Пожарный риск для зданий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1. Аналитическая часть

1.1 Пожарная опасность и риск

1.2 Вероятностный подход к анализу риска

1.2.1 Основные положения

1.3.1 Особенности вероятностного анализа пожарного риска для зданий

1.4.1 Программа FiRECAM

1.3 Эвристический подход к анализу риска

1.3.1 Основные положения

1.3.2 Метод «Дау Кемикал»

1.3.3 Метод FSES

1.3.4 Метод FRIM

1.3.5 Метод Гретенера и его модификации

1.4 Выводы

2. Расчетная часть

Библиографический список

1. Аналитическая часть

пожарный безопасность проектирование здание

В связи с принятием в 2008 Федерального закона № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [1] особую актуальность приобретают выработка и внедрение в отечественную практику научно обоснованных методик количественной оценки пожарного риска, позволяющих устанавливать соответствие реально существующего уровня риска законодательно установленному предельному значению.

В последние десятилетия в большинстве промышленно развитых стран происходит переход от жесткого нормирования требований пожарной безопасности при проектировании зданий и сооружений к гибкому или объектно-ориентированному нормированию [2--5]. Сущность этого подхода состоит в том, что устанавливаются цели, которым должна соответствовать система пожарной безопасности объекта (это отражается и в принятой в англоязычной литературе терминологии -- performance-based codes в дословном переводе означает нормирование, основанное на выполнении задачи), но не регламентируются проектные решения для их достижения. Тем самым к минимуму сводятся ограничения в устройстве объекта, стимулируется использование новых подходов к обеспечению пожарной безопасности и в конечном итоге обеспечивается более высокая экономическая эффективность проектных решений [6].

Если при традиционном подходе проектные решения систем пожарной безопасности жестко регламентированы, то при гибком нормировании, когда возможны альтернативные проектные решения, значительно возрастает потребность в разработке и практическом использовании методов для оценки пожароопасности объектов и пожарного риска. Эти методы должны позволять на основании заданных характеристик объекта (конструкция, предназначение, количество находящихся людей, имеющиеся средства противопожарной защиты) прогнозировать возникновение и развитие пожара, эвакуацию людей, оценивать возможный ущерб и последствия.

Лишь имея количественные данные о поведении такой сложной системы в условиях пожара, можно установить степень соответствия применяемых для данного объекта проектных решений нормативным требованиям по пожарной безопасности. Кроме того, методы количественного прогноза развития и последствий пожара необходимы для оценки экономической эффективности различных проектных решений, а также для определения тарифов страхования ответственности и имущественного страхования при пожарах. Как показывает анализ литературы, в настоящее время в мире отсутствует единый метод оценки пожарного риска, который был бы принят в качестве обязательного в нормативной документации, регламентирующей вопросы пожаробезопасности [7, 8].

В промышленно развитых странах способ анализа риска (как правило, на основе логических деревьев) и конкретные методики его оценки законодательно устанавливаются для объектов, представляющих повышенную опасность, -- атомных электростанций, хранилищ и терминалов сжиженного природного газа, производств взрывчатых веществ [9].

Для остальных объектов законодательно устанавливаются лишь общие принципы, по которым должен оцениваться пожарный риск, тогда как методики расчетов издаются в качестве рекомендаций, сопровождающих соответствующие стандарты [9--15]. В качестве расчетных методов допускается применять как качественный анализ, так и количественный, включая индексные методы и полный вероятностный анализ. Выбор метода должен производиться в соответствии с целями проведения анализа риска, имеющимися данными об объекте, материальными и людскими ресурсами, с учетом временных и финансовых ограничений.

В Российской Федерации также постепенно происходит переход к практике гибкого нормирования в области пожарной безопасности. Методы оценки пожарного риска определены государственными стандартами [16, 17]. Нормативное значение пожарного риска для зданий, сооружений и строений установлено федеральным законом [1]. Согласно статье 79 этого закона «Индивидуальный пожарный риск в зданиях, сооружениях и строениях не должен превышать значение одной миллионной в год при размещении отдельного человека в наиболее удаленной от выхода из здания, сооружения и строения точке». В соответствии со статьей 93 «Для производственных объектов, на которых обеспечение величины индивидуального пожарного риска одной миллионной в год невозможно в связи со спецификой функционирования технологических процессов, допускается увеличение индивидуального пожарного риска до одной десятитысячной в год». Порядок расчета индивидуального пожарного риска определен методикой [18]. Кроме того, за последнее десятилетие принят ряд международных ГОСТов по анализу и менеджменту риска в более широком понимании [19--21].

Таким образом, анализ риска быстрыми темпами становится одним из необходимых инструментов при проектировании объектов, их эксплуатации и пожарном аудите. В связи с этим имеется настоятельная потребность проанализировать современное состояние проблемы количественной оценки пожарного риска, достигнутый уровень знаний в этой области и сопоставить принятые в нашей стране подходы с используемыми в мире.

Цель настоящей работы состоит в анализе современных подходов к оценке пожарного риска и практики их использования. Объектом исследования являются пожары в зданиях различного назначения (жилых, административных, общественных и т. д.).

Оценка риска производственных объектов и технологических установок, а также при чрезвычайных ситуациях других типов (например, при выбросах токсичных веществ) затрагивается лишь с точки зрения общности методологических подходов, при необходимости соответствующие методики могут быть найдены в обширной специализированной литературе по промышленной безопасности. В первой части работы основное внимание уделяется рассмотрению вероятностного и эвристического подходов к анализу пожарного риска и обзору различных методов, реализующих эти подходы. Вторая часть посвящена обсуждению областей наиболее целесообразного применения вероятностного и эвристического подходов при оценке пожарного риска, а также практическим проблемам вероятностного расчета индивидуального риска.

