1、火灾风险评估5.1概述5.2定量火灾风险评估的基本内容5.3火灾场景设定与火灾设定5.4基于事件树的火灾风险定量分析方法5.5基于统计理论的火灾风险分析方法5.6评估实例第5章定量火灾风险评估方法5.1概述火灾风险定量的模型大致上可以分为三类：确定性模型、概率模型和随机模型。这三种模型之间有很大的交叉。确定性模型依赖于假定因素的行为，涉及时间和空间的定量关系。概率模型考虑多项因素对风险的贡献，评估其未来发挥作用的可能性，然后将多项因素作为一个整体计算复合概率，评估在多项因素影响下，火灾系统实现安全目标的可能性。随机模型可以视为确定性模型和概率模型之间的一种模型，特别是当涉及时间和空间的变化时。
2、随机模型都可以刻画危险因素(例如可燃气体、火灾、烟气)在时间和空间中的发展变化。5.2定量火灾风险评估的基本内容风险估计的程序：(1)确定评估对象，定义系统/问题，选择方法(2)辨识火灾危险因素(3)火灾场景的确定(4)场景概率以及后果分析(5)场景火灾风险和组合风险的计算(6)结果输出5.2定量火灾风险评估的基本内容下面结合几个示例说明如何将损失目标转化为设计目标。1.保证设备连续运行2.保证人员生命安全3.财产保护5.2定量火灾风险评估的基本内容图5-1火灾风险管理流程图(6)结果输出1)设计方案是否能满足一定的风险准则。2)评价不同设计方案的风险水平，水平，通过比较作出选择。3)影响系统
3、风险的主要因素，并且提出改进意见。4)对系统设计的某种变化作出关于风险的评价等。表5-1防火目的与相应的承险人损失目标示例(6)结果输出3.财产保护表5-2损失目标、工程设计目标和性能判据举例5.3火灾场景设定与火灾设定5.3.1设定火灾场景5.3.2设定火灾5.3火灾场景设定与火灾设定图5-3火灾场景的设定和参数选择5.3.1设定火灾场景风险分级程序的主要步骤如下：1)确定一组全面的可能的火灾场景。2)估计场景发生的概率。3)估计场景的后果。4)估计场景的风险(反映场景发生的后果和概率)。5)按照风险对火灾场景进行分级。下面的介绍设定火灾场景的“十步法”。1.火灾场景辨识2.火灾场景的选择1
4、.火灾场景辨识从适用于所考虑的建筑和使用人员的火灾统计资料，依据发生频率和相关后果的评判标准，对初始热源和初始燃烧物进行合并分级，可得到以下火灾类型：1)人员伤亡占最大份额的火灾类型。2)用金钱衡量的财产损失占最大份额的火灾类型。3)在具有确定的最小尺度的火灾范围内，最有可能的火灾是：蔓延出起火房间的火灾；大小超过一定面积的火灾；死亡5人或5人以上的火灾；或火灾损失超过了的以金钱衡量的损失阈值的火灾，损失超过此阈值就表明是重大损失，如最小损失超过1的火灾。1.火灾场景辨识除在第二步所述的高危险场所外，还有：1)公共事件的损害，如地震或恐怖事件，其具有导致多处严重火灾或者使多个消防设施同时失效的
5、可能性。2)非火灾事件的损害，这些事件会削弱建筑结构并降低能引起结构坍塌的火灾条件。3)使用易自燃、火灾蔓延快、易爆炸的高危害材料；使用能产生剧烈火灾和剧毒性烟气的高危害材料；使用燃烧产物对环境有严重危害的高危害材料或使用被污染的灭火介质；能从环境空气补充火灾所需氧气的情况；使用某些通常手段(如采用含氯消毒剂的游泳池水)扑救火灾具有很大危险或难度，或其他能够加重火灾的情况。1.火灾场景辨识4)存在高危险操作，包括在易燃材料附近使用明火。5)在建设或维护阶段存在特殊危险的情况。2.火灾场景的选择1)若多个具有严重后果、低概率的场景被排除，应注意被排除的场景不具有中等或高等的累积概率。2)不能因为
6、某个场景使一个特殊的消防安全系统或特殊的设计表现的可取或不可取，即使它对风险有较大的贡献，就排除此场景。3)在此阶段，对于某个场景，不能因为产生可接受结果的最佳设计需要付出很大代价，即使它对风险有较大的贡献，就排除此场景。5.3.2设定火灾图5-4设定火灾示例5.3.2设定火灾表5-3平方时间火的类型5.3.2设定火灾表5-4各种设定火灾场景的典型火灾增长类型5.3.2设定火灾图5-5设定火灾曲线与目标区域中烟气光学密度和烟气层高度的变化曲线5.4基于事件树的火灾风险定量分析方法5.4.1概述5.4.2火灾损失场景设计与事件树构成5.4.3初始火灾可能性分析5.4.4消防系统成功概率分析5.4
