基于事故树的高层建筑火灾分析及预防研究

张召冉，谷宗贺，张远悦

(北方工业大学,北京 100000)

0 引言

随着近年来我国经济高速发展,高层建筑在我国建筑中的占比也逐年上升,高层建筑凝聚着大量的人员、物资与财产,同时承载着多种城市功能,但是由于高层建筑自身的结构特点和建筑功能的高度多元化,一旦发生火灾,往往面临着火灾蔓延速度快、人员疏散困难、扑救难度大等问题[1],这使得高层建筑火灾一旦发生,往往会造成巨大的人员和财产损失。根据应急管理部消防救援局的数据,我国2021年全年共接报高层建筑火灾4 057起、伤亡人数比上年增加了22.6%。可见高层建筑火灾的安全管理和事故预防理论仍需完善,在国内高层建筑火灾的研究中,吴龙标等[2]对高层建筑火灾烟囱效应等原因进行了探讨,并提出了应对策略;龙腾腾等[3]将事故致因模型运用于高层建筑火灾起因分析中,并提出控制和预防;丁元春等[4]将突变理论与高层建筑火灾有机的结合在一起,构成了一套安全综合评价方法;王粟[5]则以高层建筑火灾系统的灰色关联评价模型,来确定影响因素和系统的风险等级。本文通过事故树方法来找出高层建筑火灾中造成更大影响的因素种类并得出与科学有效的预防措施,为后续高层建筑火灾的研究提供新的分析思路和参考。

1 事故树理论

事故树(FTA)一门利用逻辑推理对各种信息系统的风险因素作出识别与评估的方法。它通过根据一定顺序和关系,把在给定的信息系统和作业中可能发生的事故条件与可能产生的影响结果绘成树形图[6],事故树分析法不仅可以找出影响事故的表层因素,又可以挖掘出影响事故的深层因素,具有很强的综合性[7]。

2 基于事故树理论的实例分析

2.1 案例基本情况

金鹰中心A座于1996年投入使用,总建筑面积14.8万m2,地上58层,地下2层。大楼核心筒9层为酒店自助餐厅[8]。根据南京应急局的事故调查报告可知,2019年5月24日20时50分左右,在位于金鹰A座9层露台西侧厨房净化设备拆除工程施工现场,施工人员在使用等离子切割机拆除油烟净化设备作业中,切割产生的火花引燃油烟净化设备内部的油垢,引发火灾。

2.2 事故树的建立

基于事故树理论,将“5·24”南京新街口金鹰火灾发生作为顶端事件T,根据火灾的相关事故调查报告和南京市政府公报,将火灾事故树分阶段的划分为基础事件树底端口的基础就可以搜索得到七个事情引起了南京新街口金鹰火灾,或顶事件T产生的最初起因的基础诱因,把搜索得到的七个基础事件作为火灾事故树的底部端口,用Xi表示,用Mi来表示在顶事件T和基础事情Xi树之间的中间事件,即可获得事故树,如图1所示,各标号与事件名称的对应关系如表1所示。

表1 标号与事件名称对应图

在事故树图中,T代表事件“5·24”南京新街口金鹰火灾发生。特别的与门代表逻辑积关系下成立,即下属直接事件必须同时发生才会触发上级事件,或门则代表逻辑和关系,即下属直接事件任意发生一个及以上时,上级事件就会被触发,即可明确了事故树图中的逻辑关系:M2=X5∪M1,T=X1∩M2∩M3,M3=X4∩X3,M1=X1∩X6∩X7。

2.3 求最小割集与最小径集

通过布尔代数法将顶端事件T逐步分解可求得最小割集。求出最小割集有两个,分别为:{X1,X2,X3,X4,X6,X7},{X2,X3,X4,X5}。

通过与事故树对偶的成功树,可得图2。

求得最小径集有六个,分别为:{X1,X5},{X2},{X3},{X4},{X5,X6},{X5,X7}。

2.4 结构重要度分析

从事故树角度来分析,结构重要度指的是事件的重要程度,其计算方法主要有四种,这里采用最小径集法和最小割集法来综合使用,其主要规则为:

1)如果最小径集(或最小割集)中有且仅有唯一一个基本事件时,则该基本事件的结构重要度最大。

2)若最小径集(或最小割集)中存在一些数目相等的基本事件时,则这些基本事件的结构重要度由其在最小割集(或最小径集)中出现的频率来决定,出现次数与结构重要度成正比。

