高层建筑防火功能评价指标体系研究硕士学位论文

分类号TU022密级天津理工大学研究生学位论文高层建筑防火功能评价指标体系研究（申请硕士学位）学科专业技术经济及管理研究方向风险分析与工程保险作者姓名张力英指导教师陈伟珂教授2012年2月THESISSUBMITTEDTOTIANJINUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFORTHEMASTERSDEGREERESEARCHONEVALUATIONINDEXSYSTEMFORFIREPROTECTIONOFHIGHRISEBUILDINGSBYZHANGLIYINGSUPERVISORPROFESSORCHENWEIKEFEB2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名签字日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名导师签名签字日期年月日签字日期年月日摘要随着高层建筑发展的多样化和功能的复杂化，传统的防火设计规范已经明显滞后于现代建筑的防火安全要求。仅在运营阶段对火灾风险进行评估不能从根本上解决防火功能设计先天不足的问题，针对这一现象，本文提出应该在设计阶段对设计方案的防火功能进行评价的思想，并针对高层建筑火灾发展的原理和特点建立了科学有效的防火功能评价指标体系。首先，对高层建筑火灾发展的场景进行了人为界定。高层建筑火灾是一个不断发展蔓延的过程，本文根据火灾发展动力学的原理将高层建筑的火灾划分为初期增长、防火分区内充分发展和突破防火分区继续发展三个阶段，并针对每个场景火灾发展的特点对其所应具备的防火功能进行了分析，提出高层建筑应能有效的实现初期灭火、防火分区内控制、相邻防火分区隔断和人员安全疏散的功能。其次，利用事故树分析法总结出防火功能评价指标初集。高层建筑防火功能评价结果应能真实而科学地反映设计方案的有效性，故障树能分析出导致防火功能失效的各种直接原因和深层次原因。其中最小割集能完整地体现导致各个阶段防火功能失效的各种可能性，最小径集能体现控制火灾发展的各种措施，通过对割集和径集进行分析和归纳，能使得到的指标体系更加全面而客观。针对高层建筑防火设计应具备的四个功能，本文得到的指标初集共有41个指标。最后，利用结构方程模型对指标进行优化和验证。虽然利用故障树构建的指标初集已经具备相当的完备性，但为了提高指标体系的科学性和可操作性，本文利用结构方程模型对指标进行了筛选和有效性验证。模型适配有效证明了探索性因子分析的合理性，也即验证了指标分类的合理性，将因子负荷量作为指标筛选的标准，剔除因子负荷量小于05的指标，保证所得到的指标都对防火功能的实现具有明显的作用效果，提高了指标体系的有效度。通过以上的研究，本文提出并论证了在设计阶段对防火功能进行评价的可行性，充分体现了全生命周期的决策思想，为高层建筑防火功能设计决策提供了一种新的思路，也可以为其他功能的设计评价提供参考和借鉴。关键词高层建筑防火功能指标事故树结构方程模型ABSTRACTWITHTHEDIVERSITYANDTHECOMPLICATIONOFFUNCTION,THETRADITIONALFIREPREVENTIONDESIGNSPECIFICATIONSHAVESIGNIFICANTLYLAGGEDBEHINDTHEFIRESAFETYREQUIREMENTSJUSTEVALUATETHEFIRERISKINOPERATIONALPHASECANTFUNDAMENTALLYSOLVETHEPROBLEMTHATTHEFIREPREVENTIONISINSUFFICIENTINRESPONSETOTHISPHENOMENON,THISPAPERPUTFORWARDTHEIDEATHATTHEFIREPREVENTIONFUNCTIONSHOULDBEEVALUATEDINTHEDESIGNSTAGE,ANDESTABLISHEDASCIENTIFICANDEFFECTIVEEVALUATIONINDEXSYSTEMFORTHEFIREPREVENTIONFUNCTIONOFTHEHIGHRISEBUILDINGSFIRST,THISTHESISDEFINEDTHEFIREDEVELOPMENTSCENARIOSOFTHEHIGHRISEBUILDINGSTHEFIREDEVELOPMENTISAPROCESSOFSPREADINGACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFTHEDEVELOPMENT,THISPAPERDIVIDEDTHESPREADINGINTOTHEEARLYSTAGE,FIREFULLYDEVELOPEDINTHEFIRECOMPARTMENTANDTHEFIREBREAKINGTHROUGHTHEFIRECOMPARTMENT,ANDTHENANALYZEDTHECHARACTERISTICSANDDEFINEDTHEFIREPREVENTIONFUNCTIONINEACHSCENERYTHEHIGHRISEBUILDINGSSHOULDHAVETHEFIREPROTECTIONFUNCTIONSUCHASFIGHTINGFIREINEARLYSTAGE,CONTROLLINGFIREINTHEFIRECOMPARTMENT,ISOLATINGTHEFIREANDENSURINGTHEEVACUATIONOFPEOPLESECONDLY,THISTHESISSUMMEDUPTHEINITIALINDEXSYSTEMTHROUGHTHEFAULTTREEANALYSISTHEEVALUATIONRESULTSHOULDREFLECTTHEEFFECTIVENESSOFTHEDESIGNTRULYANDSCIENTIFICALLY,ATTHESAMETIME,THEFAULTTREECANNOTONLYANALYSETHEDIRECTCOURSEBUTALSOTHEDEEPREASONSTHEMINIMALCUTSETSCANFULLYREFLECTTHEVARIOUSPOSSIBILITIESOFTHEFIREPROTECTIONFAILURE,ANDTHEMINIMALRADIUSSETSARETHEMEASURESTHATCANCONTROLTHEFIREDEVELOPMENTTHROUGHTHEANALYSISANDSUMMARYFORTHECUTSETSANDPATHSETS,THEINDEXSYSTEMCANBEMUCHMORECOMPREHENSIVEANDOBJECTIVEBASEDONTHEFUNCTIONTHATTHEHIGHRISEBUILDINGSSHOULDHAVE,THISPAPERESTABLISHED41INITIALINDICATORSFINALLY,THISTHESISOPTIMIZEDANDVERIFIEDTHEVALIDITYOFTHEINDEXSYSTEMBYTHESTRUCTURALEQUATIONMODELALTHOUGHTHEINITIALINDICATORSESTABLISHEDBYTHEFAULTTREEHAVEHADCONSIDERABLECOMPLETENESS,INORDERTOIMPROVETHESCIENTIFICANDOPERATIONALNATUREOFTHESYSTEM,THISPAPERUSEDSTRUCTUREEQUATIONMODELTOOPTIMIZETHEINDICATORSYSTEMTHEREASONABLENESSOFTHEDEFAULTMODELPROVEDTHEEFFECTIVEOFTHECLASSIFICATIONOFTHEINDICATORSTHISPAPERMADETHESTANDARDIZEDREGRESSIONWEIGHTSASTHECRITERIAFOROPTIMIZINGTHEINDICATORSWHENTHESTANDARDIZEDREGRESSIONWEIGHTISLESSTHAN05,THEINDICATORWOULDBEELIMINATEDASARESULT,THEVALIDITYOFINDEXSYSTEMISIMPROVEDTHROUGHTHERESEARCHABOVE,THISTHESISPROPOSEDANDDEMONSTRATEDTHEFEASIBILITYOFTHEEVALUATIONFORTHEFIREPROTECTIONFUNCTIONINDESIGNSTAGE,EMBODIEDTHEWHOLELIFECYCLEOFDECISIONMAKINGTHOUGHTITNOTONLYPROVIDESANEWTRAINOFTHOUGHTFORTHEFIREPROTECTIONBUTALSOPROVIDESSOMEREFERENCESFOREVALUATIONOFOTHERFUNCTIONSKEYWORDSHIGHRISEBUILDING,INDICATOROFFIREPROTECTION,FAULTTREEANALYSIS,STRUCTURALEQUATIONMODEL目录第一章绪论111研究背景及研究问题提出1111研究背景介绍1112研究问题提出212研究问题界定3121高层建筑界定3122防火功能界定413本文研究目的及意义5131研究目的5132研究意义514本文主要研究内容6141论文的关键问题6142论文的研究方法和技术路线6143论文的主要创新点8第二章文献综述与理论基础921高层建筑火灾风险分析9211高层建筑火灾特点研究9212高层建筑火灾危害性分析1022防火功能的设计方案评价研究11221防火功能实现影响因素分析11222防火功能设计方案评价方法研究12223防火功能评价指标体系研究1423本章小结15第三章高层建筑防火功能评价指标体系研究设计1731火灾发展场景描述17311火灾发展阶段及特点17312高层建筑火灾发展场景分析及功能设定1832防火功能评价指标体系构建研究设计19321评价指标体系构建的原则19322评价指标体系构建的依据20323评价指标体系构建的方法21324评价指标体系有效性分析24325评价指标体系构建的技术路线2533本章小结26第四章基于事故树分析法的防火功能评价指标初选研究2741事故树原理介绍2742事故树基本分析28421事故树的结构函数28422割集和径集2843高层建筑防火功能评价指标的初步建立29431初期灭火功能评价指标的初