城市老城区消防站布局优化研究.docx

3城市老城区消防站布局优化研究华 1越 2白吴教授( 1 兰州天正房地产开发有限公司 ,兰州 7300302 湖南科技大学 建筑与城乡规划学院 ,湘潭 411201 )学科分类与代码 : 6203010 (火灾科学与消防工程 )基金项目 :湖南省自然科学基金计划项目 ( 04 jj40030 ) 。中图分类号 : x928. 03; tu998. 1文献标志码 : a【摘 要 】 采用半定量方法对单位火灾风险进行评估 ,进而对消防防护子区域进行消防等级分级 ,得出规划区域内消防安全等级分布状况 。通过 g is方法结合相关模型 ,研究消防站的布局优化问 题 ,探索使城市老城区消防站布局优化的思路与方法 。将研究结论推而广之 ,类似这种在城市内寻 找一系列服务设施点最佳位置的空间选址问题 ,都可运用此方法 ,采用 g is技术结合相关区位优化 模型 ,得出更加科学合理的布局方案 。【关键词 】 消防安全 ; 区域火灾风险 ; 布局优化 ; 城市消防站study on the d istri bu tion op ti m iza tion of u rban f ire sta tion s in o ld c ityba i hua1 w u y ue2 , prof .( 1 l anzhou tianzheng r ea l e sta te d eve lopm en t co. , l td , l anzhou 730030 , ch ina2 schoo l of a rch itec tu re & u rban p lann ing, h unan u n ive rsity ofsc ience & techno logy, x iangtan 411201 , ch ina)a b stra c t:the fire risk s fo r un its a re a sse ssed w ith sem i2quan tita tive m e thod, and the fire risk grade s fo rfire p ro tec tion sub2region s a re c la ssified. b a sed on th is, the d istribu tion of fire safe ty grade s in the p lan2n ing a rea can be ob ta ined. the layou t op tim iza tion fo r fire sta tion s is stud ied by u sing g is2re la ted mode ls, and new idea s and m e thod s to op tim ize the layou t of fire sta tion s in o ld c ity zone a re exp lo red. the stud ied ach ievem en ts can be app lied to any sim ila r p rob lem s of sp a tia lly sta tion ing of se rvice fac ilitie s in c itie s. th rough u sing g is com b ined w ith re levan t loca tion op tim iza tion mode l, a mo re sc ien tific and rea sonab le layou t p rogram can be d rawn.key word s:fire safe ty;regiona l fire risk;op tim iza tion of d istribu tion;u rban fire sta tion一次死亡 10 人以上或死亡 、重伤 20 人以上的特重大火灾 188 起 , 共造成 3 750 人死亡 。据西方国家 经验表明 : 人均收入在 1 000 3 000 美元之间为火 灾高发期 。 