1.1 Пожарная опасность и риск

Понятия «опасность» и «риск» являются весьма многогранными, и их определения в значительной степени зависят от контекста и области знания, в которой они вводятся и рассматриваются [22--26].

Применительно к пожарной опасности и пожарному риску в настоящее время в целом сложилась терминология, используемая в научной литературе и нормативных документах. Так, согласно [1] пожарная опасность объекта защиты -- это состояние объекта защиты, характеризуемое возможностью возникновения и развития пожара, а также воздействия на людей и имущество опасных факторов пожара, тогда как пожарный риск -- это мера возможности реализации пожарной опасности объекта защиты и ее последствий для людей и материальных ценностей. Эти определения в целом согласуются с используемыми в зарубежной литературе и нормативных документах понятиями fire hazard и fire risk [8--11, 27].

Существующие методы оценки потенциальных последствий пожаров делятся на две категории.

К первой из них (анализ пожароопасной ситуации, или hazard analysis) можно отнести методы анализа, направленные на изучение характеристик пожара и его воздействия на людей и имущество, при задан-ном сценарии (который включает совокупность исходных данных по геометрии помещения, параметры очага горения, состояние вентиляционных проемов, исходное положение находящихся в здании людей и т. п.). При таком подходе, как правило, используются детерминистские математические (интегральные, зонные или дифференциальные) либо физические (полномасштабные или уменьшенные в размерах) модели пожара. Целью исследований является получение количественных данных о характеристиках окружающей среды при реализации данного сценария пожара, ее поражающем действии и возможном материальном ущербе. При этом не рассматриваются вопросы о вероятности реализации данного сценария, влияния неопределенностей в свойствах охваченного горением материала, поведенческих особенностей людей при эвакуации и т. п.

Ко второй категории (анализ риска, или risk analysis) относятся методы, в которых центральное место занимает анализ факторов, носящих случайный характер, -- от расположения места загорания и количества вовлеченных в горение материалов до срабатывания или отказа систем оповещения и пожаротушения, обрушения элементов конструкций, возникновения паники и т. д. Каждая реализация перечисленных состояний по существу определяет сценарий пожара, поэтому анализ опасностей и последствий отдельных сценариев входит составной частью в анализ риска [8, 27].

В зависимости от рассматриваемых последствий различают несколько видов риска [22]. Индивидуальный риск характеризует вероятность поражения отдельного человека в результате воздействия на него пожара, коллективный риск -- ожидаемое количество пострадавших или погибших за определенный период времени, тогда как социальный риск представляет собой вероятность одновременного поражения группы людей заданной численности и выражается в виде соответствующей F/N диаграммы. Материальный риск характеризует ожидаемые социально-экономические потери от пожара и может выражаться как в виде математического ожидания экономического ущерба, так и в виде F/G диаграмм.

Рассматривают также риск косвенных материальных потерь (например, от приостановки производственного процесса) и экологический риск [28]. Целью анализа риска может быть как установление абсолютного уровня риска для сравнения его с предельно допустимым значением и оценки достаточности уровня противопожарной защиты, так и определение относительного уровня риска для сравнения уровней пожаробезопасности различных объектов либо выбора альтернативных проектных решений на одном объекте.

Пожарный риск, как мера возможности реализации пожарной опасности, по своей сути учитывает как вероятность возникновения опасной ситуации, так и степень тяжести ее последствий. В зависимости от того, на каком уровне производится описание каждого из указанных элементов, имеется целый спектр методов оценки риска. Отметим, что для анализа пожарного риска применимы общие методы оценки риска технологических систем [19], естественно, с учетом специфики пожара как вида аварии. Согласно [9] имеющиеся методы классифицируются следующим образом.

1. В качественных методах как вероятность, так и последствия выражаются на уровне качественного описания. Примером может служить заполнение проверочных листов (в виде ответа на вопросы «Что будет, если…?»), составление «матриц риска» (таблиц, столбцы которых соответствуют различной тяжести последствий, от незначительных до катастрофических, а строки -- вероятности событий, от пренебрежимо малой до высокой, с соответствующей классификацией ячеек таблицы по степени риска от низкого до высокого) [8, 9, 19, 22]. Качественные методы также включают и анализ логических деревьев событий, если результат анализа формулируется на описательном уровне (высокий или низкий уровень риска, незначительный риск и т. д.) [4].

2. В полуколичественных методах часть аспектов рассматривается количественно, а другая часть -- на качественном уровне. К таким методам можно отнести построение логических деревьев событий при пожаре и расчет вероятности реализации различных сценариев без исследования последствий каждого сценария. Примером может служить построение логического дерева событий с целью определения вероятности самопроизвольного затухания пожара, тушения пожара средствами ручного пожаротушения или системами автоматического пожаротушения, распространения на смежные помещения, перехода от локализованного горения к объемной вспышке и т. д. Наоборот, качественные доводы могут использоваться для выбора одного или нескольких сценариев аварии, а исследования сценариев могут проводиться количественно на основе математического моделирования с привлечением детерминистских моделей. К данному типу относится традиционный анализ опасностей при «наихудшем» сценарии пожара на основе интегральных, зонных или дифференциальных (полевых) моделей. К этому же классу относятся и методы индексирования и ранжирования риска [2, 4, 14], в которых качественные доводы используются при формировании набора атрибутов (факторов), определяющих пожарную опасность и защищенность объекта. Выбранные атрибуты оцениваются в некоторых внутренних единицах (баллах) с последующим выведением итоговой оценки и ее интерпретацией с точки зрения достаточности пожарной безопасности объекта.

3. Наконец, количественные методы оценки риска включают расчет обеих составляющих риска (вероятности и последствий). Риск определяется как вероятность наступления тех или иных опасных последствий пожара (гибель людей, материальный ущерб, экономические потери) в единицу времени -- как правило, за год [24] (поэтому наряду с термином «вероятность» зачастую употребляется понятие «частота реализации»). Такое количественное определение риска является общепринятым и широко используется при анализе различных опасностей техногенного характера [22--25, 29].

