基于建筑防火特征参数的文物建筑评估方法

赵婧昱，卢世平，宋佳佳，明汉奇，张永利，肖玥琰

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心，陕西 西安 710054)

0 引 言

中国历史悠久，文物建筑数量众多，现有古建筑263 885处，地域分布广，全国重点文物保护单位4 296处。文物建筑多为砖木结构，通常由单体建筑组成庭院或建筑群，火灾荷载大、耐火等级低、火灾风险高[1-3]。近年来，随着社会经济的发展，旅游资源的不断开发，游客访问量的剧增，大幅度增加了文物建筑的火灾风险隐患[4]。目前，国内外学者已经对文物建筑的火灾风险评估、防治技术、防火设计等方面进行了一定的研究。

风险评估方面，孙宜然、高超、刘玉川等学者[5-9]通过对历史街区消防安全的分析，构建了全面的历史街区消防安全指标体系；孙乐雷对新疆部分文物古建筑进行现场调研，基于层次分析方法，采用模糊综合评价进行火灾风险评价，为文物古建筑预防火灾事故发生和防控火灾隐患提供数据支撑[10]；王晓奇提出一种基于模糊层次分析法的木结构古建筑评价方法并利用该方法对某木结构古建筑进行检测和评价[11]；马砺、徐志胜等基于实地调研构建出包括文物建筑特征、火灾危险源、消防设施、管理水平以及火灾发生后处理能力等5个一级指标和18个二级指标的评估体系[12-13]。此外，在防火技术和设计方面，薛奕结合现代消防技术，针对木构文物建筑进行了具体的防火改造设计研究，并提出防火改造方案[14]；熊军等为了对现存古建筑有针对性地进行消防保护，分析了古建筑的建筑特征，对现有古建筑消防保护措施的利弊进行了比较，提出采取传统保护措施与现代保护技术相结合的方法[15-16]；李采芹、康雪峰等指出文物建筑火灾的特点、起因，同时提出了如何降低文物建筑火灾风险筑火灾风险[17-18]。

综上，文物建筑消防安全形势严峻，建筑物中存在可燃物多、耐火等级低、防护技术能力有限、结构复杂、监管不严等问题，因此，对文物建筑的消防安全评估非常重要。基于现场调研，选取陕南地区汉中、商洛、安康3市的汉台遗址、凤凰街民居、汉滨东药王庙3处典型文物建筑进行消防安全评估分析。文中建立基于建筑防火参数的定性分析法并结合层次分析法，构建文物建筑消防安全评估模型，对3处典型文物建筑进行调研，分析文物建筑消防安全等级，并且根据评估结果提出相应的防治措施，研究结果对文物建筑的消防安全保护具有重要的科学意义。

1 基于建筑防火参数的定性分析法

定性分析法是对研究对象的火灾危险情况进行系统和细致地检查，根据检查结果对火灾危险性进行评价。目前很多研究是以安全检查表和预先危险性分析作为基础进行的，并且这2种方法工作量大且安全检查表的质量受编制人员的知识水平和经验影响。基于建筑设计防火规范[19]建立建筑防火参数的定性分析法，确定了文物建筑使用性质、防范能力、控制条件及火灾危害程度作为主要指标，对文物建筑进行火灾风险评估。使用性质指标考虑文物建筑内人员密度、火灾荷载等因素；防范能力指标考虑文物建筑主体结构的耐火等级、防火分区、建筑高度3个因素；控制条件指标以文物建筑周围的火灾隐患、防火间距等为主要因素；火灾危害程度指标与文物保护单位遭受火灾的损失程度，同文物价值、保护单位级别、社会影响、次生灾害和灾害影响范围等因素有关。