2008年我国人均可支配收入约 2 257 美0 引言据火灾统计资料 , 1980 2008年我国 gd p增长了约 66倍 ,与此同时 ,全国火灾直接财产损失增长 了约 8. 5倍 。 2000 2008 年 ,我国平均每年火灾直 接财产损失约 14亿元 ,比 20世纪 90年代同期增长 了 1. 7 倍 1 - 2 。 1991 2007年 17 年间 ,我国共发生 2 元,可以预想 ,随着我国经济的持续快速发展 ,我国的火灾形势仍然严峻 ,在今后一段时间内我国仍 将面临火灾持续增长的压力 。3 文章编号 : 1003 - 3033 ( 2010 ) 08 - 0081 - 07; 收稿日期 : 2010 - 04 - 29; 修稿日期 : 2010 - 07 - 31中 国 安 全科 学 学 报第 2 0卷2 0 1 0年82ch inasafe tysc iencejou rna l相对于我国目前严峻的消防安全形势 ,我国当前的消防救援力量建设却不容乐观 。消防救援力量 缺口严重 ,绝大部分城市远不能达到相关消防法规 的要求 。城市老城区经历长期的无序发展 ,导致城市功能分区虽不合理但短期内无法改变 、建筑结构 功能虽有缺陷但完全整改也不现实 。因此 ,如何在 现有城市基础上进行消防站布局优化 ,对保障规划 区域内人民群众生命 、财产安全非常重要 。笔者拟 基于区域火灾风险评估 ,采用 g is技术结合定位 -配给模型对城市老城区消防站布局优化进行研究 。分支 ,很多学者致力于此进行研究 , 例如 : b e rto lazzip. , b ianco l. , r icc ia rde llis 6 研究了突发事件服务 系统中的服务辖区划分问题 ; 文献 7 提出划分优 化问题的数学规划模型 ,以最小化平均反应时间为优化目标 ,建立基于历史数据的期望反应时间和期 望服务时间的计算方法等 。1. 3 定位 - 配给模型1. 3. 1 定位 - 配给模型的概念定位 - 配给模型 (loca tion2a lloca tion mode l) 的 涵义是指为一个或多个公共服务设施选择最佳分布 点 ,提高服务效率 。定位 - 配给模型一般主要研究 服务点与需求点距离总和最小或平均距离最小的公 共服务设施布局问题 ,如消防站 、学校 、邮局 、货物配 给中心等 8 。1. 3. 2 定位 - 配给模型的分类基于选址目标 ,定位 - 配给模型可分为区位集 合覆盖问题 (loca tion se t cove ring p rob lem , l scp) , 最大覆盖问题 (m axirna l cove ring loca tion p rob lem , mcl p)和 p - 中心问题 ( p2cen te r p rob lem ) 8 。下面就此项研究中这个 3个模型的具体应用进行说明 :1 ) 区位集合覆盖模型 (l scp) 。这类问题是在 寻找最少消防站数量 ,使得所有的防护目标都能在 消防站的责任区域内 ,其目标是最小化消防站配置 的成本 ,一般用在设施布局工作的第一阶段 。2 ) 最大覆 盖 模 型 (mcl p ) 。该 模 型 主 要 用 于 研究在消防站数目一定的情况下 ,如何布局才能使 它们覆盖尽可能多的需求点 ; 或者在覆盖率一定的 前提下 ,通过怎样的布局可以使消防站的数量最少 。 该模型尤其适用于选址优化的后阶段 , 在 l scp 的基础上 ,优化消防站的位置 ,使消防站能够覆盖更多 的需求点 。3 ) p - 中心模型 ( p2cen te r p rob lem ) 。寻找预先 设定消防站数目的区位分布 ,使消防站与服务企业 间的最大距离最小化 ,其目标在最小化任何企业与其最近消防站之最大距离 。该模型适用于消防站的 选址能充分满足实际的前提下 ,提高服务效率 ,即受 最大出行距离限制的最短出行距离问题 ,可以通过 添加限制条件 ,划分消防站的责任区 ,使消防站更靠 近危险源 ,提高救灾效率 。1 相关理论及方法1. 