基于熵权物元可拓理论的高层建筑火灾韧性评价_付小千.pdf

第 53 卷 第 13 期2023 年 7 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.13Jul.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20201870 第第一一作作者者:付小千,硕士,主要从事风险评估及预测研究,Email:928486827 。通通信信作作者者:杨永斌,博士,副教授,主要从事消防工程、火灾预测等领域研究,Email:zgrmjcdx_fxq 。基于熵权物元可拓理论的高层建筑火灾韧性评价付小千,胡 肖,张 骞,杨永斌(中国人民警察大学,廊坊 065000)摘要:为降低高层建筑火灾的发生率,基于演进韧性视角,对高层建筑的火灾韧性作出了明确定义。结合高层建筑火灾的具体特征,将韧性框架的4 个维度重新定义和划分,分别从高层建筑的鲁棒性、冗余性、迅速性和策略性 4 个维度构建评价指标。结合熵权法和物元可拓学理论实现对高层建筑火灾韧性等级的客观评价,并进行实例验证。结果表明:高层建筑火灾的韧性是火灾发生期间建筑吸收、应对、恢复和学习能力的函数,4 个维度权重分别为 0.324、0.152、0.369、0.153,可知高层建筑的火灾韧性首要强调建筑的迅速性,即建筑对火灾的事后恢复能力,该结果完全符合韧性的核心概念。所选的高层建筑实例的火灾韧性等级为 S4,火灾韧性为“差”状态,该评价结果与实际情况相符合。关键词:演进韧性;韧性框架;高层建筑;熵权物元可拓理论;韧性评价等级 中图分类号:TU352.5 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)13-0142-05引用本文 付小千,胡肖,张骞,等.基于熵权物元可拓理论的高层建筑火灾韧性评价J.建筑结构,2023,53(13):142-146,141.FU Xiaoqian,HU Xiao,ZHANG Qian,et al.Evaluation for fire resilience of high-rise buildings based on matter-element extension theory of entropy weightJ.Building Structure,2023,53(13):142-146,141.Evaluation for fire resilience of high-rise buildings based on matter-element extension theory of entropy weight FU Xiaoqian,HU Xiao,ZHANG Qian,YANG Yongbin(Chinese Peoples Police University,Langfang 065000,China)Abstract:In order to reduce the incidence of high-rise building fires,based on the evolutionary resilience perspective,the fire resilience of high-rise buildings has been clearly defined.Combined with the specific characteristics of high-rise building fires,four dimensions of the resilience framework have been redefined and divided.Four dimensions of robustness,redundancy,rapidity and strategy were used to construct evaluation indicators.Combined with entropy weight method and matter-element extension theory to achieve objective evaluation of fire toughness levels of high-rise buildings,and verify them with examples.The results show that the fire resilience of high-rise buildings is a function of the buildings ability to absorb,respond,recover and learn during the fire,the weights of the four dimensions are 0.324,0.152,0.369 and 0.153 respectively.It can be seen that the fire resilience of high-rise buildings mainly emphasizes the rapidity of buildings,that is the buildings ability to recover from fire after the event,the result is in full compliance with the core concept of resilience.The resilience grade of the selected building instance is S4,and the fire resilience is“poor”.The evaluation result is consistent with the actual situation.Keywords:evolutionary resilience;resilience framework;high-rise building;matter-element extension theory of entropy weight;resilience evaluation grade 0引言 伴随着城市内高楼兴起,高层建筑的火灾发生率不容小觑。