7、.5风险计算5.4.1概述事件树分析(Event Tree Analysis，简称ETA)是安全系统工程中重要的分析方法之一。事件树是一种从原因到结果的过程分析，基本原理是：任何事物从初始原因到最终结果所经历的每一个中间环节都有成功(或正常)或失败(或失效)两种可能或分支。如果将成功记为1，并作为上分支，将失败记为0，作为下分支，然后再分别从这两个状态开始，仍按成功(记为1)或失败(记为0)两种可能分析。这样一直分析下去，直到最后结果为止，最后即形成一个水平放置的树状图。5.4.2火灾损失场景设计与事件树构成1.火灾损失场景设计2.事件树的构建1.火灾损失场景设计(1)目标(T：target)
8、(2)危险源(S：source)(3)路径(P：path)(1)目标(T：target)目标是风险研究关注的焦点，必须首先确定。目标应该对火灾危险源的影响比较敏感，另外，必须详细说明目标的价值。(2)危险源(S：source)确定了目标的敏感点及其价值后，要对使目标遭受损失的火灾源进行辨识和筛选。(3)路径(P：path)1)评估概况：主要确定场景边界、确定评估的具体场景和重要风险。2)目标描述：主要目标、目标遭受火灾危害的具体形式(如温度影响、热辐射影响、烟气影响或是有毒、腐蚀性气体影响)、目标价值(如财产损失、停工/营运中断损失、操作人员的培训费用)。3)确定起火源：确定火灾初始事件发生的
9、可能性、进一步评估应选取的事件。4)分析路径：确定火灾蔓延因素(火灾增大能力、结构失效、多米诺效应)和火灾限制因素(现有的限制火灾蔓延的措施和建议等)。(3)路径(P：path)5)构建树结构：确定场景评估的假定和限制条件，以及事件树结构。2.事件树的构建(1)确定火灾初始事件(2)确定路径因素(3)构建事件树分支逻辑(4)事故结果评估(5)确定并量化作用于目标的危害和后果(6)分支概率的量化(7)量化风险(1)确定火灾初始事件辨识初始事件可以综合运用以下方法：场景辨识工作表；事故树分析；历史事故记录分析；企业数据和历史情况；危险评述、经验和工程判断。火灾初始事件的辨识和选取，不同人之间有很大
10、的差别。同样的场景有人可能认为只是可燃液体的微量泄漏起火，也有可能会有人假定是所有可燃液体起火。合理的初始事件必须同时满足以下两个条件：引发的事故后果能造成重大危害(即超过风险容忍极限)；事件出现的可能性不可过低。(2)确定路径因素1)主要的火灾发展/蔓延因素有：燃料性质(热释放速率)；火焰传播与二次引燃；通风作用；结构失效；应急操作响应。2)主要的消防系统因素有：探测系统；应急控制系统(ECS)；自动灭火系统；限制蔓延作用(如防火间隔)；人工灭火系统；空间限制(将火灾限制在源区内)。(3)构建事件树分支逻辑事件树以初始事件开始，经历消防系统的响应，显示了事故的时序发展过程，其输出即为火灾事故
11、结果。尽管很多情况下事件几乎是同时发生的，但在分析时，消防系统的功能应按照顺序描述。构建事件树的第一步是输入初始事件和各级消防系统，包括初始事件发生可能性、消防事件后果危害水平等。(4)事故结果评估1)最好的情形对应正常的损失期望(NLE)，指在所有的火灾探测和防护系统均正常工作并发挥其设计控制功能时的损失期。2)其他可能情形对应可能最大损失值(PML)，指基本的火灾自动防护系统不在工作状态时的损失期望值水平。3)最坏情形对应最大预计损失值(MFL)指自动和人工防火设施均处于不可用状态时的损失期望值水平。(5)确定并量化作用于目标的危害和后果要认识到火灾事故会有多种危害，包括：财产损失(PD)
12、，如建筑物、设备等破坏；营运中断(BI)，如因维修或更换设备所引起的营业、生产的延误；威胁人员安全，包括在火灾现场和在周围的人员；环境影响，包括对空气和土壤的破坏；其他危害，如强制罚款、公司形象等。各种危害的后果综合起来会构成很高的经济损失。5.4.3初始火灾可能性分析1.历史数据2.事故树分析1.历史数据表5-5美国有关核电站内区域起火源和起火频率1.历史数据表5-5美国有关核电站内区域起火源和起火频率2.事故树分析事故树分析(FTA)提供一种量化初始火灾发生事件的结构方法，如图5-6所示。事故树分析的优点是可以将初始火灾(顶事件)分解为各种失效和点火危险因素。初始火灾事件可能性的事故树逻辑