建30432防火分区内控制功能评价指标的初建38433相邻防火分区隔断功能评价指标的初建43434人员安全疏散功能评价指标的初建4844本章小结53第五章防火功能评价指标的筛选确定及相关关系研究5451结构方程模型简介54511结构方程模型产生的背景54512结构方程模型的优点55513结构方程模型的构建过程5552问卷的发放及回收57521问卷调查的目的及程序57522问卷数量的确定5753初期灭火功能评价指标确定60531模型建立60532模型的有效性验证61533指标的筛选确定及相关关系研究6154防火分区内控制功能评价指标确定63541模型建立63542模型的有效性验证64543指标的筛选确定及相关关系研究6555相邻防火分区隔断功能评价指标确定67551模型建立67552模型的有效性验证68553指标的筛选确定及相关关系研究6856人员安全疏散功能评价指标确定70561模型建立70562模型的有效性验证71563指标的筛选确定及相关关系研究7157本章小结73结论与展望75参考文献77附录81附录历年高层建筑火灾情况统计81附录高层建筑防火功能评价指标调查问卷84附录某项目设计方案防火功能评价87发表论文和科研情况说明90致谢91第一章绪论11研究背景及研究问题提出111研究背景介绍随着我国社会经济和城市化进程的不断推进，城市人口增长与城市土地资源有限的矛盾日渐突出，高层建筑凭借其节约用地、容纳人数众多等特点如雨后春笋般出现并投入使用，几乎占据城市建筑面积的30401。高层建筑作为商业化、工业化的结果，日渐发展成一种城市现代化的标志，也是建造业主实力雄厚的象征。根据统计，我国目前共有各类高层建筑134万幢，其中超高层建筑（高度大于100M）2453栋。与此同时，高层建筑火灾带来的损失也呈现出上升的趋势，近年来高层建筑火灾发生频繁，给我国的国民经济和社会发展造成了极其恶劣的影响，20002009年高层建筑火灾情况及造成的损失如表11所示，部分高层建筑火灾情况见附录。究其原因，一方面是高层建筑的平面布局、立体结构及人员环境复杂，致火因素众多，火灾安全隐患大；而且由于高层建筑的烟囱效应显著，一旦发生火灾，火灾蔓延速度很快，对人员疏散和财产保护造成很大的威胁和挑战。更为重要的原因在于我国高层建筑的防火设计更注重成本控制，防火功能设计与消防安全需要难以匹配，设计单位和业主不能有效地对防火方案进行科学的评价，导致在后续使用过程中防火功能不足或防火功能不能得到充分发挥，无法有效地预防并控制火灾的发生和发展以减少人员伤亡和财产损失。表1120002009年高层建筑火灾情况TABLE11HIGHRISEBUILDINGFIRESHAPPENEDFROM2000TO2009年份火灾总数高层建筑火灾死亡人数受伤人数财产损失（万元）2000189185184327361166338463200121678415270614910228405200225831516349652459209096200325393216999690775240066200425280419023793658228678200523594118032666494199894200623188119095501359196491200716352111979505268179355200813683516125631263754019200912833111060366185364593资料来源根据文献211绘制112研究问题提出我国高层民用建筑设计防火规范GB5004595（2005年版）、建筑设计防火规范等相关规范对防火设计作了相应的规定，如对建筑物的耐火等级、防火分区、安全疏散、防排烟系统、自动喷水灭火系统等功能指标的设计均规定了具体的参数，对于我国高层建筑的防火安全设计具有重大的作用的意义，为保证我国建筑火灾安全做出了重大的贡献。但是，这些规定多数是直接引自国外或根据国内已经建成的建筑状况提出的12，是一种经验性总结，而对于建筑物总体的防火功能目标并没有作出明确的规定。随着经济的迅速发展，建筑物的类型趋于多样化，其内部空间及功能模块千变万化，使规范表现出严重的滞后性；而且规范之间也存在着一些矛盾和分歧，使得设计者在很多时候不知如何适用。我国传统的设计规范存在的不足主要表现在以下几个方面1设计方案受限每座建筑物都是独特的，其结构、用途、内部火灾危险的分布、大小都是各不相同的，居住者和使用者的素质和条件也都各异。完全照搬现行规范给定的参数和指标做出的设计方案，未必是最科学、最合理的选择。而且，要套用规范中对的参数设计，客观上限制了设计的灵活性，使建筑结构死板。2单独设防，缺乏综合考虑现行的规范在消防给水、防排烟等方面层层设防13，单独考虑14，而未能针对各单独的建设项目统一布局各子系统，不仅可能造成消防投资的极大浪费，也可能不能良好的实现消防疏散的目的。3不利于新技术、新材料的使用随着科学技术的突飞猛进，新技术、新材料不断推陈出新，计算机和通讯技术的迅速发展，都极大的推动了防火设计的发展。而现行的处方式设计规范对很多结构材料和技术标准均做出了硬性的规定，在很大程度上限制了新产品、新工艺的开发利用15。4条文规范之间相互对立、互不沟通由于各种原因，我国现行的各类设计方法和规范尚未形成完整而统一的系统，使得设计人员有时会无从着手，不知应以哪种规范为准。