为降低事故损失,诸多研究人员对高层建筑火灾风险进行大量评估,但建筑本体往往也是火灾事故的受害者。在近些年发生的火灾中,造成建筑系统永久性瘫痪的案例屡见不鲜。可见确保高层建筑具有足够的火灾“韧性”是非常必要的。Holling1首次将韧性的思想应用到生态系统演变的过程中,并将韧性和稳定性做了概念性的区分,首次提出生态系统的韧性包括系统在受到外界扰动后吸收和适应突发事件的能力。Timmerman2首次将韧性概念引入防灾减灾领域,把韧性定义为系统吸收 灾 害 扰 动 并 从 灾 害 事 件 中 恢 复 的 能 力。Bergstrm 等3研究了如何在安全科学中构建韧性,强调了韧性理论在安全科学领域应用的合理性和必要性。黄浪等4将韧性理论概念应用到了安全科学领域,并且明确指出韧性不同于弹性、恢复力等词,它侧重于系统经过学习后提高安全状态的能第 53 卷 第 13 期付小千,等.基于熵权物元可拓理论的高层建筑火灾韧性评价力。王晓翠等5将韧性理论引入桥梁火灾风险分析,提出桥梁火灾韧性模型并构建桥梁火灾韧性评估指标体系。闫晨等6采用 PSR 模型搭建关于历史街区防火韧性的 3 级评估框架,运用专家打分法和层次分析法确定各项指标的权重。王梦瑶等7基于韧性城市建设的需求,提出对高层建筑的韧性进行量化,但并未从韧性角度建立指标评价体系,而是将传统的火灾风险指标归纳为韧性指标,运用专家打分法确定权重,最终得出建筑的韧性。余健等8利用熵权物元可拓模型得到了 9 个城市的土地生态安全水平的高低排序。阳富强等9结合熵权法和可拓学理论建立了针对地铁火灾的风险评价模型,并对某地铁火灾风险等级进行了客观评价。白雯等10将熵权法融入到物元可拓理论中,针对矿井火灾安全评价建立了熵权物元评价模型,并对贵州省某 5 个矿井安全进行了评价。目前在国内外有关韧性的研究中,研究视角主要集中在评价城市韧性等级的方面,而高层建筑作为构建韧性城市的基本单元必然要提升其韧性。本文基于演进韧性的视角,结合韧性概念框架,构建出一套专门适用于高层建筑火灾韧性的评价体系,结合熵权法和物元可拓学理论,客观地对高层建筑的火灾韧性进行评级,最终准确得到高层建筑的火灾韧性级别,为有效提高高层建筑火灾韧性提供理论依据及具体措施。1高层建筑火灾韧性框架1.1 建筑火灾韧性定义 查阅相关文献表明,目前学界尚未对高层建筑火灾韧性提出明确的定义。Macaskill 等11提出需根据实际应用领域来定义符合该领域的韧性标准,不结合具体系统,对韧性下一个严格的定义是不切实际的。结合高层建筑火灾自身特点及韧性理论的 3 个发展阶段分别进行对比,如表 1 所示。表 1 韧性观点的比较总结韧性定义应用于高层建筑火灾韧性工程韧性强调有且只有唯一的平衡状态,取决于恢复到最初原始状态的能力12关注建筑灾后是否可以恢复到最初状态,未考虑火灾期间建筑吸收、反应、学习及优化能力生态韧性恢复到原平衡或形成一个新的平衡,强调缓冲和吸收能力13强调到达下一个平衡瞬间建筑能吸收的最大扰动量级,仅考虑火灾期间建筑的吸收能力,未考虑事后学习和优化能力演进韧性系统动态反应的全过程,更强调系统在整个扰动期内的适应、改变和学习能力14-15强调火灾发生期间,建筑的吸收、反应、学习及优化能力,着眼于建筑的调整能力,是一种动态属性综上所述,高层建筑火灾韧性的概念应当基于演进韧性的基础上定义,可定义为:建筑在多种火灾致灾因子的扰动下反映出的吸收、应对、恢复和学习能力的函数,是建筑的一种固有属性。高层建筑火灾韧性既包括了防止火灾发生或降低火灾损失的事前措施,又包括了应对和降低灾后影响的事后措施。1.2 高层建筑火灾韧性框架 参照 Bruneau 等16提出的描述韧性框架的 4个维度:鲁棒性、冗余性、迅速性和策略性,建立高层建筑火灾的韧性概念框架如图 1 所示,分别对高层建筑火灾韧性的 4 个维度进行如下说明:(1)鲁棒性(robustness):t1tt2阶段,强调高层建筑对火灾扰动的吸收能力。从建筑起火、人员疏散直到建筑准备采取灭火措施的过程。包括建筑本体鲁棒性和疏散逃生鲁棒性。(2)冗余性(redundancy):t2tt3阶段,强调高层建筑对火灾扰动的应对能力。从建筑采取灭火措施直至火势扑灭的过程。包括建筑自身冗余性和外界系统冗余性。(3)迅速性(rapidity):t3tt4阶段,强调高层建筑对火灾的事后恢复能力。包括建筑本体恢复迅速性、消防设施恢复迅速性、相关人员恢复迅速性。(4)策略性(resourcefulness):建筑火灾韧性的策略性应贯穿系统整个安全状态,强调高层建筑系统发现问题、确定动作优先级、调动应急救援先后顺序的能力。包括相关人员策略性、消防设计策略性和管理策略性。图 1 高层建筑火灾韧性概念框架2基于熵权物元可拓理论的高层建筑火灾韧性评价体系2.1 评价体系的指标构建 基于演进韧性视角,从建筑鲁棒性、冗余性、迅速性和策略性 4 个维度构建建筑火灾韧性评价体系。评价体系从 4 个维度划分为 10 个要素层、36341建 筑 结 构2023 年个指标层。高层建筑火灾韧性评价体系如图 2所示。图 2 高层建筑火灾韧性评价体系2.2 高层建筑火灾韧性评估2.2.1 建立物元矩阵物元模型包括需要处理的事件 N、事件 N 包含的特征 C 以及特征 C 对应的量值 V,以有序三元组R=(N,C,V)的形式作为描述事件的基本元,该基本元称为物元17。高层建筑火灾韧性的物元矩阵R=(N,V,C)。2.2.2 确定经典域和节域经典域 Rj表示不同韧性等级所对应的每一特征 Ci的取值范围,节域 Ry是由全部韧性等级所对应所有指标 Ci的值域综合起来组成的,可表示为:Rj=(Nj,Ci,Vji)=NjC1C2Cn|Ry=(Ny,C,Vyi)=NyC1C2Cn|(1)