Для расчета вероятности и последствий различных сценариев пожара могут применяться методы статистического анализа, детерминистское, имитационное и стохастическое моделирование [3], анализ логических деревьев событий и отказов [19--23].

1.2 Вероятностный подход к анализу риска

1.2.1 Основные положения

Анализ логических деревьев

Количественная оценка риска на основе вероятностного подхода является основой значительного числа современных методов анализа пожарных рисков. Эти методы представляют особый интерес в свете принятого закона [1], где требуется оценка абсолютного индивидуального риска. Поэтому в данном разделе вероятностные методы рассматриваются в достаточно широком контексте, позволяющем установить современный уровень знаний, а также развитые в мире методы и программные средства, относящиеся непосредственно к пожарным рискам для зданий и сооружений.

При вероятностном подходе риск какого-либо события R определяется как

R = P · U, (1)

где P -- вероятность реализации данного события,

U -- ожидаемый ущерб от этого события. Если ущерб может возникать в результате N различных событий, то совокупный риск определяется суммированием по всем возможным событиям:

.

Таким образом, количественная оценка риска сводится к выявлению возможных сценариев развития опасной ситуации и определению последствий каждого сценария. Методы количественного анализа риска с успехом применяются для оценки опасностей в таких отраслях техники, как машиностроение, аэрокосмическая отрасль, ядерная энергетика [22, 29--31]. К настоящему времени разработан и с успехом применяется формальный аппарат анализа риска, включающий построение логических деревьев (дерево неисправностей, позволяющее анализировать совокупность событий, приведших к наступлению заданного результата; дерево событий, позволяющее анализировать последствия данного инициирующего события), оценка неопределенности, анализ чувствительности и т. д. [19--21].

Например, дерево неисправностей может быть использовано для оценки вероятности возникновения аварийной ситуации, а дерево событий -- при анализе различных путей развития аварийной ситуации и определении ее последствий. При оценке вероятностей отдельных событий Pi используются статистические данные, а вероятный ущерб при каждом сценарии Ui может определяться методами математического моделирования.

Применительно к проблемам пожаровзрывобезопасности вероятностные методы наиболее широкое применение нашли для оценки рисков техногенных аварий на производственных объектах, связанных с хранением и переработкой опасных веществ, в том числе наружных технологических установок (взрывы резервуаров высокого давления и трубопроводов, выбросы токсичных веществ, пожары разлитий и т. п.) [32--34]. Можно сказать, что дерево событий, описывающее возможные сценарии развития аварии после разгерметизации резервуара высокого давления, включающее такие явления, как пожар разлития, огненный шар, пожар-вспышка, факельное горение, является классическим примером, который приводится во многих литературных источниках [2, 8, 33--37]. На рис. 1 приведен пример дерева событий для аварии на установке первичной переработки нефти [36]. Для определения риска определенного ущерба (например, поражения персонала тепловым излучением) каждый сценарий (ветвь дерева событий) должен быть детализирован с точки зрения вероятностей реализации в точках ветвления, а также количественной оценки последствий. Отметим, что на рис. 1 представлены условные вероятности развития аварии при реализации инициирующего события, для нахождения абсолютных вероятностей реализации за определенный промежуток времени их следует умножить на вероятность (частоту реализации) выбросов нефти.

Рис. 1 Дерево событий аварий на установке первичной переработки нефти

1.2.2 Особенности вероятностного анализа пожарного риска для зданий

Методика анализа риска на основе логических деревьев применима и для анализа риска при пожарах в зданиях и сооружениях. В зависимости от интересующего типа опасности возможно построение нескольких деревьев событий. Так, при оценке риска для жизни людей наиболее адекватным является дерево событий, в которое включены характер развития пожара, срабатывание или отказ системы пожарной сигнализации и оповещения, работа систем автоматического пожаротушения и противодымной защиты, напрямую влияющие на распространение дыма по зданию и возможность своевременной эвакуации людей. Если же оценивается материальный риск, целесообразно строить дерево событий с учетом огнестойкости преград и возможности распространения пожара на соседние помещения.

Возможный пример дерева событий при пожаре в помещении приведен на рис. 2 (по материалам [19]), где в качестве инициирующего события рассматривается взрыв пыли, однако аналогичные деревья событий могут быть построены и для других источников загорания. Важно, что каждая ветвь дерева дает сценарий, который имеет существенные особенности с точки зрения динамики нарастания опасностей пожара и реакции людей, поэтому возможность своевременной эвакуации должна оцениваться для каждого сценария отдельно. Лишь определив в каждом случае риск невозможности безопасной эвакуации, можно определить суммарный индивидуальный риск в заданном сооружении.

Рис. 2 Пример дерева событий для пожара, вызванного взрывом пыли

Несомненным достоинством вероятностного подхода к количественной оценке риска в задачах пожаровзрывобезопасности является формализованная процедура системного анализа на основе логических деревьев, которые в наглядном виде позволяют представить возможные события и взаимосвязь между ними. Однако проведение анализа с высокой детализацией рассматриваемых процессов кроет в себе и основной недостаток метода -- его высокую трудоемкость [8]. Для объектов сложной структуры логические деревья быстро становятся столь разветвленными, что для их эффективного анализа необходимо применение соответствующих программных средств. Определение условных вероятностей в узлах дерева зачастую вызывает значительные трудности, поскольку соответствующая статистика может отсутствовать, равно как и данные для расчета этих вероятностей с использованием дерева отказов.