3)当最小割径集(或最小割集)中存在数量不等的基本事件数时,则其结构重要度由最小割径集(或最小割集)中的事件数量决定,基本事件越少则结构重要度越大。

根据最小割集{X1,X2,X3,X4,X6,X7},{X2,X3,X4,X5}和最小径集{X1,X5},{X2},{X3},{X4},{X5,X6},{X5,X7}综合考量可知,其事故结构重要度大小排序为:Iφ(X2)=Iφ(X3)=Iφ(X4)=Iφ(X5)>Iφ(X7)=Iφ(X6)=Iφ(X1)。

2.5 模型结果讨论

据事故树分析,可将因素分为组织因素和个人因素,事故发生的致因因素主要为这两大因素综合作用产生。例如引发事故的直接原因是工人进行动火作业时没有安全措施,可以从“个人因素”这一角度考虑,将其归结为基本事件X5。而南京新街口金鹰中心对施工单位资质手续没有确定则可以从“组织因素”这一角度考虑,将其归为基本事件X2。既有以下分类:工程建设单位手续不齐,没有落实防火检查,安全教育不到位,动火作业无安全措施属于组织因素,而油垢隐蔽难以发现,工人安全生产意识不足,工人违章作业则属于个人因素。根据结构重要度来说,X2为工程建设单位手续不齐,X3为没有落实防火检查,X4为安全教育不到位,这三种因素结构重要度最高;X5为动火作业无安全措施,而X1为油垢隐蔽难以发现,X6为工人安全生产意识不足,X7为工人违章作业的结构重要度次之。

根据结构的重要程度计算结果,进行系统薄弱环节分析。对最小割集系统来说,它与基础顶上事件均用或门连接,所以显然最小割集的事件数量愈小越安全,愈多越危险。但由于每个最小割集的基础事件和第二层事件均为与门连接,所以割集的基础事件愈多越有利,因此基础事件较少的割集是系统的薄弱环节。和最小割集恰恰相反的是,最小径集的径集数越多就越保险,因为基本事件最多的径集是整个系统的脆弱环节。

所以,为提高系统的稳定性,可通过下列四个方面来改进系统:

1)降低最小割集数,首先应去除一些含基础事情尽量少的割集。

2)提高最小割集中的基础事情数,首先为含有基础事情很少而又无法去除的小割集提高了基础事情。

3)尽量减少最小径集的基础事物数量,首先应该着眼于尽量减少含基础事物过多的最小径集。

4)增设新的最小径集,也就可以设法把原来含基础事故因素较多的最小径集分为两个或很多最小径集。

从以上分析结果来看,X2:工程建设单位手续不齐,X3:没有落实防火检查,X4:安全教育不到位,X5:动火作业无安全措施都是对顶上事故影响因素较大的基本事件,也是整个系统中最为薄弱的环节。为降低建筑失火的发生概率,应着重修改完善有关基础事项。现有以下预防措施来完善有关基础事项:

1)对于工程建设单位手续不齐,首先可以加强法律宣传,一经发现要受到监管部门的惩处和曝光,以督促工程建设单位自觉完善各种手续。其次因为工程建设单位手续不齐开工屡禁不止且原因复杂,用工单位应尽可能选择资质雄厚实力强的工程建设单位合作。

2)对于防火检查没有得到有效落实,可以在管理人员间设立专门职能岗位来责任落实到人,并且加大对失职人员的惩处与曝光。

3)对于安全教育不到位,第一可以设置制度性职工交流学习会,让施工人员互相谈论自己遇到的安全问题和原因,互相督促,加强施工人员的自我安全认知。第二工程健身单位可以从施工人员最关心的晋升、薪酬和待遇方面下手制定安全生产奖惩制度并积极落实。

4)对于动火作业无安全措施,工程建设单位应加强施工人员的培训与管理。动火作业无安全措施,很大程度上是施工人员的侥幸心理,工程建设单位应当加强安全管理,配备专职警戒人员。

3 结语

1)通过事故树分析法对高层建筑火灾事故的定性分析,使事故发生的原因层次分明、条理清晰的呈现出来。高层建筑火灾是在组织因素与个人因素共同影响下发生的,往往个人因素为表层因素,而组织因素为深层因素,一场火灾的发生往往是由于个人因素和组织因素等多种原因综合影响的结果。

2)高层建筑火灾事故有其发生、发展和消除的过程,因此是可以预防的。通过结构重要度分析可以找出各个事件的结构重要度,结构重要度越大说明对顶上事件影响程度越大,因此,对于结构重要度高的因素进行影响往往可以起到事半功倍的效果。

3)说明对于高层火灾的预防,应重视组织因素的作用,在组织层面预防,不留安全漏洞,在个人层次应安全谨慎,不做违规操作,不存侥幸心理,最大限度将危险消灭在萌芽状态。