各部分之间自成系统15，不能兼顾，如若完全照搬，不仅可能导致不必要的浪费，甚至会使得整体的防火性能不能得到有效的判定。而且随着科技的不断发展，高层建筑的结构形式都发生了显著的变化，经常遇到规范中的设计空白，使其防火问题形势严峻。鉴于这种传统防火设计方法的不足，我国也开始引进国外的性能化防火设计以提高建筑物的防火性能。性能化防火设计就是利用火灾安全工程学的原理，通过制定整个建筑物的防火系统需要达到的性能目标，针对所要设计建筑物的实际情况，采用各种有效方法对建筑物所具有的防火能力进行定性或定量地预测与评估，从而找到最佳的防火设计方案16。可见，性能化防火设计是一种以功能为导向的安全设计17，即通过可靠地设计手段达到工程安全性质指标的目的18。性能化防火设计一个很重要的部分就是对设计方案进行评价比较，这就促使了性能化设计方案防火功能评估的发展。防火功能的评估包括指标体系的建立和评估方法的选择两个方面。设计方案评价指标体系不仅是评估工作中的非常重要的核心内容，也是评估中的基础性工作。指标体系的建立需要以广泛的调查研究和深入细致的分析综合作为基础。具体地说，就是把影响防火功能实现的主要因素归纳总结成一系列概念明确、边界清晰和便于把握的指标，并把这些指标按照内在的联系及隶属关系组织起来，构造出评估的指标体系。指标体系是否科学合理，直接关系到评估的作用和功能是否能够正常发挥，进而影响到评估能否被认可，能否提高防火安全水平的目的。因此，建立一套科学、合理的指标体系，是一项非常重要的工作。12研究问题界定121高层建筑界定高层建筑是随着国家经济的不断发展，城市人口的增多、建设用地的减少、地价的持续攀升、电梯的发明使用、钢筋混凝土等级不断增强而得到发展的。近代高层建筑起源于美国，是社会经济和科学技术发展的产物，至今已有100多年的历史。大约在20世纪50年代左右，我国才能自行建造高层建筑。但之后，我国的高层建筑的发展取得了辉煌的成绩。不少高楼大厦林立而起，摩天大楼也不再是神话，已经成为中国乃至亚洲的重要景观。在不同的国家和不同的发展时期，对于高层建筑有着不同的定义。目前，世界各国对于高层建筑的分类并没有达成一个统一的标准。联合国教科文组织所属的世界高层建筑委员成立于1972年，该组织按照层数和高度将高层建筑划分为四类第一类，层数为9至16层，高度不大于50M；第二类，层数为17至25层，高度不大于75M；第三类，层数为26层至40层，高度不大于100M；第四类，40层以上，高度大于100M。随着高层建筑的不断发展，我国对高层建筑的划分标准也一直在做相应的调整。我国相关法律规范对高层建筑的界定如表12所示。为了简化对高层建筑的统计口径，从1984年起，我国住房和城乡建设部对住宅和非住宅建筑一律以10层作为划分高层建筑的起点。本文中所指的高层建筑与我国防火设计规范中规定的范围相一致，为十层及以上的住宅建筑和高度超过24M但不高于250M的民用建筑。表12我国相关法规对高层建筑的界定TABLE12THEDEFINITIONOFHIGHRISEBUILDINGINRELATEDREGULATIONS时间法规规定1980101198361钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定JGJ379第一章第3条适用于八层及八层以上的高层民用建筑钢筋混凝土框架结构、框架剪力墙结构和现浇剪力墙结构。续表12时间法规规定1983611987101高层民用建筑设计防火规范GBJ4582第103条适用于十层及十层以上的住宅建筑（包括底设置商业服务网点的住宅）和建筑高度超过24M的其他民用建筑。第104条不适用于单层主体建筑高度超过24M的体育馆、会堂、剧院等公共建筑以及高层建筑中的人民防空地下室。第105条当高层建筑的建筑高度超过250M时，建筑设计采取的特殊的防火措施，应提交国家消防主管部门组织专题研究、论证。民用建筑设计通则JGJ3787（现行为GB503522005）第105条住宅建筑10层以上为高层；公共建筑及综合性建筑高度超过24M者为高层；超过100M时为超高层（现行为第312条）。1987101至今高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3200210层或10层以上、高度在28M或28M以上的民用建筑。资料来源自绘122防火功能界定功能，即使用价值，是事物或方法所能发挥的有利作用。在人类的设计发展过程中，注重功能一直是一条贯穿其中的主线19。功能主义者认为设计的风格和形式应该依赖于功能，而非功能依赖于形式，设计将始终遵行“满足人们的功能需求”这个首要准则。各学者对防火功能目标进行了相应的界定，如表13所示。表13学者对防火功能目标的界定TABLE13THEDESIGNFEATURESFORFIREPROTECTION学者防火功能目标蒙慧玲（1）防止火灾的发生或蔓延、火灾增长与扩散；（2）保护建筑物内的居民免受火灾影响；（3）减少火灾破坏性；（4）保障消防队的灭火救援行动。李斌（1）将火灾隐患降至最低；（2）能最快了解火情并利用消防设施自动灭火；（3）保证建筑结构的耐火强度，以保证人员的安全疏散。