基于風險的拱橋施工設計策略

謝 峰，魏紅一

(1.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，中國 重慶401121;2.同濟大學橋梁工程系，中國上海200092)

1 基于風險的拱橋施工設計目的

風險在橋梁領域的實踐，主要是把風險評估的方法應用到橋梁工程中的設計、施工、管理等各個環節。它是把橋梁本來的工程知識與其相結合，是對各個階段的一個很好的補充和完善。而這個階段只是風險應用于橋梁工程的初級階段，而更高的層次是建立一個基于風險的橋梁設計理論體系［1］。

面向拱橋施工的風險設計的核心就是在施工組織設計中，以風險的思想作為出發點，采用風險評估方法對施工中的方法、工藝、施工機具、施工管理進行分析，保證施工順利進行、減少經濟損失、實現優化決策管理。為了實現這一目標，必須對施工過程中可能出現的風險事態十分清楚，并且分析其發生的原因以及發生的概率，通過風險分析后，采用風險規避、風險轉移、風險緩解等方法，使風險事態控制在施工方可接受的范圍以內。

2 基于風險的拱橋施工設計目標

橋梁的施工組織設計是用來指導橋梁工程施工全過程中技術、經濟和組織等活動的綜合文件［2］，由圖1的橋梁施工組織設計流程可以看出，施工組織設計主要有3個部分:總體施工組織設計、單位工程施工組織設計和分部分項工程施工組織設計。其中，分部分項工程施工組織設計將是直接面對各類風險進行施工實施方案的設計。如對下部結構，主要考慮風險環境下的施工工藝設計;對上部結構，則將要結合施工方法、施工臨時設施、結構永久構件的總體性能要求，進行基于風險的施工組織設計。

圖1 施工組織設計流程Fig.1 Design process of construction

基于風險的拱橋施工設計目標就是對在拱橋施工過程中潛在的風險事態進行識別，對其出現偏離期望的可能性以及偏離幅度進行某種形式的量測，并對其結構進行研究，最后參照研究成果進行設計，以期達到最佳結果。它的主要任務是把風險的理論和方法引入拱橋施工設計中，從原來基于結構的可靠度發展到基于結構的風險上來，拓展了原有的規范基礎。它與原有的單純分析工程的方法不同之處，是把風險的評估方法和橋梁施工現有的技術知識結合應用，使其更客觀地反映事物的內在規律。具體而言，基于風險的施工組織設計要考慮施工過程中的方方面面，經過風險識別→風險概率確定→風險損失確定→風險對策等風險評估流程，認清整個拱橋施工過程中風險狀態，作出科學合理的決策，給出可行的措施控制和監控風險。

3 基于風險的拱橋施工設計流程研究

傳統意義上的橋梁設計，主要是由設計方來承擔，從業主提供的地質、地形、水文等方面的情況出發，對橋梁結構進行設計。通過對比結構的靜力設計流程，確定基于風險的施工設計流程，如圖2。

圖2 基于風險的施工設計流程Fig.2 Design process of construction based on risk

通過這一流程，對施工過程中可能出現的風險進行識別、評估，最后拿出各種方案進行比較，以期得到整個橋梁施工過程中風險優化的方案。

3.1 拱橋施工風險事態研究

拱橋在施工過程中涉及到方方面面，影響結構安全的風險因素多種多樣，這些風險因素主要分為以下幾類。

3.1.1 施工方法及施工機具因素

現代拱橋隨著跨度越來越大，很多時候施工方法的可行性與否直接決定了大跨度橋梁建設的成敗。從直觀效應看，成功使用施工機具成為橋梁建設至關重要的因素。表1列舉了拱橋的常規施工方法及對應的主要風險事態。

表1 拱橋常規施工方法主要風險事態Table 1 The risk matter of arch bridge construction method

3.1.2 質量因素

由于施工因素而導致的拱橋在施工階段的質量缺陷都可以歸納為施工階段的質量事故［3］。施工的不確定性為結構帶來各種不同的風險，風險事態也滲入到橋梁結構的各個部分，如混凝土結構工程、基礎工程、鋼結構工程、索工程等。