1.1 消防安全等级划分

根据文物建筑的使用性质、防范能力、控制条件及火灾危害程度主要指标建立指标体系，见表1；根据A，B，C等级进行风险分级划分，见表2。

表1 指标体系

1.2 定性分析法建立消防安全评估模型

由于3个建筑在使用性质方面均属于参观游览类和居住类建筑，且防范能力较弱，火灾危险性较大，固均属于一级风险建筑，见表3。

表2 分级标准

2 基于层次分析法的文物建筑消防安全等级定量分析

层次分析法对难以量化的因素的重要性、影响力、优先程度提供了一种科学的决策方法[20-22]具体步骤如下：构造层次结构模型、构造每个层次判断矩阵、层次单排序及一致性检验以及层次总排序及一致性检验[23-25]。根据定性分析法建立消防安全评估模型可得出，使用性质、防范能力、火灾危害程度3类因素均与人为因素有关；控制条件、火灾危害程度这2类因素与电气因素有关；防范能力、火灾危害程度这2类与自然因素有关。

表3 文物建筑消防安全评估

2.1 层次分析法建立消防安全评估模型

文物建筑近10年来火灾事故因素如图1所示，从图1可以看出，文物建筑火灾发生最主要原因是由于人为因素、电气因素和自然因素。

图1 2010—2019年火灾事故因素占比统计Fig.1 2010—2019 statistics of fire accident factors

在节假时期人员密集，火灾隐患较多。由于年代久远，建筑内部出现电路老化以及电气工程安装施工不合格等电气因素；由于没有严格对员工安全教育培训，制度责任不明确，工作人员违规用火用电导致此建筑有较大的安全隐患。

2.1.1 构建层次结构模型

以上面要素为出发点分析判断进行精细划分得到指标层的评价要素，以汉台遗址为例，构建层次结构模型如图2所示。

图2 层次结构Fig.2 Hierarchy chart

2.1.2 构造判断矩阵

通过对人为因素、电气因素、自然因素3个方面对文物建筑消防安全状况进行赋值，建立判断矩阵，见表4。

表4 成对比较

用方根法计算评价因素权重向量Wi，见式(1)

(1)

∑ωi=3.871 7

对权重向量的近似值Wi进行归一化处理得到评价因素权重向量Wi，见式(2)

(2)

2.1.3 中间一层对上一层的一致性检验

判断矩阵AW=λW

计算得最大特征值λmax=3.038 5

一致性指标计算见式(3)

(3)

计算得CI=0.019 3，n=3时，RI=0.58

一致性比率计算见式(4)

(4)

2.1.4 底层对中间层权重计算及一致性检验

底层各个要素分别对中间层的人为因素、电气因素、自然因素进行权重计算和一致性检验，构造的判断矩阵见表5、表6。

表5 判断矩阵B1-C

由表5可得权重近似值

∑ωi=4.203

归一化处理

判断矩阵AW=λW

计算得λmax=3.038 6

一致性检验得CI=0.019 32，n=3时，RI=0.58

计算得CR=0.033 31<0.1，满足一致性要求

表6 判断矩阵B2-C

由表6可得权重近似值

∑ωi=2.683 3

归一化处理

判断矩阵AW=λW

计算得λmax=2.000 1

一致性检验得CI=0.001≈0满足一致性要求。

表7 判断矩阵B3-C

λ=n时，A为一致矩阵，满足一致性要求。

2.1.5 底层对上层企业职业病安全状况权重计算

人为因素对文物建筑消防安全状况的权重为(0.111 7，0.151 5，0.373 8)

电气因素对文物建筑消防安全状况的权重为(0.043 1，0.215 2)

自然因素对文物建筑消防安全状况的权重为(0.104 7)

从表8可以看出，每个因素对目标层的影响程度不同，在该文物建筑中对其消防安全状况影响最大的是安全培训不合格。

表8 汉台遗址文物建筑消防安全状况的权重

汉台遗址主要为参观游览类建筑，人流量较大加之安全培训不合格、电气工程安装、施工不严格、制度、责任不明确极易增大其火灾危险性。该文物建筑在消防安全培训方面应该提高重视程度，制定这方面的预防和管理措施。

同理，凤凰街民居与汉滨东药王庙的安全状况排序见表9、表10。

表9 凤凰街民居文物建筑消防安全状况的权重

从表9的综合权重排序得出，不同因素对目标层的影响程度不同，对该文物建筑消防安全状况起到决定性的作用是生活用火不慎、电气设备使用时间过长以及电气老化，其他因素的影响程度相对较小。