13、与“火三角”相似，也就是说应当考虑：存在的可燃材料；超过燃料燃烧所需要的最低氧气量；点火源能量足够维持燃烧。顶事件是初始火灾事件(即能发生火灾并蔓延)，初始火灾事件的主要贡献因子用“与”门相连。5.4.4消防系统成功概率分析1.性能成功2.性能度量3.成功树分析4.性能评估框架5.4.4消防系统成功概率分析图5-6事件树分析与事故树分析结构化框图3.成功树分析1)系统可用性紧急情况发生，在线系统运作及时。2)功能可靠性有紧急需求时系统具有满足功能要求的能力。3)时间可靠性系统在规定时间内实现其功能。3.成功树分析图5-7消防系统成功参数4.性能评估框架1)确定成功树逻辑，包括辨识基本的消防系统
14、度量参数、辨识并建立性能指标相互关系。2)量化消防系统响应效率，包括评价设计应用原理(DAB)和系统响应时间(SRT)。3)量化消防系统在线可用性，包括：评价系统因检查、保养、测试而处于离线的状态；评价有害物的出现导致的系统离线；评估其他原因导致的系统离线。4)量化消防系统操作可靠性，包括：辨识系统或子系统的边界；定义功能要求；描述设计和运转的集成要素；估计功能失效的概率。4.性能评估框架5)量化消防系统成功概率，包括：综合上述2)、3)、4)步的结果得到消防系统成功概率，并以此作为事件树输入；制作数据源文档并说明其不确定性问题。5.4.5风险计算1.支线概率2.总计等价货币值2.总计等价货币
15、值图5-8事件树分析举例5.5基于统计理论的火灾风险分析方法5.5.1概述5.5.2火灾发生和增长5.5.3火灾风险的随机模型5.5.4基于统计理论与火灾动力学相耦合的财产损失评估5.5.5火灾引起建筑物坍塌的评价方法5.5.1概述在概率估计时，应避免某些普遍的错误和偏差，包括：1)对于个人而言，低估低概率或高估高概率都是正常的。2)不宜假设所有的情况和事件是独立的。3)高估类似涉及特别的危害和物品环境的场景概率，而低估或忽略普通场景，如加热设备和电气系统火灾的概率。4)对于工程人员，在每次事故中依赖高质量和完全火灾调查数据。5)不能够安全地假定消防安全系统和特征中的冗余是为了更高的整体可靠性
16、或产生更高的整体可靠性。5.5.1概述1.直接通过数据估计概率2.用模型估计概率3.用工程判断估计概率4.初始事件概率5.状态概率和可靠性5.5.2火灾发生和增长1.概率方法2.着火的可能性3.可能损失4.火灾的蔓延1.概率方法1)在一段时间内发生火灾的概率(F)。2)在发生火灾时可能的生命和财产的损害。2.着火的可能性表5-6纺织工业不同区域点火源的分布2.着火的可能性表5-7不同行业的火灾风险参数表4.火灾的蔓延1)火灾限制在初始燃烧物。2)火灾在初始着火房间的蔓延。3)火灾蔓延至着火层的其他房间。4)火灾超出着火层在建筑物内的蔓延。5)火灾蔓延超出建筑物。表5-8英国纺织业火灾平均破坏面
17、积4.火灾的蔓延5)火灾蔓延超出建筑物。图5-9概率树5.5.3火灾风险的随机模型1.马尔科夫链2.马尔科夫过程1.马尔科夫链1)有1个可燃物燃烧(仅仅R1燃烧)。2)有2个可燃物燃烧(R1和R2燃烧或者R1和R3燃烧或者R1和R4燃烧)。3)有3个可燃物燃烧(R1、R2和R3燃烧或者R1、R2和R4燃烧或者R1、R3和R4燃烧)。4)全部4个物体一起燃烧。1.马尔科夫链2.马尔科夫过程表5-9住宅中典型房间的火灾状态转移(火灾类型：沙发垫阴燃火灾)表5-10火灾发展程度5.5.4基于统计理论与火灾动力学相耦合的财产损失评估1.建筑火灾发展阶段的分割2.各阶段火灾成长概率3.建筑物火灾时烧损面