1 区域火灾风险评估理论在论述区域火灾风险评估 之 前 , 先 对 文中“区域 ”概念作出解释 ,据辞源 (修订本 ) ,“区域 ”为 土地的划界 、界限 3 。文中的区域概念有 2 个层次 : 第一层 为 进 行 消 防 站 布 局 优 化 的 规 划 整 体 范 围 ; 第二层次为 ,由消防通道围合而成的最小城市地块 , 文中称之为“子区域 ”。火灾风险为火灾发生的概率以及可能造成的 后果 。在火灾风险评估领域 ,美国的灭火分级制方法 ( fsr s)以及风险 、危害和经济价值评估方法在世界 范围内得到了推广 ,并日趋完善 。这 2 种方法的核心是 :根据各种火灾风险因素对单位火灾风险进行 分级 ,从而对消防力量布局提供决策支持 。较之 美 国 , 我 国 在 该 领 域 的 研 究 起 步 较 晚 。20世纪末 , 3次火灾高峰中血的教训促使我国逐步开 展了火灾风险评估的相关研究 。例如 :由范维澄院士所主持的“973 ”项目“火灾动力学演化与防治基础 ” 和国家自然科学基金重大国际合作项目“热 - 力耦合 作用下重大建筑火灾安全的基础研究 ” 4 等 。1. 2 城市消防站布局优化研究进展1909 年德国学者 w ebe r发表了关于工业区位的重要论文 ,这篇论文被认为是最早的设施选址论 文 。 1968 年 , 美国学者 m ichae l te itz发表 了“走 向 城市公共设施区位理论 ”, 提出在考虑公平与效率 的 前 提 下 , 如 何 对 城 市 公 共 服 务 设 施 进 行 布 局 。1998年 owen 和 d a sk in 将区域公共设施区位问 题 归纳为 p - 中位问题 、p - 中心问题 、区位集覆盖性 问题及最大覆盖区位问题 5 。城市消防站布局作为公共设施区位问题的一个1. 4 可达性理论1. 4. 1 可达性理论概念mo se ley在 1979年提出了可达性的概念 。简单地83第 8期白 华 等 : 城 市 老 城 区 消 防 站 布 局 优 化 研 究说 ,可达性的概念就是 :人通过某种通行方式完成某次出行目的的难易程度 。可达性被定义为两点之间的通 行能力 。可达性的优劣主要取决于以下 2个方面 :1 ) 场所位置 。道路系统为出行的媒介 ,因此 ,一个场所的可达性与其所处位 置及 道路 状 况密 切 相关 。2 ) 距离因素 。距离因素反映了通行过程中所 遇到的阻尼 。这里的距离可以是道路的几何长度 、通过道路所花费的时间成本 ,还可以用如汽车通过 道路的耗油量表示道路的距离 。1. 4. 2 可达性评价方法可达性评价方法在此研究中分为覆盖率和邻近 性 2 个方面 :1 ) 覆盖率 。如果需求点在设施的有效服务范围内 ,则表示需求点被服务设施覆盖 。整个规划区 域内的所有需求点被服务设施的覆盖百分比被称之为覆盖率 ,覆盖率越高 ,则说明可达性越好 。2) 邻近性 。在此项研究中 ,邻近性主要反映了 点与点之间的关系问题 ,邻近性被用来评价辖区范围的划分合理程度 。2 我国当 前消 防站规 划方 法存在 的 问题在我国现行城市消防站建设标准 9 的指导 下 ,当前我国大部分城市的消防规划中采用“画圆 法 ”进行消防站布点 , 具体工作步骤如下 : 首先 , 以 每消防站 47 km2 辖区面积 、以及规划区域用地面 积确定区域内所需消防站数量 ; 其次 ,以一组 4 m in 消防车所能到达最远距离为半径画圆 ,尽量避免重 叠 ,确定责任区 ;最后 ,对“画圆法 ”所得结果依据标 准规定进行修正 。我国传统消防站规划方法存在 4点缺陷 :1 ) 消防站的布局不能体现城市人口 、财产 、火 灾风险分布差异 。2 ) 没有体现对于消防救援至关重要的道路的通行能力差异 。3 ) 将消防路径简化成直线不符合实际的道路 状况 。4 ) 圆与圆之间会有未能覆盖的区域或叠加的 区域 ,漏算和重复计算会带来较大误差 。城 、旧城区进极更新改造的基础上 ,有限度地扩大城市规模 。现阶段 ,我国绝大多数城市存在新城与旧 城 、城区与工业区共存的情况 。城市老城区往往由 于历史发展过程中缺乏科学的规划 ,导致老城区在 消防安全方面存在很多先天不足 。