Другую проблему представляет расчет последствий каждого сценария. Успешное применение вероятностных методов в задачах промышленной пожаровзрывобезопасности во многом связано с тем, что для аварий такого типа область воздействия поражающих факторов (ударной волны, теплового излучения, токсического облака) удается описать относительно простыми аналитическими моделями и эмпирическими корреляциями, которые легко использовать в контексте вычисления риска отдельных сценариев и определения суммарного риска [17, 33--35, 38--40]. Для оценки индивидуального риска, связанного с поражающими факторами аварии, широкое применение нашел аппарат пробит-функций, позволяющий связать условную вероятность поражения различного типа (гибель людей, ожоги различной степени тяжести и т. п.) с интенсивностью и продолжительностью воздействия определенного поражающего фактора. Результаты анализа риска, как правило, представляются в виде одномерных профилей риска либо двумерных карт риска, показывающих распределение величины риска от опасного объекта по окружающей территории [36--42].

Для пожаров в помещениях, где существенную роль в развитии пожара и распространении дыма играет взаимодействие с ограждающими конструкциями, простые аналитические модели, как правило, отсутствуют. Кроме того, специфической особенностью является необходимость учета действия или отказа систем противопожарной защиты и расчета времени эвакуации с учетом поведенческих особенностей людей (задержка начала эвакуации в зависимости от контингента, типа системы оповещения, возможность возникновения паники и т. п.) [43].

На начальной стадии пожара, наиболее важной с точки зрения эвакуации людей, необходим учет образования и опускания дымового слоя, что ограничивает применимость простых интегральных моделей для среднеобъемных характеристик и требует использования зонных моделей (что возможно только в помещениях простой формы) или моделей, основанных на методах вычислительной гидродинамики (CFD), с соответствующими вычислительными затратами.

Поэтому в полном объеме вероятностная оценка риска может проводиться лишь как специальное исследование для индивидуальных объектов при условии наличия соответствующего программного обеспечения и кадров, обладающих высокой квалификацией и опытом проведения расчетов.

Для того чтобы приблизить вероятностные методы к требованиям практики, возможны два приема. Первый из них состоит в уменьшении числа рассматриваемых сценариев: на основе предварительного анализа близкие по характеристикам сценарии объединяются в кластеры сценариев, и затем из каждого кластера выбирается один представительный сценарий, для которого и производится вероятностный анализ и анализ последствий. Эта процедура не может быть формализована, хотя ее общие принципы разработаны достаточно детально [13].

В частности, указывается, что сценарии с малой вероятностью и тяжелыми последствиями могут давать вклад в общий риск, сравнимый с часто реализуемыми, но незначительными по последствиям сценариями. На этапе предварительного анализа необходимо не допустить как отбрасывания сценариев первого типа, так и чрезмерной детализации сценариев второго типа.

Другим возможным приемом является рассмотрение большого числа сценариев, но использование максимально упрощенных моделей пожара. В частности, вместо зонных моделей могут использоваться корреляции, обобщающие их результаты в виде простых соотношений [3]. Тем самым предполагается, что случайный характер входных параметров более важен, чем точность расчета каждого конкретного случая. В определенном смысле данный подход аналогичен разыгрыванию большого числа реализаций в методе Монте-Карло.

В настоящее время нет ясности, какой из указанных приемов предпочтительней для количественного анализа риска. Однако очевидно, что ни один из них не может быть реализован без применения соответствующих программных средств. На данный момент в мире имеется ряд программных пакетов для анализа риска, например, CRISP2 [44] (Великобритания), FRAMEworks [45] (США), Probabilistic Fire Simulator [46] (Финляндия), Fire Risk Evaluator [47] (Швеция), CESARE-RISK [3, 48] (Австралия), FIERA-System [49] и FiRECAM [4, 50] (Канада).

По-видимому, наиболее подробной в части детализации факторов, определяющих пожарный риск для зданий, на сегодняшний день является программа FiRECAM, разрабатываемая в Канаде в течение более десяти лет в сотрудничестве с австралийскими учеными [4]. Эта программа будет рассмотрена далее как пример реализации вероятностного метода анализа пожарного риска для зданий.

1.2.3 Программа FiRECAM

Программа FiRECAM позволяет оценивать два основных вида риска -- риск для жизни находящихся в здании людей и ожидаемые материальные потери от пожара (тем самым удается избежать необходимости использовать стоимостное выражение человеческой жизни). На рис. 3 представлена совокупность включенных в FiRECAM моделей и взаимосвязи между ними [50, 51].

Рис. 3 Структура программы FiRECAM

Концепция, заложенная в FiRECAM, состоит в расчете возможных сценариев развития пожара, оценки опасности каждого сценария и оценки общего риска суммированием рисков отдельных сценариев (т. е. в точности по формуле (2)). Для определения вероятностей сценариев используются статистические данные, а при их отсутствии -- экспертные оценки. Последствия каждого сценария описываются совокупностью детерминистских моделей: 1) развития пожара, 2) распространения дыма, 3) эвакуации людей из здания, 4) реагирования пожарных подразделений, 5) оценки числа погибших, 6) оценки материального ущерба. В левой колонке на рис. 3 представлены модели, расчет по которым производится однократно для заданного объекта (оценка характеристик здания, огнестойкости преград, времени реагирования пожарных подразделений, экономические аспекты для оценки возможных материальных потерь). В правой колонке на рис. 3 представлена совокупность моделей, расчеты по которым проводятся для каждого сценария пожара, т. е. многократно для заданного объекта (обведены штриховой линией).