杨高尚人员能不受到火灾中烟气和火焰热的侵害，任何人都能从任何位置安全到达疏散通道总体目标（1）保障建筑物人员的逃生安全和进行搜救的消防人员的安全；（2）保障火灾不因结构的破坏而蔓延至其他区域；（3）减小建筑火灾损失。朱杭功能目标（1）某些部位的结构构件或子结构及结构整体在火灾发生后的一定时间内不能坍塌，以保证人员有足够的时间逃生，消防人员有足够的时间灭火。（2）某些部位的结构构件或整体结构在火灾下不能产生或尽量减小影响继续使用的变形或倒塌，使火灾后的结构功能尽快恢复，减小间接经济损失。性能要求（1）结构构件在火灾发生后一定时间内，有足够的承载力。（2）整体结构在火灾发生后一定的时间内，有足够的承载力。资料来源根据文献2023绘制由以上的研究可以发现，防火功能的目标主要在于通过合理的设计工程方案来减少财产损失和人员伤亡。本文中将防火功能界定为（1）能够保证人员的安全疏散；（2）能够积极地灭火，有效地防止火灾的发展和蔓延；（3）保证建筑结构的稳固，减少财产损失和利于恢复。13本文研究目的及意义131研究目的论文通过对相关研究的分析与总结，针对高层建筑火灾的特点及危害性，根据火灾发展的原理，通过事故树分析法初选、结构方程模型筛选和有效性验证的过程建立了一套能全面反映高层建筑防火功能的评价指标体系。旨在通过该体系指导设计单位和建设单位对高层建筑防火功能的设计方案进行比选，减少项目运行过程中由于防火功能不足导致的各种风险和损失。132研究意义1为防火功能设计方案评价提供有效工具本研究利用事故树，通过分析最小割集和最小径集初步总结出高层建筑的防火功能指标，利用结构方程模型验证了指标的有效性并分析了指标的重要度，为业主和设计单位性能化防火设计方案的评价提供一套有效的指标体系，减少决策的主观性和盲目性，具有一定的理论价值。2为设计方案选择提供了一种新的思路在设计阶段对高层建筑的防火功能进行评价，体现了全生命周期的决策思想，减少了在运营阶段为了弥补设计不足而引起的各种费用和损失，有利于减少项目的全生命周期费用。这种思路不仅适用于高层建筑防火功能的设计，而且可以启发其他楼宇项目关于功能设计方案的前期评价研究。3为保险行业制订合理的保险费率提供科学依据随着高层建筑，尤其是高层公共建筑的兴起，业主一般要为其建筑缴纳火灾保险。保险公司要确定合适的保险费率首先要科学地对高层建筑应对火灾风险的能力进行评估并充分估计其损失期望值，而指标体系是评估的基础工作。4为性能化设计规范的制订提供参考并奠定基础对设计方案进行性能化评估，不仅可以解决在建项目的防火功能设计有效性问题，还可以为以后其他建设项目的防火功能设计提供参考和借鉴。从长远发展来看，由于现行设计方法的不足，性能化防火设计成为发展的必然趋势，性能化防火设计规范的建立也势在必行。而任何规范的建立都要有大量的理论研究和经验总结作为准备，本文研究的评价指标体系将能为性能化防火设计数据库提供信息，进而对防火设计规范的建立起到一定的推动作用。其作用如图11所示。建筑防火功能测量建筑防火功能评价指标比较评估结果对在建项目对其他项目性能化设计规范的准备反馈评价结果，解决现状问题策划设计施工再利用使用反馈参考为数据库提供信息，完善性能化防火设计规范图11防火性能概念及发展进程FIG11THECONCEPTANDDEVELOPMENTPROCESSOFFIREPREVENTION资料来源自绘14本文主要研究内容141论文的关键问题合理地设置高层建筑防火功能指标，对于火势的控制和减少人员财产损失具有重要的意义。本文运用事故树分析法和结构方程模型得到影响火灾发展的功能评价指标，解决了设计方案防火功能评价重点不突出的问题。1评价指标的选取及有效性分析要使得到的指标能用于对高层建筑防火功能进行评价，首先要保证各指标因素对高层建筑防火总目标的实现具有重要的作用。选择合适的理论和方法对指标进行筛选并对指标的有效性进行验证是保证评价结果客观准确的关键。2指标间关系的确定防火功能的评价是一项系统工作，其评价指标之间必然也有一定的区别和联系，如何科学地确定指标的重要度和指标之间的相关关系对于方案设计具有重要的影响。142论文的研究方法和技术路线本文通过指标初选、指标筛选和指标有效性验证三个过程构建了一套高层建筑防火功能评价指标体系，用到的主要方法包括事故树和结构方程模型。论文的研究框架及技术路线分别如图12、图13所示。1事故树事故树分析法是安全系统工程中常用的一种分析方法，它将可能发生的事故及其导致事故发生的各种原因之间的逻辑关系以树形图的方式表示出来，能够为制定安全决策提供可靠依据。本文利用事故树对导致高层建筑防火功能失效的原因进行演绎，不仅可以找出系统失效的直接原因，而且可以通过逐层分析找出其深层次原因，使识别出的危险源全面而客观，进而保证了评价指标体系建立的全面性。2结构方程模型结构方程模型是整合了因素分析和回归分析这两大当代统计技术的一种分析工具，它包含方差分析、回归分析、路径分析和因子分析，不仅可以分析变量之间的多重线性问题，而且可以分析变量之间的因果关系。本文利用结构方程模型对评价指标体系进行验证性因子分析，不仅通过模型拟合验证了准则层与指标层之间的因果关系，而且通过分析对指标进行了筛选和有效性检验。