1)混凝土結構工程主要的風險事故。混凝土強度達不到要求，外加劑使用不當，混凝土出現裂縫、麻面、蜂窩、露筋，鋼筋材質不符合標準，漏筋或少筋，預應力混凝土工程中機具(如錨具)質量問題，預應力鋼筋質量問題，預留孔道問題，預應力失控，構件翹曲等。

2)基礎工程主要的風險事故。地基失穩、地基變形造成的工程事故，地下水滲流造成的事故，土坡滑動造成事故，地震引起的事故等。

3)鋼結構工程主要的風險事故。焊接質量問題(如咬邊、假焊、尺寸不符、未焊透、氣孔、裂紋、夾渣)，鉚釘和螺栓連接問題(如松動、斷頭、切斷、高強螺栓滑移)，結構變形(包括局部變形和總體變形、倒塌)等。

4)索工程主要的風險事故。因施工工藝原因造成腐蝕等。

3.1.3 橋梁施工期間的時間因素

在整個拱橋施工期間，很多因素會因為時間的推移而改變，這就造成了與原來預期相偏移的風險。主要有自然環境改變帶來的影響、進度計劃改變帶來的影響、設計變更帶來的影響、支付款未達到帶來的影響等。其中對于自然環境的影響主要有地震、泥石流、山崩、洪水、臺風、龍卷風和颶風、嚴寒、酷熱等。

3.1.4 橋梁施工期間的市場因素

在拱橋的施工過程中，所需各種投入的市場價格不是固定不變的，隨著價格的波動，會對整個工程的投入產生影響。主要有工人工資的變動、施工機具價格的變動、原材料價格的變動。

3.1.5 橋梁建設的資金因素

建設一座橋梁，沒有資金是萬萬不行的。資金對于一個工程的重要性不言而喻，在籌集橋梁資金的時候，很多不確定性對于橋梁的建設有很大的影響。包括:貸款期數的變動、貸款利率的變動、支付進度、籌集方式等。

在影響橋梁施工的諸多風險因素中，后兩類并不是傳統意義上的工程技術范疇，但是在橋梁施工過程中所起到的作用是有目共睹的。一個稱職的橋梁工程師，需要重視資金和市場因素，這樣才能使橋梁建設順利進行。

風險事態研究的最終目標是得到一系列拱橋施工過程中的風險事態，這些風險事態應該不僅能囊括整個施工過程中所發生的事故，也應是它們很好的總結、歸納和升華。

3.2 拱橋施工風險概率估計研究

對于工程結構來說，風險概率可以用結構的失效概率來表示。這就需要確定施工階段的承載力極限狀態、結構的失效概率和結構的失效概率模式。

3.2.1 承載力極限狀態

根據我國結構可靠度設計統一標準:承載力極限狀態――對應于結構或結構構件達到最大承載能力或不適于繼續承載的變形。當結構或構件出現下列狀態之一時，即認為超過了承載能力極限狀態:

1)整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡(如傾覆等);

2)結構構件或連接因超過材料強度而破壞(包括疲勞破壞)，或因過度變形而不適于繼續承載;

3)結構轉變為機構;

4)結構構件喪失了穩定(如壓屈等);

5)地基喪失承載能力而破壞(如失穩等)。

當在橋梁施工階段，結構發生如上的情況時，被認為結構失效。針對失效狀態，可以計算結構失效概率［4］。

3.2.2 結構失效概率

在計算風險概率的時候，首先確定風險事態出現的概率，然后根據結構在這一風險事態的極限狀態的方程式(1)來計算:

式中:S為結構或構件截面上作用下(荷載)的綜合效應;R為結構的抗力。

圖3 失效概率計算Fig.3 Calculation of failure probability

設fR(r)、fS(s)為隨機變量R、S的概率密度函數，如圖3，則結構的失效概率Pf為:

荷載效應S在(s，s+ds)之上的概率為fS(s)ds，則FS(S)是R≤S的概率，即F(s)=P(R≤S)。當R、S相互獨立的時候，此兩事件同時出現的概率等于這兩事件概率的乘積，即:

將此概率在S的全域內積分，即得:

可見，失效概率就是荷載效應S取所有可能的值s(S=s)，而抗力R都低于它(R＜S)的總和，或指抗力R取所有可能的值r(R=r)，而荷載效應S都高于它(S＞r)的總和。

從上面的計算公式(4)可知，要計算結構的失效概率，必須知道其功能函數以及每一個變量的變化情況。但是，對于一個大型復雜的結構來說，影響因素有很多，不可能得出一個顯式的函數形式，所以直接計算一般在工程中沒有很強的適用性，只能通過其他途徑來進行。一般，對于大型的結構，主要是采用數值模擬或者專家經驗的方法來得到。而這之前還需要搞清楚大型結構的失效概率模式。

3.2.3 結構的失效概率模式

體系可靠度是從概率意義上衡量結構作為一個體系抵抗來自外部作用的能力，它的功能函數可以表達為一個隱函數，很多方法都可以用來構造這一個隱函數，如專家調查法、蒙特卡洛法、響應面法等。

3.3 拱橋施工風險損失估計研究

風險損失估計一般可以簡單認為在風險事態影響下系統現有狀態與目標狀態的偏離程度。在拱橋施工期間，可能會發生不同類型的風險事態，這樣會帶來各種各樣的風險損失，如拱橋機械設備損壞、上部結構損壞、人員傷亡、橋下基礎損壞、工期拖延、環境破壞等。由于各種風險損失表現形式不同，所以對其的估計方法也會不同。筆者將風險損失歸結為人員損傷、貨幣損失和時間損失等3種形式。

1)人員損傷是由橋梁施工過程中的事故造成施工人員的健康損害，包括人員死亡損失、人員傷殘損失等。當危及到人的生命時，這一損失是無法彌補的，不能簡單地用貨幣進行衡量，往往以傷亡人數表示。

2)貨幣損失是指在拱橋施工過程中風險事故產生的可用貨幣來衡量的損失，一般包括直接的經濟損失和間接的經濟損失。直接經濟損失由拱橋施工風險事故直接引起的用貨幣來衡量各類損失之和。如橋梁施工風險事故導致的橋梁結構損壞，機械、設備損失等。而間接經濟損失則是橋梁施工風險事故直接經濟損失以外的、可用貨幣計量的間接損失。如橋梁結構風險事故導致的施工單位停工損失，供電受阻或中斷而造成的經濟損失等。

3)時間損失是指由于橋梁風險事態的出現，使得橋梁建造工期的增加。一般有兩個原因造成時間損失:一個方面是結構失效引起的時間損失;另一方面是風險事態引起的損失，如暴雨造成無法施工。

不同的風險損失，最后會計量不一。為了方便比較，在最后希望能給出統一的計量標準，這就涉及到3種損失的轉換問題。一般都對各種形式的損失進行貨幣量化處理。

對人員損傷的貨幣量化，與所在地區的經濟發展水平、人民生活水平、受害人的收入損失、醫療費、喪葬費等有關。2004年5月1日最高人民法院公布了《關于審理人身損害賠償案件適用法律若干問題的解釋》［5］，對因生命、健康、身體遭受侵害引起的損害賠償的訴訟提供了確切的指導。

在得到橋梁施工階段的人員損失情況后，可參照表2進行人員死亡損失計算，人員傷殘損失按照傷情的輕重，醫療費用進行計算。

表2 根據法規計算全國部分地區的死亡賠償金Table 2 The compensation for death according the law in different places

時間損失的貨幣量化主要通過統計由于橋梁施工期加長，造成建造橋梁的各個部門停工、停運、停產的損失以及橋梁延期通車的收益損失。這兩者相加就是時間損失的貨幣量。兩者主要根據當地的經濟發展水平進行估計。