Рассматриваемые сценарии включают три возможных вида пожара в помещении, где произошло загорание: 1) тлеющий пожар, 2) пожар, не приводящий к объемной вспышке, 3) пожар, сопровождающийся объемной вспышкой. Для каждого вида пожара рассматривается возможность того, что дверь из помещения будет открыта или закрыта, так что в совокупности это дает шесть видов рассчитываемых пожаров, вероятность реализации каждого из которых оценивается из статистики. Так, в работе [50] приводятся данные о том, что для Канады, согласно статистическим исследованиям, для пожаров в офисных зданиях доля тлеющих пожаров составляет 22%, объемная вспышка про-исходит в 24% случаев, тогда как в 54% случаев пожар происходит в режиме пламенного горения без объемной вспышки. Для каждого вида пожара модель развития позволяет определить зависимость от времени скорости тепловыделения, температуру в помещении и скорость образования токсичных компонент дыма (CO и CO2), а также основные времена, характеризующие появление первых признаков пожара, срабатывание системы сигнализации или активации спринклеров, время наступления объемной вспышки и время полного выгорания пожарной нагрузки. Эти данные являются входными для моделей распространения дыма и эвакуации, а также для модели распространения пожара.

Таким образом, в программе FiRECAM рассчитывается нестационарное развитие опасной ситуации, включающее развитие пожара и его опасностей, поведение людей, активную роль пожарных подразделений и т. д. Большое количество используемых взаимосвязанных моделей (см. рис. 3) приводит к тому, что верификация каждой из них приобретает первостепенное значение. Эта задача является весьма сложной, особенно при использовании натурных испытаний [52], требующих значительных ресурсов. Поэтому процесс превращения исследовательской программы в практический инструмент является длительным. Неслучайно в статье [53] прямо говорится о том, что до полной верификации всех моделей программа FiRECAM позволяет рассчитывать лишь относительный риск, т. е. сравнивать риск какого-либо проектного решения с базовым вариантом. Примеры таких расчетов [53] включают сравнение риска для жизни людей в здании в случае установки спринклерной системы и системы пожарной сигнализации при различных показателях надежности этих систем. В то же время авторы в 2000 г. считали, что она еще не может быть использована для оценки абсолютного риска [53], и до настоящего времени во всех публикациях по программе FiRECAM приведены лишь относительные риски [4].

Данный пример наглядно иллюстрирует, насколько трудной в практическом исполнении является задача количественной оценки пожарного риска с учетом современного состояния пожарной науки не только у нас в стране, но и в мире. Расчеты абсолютных рисков на основе вероятностного анализа, вследствие своей трудоемкости, возможны лишь для отдельных зданий и сооружений, и надежность получаемых результатов на данном этапе не всегда может быть адекватно оценена.

1.3 Эвристический подход к анализу риска

1.3.1 Основные положения

Индексирование пожарного риска

В условиях, когда строгий количественный анализ риска на основе вероятностных методов оказывается затруднительным или невозможным вследствие недостаточности статистических данных, отсутствия или неудовлетворительной точности математических моделей, большое значение приобретают методы, реализующие эвристический подход. В данном подходе существенную роль играет экспертное оценивание, при помощи которого определяются субъективные вероятности событий и формируется набор факторов, определяющих пожарную опасность объекта и степень его защиты [23]. Выбранные факторы оцениваются в некоторых внутренних единицах (баллах) с последующим выведением итоговой оценки (индекса пожарной опасности) и ее интерпретацией с точки зрения достаточности пожарной безопасности объекта. Ниже рассматриваются общие черты и примеры конкретных методов индексации пожарного риска, реализующих эвристический подход.

Индексные, или балльные, методы (в зарубежной литературе -- fire risk indexing, point schemes, scoring methods [2, 8, 54]; к сожалению, в отечественной литературе, вследствие неверного перевода тер-мина «point schemes», методы выставления баллов иногда именуются точечными схемами [55--57]), первоначально получили распространение в области страхования как средство оценки риска для установления величины страховых взносов. Аналогичные по своей сути методы используются в самых разнообразных областях (например, в медицине), когда на основании неполной и неоднородной информации требуется принятие решения. Общий принцип, лежащий в основе индексных методов, состоит в выделении определенного числа факторов, характеризующих состояние системы (при этом факторы могут быть весьма различными, в том числе не поддающимися прямому сравнению). Каждому фактору (атрибуту) системы по установленным правилам приписывается определенное число баллов, т. е. производится оценка состояния системы с различных точек зрения. Полученные баллы затем обрабатываются, в результате чего выводится окончательный показатель, или индекс, характеризующий общее состояние системы. Наиболее распространенными способами получения окончательного индекса являются суммирование баллов по всем атрибутам с весовыми коэффициентами, определяющими относительную важность каждого атрибута, либо перемножение баллов, возведенных в соответствующие степени [2, 8, 54].

Индексные методы, разработанные для оценки пожарной опасности, в качестве атрибутов, как правило, рассматривают факторы, способствующие возникновению и развитию пожара (пожарную нагрузку, источники зажигания и т. д.), а также факторы, снижающие пожарную опасность (наличие средств пожаротушения, огнестойкость конструкции, наличие сигнализации и путей эвакуации и т. д.). Итоговый показатель (индекс пожарного риска) выражает степень пожарной опасности объекта в некоторых условных единицах. На его основе можно сравнивать пожарную опасность двух объектов либо судить об эффективности внедрения противопожарных мероприятий на заданном объекте.

К настоящему времени в мире созданы и широко используются многочисленные индексные методы оценки пожарного риска (см. обзор в [2, 8, 54, 55]). Их разнообразие во многом объясняется тем, что разрабатывались они как методы оценки пожарного риска конкретных типов объектов или производств. Поэтому и наборы атрибутов, характеризующих пожарную опасность, и методы обработки проставленных баллов весьма различаются между собой. Ниже приведены примеры нескольких индексных методов, применяемых в различных областях для оценки пожаровзрывоопасности. Для каждого метода кратко рассмотрены используемые атрибуты, диапазоны значений, которые они могут принимать в зависимости от состояния объекта, способ выведения окончательной оценки и ее интерпретации.

1.3.2 Метод «Дау Кемикал»

Примером «специализированного» индексного метода может служить индекс пожаровзрывоопасности, разработанный химической компанией «Дау Кемикал» (США) [58] и предназначенный для оценки рисков, связанных с хранением и использованием пожаровзрывоопасных материалов на предприятиях химической промышленности.