高层建筑火灾风险分析高层建筑迅速发展现行设计规范缺陷高层建筑火灾频发设计方案防火功能评价指标体系研究防火功能实现影响因素分析防火功能设计方案评价方法研究防火功能评价指标体系研究提出问题第一章绪论第二章文献研究火灾发展阶段及特点分析指标体系建立原则、依据和方法指标体系的有效性分析火灾场景分析及功能设定第三章研究设计分析问题基于功能失效的危险源识别分析及评价指标初集建立初期灭火功能评价指标体系初集防火分区内控制功能评价指标体系初集相邻防火分区隔断功能评价指标体系初集人员安全疏散功能评价指标体系初集第四章基于事故树分析法的防火功能评价指标初选研究第五章防火功能评价指标的筛选及相关关系研究基于结构方程模型的指标优化研究问卷设计及有效性分析模型建立模型有效性分析指标筛选及关联性分析事故树原理介绍及基本分析结构方程模型基本内容解决问题高层建筑防火功能评价指标体系总结与展望成果输出图12本文研究框架图FIG12THEFRAMEWORKOFTHETHESIS资料来源自绘解决问题理论工具、方法文献综述研究范围确定高层建筑防火功能评价问题文献综述、对比分析研究方法确定方法的可行性问题事故树分析法研究过程功能失效危险源识别割集、径集分析指标体系初步建立问卷调查法结构方程模型指标体系优化指标体系全面性问题指标体系有效性及关联性问题图13本文技术路线图FIG13THETECHNICALLINEOFTHETHESIS资料来源自绘143论文的主要创新点本文参考并借鉴了大量相关文献的研究成果，但也在其他学者的研究基础上有了相对的发展。1在设计阶段对高层建筑的防火功能进行评估目前，对于高层建筑防火的研究多集中在运营阶段对火灾危险性的评价，鲜有在设计阶段对方案的防火功能进行评价的文献和方法。在设计阶段进行防火功能评估，可以及时发现设计缺陷并修改，不仅能节约成本、缩短工期，也有助于减少后期运营的风险，避免项目建成后为了追加功能而造成再投资。2利用结构方程模型筛选指标并验证指标的有效性目前，学者对指标的研究确定多集中在层次分析等定性方法，本文在利用事故树分析、专家咨询初步确定指标体系的基础上又通过结构方程模型对指标体系的有效性进行了定量筛选和理论验证，使指标的可靠性和可操作性更强。第二章文献综述与理论基础21高层建筑火灾风险分析211高层建筑火灾特点研究要对高层建筑的防火功能进行设计，就要先了解高层建筑火灾的特点，只有对其特点进行深刻的剖析和总结，才能寻求有效的方法及措施，尽量在根源上避免其发生。高层建筑火灾的特点有如下几个方面1可燃物多，火灾荷载大随着经济的迅速发展和人民生活水平的快速提高，高层建筑功能的综合性逐渐增强，购物、娱乐、餐饮、住宿等多种使用功能兼备，而且目前国内很多高层建筑追求外表美观的同时注重内部装饰和装修，使可燃物增多，火灾荷载增大，燃烧时间增长，蔓延速度加快，增大了内攻外控的难度。2竖井、管道多，火势蔓延速度快鉴于功能的需要，高层建筑都配备有楼梯间、电梯井、排气道等各种竖井，导致烟囱效应显著。如果处理不当，这些竖井很有可能成为火灾蔓延及烟雾流动的通道，从而形成立体火灾。根据实测，发生火灾时，烟气的水平流速一般为0308M/S，垂直流速为24M/S，这意味着在不采取任何防火措施的情况下，只需要不到1分钟的时间烟气就可以从一幢百米高楼的底层蔓延扩散到顶层24。3主体建筑层数多，人员密集，安全疏散困难目前，我国的高层建筑主要有住宅楼、商业楼、办公楼、医院、宾馆等，人员密度较高。火灾发生后，普通电梯不能用作安全疏散，消防电梯主要为消防队员专用，使得楼梯成为人员垂直疏散的唯一通道25。由于高层建筑中人员分布比较密集且人员疏散时一般沿着烟火蔓延的反方向进行，进一步增加了疏散的难度。4灭火救援难度大首先，一般的曲臂云梯消防车的高度只有2427米，且价格昂贵、体积庞大，在一般的地段无法使用。其次，消防人员的登高灭火能力有限，一般情况下消防员在负荷灭火设施进行灭火时攀登到7、8层时便已疲惫不堪。因此，依靠消防队员对高层建筑进行灭火时要立足于室内的消防给水设施23。再次，灭火用水量大，供水困难也成为灭火的难题之一。高层建筑火灾顽固性以及灭火救援困难的特点使高层建筑的防火功能设计成为亟待解决的问题。为了保证消防安全，在对高层建筑的防火功能进行设计时要坚决贯彻落实“以防为主，防消结合”的方针，选择合理有效的设计方案，在保证人员安全疏散的同时实现对火灾发展的控制。212高层建筑火灾危害性分析1人员伤亡（1）火焰烧伤。人体所能承受的极限温度为65OC，当超过这个温度时，人体的皮肤组织就会被烧伤。空气温度与人体临界忍耐时间的关系如表21所示。表21空气温度与临界忍耐时间关系TABLE21THERELATIONSHIPBETWEENAIRTEMPERATUREANDHUMANENDURANCETIME空气温度（OC）临界时间空气温度（O）临界时间65一段有限的时间12015分钟7560分钟1405分钟10030分钟17530分钟12分钟1分钟资料来源根据文献27绘制（3）中毒。随着技术的不断进步，合成材料得到广泛的应用。在火灾发生时，由于高温和燃烧的作用会分解产生众多有毒气体，如CO，NO等。当人体内吸入的有毒气体超过极限含量时，就会出现恶心、昏迷甚至死亡的危险。空气中CO含量对人的影响如表23所示。表23空气中CO的含量对人体的影响TABLE23THEEFFECTOFTHECONTENTOFCOONBODY空气中CO的含量（）对人体的影响001数小时对人体影响不大005一小时内对人体影响不大01一小时后头疼，呕吐05导致剧烈头痛，2030分钟有死亡危险10呼吸困难，12分钟可导致死亡资料来源根据文献28绘制（4）砸伤、刺伤。