在得到3方面的貨幣量化的損失之后，總和即為橋梁施工階段的風險損失。它是由統一的計量來表示施工風險后果，使之與風險評價標準相一致，便于進行風險評價，并易于理解和接受。在后續的風險評價的時候，會比較方便。

3.4 拱橋施工風險事態參與組合研究

拱橋事故，究其原因，大多是由兩個或兩個以上風險事態共同引起的。在對風險設計的研究中，必須研究和解決多種風險組合的問題。

風險組合問題，就是將風險效應疊加，求其和的統計規律問題。顯然，尋求綜合風險事態的統計規律比單個風險事態的研究更為復雜。首先，它不是單一的疊加，就算是同時發生也不能簡單疊加，因為有時候同一個因素也會引起不同風險事態的發生。其次，風險的量化值本來就是假定的，簡單的疊加不能反應其事物內在聯系。由于組合方式多種多樣，還需要從中找到最不利的情況進行結構風險分析。風險組合的研究目標就是通過對上述問題的分析和比較，明確其風險的貢獻值，以便應用于實際工程。

3.5 拱橋施工風險評價研究

拱橋施工風險評價是在經過風險識別和風險估計這兩個過程，建立一個綜合風險概率與風險后果的施工風險評價模型，確定總體風險的數值大小，然后根據相關風險評價標準，對系統風險進行綜合評價，檢驗系統風險是否可以接受，為風險應對與決策提供科學依據，以保障橋梁工程建設項目的順利進行。要進行風險評價首先需要建立系統風險綜合評價模型和系統的風險決策準則［6］。

3.5.1 系統風險綜合評價模型

筆者主要是從風險概率與風險后果的綜合角度來進行風險評價。綜合評價模型分為定性的模型和定量的模型兩種。

1)定性的模型沒有把系統的風險概率以及后果綜合起來，沒有統一成一個指標進行量化，而是直接對風險情形給出風險態度(如專家調查法)，直接進行決策。

2)定量風險綜合評價模型，以某座橋梁為基本研究對象，在整個施工工期內，系統的綜合風險可以表示為:

式中:R為整個施工期內的系統綜合風險;Pij為第i類風險事故第j種損傷程度發生的概率;Cij為第i類風險事故第j種損傷程度造成的損失。

3.5.2 風險評價準則

在拱橋施工過程中，需要對各種風險改善措施所產生的效果進行分析，選擇最優方案。在經濟學領域中，普遍存在邊際效應，這一規律在風險控制中也是適用的。邊際效應是指當所分析的對象風險較高的時候，加大投入的情況下，效果一般比較明顯;但是隨著分析對象抵御風險提高，改善安全性能的投入效果會逐步降低，最終趨于0，甚至為負。

英國國家健康和安全委員會于1999年提出ALARP風險決策準則。該準則的意義是:任何系統都是存在風險的，不可能通過預防措施來徹底消除風險;而且，當系統的風險水平越低時，要進一步降低就越困難，其成本往往呈指數曲線上升。也可以這樣說，安全改進措施投資的邊際效益遞減，最終趨于0，甚至為負值。因此，必須在工業系統的風險水平和成本之間做出一個折衷。為此，常把“ALARP原則”稱為“二拉平原則”［6］，ALARP原則可用圖4來表示。

具體做法是，首先確定合理的風險可忽略水平和不可接受水平，將整個風險域劃分為風險可忽略區域、合理控制區域和風險不可接受區域3個區域。在風險拒絕區域的風險，表明其風險水平高于可接受水平，必須降低。落于可接受水平的，表明其風險水平遠低于社會可接受水平，可接受，不需要采用任何措施。在兩者之間稱為合理控制區域，屬于可容忍的風險，應以合理的成本投入進行風險降低。