В этом методе выделяются определенные производственные участки (например, реакторы, смесители, камеры сгорания, хранилища опасных веществ и т. п.), для каждого из которых определяется фактор опасности материала, характеризующий интенсивность энерговыделения при возгорании и оцениваемый в баллах в диапазоне от 1 до 40.

Затем оценивается фактор опасности для данного участка, зависящий от ряда показателей, которые приведены в таблице и разделены на два класса.

Первый класс включает показатели, которые могут усиливать или ослаблять тяжесть последствий пожара (возможность протекания экзотермических и эндотермических реакций, находится ли участок в помещении, есть ли системы обнаружения утечек и дренирования и др.), второй -- показатели, влияющие на вероятность возникновения пожара или взрыва (наличие аппаратов высокого или низ-кого давления, коррозия оборудования, наличие нагревательных приборов и др.). После заполнения таблицы показатели каждого класса суммируются и результаты перемножаются (что на качественном уровне соответствует определению риска как произведения вероятности и ущерба), в результате получается фактор опасности, заключенный в пределах от 1 до 8. Окончательный индекс пожаровзрывоопасности FEI (Fire and Explosion Index) вычисляется как произведение фактора материала и фактора опасности. Отдельно оцениваются факторы, способствующие снижению опасности (контроль за процессами, изоляция материалов, противопожарная защита). На основе полученных данных оценивается масштаб возможных последствий пожара или взрыва, включая размеры зоны, возможных разрушений, максимально возможный и наиболее вероятный материальный ущерб. Опыт показал, что индекс пожаровзрывоопасности FEI представляет собой чрезвычайно полезный инструмент анализа, получаемая при его помощи информация позволяет определить относительный риск различных производственных участков, причем результаты анализа востребованы как инженерами, так и управляющим персоналом. В настоящее время использование индекса FEI является обязательным в Нидерландах, что закреплено соответствующим законом [54].

1.3.3 Метод FSES

Другим примером индексного метода может служить система оценки пожаробезопасности FSES (Fire Safety Evaluation System) [59], которая была разработана для оценки соответствия уровня пожарной безопасности людей требованиям нормативного документа [60]. Данный индексный метод предназначен в первую очередь для учреждений здравоохранения, что нашло отражение в выборе атрибутов, по которым оценивается риск. Все здание разбивается на зоны, отделенные этажными перекрытиями, пожарными преградами или дымовыми барьерами. Для каждой зоны фактор риска оценивается по пяти категориям: 1) мобильность пациентов (в отсутствие лиц с ограниченной подвижностью соответствующий фактор равен единице, тогда как ограничения подвижности пациентов различной степени приводят к возрастанию этого фактора до 4,5); 2) плотность размещения пациентов (фактор устанавливается в пределах от 1 до 2); 3) расположение зоны (фактор находится в пределах от 1,1 для первого этажа до 1,6 для этажей выше шестого и подвальных помещений); 4) соотношение числа пациентов и персонала (1,0, если на одного члена персонала приходится 1--2 пациента, до 4,0, если пациенты находятся без постоянно присутствующего персонала); 5) возраст пациентов (1,0 для возраста от 1 до 65 лет, 1,2 в противном случае). Общий фактор риска для находящихся в данной зоне вычисляется как произведение коэффициентов по указанным пяти категориям. Затем по тринадцати категориям оцениваются меры пожарной безопасности, снижающие риск (учитывается горючесть конструкции, пожароопасность отделочных материалов, пожаростойкость дверей, наличие дымовых преград, средств пожарной сигнализации, ручного и автоматического оповещения, количество путей эвакуации и др.). Начисленные по каждой категории баллы затем суммируются, и полученный результат сравнивается с определенной ранее величиной относительного пожарного риска. Кроме того, производится выборочное суммирование баллов и определяются уровни безопасности с точки зрения трех стратегий -- ограничения распространения пожара, его тушения и эвакуации людей. Считается, что пожарная безопасность людей в данной зоне соответствует требованиям [60], если по каждой стратегии набраны баллы не ниже установленных уровней, а общий балл мер пожарной безопасности больше, чем фактор пожарного риска.

Индексный метод [59] в дальнейшем был распространен на другие типы объектов, в частности на офисные здания. Кроме того, он послужил основой для развития нескольких специализированных индексных систем, например для исторических зданий (см. обзор в [2, 54]).

Отметим, что в нашей стране также развивались подобные методы индексирования пожарного риска -- например, методика оценки пожарной безопасности особо ценных объектов культурного наследия [56]. В этой методике уровень пожарной безопасности музеев Y определяется суммированием оценок пожарной безопасности по всем зданиям музея Yi, которые, в свою очередь, находятся как сумма по 39 показателям: Yi = У бjцji, где цji -- функции факторов, влияющих на уровень пожарной безопасности музеев, бj -- постоянные весовые коэффициенты, различающиеся по группам музеев.

Полученные по этой методике значения уровней пожарной безопасности нескольких особо ценных объектов сравнивались между собой, кроме того, методика позволяет выявить факторы, оказывающие наибольшее влияние на уровень пожарной безопасности объекта.

1.3.4 Meтод FRIM

В скандинавских странах распространение получил индексный метод оценки риска FRIM (Fire Risk In-dex Method) [61, 62], разработанный в университете г. Лунд (Швеция). Создание метода было продиктовано тем, что с приходом гибкого нормирования и развитием современных средств противопожарной защиты открылись широкие возможности использования древесины в качестве материала для несущих конструкций многоэтажных зданий. Метод FRIM разрабатывался как средство обоснования противопожарной защищенности таких зданий путем сравнения индекса пожарного риска с аналогичным индексом для зданий с негорючими несущими конструкциями. Этот метод по сути является методом оценки пожарной опасности, а не риска, потому что в нем не учитывается вероятность загорания.