当建筑物的结构或构件超过耐火极限后，就有可能坍塌进而对未能疏散出去的人员造成伤害。2物质损失作为人们生产及生活的重要场所，现在的高层建筑功能齐全，内部装修豪华，电气设备、家具等易燃物众多，财产高度集中。一旦发生火灾，将造成巨大的经济损失。仅2009年，高层建筑火灾造成的直接经济损失就达364593万元。3社会影响高层建筑火灾频发，不仅造成巨大的经济损失，而且火灾时群死群伤事件的发生也会给社会带来很多负面的影响。火灾当事人可能面临家破的负担和人亡的痛苦，给经济和精神生活造成极大的伤害。社会公众可能会对设计单位、建筑企业的资质和信誉产生怀疑，同时也可能对政府的监督产生质疑，使政府的公信力和质量监督力度受到“烤问”。22防火功能的设计方案评价研究221防火功能实现影响因素分析自20世纪80年代以来，高层建筑在世界上很多国家得到了蓬勃的发展，然而由于其自身特点导致的其火灾危害性也引起了国内外相关学者的关注。TERRYONEILL指出业主应该明确他们对火灾安全承担的法律责任并切实保障落实。一个好的防火设计方案不仅能减少火灾发生的概率，而且对保护生命安全和财产起到积极的作用。在方案设计时，要重点考虑人员的生命财产安全29。KATEHOUGHTON指出消防系统在整个建筑的设计和施工过程中发挥着非常重要的作用，业主和防火工程师要能管理这个复杂的系统使之能抵抗危险。他还指出，在设计防火系统时首先要分析建筑物功能的物理分区，然后再根据需要选择相应的法律法规全面设置火灾探测、防排烟系统及火灾抑制系统30。YSAKUMOTO以一座办公楼为例，验证了一种新的防火材料能有效地阻断热量的传播，提高钢结构建筑物的防火性能31。ROBINSUTTELL指出防火功能系统是复杂的，对于每座建筑物其设计应该是不同的，消防设计工程师要注意各系统之间的相互作用。防火系统应在挽救生命、减少财产损失、保持业务连续性的基础上，合理布局火灾探测系统、火灾报警系统和火灾控制系统32。经过两年多的调查，美国国家标准和技术研究所在其所做的报告中指出，防火设计要基于法规和相关标准，要包括主动和被动防火系统，以保证当系统的某一部分不能正常工作时，系统仍有足够的性能33。美国也通过相关法案，要求所有混凝土及砌体结构都要安装自动喷水系统。OLGALHUIBREGTSE提出了一种优化安全疏散的AES模型。该模型能通过优化疏散指示来提高疏散效率。该模型主要包括两个步骤首先，生成周围的空间；然后根据蚁群反应行为，利用AES算法来选择逃生路线。通过研究证明，合理的设置疏散指标标志能有效地提高人员的逃生效率34。唐妙、王麒蘅、丁承在分析了高层建筑火灾的特点及其常见隐患的基础上，指出在高层建筑防火设计中要注意防火分区、防火间距、竖向管井、安全疏散楼梯、消防电梯、避难层、防排烟系统等方面353637。赵建国指出由于现在多“三边工程”，使得我国的高层建筑防火问题形势严峻。在防火功能设计过程中要体现“以人为本”的原则以保证人员的安全疏散，就要合理地设置疏散楼梯、电梯布置、防烟楼梯、避难层或避难间及安全疏散诱导系统，同时要设置屋顶直升飞机停机坪38。吴雪佳从几起典型的高层建筑火灾出发，指出防火设计中要加强对竖向孔洞的防火封堵，对消防电梯、防排烟系统、应急通讯系统、自动喷水灭火系统、应急疏散系统的设置39。薛文秀指出目前我国的防火分隔存在失效或不通透性等缺点，他将钢化玻璃与窗玻璃喷头作为一种新型的防火分隔系统，并验证了该结构的合理性40。邵永强等提出在设计时要注意耐火等级和耐火材料的选用；做好防火分隔和安全疏散通道的设计，如防火分区、防火间距和安全疏散通道的出路；强化自动报警和自动灭火装置41。吴忠刚利用事件树分析了火灾的致灾因素，并建立了“人机环境”系统相互协调的以管理为纲目，以技术为手段，突出管理的高层建筑防火安全体系42。通过对以上的文献分析可以发现1高层建筑防火功能的设计应该注重全面性任何建筑设计总目标的实现均以功能目标的实现为基础43，目前学者对于高层建筑防火功能的设计给予了足够的重视，普遍认为高层建筑的防火设计应该针对高层建筑火灾的特点，遵循“预防为主，防消结合”的方针，在立足于自救的基础上综合布局各种防火措施，实现人员安全疏散和减少财产损失。2研究集中在经验总结阶段目前学者的研究多是根据实际工作经验分析现行设计和运营过程中存在的问题并给予相应的建议措施，集中在经验总结阶段，缺乏相关的理论对指标的获得或演绎过程进行验证。而且对于高层建筑防火系统的各子系统因素之间的合理设置和相关关系尚缺乏理论的研究和定量的描述。222防火功能设计方案评价方法研究设计方案的比选和评价是项目投资阶段的重要工作，也是管理决策的核心内容。在实际的工程项目中，为了实现某一功能往往可能有多种设计方案，如何选择技术、经济合理且可靠的设计方案对于具体功能的实现和经济社会效益的发挥具有重要的意义。高层建筑防火功能的设计是整个高层建筑整体功能设计的重要组成部分，对于保证建筑内人员、物质财产的安全具有重要的意义。不同的设计方案将使高层建筑具有不同水平的防火功能，从而使其在运营过程中面临不同的火灾危险性，如何运用科学的方法选择设计方案以尽量规避和减少建筑物建成后在运营过程中可能遭受的损失、实现对高层建筑最好的防火保护是设计单位和业主单位需要共同关注的问题。