gòu)，根據(jù)重點(diǎn)單位消防安全“戶籍化”管理檔案以及監(jiān)督管理等情況，對(duì)重點(diǎn)單位實(shí)行“紅、黃、綠”三色預(yù)警動(dòng)態(tài)監(jiān)管(紅色表示單位消防安全管理“差”，黃色表示“一般”，綠色表示“好”)，該酒店的預(yù)警等級(jí)為黃色。由此可見，評(píng)價(jià)得到的該酒店火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果與預(yù)警結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

在突變理論和模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于突變理論的模糊綜合評(píng)價(jià)方法，并以某五星級(jí)酒店為例，對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，使用突變理論研究高層建筑火災(zāi)的危機(jī)評(píng)估與預(yù)警方法是科學(xué)、合理、可行的。

[1] 凌復(fù)華.突變理論及其應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1987.

[2] THOM R.Structural stability and morphogeniesis[M].Massachusetts:Benjamin Reading,1972.

[3] DRYSDALE D D.An introduction to fire dynamics[M].Chichester:Wiley,1985.

[4] 謝之康.火災(zāi)現(xiàn)象與非線性(II)-突變火災(zāi)學(xué)[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,29(5):445-448.

[5] 崔中平,吳玉國.礦井自燃火災(zāi)的突變研究[J].山西煤炭,2002,22(4):49-52.

[6] 翁文國,范維澄.建筑火災(zāi)中轟燃現(xiàn)象的突變動(dòng)力學(xué)研究[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2003,13(7):725-729.

[7] 周榮義,黎忠文,牛會(huì)永.基于突變理論的油庫火災(zāi)爆炸分析與模糊動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2006,16(6):97-101.

[8] 樓波,陳昌明,張小英.突變理論在火災(zāi)轟燃的應(yīng)用分析[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(4):45-49.

[9] 王娟,趙江平,張俊,等.我國森林火災(zāi)預(yù)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2008,4(4):41-45.

[10] 丁元春,翁發(fā)祿,唐敏康.基于突變理論的高層建筑火災(zāi)安全綜合評(píng)價(jià)[J].建筑科學(xué),2012,28(1):22-25.

[11] 胡寶清,劉敏,盧兆明.高層建筑火災(zāi)安全模糊評(píng)價(jià)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2004,37(5):67-72.

[12] 劉愛華,施式亮,吳超.高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系設(shè)計(jì)[J].中國工程科學(xué),2006,8(9):90-94.

(責(zé)任編輯 李 蕾)

Risk Assessment and Early Warning Model of High-rise Building Fires Based on Catastrophe Theory

AN Wei

(HuizhouMunicipalFireBrigade,GuangdongProvince516001,China)

The rapid sprawling of high-rise building fires makes it difficult to evacuate people inside, resulting in significant casualties and large property loss, and posing a huge challenge to the society and government. This paper applies the catastrophe theory and fuzzy mathematics to the development of a fire risk evaluation index system for high-rise buildings, and proposes a fuzzy dynamic assessment method based on catastrophe theory with an illustration of a hotel to examine the effectiveness of the proposed method.

high-rise building; fire; catastrophe theory; risk assessment

2016-10-10

安維(1976— )，男，四川南充人，高級(jí)工程師，博士。

X931

A

1008-2077(2017)06-0066-04