В разработке метода участвовали эксперты четырех скандинавских стран, первая версия метода тестировалась путем сравнения индексных оценок для четырех многоэтажных зданий с результатами стандартного количественного анализа риска на основе анализа логических деревьев событий [61].

В методе FRIM версии 2.0 [62] уровень противопожарной безопасности определяется по 17 показателям Pi, каждый из которых оценивается по пятибалльной шкале, причем для некоторых показателей баллы определяются суммированием с весами оценок по нескольким подпараметрам (также оцениваемым по пятибалльной шкале). Основные показатели Pi относятся к следующим категориям (для каждой категории ниже приведены случаи наивысшего и наинизшего баллов): 1) внутренние отделочные материалы (бетон, камень -- 0 баллов, пластик -- 5 баллов); 2) система пожаротушения (наличие переносных средств и автоматических спринклерных установок -- 5 баллов, полное отсутствие -- 0 баллов); 3) пожарная служба, определяется как средневзвешенное по трем подпараметрам -- оснащенности пожарного расчета (при наличии средств пожаротушения, дымоудаления и спасательных лестниц -- 5 баллов, при отсутствии пожарной части -- 0 баллов), времени реагирования (до 5 минут -- 5 баллов, свыше 20 мин. -- 0 баллов) и доступности здания для тушения (доступ ко всем окнам по пожарным лестницам -- 5 баллов, доступно менее чем одно окно на помещение -- 0 баллов); 4) максимальная площадь противопожарных отсеков (менее 50 м2 -- 5 баллов, более 400 м2 -- 0 баллов); 5) конструкция, определяется взвешенной суммой по четырем подпараметрам -- огнестойкости (более 60 мин. -- 5 баллов, менее 15 мин. -- 0 баллов), наличия огнепреградителей (сплошная конструкция -- 5 баллов, деревянная конструкция с пустотами и без огнепреградителей -- 0 баллов), проемы (без проемов -- 5 баллов, незащищенные проемы -- 0 баллов) и горючесть (негорючая конструкция и перегородки -- 5 баллов, горючая конструкция и перегородки -- 0 баллов); 6) огнестойкость дверей, определяется взвешенной суммой двух подпараметров -- дверей, ведущих к путям эвакуации, и дверей на путях эвакуации (каждый подпараметр оценивается в 5 баллов при огнестойкости более 60 мин. и 0 баллов при огнестойкости менее 15 мин.); 7) окна (при вертикальном расстоянии между окнами более высоты окна и огнестойкости более 15 мин. -- 5 баллов, при вертикальном расстоянии менее высоты окна и огнестойкости менее 15 мин. -- 0 баллов); 8) фа-сады, определяется тремя подпараметрами -- долей горючей части (0% -- 5 баллов, >40% -- 0 баллов), наличием горючих материалов над окнами (нет -- 5 баллов, да -- 0 баллов) и наличием пустот в пространстве между стеной и фасадом (нет -- 5 баллов, сплошная пустотность -- 0 баллов); 9) чердаки (конструктивное ограничение распространения огня на чердак и противопожарные перегородки на чердаке -- 5 баллов, их отсутствие -- 0 баллов); 10) расстояние до соседних зданий (более 20 м -- 5 баллов, менее 6 м -- 0 баллов); 11) система противодымной защиты (автоматическое включение, подпор и вы-тяжка -- 5 баллов, отсутствие -- 0 баллов); 12) система обнаружения (достаточное число детекторов и их высокая надежность -- 5 баллов, отсутствие -- 0 баллов); 13) система оповещения (звуковой и световой сигнал, оповещение по всему зданию -- 5 баллов, отсутствие -- 0 баллов); 14) пути эвакуации, определяется по четырем подпараметрам -- типу эвакуационного пути (лестница, балкон или окно), длине эвакуационного пути и числу этажей, наличию указателей и их подсветке, горючести материала (каждый из подпараметров определяется по таблице в диапазоне от 5 (наилучший случай, взаимное дублирование) до 0 (отсутствие) баллов; 15) несущая конструкция, характеризуется двумя подпараметрами -- огнестойкостью (более 90 мин. -- 5 баллов, менее 30 мин. -- 0 баллов) и горючестью (негорючие несущие элементы и отделка -- 5 баллов, горючие -- 0 баллов); 16) проверка и обслуживание системы пожарной безопасности, определяется тремя подпараметрами -- обслуживание (дважды в год -- 5 бал-лов, реже, чем раз в три года -- 0 баллов), инспектирование путей эвакуации (раз в месяц -- 5 баллов, реже, чем раз в три года -- 0 баллов) и информированность людей (письменная информация и учебные тревоги -- 5 баллов, отсутствие -- 0 баллов); 17) предотвращение распространения дыма по вентиляционной системе (автономная система вентиляции для каждого помещения -- 5 баллов, распространение дыма не предотвращается -- 0 баллов).

После определения численных значений всех параметров P1 -- P17 производится их суммирование с весами, в результате выводится окончательный балл, характеризующий противопожарную безопасность. Индекс риска определяется вычитанием этого балла из максимального значения, равного 5. Полученный таким образом индекс риска может использоваться для сравнения уровня пожарной безопасности различных объектов, например, здания с несущими элементами из древесины и бетона. Пример ранжирования зданий по уровню пожарной опасности на основе индекса риска можно найти в [61], где показано, что метод FRIM дает результаты, полностью согласующиеся с результатами вероятностного анализа риска, проведенного независимо на основе деревьев событий.