诸如 :1) 消防基础设施薄弱 ,预防火灾能力差 。由于当时消防技术规范和消防监督体制不健全 ,造成较 多的先天隐患 。如市政消火栓严重不足 、消防通道 不畅通 、防火间距严重不足 ,从而造成火灾发生后不 能及时 、有效的组织扑救 ,且容易造成恶劣后果 。2 ) 房屋耐火等级低 ,内部结构复杂 ,火灾荷载 大 ,蔓延快 。老城区房子多为木结构 ,多为三 、四级 耐火建筑 。屋与屋之间犬牙交错 、布置紧密 、防火间 距严重不足 ,一旦发生火灾 ,火势蔓延迅速 ,扑救难 度大 ,极易形成火烧连营之势 ,且因人员疏散十分困 难 ,还易造成人员群死群伤 。3) 人员混杂 ,防火安全意识差 。由于老城区房 屋租金便宜 ,空出的房子或变卖或出租给外来打工 者 ,加上原本复杂的人员状况 ,使得这些地方的人员 更加混杂 ,知识水平低 、防火安全意识极差 ,给消防 安全管理带来了更大困难 。另外 ,由于防火安全意 识差 ,很多人采用煤炭或柴火为燃料 ,有的就堆放在 炉灶边 ,加上电线乱拉乱接 、线路老化 ,使得诱发火 灾的因素大增 。随着我国城市化进程的加快 ,城市流动人口急 剧增加 ,这些问题又共同为火灾发生创造了条件 。4 消防站布局优化实现笔者结合实际案例 湖南省湘潭市雨湖区进行消防站布局优化研究 ,得出布局优化方案 ,再对结 果进行可靠性验证 。4. 1 消防站布局优化目标1 ) 体现区域内火灾风险分布的差异 。不同的火灾风险子区域对应不同的消防应急响应时间 ,布 局优化方案应对火灾风险分布有所体现 。2) 经济性 。在满足消防需求的前提下 ,注重消 防投入的经济性 。3 ) 安全服务范围最广 。这一点主要反映了作 为公共服务设施的城市消防站应该体现的公平性原 则 ,尽量使区域内所有消防需求点都得到消防安全 覆盖 ,且使总体消防效率最佳 。3 城市老城区消防安全特点我国城市的建设原则是以老城为基础 ,在对老中 国ch ina安 全safe ty科 学 学 报第 2 0卷2 0 1 0年84sc iencejou rna l6 ) 消防通道 。消防通道现状基本达到要求 ,但在窑湾 、城正街等老街区很多道路无法达到标准要 求 ,如在“窑湾 - 十八总 ”历史老街区的新马路段道 路宽度仅 3 m ,很多街 、巷宽度更是远低于 3. 5 m 的 最低标准 ,消防车无法通行 。雨湖区现有道路密度 低于国家标准要求 ,断头路较多 ,许多支路被违章搭 建的构筑物或临时摊点和停放的机动车 、非机动车 堵塞和占据 ,尤其是在老街区 。7 ) 消防给水 、消防栓 、消防通讯 。消防给水以城市自来水管网供水为主 ,河道水为辅 ;消防栓数量 不足 ,基本上没有满足总体规划中提出的按 120 m 间距布置的要求 ;消防通信设施不完善 、技术装备落 后 、火警受理慢 。4. 2 案例区域消防安全现状湘潭市位于湖南省中部偏 东 地区 , 为“长株 潭两型社会 ”城市群中心城市之一 。湘潭是一座约有1 200 年 历 史 的 古 城 , 雨 湖 区 为 湘 潭 2 个 市 辖 区 之一 ,雨湖区所辖地域千年以来一直是湘潭的中心城区 ,该区总面积 74 km2 ,人口 44 万 ,人口密度高达5 000人 / km2 ,在湖南 省 各 区 县 一 级 行 政 区 域 中 人 口密度位列第二 。城市人口的高密度分布潜伏着很大的火灾安全隐患 。雨湖区消防重点保护单位 、主 要危险源 ,现有消防站分布如图 1 所示 。具体情况如下 :1 ) 消防重点保护单位 。区内现有市级消防安 全重 点 单 位 49 家 10 、区 级 消 防 安 全 重 点 单 位100家 11 ,且分布相对集中 。2) 重点文物保护单位 。区内现有省 、市级重点 文物保护单位共 8 处 ,全部分布在窑湾 - 十八总和城正街等历史老街区 。3) 主要危险源 。区内现有危险源 25 处 ,其中 :汽车加油站 21 处 ,汽车加气站 1 处 ,液化气储备站1 处 ,燃气公司 1处 ,油库 1处 。4 ) 单位消防安全等级评估 。