圖4 ALARP評價準則Fig.4 ALARP evaluation principle

為了明確ALARP評價原則中的區域界限，會對引起拱橋施工風險的因素進行參數分析，通過一系列參數的變化，來估算其對應的綜合風險水平，考察這一因素對于綜合風險的影響程度，以此來確定風險不可接受區域、風險可忽略區域和合理控制區域之間的界限，作為對綜合風險進行評價的依據。

3.6 拱橋施工風險對策研究

在總體風險評價結果的基礎之上，擬定風險對策。即針對某一個風險事態，提出有針對性的風險對策以期把風險降低到可接受的范圍內。目前對于風險對策一般有6種類型:風險自留、風險回避、風險緩解、風險規避、風險轉移和風險緩解。針對風險級別的不同，選擇不同風險對策的類型，見表3。

表3 風險對策選擇方式Table 3 The selection of risk countermeasures

在拱橋施工階段一般的對策來源于以下3方面:

1)工程技術方面。在拱橋施工階段，主要是通過修改設計，增加一些機具來降低或者消除潛在的隱患。例如，增加風纜，增加纜塔的剛度使得施工時機具更加穩定。

2)管理方面。管理是一個系統的學科。在一個大跨度拱橋建設中，涉及到方方面面的問題。如何制定科學的管理措施，并且調度得當，減少事故的發生，保護橋梁建設者的安全都是需要管理者細心考慮的問題。例如，夜間施工時，設置足夠的照明并且人員不能過于疲勞等，利于安全施工。

3)保險方面。通過財產保險或第三者保險的方法，將部分管理部門潛在賠償損失轉移到保險公司，降低管理部門的風險。與以上的兩個方面不同，保險轉移不能降低施工過程中風險概率，但是有利于在風險發生后風險的承受者能降低承擔的風險。保險已經滲入到了社會的方方面面。保險在拱橋施工過程的應用將會越來越廣泛。

經過分析提出的對于風險事態的基本決策，需要進行風險水平復核，對這一決策是否將風險控制在可接受范圍內進行評估。只有在風險的承擔者同意的前提下，才能把決策應用于設計方案之中。

整個拱橋施工風險設計過程是完全脫離了規范進行的，更能反應現階段經濟技術的發展以及人們的接受程度。

總體上看來，在施工階段對不同的風險事態進風險設計，可以采用一個對策，也可以幾個對策一起采用。對策的提出，不能局限于一個對策，應該從多個方面考慮，提出多個對策進行比較，以期得到最優對策。

4 結語

1)從風險的角度進行施工組織設計，提出基于風險的拱橋施工設計流程，希望達到科學設計的目的。這一流程主要是施工組織設計與風險設計的有機結合，是對拱橋設計和施工方法的一個補充。

2)按照提出的設計流程，對每一個步驟進行理論分析，特別是對風險概率估計和風險損失估計，通過數學以及統計的方法達到量化的目的，為以后的風險評價提供依據。

3)面對各種風險，采用包括工程技術在內的多種對策，達到科學應對風險的目的。

［1］阮欣.橋梁工程風險評估體系及關鍵問題研究［D］.上海:同濟大學，2006.

［2］許謹良.企業風險管理［M］.上海:上海財經大學出版社，2000:1-20.

［3］謝海濤.橋梁施工風險評估適用方法研究及其在鉆孔灌注樁施工中的應用［D］.長沙:中南大學，2009.

［4］GB/T 50283—1999公路工程結構可靠度設計統一標準［S］.北京:中華人民共和國建設部，1999.

［5］陳劍鋒.關于審理人身損害賠償案件適用法律若干問題的解釋［M］.北京:中國法制出版社，2008.

［6］鞏春領.大跨度斜拉橋施工風險分析與對策研究［D］.上海:同濟大學，2006.

［7］吳煜，李從東.二拉平原則(ALARP)應用分析［J］.山東財政學院學報，2005，12(3):47-48.Wu Yu，Li Congdong.The application of as low as reasonably practically［J］.Journal of Shangdong Financial College，2005，12(3):47-48.