1.3.5 Метод Гретенера и его модификации

В европейских странах широкое распространение получили методы индексной оценки пожарного риска, в основе которых лежит подход, разработанный в Швейцарии М. Гретенером [63, 64] (в переводе на русский язык весьма подробное изложение исходного метода можно найти в обзоре [65]). Метод Гретенера первоначально создавался для применения в страховом деле с целью определения величины страховых взносов в зависимости от существующих пожарных рисков. В 1984 г в Швейцарии был принят документ SIA 81 [66], в котором изложена переработанная версия метода Гретенера (перевод и адаптация этой методики к российским нормативным документам имеются в работе [67]). Последняя версия методики выпущена в свет Ассоциацией кантональных страховых компаний в области пожарной безопасности (VKF/AEAI) в 2007 г. [68].

Пожарный риск в [63--68] рассматривается с точки зрения опасности для имущества (материальный риск). Модификации метода Гретенера с учетом накопленного опыта и особенностей национального законодательства используются также в Австрии [69], Португалии, Испании, Франции [70], Бельгии [71].

Основу метода Гретенера составляет оценка вероятности возникновения пожара (фактора иницации) А и ожидаемого ущерба В в некоторых эмпирически выбранных единицах, после чего пожарный риск определяется как произведение этих величин (что соответствует общепринятому в вероятностных методах определению риска). Ожидаемый ущерб B вычисляется как отношение потенциальной пожарной опасности P и фактора пожарной защиты, учитывающего наличие нормативных мероприятий N, специальных мероприятий S и огне-стойкость сооружения F. Таким образом, пожарный риск определяется как

(3)

Фактически в методе Гретенера пожарный риск R является мерой баланса между вероятностью возникновения пожара, потенциальным ущербом и защитными мероприятиями. Объект считается защищенным достаточно, если риск не превосходит некоторого установленного значения, в противном случае имеющиеся защитные мероприятия недостаточны и требуется их усиление.

Имеющиеся на данный момент модификации метода Гретенера отличаются деталями вычисления входящих в формулу (3) сомножителей. В отличие от формулы (3), которая была введена в более поздних модификациях, в исходном варианте [63--65] рассчитывается уровень пожароопасности B, который затем сравнивается с максимально допустимым уровнем Bmax, при этом фактор инициации A не входит в виде сомножителя, а влияет на величину максимально допустимого уровня пожарной опасности Bmax. Факторы P, N, S и F вычисляются в виде произведения набора подфакторов, каждый из которых характеризует определенный аспект пожар-ной опасности или противопожарной защиты.

Чтобы получить представление о структуре расчетных формул, рассмотрим более подробно вари-ант метода [66, 67]. Фактор потенциальной опасности P имеет вид

P = q · i · e · g · r · k, (4)

где: q -- фактор подвижной пожарной нагрузки -- фактор неподвижной пожарной нагрузки, зависящий от горючести несущей конструкции (с одной стороны) и материала фасада и крыши (с другой стороны); c -- фактор горючести, зависящий от одной из шести категорий горючести мате-риала (от взрывоопасной до негорючей); e -- фактор этажности (зависящий от высоты помещения над уровнем земли или глубины для подвальных этажей), g -- фактор площади и формы помещения (учитывающий соотношение длины и ширины помещения и его площадь), r -- фактор дымообразующей способности, k -- фактор токсичности дыма.

Методика [66, 67] снабжена большим количеством таблиц, позволяющих определить значения факторов (4) для широкого набора помещений различного типа и предназначения.

Фактор инициации А в формуле (3) отражает вероятность возникновения пожара в зависимости от назначения помещения. Величина A изменяется в пределах от 0,85 (небольшая вероятность, например музеи) до 1,80 (очень большая вероятность, например производство самовозгорающихся материалов).

Фактор нормативных защитных мероприятий N рассчитывается как произведение понижающих коэффициентов при отсутствии либо недостаточности какого-либо мероприятия (ручные огнетушители, внутренние пожарные гидранты, надежность водоснабжения при пожаротушении, длина рукавной линии от гидранта до входа в здание, наличие прошедших инструктаж сотрудников).

Фактор специальных мероприятий S рассчитывается как произведение повышающих коэффициентов по шести категориям (обнаружение пожара, передача сигнала пожарной тревоги, оснащенность службы пожаротушения, время прибытия подразделений пожарной охраны на объект, наличие установок пожаротушения и противодымной защиты).

Наконец, фактор огнестойкости F представлен в виде произведения четырех коэффициентов, характеризующих огнестойкость несущей конструкции, внешних стен, потолков и перекрытий, пожарных участков в зависимости от площади участков и площади проемов.

Вычисленный по формуле (3) уровень пожарного риска сравнивается с предельно допустимым риском Rmax = 1,3 · Kp, где Kp -- понижающий коэффициент, учитывающий повышенную угрозу для людей в зданиях с массовым пребыванием людей и местах с затрудненной эвакуацией.

В выпущенной в 2007 году версии метода [68] отмечается, что расчетные методы, создававшиеся в 60-х годах, к настоящему времени во многом устарели, поскольку в них в качестве базовых параметров помещения использовалась площадь противопожарного отсека в 1200 м2 при средней пожарной нагрузке в 500--1000 МДж/м2. В 2003 г. в Швейцарии были приняты более либеральные нормативы, согласно которым обоснование пожарной безопасности на основе анализа риска обязательно лишь при площади помещения свыше 2400 м2 (за исключением многоэтажных строений со сгораемыми элементами, для которых по-прежнему такое обоснование необходимо при площади более 1200 м2). Кроме того, повсеместное распространение новых материалов привело к тому, что таблицы пожарных нагрузок и горючести для различных типов зданий также устарели. Обновленный метод расчета пожарного риска [68] применим к оценке пожарной опасности промышленных зданий, мастерских и кустарных производств, а также офисных зданий. В преамбуле явно указано, что методика [68] не применима для супермаркетов, отелей, больниц, зданий с массовым пребыванием людей, а также производств пожаровзрывоопасных веществ и материалов.