CHU,GUANQUAN将对生命安全的危害作为评估防火设计方案优劣的标准，提出了一种考虑人员疏散和火灾发展不确定性特点的概率评价模型。他以事件树分析为基础，从消防系统的作用和人员灭火等方面分析了可能的火灾场景，并指出用模糊评判的方法对设计方案进行评估的可行性44。TERRYONEILL指出设计方案要包括采取相应地措施防止火灾的蔓延或发生爆炸；对火灾可能造成的风险进行评估以及为减少风险而采取的措施；安全疏散和扑灭火灾所必需的专用工具和器械45。YANGBO基于GIS的方法，通过模仿人员的典型行为分析了娱乐场所的安全疏散问题46。HOCHUNYOO分析了中庭式建筑的烟气流动对人员疏散逃生的影响。在研究中，他评估了中庭建筑在不同情况下的烟雾管理系统。引入瞬态分析模型并利用FASTLITE分析了烟气层特点的时间函数47。屈俊童肯定了模糊理论在高层建筑火灾风险评价中的重要意义，但他也指出模糊综合评判模型、层次分析法、模糊层次分析法等都是采用确定性的分析方法来确定权重，而火灾风险的评价应该具有相当的模糊性，因此他提出高层建筑火灾风险的评价应该是一个模糊概率体系48。郑乐通过对高层建筑火灾事故的原因进行统计归类得出火灾发生的主要原因及容易着火的部位，用事故树分析法得出基本事件并根据布尔代数化简法计算的结果对基本事件的结构重要度进行了排序，最后从安全和管理两方面提出了防控措施49。杨高尚依据隧道火灾的特点，指出影响人员疏散时间的因素主要包括探测火灾的时间、人员的反应时间以及人自身的特性。他还自行研究开发了TUNEV程序并结合雪峰山隧道的实际情况对疏散中的重要参数进行了分析讨论和验证22。通过以上文献研究可以发现，相关学者肯定了设计方案评价的重要性，也总结出一些有效的评估方法。这些评估方法主要可以概括为两种1软件模拟评估这种方法以人员安全逃生作为第一准则，评估方案是否可行主要依据人员可用疏散时间是否小于人员必须疏散时间。人员可用疏散时间取决于人感应火灾时间、行动的时间；必须疏散时间则主要取决于烟气的流动。因此这种评估方法多侧重于火焰分析、烟气流动分析、人员流动分析等参数的设计，忽略了诱发火灾的各种因素及其之间相互影响和制约的研究，对建筑物火灾安全性能的评估存在一定的局限性。2定性与定量相结合的评估方法这类方法主要有模糊评判法、模糊层次分析法、灰色关联度法等。当两套设计方案的差异较大时，用定性分析选择方案具有较大的优势，但当方案比较接近时通过主观判断来取舍方案可能会造成很大的偏差，因此科学的评价方法应该是将定性分析与定量分析相结合50515253。由于火灾影响因素的动态性和模糊性，模糊评价方法的优势愈加明显，也逐渐得到广大学者的认可和应用，模糊评价的基本结构模型如图21所示。但是应用模糊评价的方法首先要建立指标体系，而评价指标选择的合理性与客观性又直接影响评价结果的准确性。目前我国高层建筑火灾事故统计数据较少，还不具有统一的参考价值，使得学者建立指标体系时依据的方法不充分，建立的指标差异性很大。因此以一种科学的方法建立一套适用于高层建筑防火功能的评价指标体系具有重要的意义。（1）评价指标体系（2）单项指标内容（3）评分标准（4）数据的规范化处理（5）综合评价数学模型方案评价结果及排序参评方案建筑专家系统分析专家评分值计算值图21高层建筑防火功能的设计方案评价系统结构模型FIG21THESTRUCTUREMODELFORTHEEVALUATIONSYSTEMOFHIGHRISEBUILDINGSFIREPREVENTION资料来源根据文献50绘制223防火功能评价指标体系研究防火功能评价指标是建立火灾科学、消防安全和安全文化三者之间联系的的一种重要方式。指标体系设置得当，能合理评估防火功能的实现程度，全面反映设计方案的合理性。JOHNMWATTS,JR指出性能化防火设计和评估是人类历史上的一大进步，但是现在性能化防火评估还面临着很多困难，比如安全指标的合理选取以及人类行为和应急反应研究等。同时他还指出建立评价指标体系是一种已经获得公认的技术可行、经济合理、有效实用的方法，对于保险费率厘定、方案选择具有重要的意义。他根据美国的生命安全法案（LIFESAFETYCODE）和自身经验建立了包括火灾探测、自动喷水等20个指标在内的评价指标体系54。JURGITASAKENAITE指出对防火功能进行综合评估的目的是为了更好的分析建筑物设计、建造及运营阶段与火灾相关的各种危险的特点。通过实际比较，他发现尽管通过建立指标进行评价的方法存在着缺点，但它比传统的评估方法具有更多的优势55。ZHAO,CM利用层次分析法建立了包括自动报警系统、防排烟系统等在内的防火功能评价指标体系并对其进行了评估56。MLIU指出当评价指标数量较多时，如果以一个系统进行评价会变的特别复杂，他建议利用分级评价的方法把相似的指标划分为一组，所有指标分为两层或以上。鉴于此，他采用层次分析法建立了三级指标体系，其中三级指标包括自动报警系统、防排烟系统、火灾控制系统等57。CHUGUANQUAN提出性能化防火设计是由于传统的处方式设计无法满足要求而产生的，性能化评估是为了评价设计的合理性。人员安全逃生是性能化防火设计的首要原则58。现在一些风险评估软件如FIRECAM，FIERASYSTEM，CRISP等虽然得到了广泛的应用，但这些模