18、积的预估1.建筑火灾发展阶段的分割(1)影响火灾发展的要素(2)火灾发展阶段分割(1)影响火灾发展的要素1)火灾环境。2)建筑物的防灭火设备。3)建筑物的空间特性。1)火灾环境。表5-11火灾成长系数表5-12与建筑物装修材料可燃等级2)建筑物的防灭火设备。表5-13各种消防设备的有效起动概率3)建筑物的空间特性。表5-14各类防火门关闭的可靠性2.各阶段火灾成长概率(1)阶段1火灾成长概率(2)阶段2火灾成长概率(3)阶段3火灾成长概率(4)阶段4火灾成长概率(5)阶段4以后的火灾成长概率(1)阶段1火灾成长概率图5-10阶段1事件树(2)阶段2火灾成长概率图5-11阶段2事件树(2)阶段2
19、火灾成长概率图5-12阶段2的临界时间的确定方法(4)阶段4火灾成长概率图5-13阶段4事件树3.建筑物火灾时烧损面积的预估(1)火灾发生后的烧损面积(2)建筑物使用年限内的可能烧损面积和财产损失5.5.5火灾引起建筑物坍塌的评价方法1.建筑火灾的一般规律2.火灾荷载与火灾持续时间的分布规律3.极端情况下火灾引起的建筑物坍塌概率4.基于建筑物防灭火特性的坍塌概率评估1.建筑火灾的一般规律图5-14建筑火灾热释放速率的一般规律2.火灾荷载与火灾持续时间的分布规律(1)不同功能建筑物火灾荷载的分布特性(2)盛期火灾持续时间3.极端情况下火灾引起的建筑物坍塌概率(1)极端情况下火灾引起建筑物的坍塌概
20、率(2)极端情况下建筑物的耐火极限与坍塌概率的关系表5-15不同用途建筑物的k值的平均值3.极端情况下火灾引起的建筑物坍塌概率(2)极端情况下建筑物的耐火极限与坍塌概率的关系图5-15办公楼火灾持续时间与其概率密度分布关系(2)极端情况下建筑物的耐火极限与坍塌概率的关系图5-16极限情况下办公楼的坍塌概率与其耐火极限时间的关系4.基于建筑物防灭火特性的坍塌概率评估表5-16不同功能建筑物的火灾发生概率5.6评估实例5.6.1纽约世界贸易大厦坍塌概率估算和原因分析5.6.2多功能室内体育馆火灾场景设定和分析5.6.1纽约世界贸易大厦坍塌概率估算和原因分析1.事件的简要概述2.初始参量的确定和火灾
21、持续时间分布3.坍塌概率计算和原因分析2.初始参量的确定和火灾持续时间分布图5-17火灾持续时间与其概率分布关系3.坍塌概率计算和原因分析1)高速飞行的飞机对大楼的撞击不仅使得建筑的主体结构受到了一定程度的破坏，而且使得钢结构的防护层发生了松动、脱落，致使部分钢构件暴露于火场之中，从而导致其强度下降。2)经过将近30年的使用，钢结构的防护层的防火性能可能已经减弱，使得耐火极限达不到4h。3)大量的航空煤油流淌在建筑物内，起火燃烧后，由于航空煤油的易燃和高热值，火场的温度肯定要比一般火灾高。4)飞机的撞击导致大楼内的所有消防设施失效，尤其是自动喷水灭火系统无法起动，不能对建筑的钢结构进行有效的冷
22、却保护。表5-17不同耐火极限下的坍塌概率3.坍塌概率计算和原因分析5.6.2多功能室内体育馆火灾场景设定和分析1.目的2.建筑及其功能描述3.程序4.评论1.目的本例主要目的是示范如何运用本书5.3节中介绍的“十步法”来选择设定火灾场景。所举例子是一个具有烟控系统的多功能室内体育馆，其消防安全目标是保障生命安全。2.建筑及其功能描述本建筑为室内体育馆，在竞技场及和竞技场连通的观众区域设有烟控系统。本建筑主要用来举办体育赛事，但也可用于其他用途。比如，举办音乐会、宗教或非宗教的仪式、大会、商品交易会。为了实现这些功能，低层设有可移动座椅。相连通的其他功能区域也会有火灾危险，如售货亭或者具有高火
23、灾荷载的储藏室。3.程序(1)第一步：火灾位置(2)第二步：火灾类型(3)第三步：潜在的火灾危害(4)第四步：系统及其特征对火灾的影响(5)第五步：人员响应(6)第六步：事件树(7)第七步：概率(8)第八步：后果(9)第九步：风险分级(10)第十步：最终选择和文件说明图5-18多功能室内体育馆火灾的事件树3.程序表5-18场景的风险分级3.程序4.评论本例所提供的事件树方法不仅可以用来选择设定火灾场景，而且能使设计者保证所有的消防安全设计特征和事件树中的概率和后果保持一致。设计者必须确保以受威胁的人员数量表示的后果是可以实现的，如通过提供足够的探测和报警系统，这些系统并没有明确在事件树中反映出来。概率也必须是可实现的，如喷头成功动作的概率。事件树也可以用来评估什么地方需要改进。比如，通过采取措施而导致的概率的增加或采取有利措施而导致的后果的降低，来探究改进各种消防安全措施所带来的影响。
