基于突变理论的高层建筑火灾危险评估与预警

安 维

(惠州市消防支队，广东 惠州 516001)



基于突变理论的高层建筑火灾危险评估与预警

安 维

(惠州市消防支队，广东 惠州 516001)

高层建筑火灾火势蔓延快，人员疏散困难，极易造成重大的人员伤亡和财产损失，给政府和社会的应对带来巨大的挑战。在突变理论和模糊数学的基础上，构建了一套较为合理的高层建筑火灾危险评估指标体系，提出了一种基于突变理论的高层建筑火灾危险模糊综合评价方法，并以某五星级酒店为例，对该方法进行了实际检验。

高层建筑；火灾；突变理论；危险评估

随着我国经济的飞速发展，各种高层建筑不断涌现。如何预警和应对高层建筑火灾，使损失降到最低从而维护社会稳定，已经成为学术界和政府面临的紧迫任务。本文在对高层建筑火灾的主要风险源进行有效分析的基础上，构建了一套较为合理的高层建筑火灾的危险评估综合评价指标体系，提出了一种基于突变级数评价法的高层建筑火灾预警分级方法。

1 突变理论

1.1 突变理论概述

突变是自然界中广泛存在的一种现象。某种因素或某个变量的连续变化所导致的系统状态突然发生改变的不连续变化过程，称为突变[1]。突变理论使用数学中的参数来描述系统的状态，研究系统的状态变量在控制变量连续变化下发生突变的不连续变化过程。自然界中的所有突变现象都可以根据系统的控制空间和状态空间的维数进行分类[2]。当系统的控制空间的维数不大于4个时，系统最多有7种突变形式，称为初等突变；当系统的控制空间的维数不大于5个时，系统最多有11种突变形式。其中，以7种基本突变模型为代表的初等突变在众多领域中得到了广泛的应用。

1.2 突变理论在火灾危险评估中的适用性

从众多火灾案例分析中可以发现，火灾中存在一种特殊的现象：轰燃。所谓轰燃，主要是指一个比较小的火灾在某一时刻其增长速率和强度会突然快速增加[3]。轰燃现象是一种典型的突变过程，众多学者利用突变理论对火灾危险评估进行了详细的研究。谢之康指出突变现象在火灾中广泛存在，是一种引发火灾或使火灾扩大的非线性行为[4]。崔中平和吴玉国指出矿井自燃火灾的演化过程是一个非线性的过程，并运用尖点突变理论建立了矿井自燃火灾的突变模型[5]。翁文国和范维澄利用突变理论研究建筑火灾中的轰燃现象[6]。周荣义等应用尖点突变模型研究了基于突变理论的油库火灾模糊动态评价方法[7]。楼波等以腔体为例，介绍了突变理论在火灾轰燃领域的应用研究过程[8]。王娟等利用突变理论分析了我国森林火灾的危险性和评估方法[9]。丁元春等利用蝴蝶突变模型研究了高层建筑火灾安全综合评价模型[10]。

燃烧和爆炸是高层建筑火灾中常见的两种现象，因此，在高层建筑火灾的发生和发展过程中，突变现象是经常发生的，使用突变理论研究高层建筑火灾的危机评估与预警方法是可行的。

2 高层建筑火灾危险评估的指标体系

火灾危险评价指标体系的建立是火灾危险评估的首要环节和关键，部分学者根据系统性原则、科学性原则、特殊性与普遍性原则、可量化原则，构建了一系列的高层建筑火灾危险评估的指标体系。胡宝清等将安全疏散设施、阻燃与防火结构、消防施救设施、报警与灭火系统、管理及其他作为高层建筑火灾危险评价的一级指标[11]。刘爱华等提出高层建筑火灾危险评价的4个维度：建筑防火能力、建筑灭火能力、安全疏散能力和安全管理水平[12]。丁元春等从自身条件、周围环境、被动消防系统以及主动消防系统4个角度构建了高层建筑火灾危险评价的指标体系[10]。

根据突变理论，在7种初等突变模型中，状态变量的个数不超过4个。因此，在构建评价指标体系时，各层指标的个数也不能超过4个。

在参考上述学者构建的建筑火灾危险评价指标体系的基础上，本文结合高层建筑火灾的特点，广泛征求相关火灾防范和救援领域的专家和学者的意见，并多次召集笔者所在工作单位消防执法人员进行座谈，构建了一套较为合理的高层建筑火灾风险评估的指标体系，见表1。

3 基于突变级数评价法的高层建筑火灾危险评估与预警

3.1 高层建筑火灾预警和分级

根据《国家突发公共事件总体预控措施》，突发公共事件根据其危害程度、紧急程度和发展态势可以分为4级：特别严重(一级)、严重(二级)、较重(三级)、一般(四级)。一些学者也提出了火灾预警分级的方法：刘爱华将高层建筑火灾危险等级划分为安全、比较安全、一般安全、比较危险和危险[12]；丁元春等将高层建筑火灾危险等级划分为安全、低火灾危险、轻度火灾危险、中度火灾危险、高火灾危险和极度严重火灾危险[10]。

在上述研究的基础上，本文将高层建筑火灾危险等级划分为5级：安全、比较安全、较重、严重和特别严重，见表2。

表1 高层建筑火灾危险评估指标体系

表2 高层建筑火灾危险预警等级

3.2 基于突变理论的高层建筑火灾危险模糊综合评价

基于突变理论的模糊综合评价法是一种结合突变理论与模糊数学的综合评价方法。该方法将评价目标进行多层次矛盾分解，分别产生突变模糊隶属函数，在求解分叉集后建立归一公式得到总的隶属函数，在定义好的预警等级的基础上对评测目标进行分析与评价，如图1所示。