凤凰街民居为居住类建筑，且防范能力较弱，生活用火不慎易导致火灾，加之电气设备使用过长以及部分电气老化，易增加其火灾危险性。

表10 汉滨东药王庙文物建筑消防安全状况的权重

根据表10的综合权重排序，人员的生活用火不慎、点烛燃灯、焚香烧纸是影响该建筑消防安全状况最主要因素。

根据定性分析法得出汉滨东药王庙为一级风险建筑，该文物建筑为参观游览类建筑，节假日期间香客聚集，人流量大，加之人员的生活用火不慎以及参观者点烛燃灯、焚香烧纸，极易增加其火灾危险性。

3 陕南地区文物建筑火灾防治对策措施分析

安全管理与技术措施是防治火灾事故的2种手段，并且这2个方面相辅相成缺一不可。为了避免火灾事故的发生，需制定严格合理的防火安全管理规章制度和消防预案，一旦发生火灾也可以迅速作出反应并且及时扑灭。根据定性分析法和层次分析法得出，人为因素和电气因素等可以作为提出防治对策措施的依据。

如图3～图5所示，建立的定性分析和层次分析模型可以得出以下结论。

图3 汉台遗址Fig.3 Hantai Site

图4 凤凰街民居Fig.4 Fenghuang street residence

图5 汉滨东药王庙Fig.5 Hanbin Dongyaowang temple

3.1 人为因素

定性和定量相结合，汉台遗址中安全教育培训不合格和制度责任不明确导致汉台遗址防范能力较弱，针对安全培训不合格，应要求对员工进行安全教育，如果没有按照法律、法规的规定履行职责，将会受到法律的制裁；对安全教育培训不合格人员，不得上岗。生活用火不慎导致凤凰街民居防范能力较弱，针对此因素，尽量使用电灯，明火灯具不得靠近可燃物或者狭小空间。汉滨东药王庙中，生活用火不慎、点烛燃灯、焚香烧纸均导致防范能力弱，针对这3个因素，需设立专人看管明火、蜡烛及灯油等易燃物品，设立独立焚烧炉，防止烧纸时燃起的火星与可燃物接触酿成火灾。

3.2 电气因素

在汉台遗址中，电气工程安装、施工不严格导致该建筑使用性质单一，需提高电气安装人员的技术水平，提高安装施工人员的整体素质。总之，在电气工程的安装施工工程中，安装质量对后续施工进行保障起决定作用。只有降低安全隐患的出现，才能对电气工程安装过程中存在的质量问题进行分析，并根据问题进行质量控制。电气设备使用以及电气老化导致凤凰街民居使用性质单一，需定期找专人进行检修来保证电气设备长期稳定运行。根据定性分析以及权重计算，电气因素对汉滨东药王庙影响较小。

综上，根据文物建筑本身性质，在发生火灾时，汉台遗址宜选用抽气式早期火灾探测器或线性光纤感温探测器，以及可设置固定或半固定干粉、气体灭火系统，或悬挂式自动干粉灭火装置。凤凰街民居宜采用缆式线型定温探测器以及火焰探测器或红外线感烟探测器以及湿式自动喷水灭火系统。汉滨东药王庙应选用缆式线型定温探测器以及细水雾灭火系统，防止文物遭到损坏。

4 结 论

1)基于建筑防火规范建立定性分析方法，确定了文物建筑使用性质、防火性能、控制条件、 危害程度4个典型指标，建立了可行的文物建筑火灾风险评估模型，根据风险程度的由高到地，进一步确定了4个指标的A，B，C等级。根据此指标，对汉中市的汉台遗址，商洛市的凤凰街民居以及安康市的汉滨东药王庙进行评估，得出3处均为一级风险建筑。

2)采用层次分析法得出汉台遗址、凤凰街民居、汉滨东药王庙中对文物建筑消防安全状况起到决定性的作用均为人为因素和电气因素，需提高对该方面的重视程度，并且制定有关的预防和管理措施。

3)不同类型的文物建筑需要根据其内部组成结构及空间布局的特殊性，分析各处危险源的风险程度，在此基础上，使用满足其特定需求的专业防火装置及灭火设备，制定不同的防火对策，从而实现对文物遗产的高效、有效保护。