雨湖消防大队根 据湖南地方标准单位消防安全等级评估 对区内96家单位所做评估中 : 级 (优 ) 32 家 、级 (良 )42家 、级 (中 等 ) 12 家 、级 (较 差 ) 4 家 、级(差 ) 6 家 12 。5 ) 消防站 。区内现有消防站 2 处 ,由于一处为 企业消防站 ,且位置与雨湖消防大队基本重叠 ,故在 研究中只考虑现 有消 防 站 1 处 。雨 湖消 防 大队 为一级普通消防站 ,消防车 4 台 ,车位 5 个辖区 ,面积74 km2 ,超过国家标准 10倍以上 。4. 3 雨湖区消防站布局优化4. 3. 1 设定布局优化的约束条件1 ) 消防应急响应时间设定 。不同的火灾风险 对应不同的火灾应急响应时间 ,以体现火灾风险的 差异 。具体设定如下 : 一级火灾风险子区域设定消 防应急响应 时 间为 4 m in, 二级 火灾 风 险子 区域 为5 m in,三级火灾风险子区域为需 7 m in,四级火灾风 险子区域为 12 m in。2) 道路通行能力设定 。根据雨湖区道路规划行 13 车速度、道路现状以及消防车的实际性能 ,将雨湖区内的各级道路的消防车行驶速度设定见表 1。表 1 雨湖区各级道路消防车行驶速度设定4. 3. 2 生成消防网络拓扑1 ) 防护 子区 域确 定及 子 区 域 火 灾 风 险 分 级 。 消防防护子区域为城市道路所围合的最小多边形区域 。文中设定雨湖区消防风险子区域等级分类和对 应的消防应急响应时间如下 :一级 ,市级重点消防保护单位或消防安全等级评估等级为 级 (差 ) 的单 位所 在 子 区 域 , 设 定 消 防 应 急 响 应 时 间 为 4 m in; 二级 ,区级重点消防保护单位 、消防安全等级评估等 级为 级 (较差 ) 的单位 、窑湾 - 十八总 、城正街历 史文化老街区包含子区域 ,需 5 m in;三级 ,一般消防 保护单位以及消防安全等级评估等级为 级 (中 ) 的单位所在子区域 ,需 7 m in; 四级 ,城市外围地区 ,图 1 雨湖区消防重点保护单位 、主要危险源 、现有消防站分布现状图各级道路道路设计车速/ km h - 1消防车设定速度/ km h - 1国道或快速路8060主干路506050次干路4040支路303085第 8期白 华 等 : 城 市 老 城 区 消 防 站 布 局 优 化 研 究为 12 m in。2 ) 事故簇节点的确定 。为了便于 a rcg is软件 分析 ,笔者引入了“事故簇节点 ”概念 。事故簇节点 即为防护子区域多边形的质心 ,认为该区域内任何点发生火灾都可视为在该点发生 、该点体现子区域 火灾风险 。该研究中共有子区域 225 个 ,相应的簇 节点亦为 225个 (图 2 ) 。4. 3. 3 最佳站址搜索计算每个责任区内的最优站址点 ,即利用 a rc2g is中的定位 - 配给模型实现消防站最优站址的搜 索 。首先 ,根据集合覆盖模型 (l scp)得出最小消防站数量 ; 然后运行最大覆盖模型 (mcl p)优化站址 , 使服务范围最大 ;最后得出消防站点优化初步方案 (图 4 ) 。图 2 雨湖区消防保护子区域火灾风险分级及事故簇节点分布图3 ) 消防通道网络的确定 。提取城市道路中心 线 ,生成主要消防通道网络图 。将道路交叉口转换 成图中的节点 ,将道路转换成节点之间的连接线 ,确 定每级道路的消防车行车速度 (表 1 ) 。4 ) 消 防 站 候 选 点 的 确 定 。消 防 站 候 选 点 由a rc info软件在网络路径上随机自动生成 。但依据消 防站选址原则 ,赋予网络交叉点较大的权重 。5) 消防网络拓扑生成 。消防网络拓扑中的节点是由所有的消防站候选点和事故簇节点构成 。道路 网络拓扑中的路径由连接和候选点间以时间成本来衡量的路径与事故簇节点的抽象路径组成 。 (图 3) 。图 4 消防站点初步优化方案4. 3. 4 消防站点修正根据消防 站选 址原 则 , 对 个别 站 址 进 行 调 整 。 例如 : 4号 、8 号消防站由于距离危险源小于 200 m , 需要调整 (图 5 ) 。