图1 基于突变理论的高层建筑火灾

3.2.1 评价指标的量化

在消防领域，消防安全检查人员习惯使用安全检查表去具体评估被检查方的消防安全状况。为此，根据高层建筑火灾危险评价指标体系，设计高层建筑火灾安全检查表，在此基础上，让消防领域的专业检查人员打分，从而实现评价指标的量化。

3.2.2 数据规范化处理

根据突变理论，不同的控制变量分别从不同的角度描述了状态变量的特征，但是，由于数据取值范围和度量单位不一致，很难对这些控制变量进行准确分析和比较。为了消除多因子输入带来的差异及不可公度性，必须对控制变量的原始数据进行规范化处理。

高层建筑火灾危险评价指标体系不仅包含众多的定量指标，而且还有很多定性指标。为消除评价指标的模糊性和不确切性，使用三角形模糊数对控制变量的原始数据进行规范化处理，使其取值处于[0,1]范围内。在高层建筑火灾危险评价指标体系中，有的评价值是越大越好，而有的评价值是越小越好。因此，我们使用极差标准化变换方法使评价指标处于[0,1]范围内。经过上述计算，可以得到所有评价指标的模糊隶属函数，从而完成评价数据的规范化处理。

3.2.3 归一运算

在底层指标隶属函数的基础上，可以利用初等突变数理模型及势函数，计算出各突变模型的归一公式。之后，可根据底层指标控制变量和状态变量的个数，选择合适的突变模型的归一公式进行量化递归计算。

3.2.4 计算总的隶属函数值

在得到所有评价指标的模糊隶属函数后，可以利用突变理论在求解分叉集后建立归一公式，在量化递归计算的基础上，获得底层指标的突变级数值，进而依据互补原则和非互补原则，逐层汇总得到系统总的突变隶属函数值。在计算出某高层建筑的总的突变隶属函数值后，可根据表2得到该高层建筑的火灾危险等级，从而制定合理的预警措施。

4 实例应用

4.1 某五星级酒店概况

某五星级酒店位于城市新商业区的黄金地段，其总占地面积50 000 m2，总建筑面积122 958 m2，日均人流量达10 000人次，职工总人数3 000左右，是火灾重点监控单位。该酒店包含众多火灾危险源，而且很容易产生浓烟，一旦发生火灾，将会带来巨大的人员伤亡和财产损失。本文在构建的高层建筑火灾危险评价指标体系的基础上，采用基于蝴蝶突变的高层建筑火灾危险模糊综合评价方法对其火灾危险进行分析和评价。

4.2 火灾危险模糊综合评价

在高层建筑火灾危险评价指标体系的基础上，根据高层建筑消防安全检查表，邀请消防领域的部分专业检查人员对该酒店进行了实地检查和打分。根据突变级数评价法，得到了参数η和α不同取值下，该酒店的火灾危险模糊综合评价隶属函数值，见表3。

由表3可以得知，不管参数η和α如何变化，酒店总的突变隶属函数值的区间始终在0.8～0.9之间，这表示基于蝴蝶突变的高层建筑火灾危险模糊综合评价方法具有稳定性。根据表3，我们计算出该酒店的火灾预警等级为：II级预警。这表明酒店消防安全状况整体较好，但存在一些火灾隐患。

表3 某五星级酒店总的突变隶属函数值

该酒店所属公安机关消防机构，根据重点单位消防安全“户籍化”管理档案以及监督管理等情况，对重点单位实行“红、黄、绿”三色预警动态监管(红色表示单位消防安全管理“差”，黄色表示“一般”，绿色表示“好”)，该酒店的预警等级为黄色。由此可见，评价得到的该酒店火灾危险评估结果与预警结果基本一致。

5 结论

在突变理论和模糊数学的基础上，提出了一种基于突变理论的模糊综合评价方法，并以某五星级酒店为例，对该方法进行了实际检验。结果显示，使用突变理论研究高层建筑火灾的危机评估与预警方法是科学、合理、可行的。

[1] 凌复华.突变理论及其应用[M].上海:上海交通大学出版社,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] 谢之康.火灾现象与非线性(II)-突变火灾学[J].中国矿业大学学报,2000,29(5):445-448.

[5] 崔中平,吴玉国.矿井自燃火灾的突变研究[J].山西煤炭,2002,22(4):49-52.

[6] 翁文国,范维澄.建筑火灾中轰燃现象的突变动力学研究[J].自然科学进展,2003,13(7):725-729.

[7] 周荣义,黎忠文,牛会永.基于突变理论的油库火灾爆炸分析与模糊动态评价[J].中国安全科学学报,2006,16(6):97-101.

[8] 楼波,陈昌明,张小英.突变理论在火灾轰燃的应用分析[J].电力科学与技术学报,2007,22(4):45-49.

[9] 王娟,赵江平,张俊,等.我国森林火灾预测及风险分析[J].中国安全生产科学技术,2008,4(4):41-45.

[10] 丁元春,翁发禄,唐敏康.基于突变理论的高层建筑火灾安全综合评价[J].建筑科学,2012,28(1):22-25.

[11] 胡宝清,刘敏,卢兆明.高层建筑火灾安全模糊评价[J].武汉大学学报(工学版),2004,37(5):67-72.

[12] 刘爱华,施式亮,吴超.高层建筑火灾风险评估的指标体系设计[J].中国工程科学,2006,8(9):90-94.

(责任编辑 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

安维(1976— )，男，四川南充人，高级工程师，博士。

X931

A

1008-2077(2017)06-0066-04