综合各方面因素最后得出消防站 点修正方案 (图 6 ) 。图 5 城市消防站选址修正分析图4. 3. 5 消防站辖区初步生成 根据优化后的消防站站址 ,运用 a rcg is按约束条件生成消防辖区优化初步方案 (图 7 ) 。这种辖区根据 前 文 所 述 不 同 火 灾 风 险 等 级 区 域 的 4 m in,5 m in, 7 m in, 12 m in应急消防响应时间的等值线来 确定的 。图 3 消防网络拓扑图中 国ch ina安 全safe ty科 学 学 报第 2 0卷2 0 1 0年86sc iencejou rna l4. 3. 7 最终优化结果输出通过优化分析及计算 ,最后得到雨湖区消防站 布局优化最终方案 (图 9 ) 。在该布局方案中 ,需在 已有消防站基础上增设 8个消防站方可完全满足雨湖区的消防安全需求 。图 9 消防站空间布局优化最终方案4. 4 消防站布局优化结果评价4. 4. 1 覆盖率指标评价按照佩瑞多原理 ,可要求第一台消防车到达时 间消防站响应覆盖率在 80 %以上作为评判依据 ,其值越大 ,则表明消防站布局结果越优良 。经计算 ,此 项研究对结果对 225个事故簇节点的有效覆盖率达到 100 % 。4. 4. 2 辖区范围指标评价传统的消防规划方法中 ,只是泛泛地对辖区范4. 3. 6 辖区范围修正城市消防站辖区的划分 ,应结合规划区域范围 内行政区域的划分 、地形条件 、河流 、道路网结构 。 如不宜跨越河流 、过境铁路线等等 。根据消防站辖 区划分原则 ,以及各种分割参考线 ,对消防站辖区划 分进行修正 。最后得到消防辖区修正方案 (图 8 ) 。2围规定为 47 km 。但通过以上章节的分析可知 :辖区面积的划分是根据不同火灾风险响应时间而形 成的区域 ,设定一个较小的统一标准会造成消防建设投入的浪费 ,相反一个较大的统一标准又会使高 火灾风险区域不能得到有效的救援 。表 2 是雨湖区 消防站布局优化后各辖区面积统计 。表 2 优化后各消防站辖区面积表 中 4 号 、5 号 消 防 站 辖 区 面 积 分 别 为7. 8 km2 , 18. 2 km2 ,均大于 7 km2 , 5号消防站甚至大 于 15 km2 。从现有的消防规范标准来看 ,该优化不符合辖区面积指标 。但通过子区域消防分级可以看出 4 号 、5 号消防站所辖区域为城郊区域 ,区域内多 为农田 、池塘和低层分散建筑 ,火灾风险低 ,故笔者 认为从消防投入的经济角度来看 ,将此类区域消防图 8 消防辖区优化修正方案消防站编号已有12345678辖区面积 / km23. 47. 35. 25. 77. 818. 26. 43. 94. 587第 8期白 华 等 : 城 市 老 城 区 消 防 站 布 局 优 化 研 究站辖区面积适当放大 ,是可以接受的 。于此同时 ,已有雨湖区消防大队消防站和 7号消防站辖区面积分 别为 3. 4 km2 , 3. 9 km2 ,较小的辖区面积恰恰反映出 此辖区范围为高火灾风险区域 ,较密集的消防站布局同样可以被接受 。2 ) 半定量评估方法对单位火灾安全等级进行评估能 基 本 体 现 出 区 域 内 火 灾 风 险 的 实 际 分 布 状况 。3 ) 差异化的消防应急响应时间设定既满足了区域内的客观消防需求 ,又兼顾了经济性原则 ,具有 现实意义 。4 ) 该研究结果可为城市规划工作者提供消防 站选址决策支持 ,研究的技术方法推而广之 ,可为类 似于城 市 消 防 站 一 类 的 公 共 服 务 设 施 布 局 提 供借鉴 。5 结论1 ) 消防站布局应以将消防规划区域内整体的人民生命 、财产损失及国家财产损失降到最低限度 为原则 ,将消防力量向火灾高风险区域靠近 。参 考 文 献吴卢荣 ,马咏真 ,陈绩馨 ,等 . 中国火灾与社会经济因素的相关分析 j . 中国安全科学学报 , 2007, 17 ( 6) : 92 - 97.中华人民共和国国家统计局 . 中国统计年鉴 2009 m . 北京 :中国统计出版社 , 2009.商务印书馆编辑部 ,广东等辞源修订组 . 辞源 (修订本 ) m . 北京