建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域主客觀雙線路風險評估研究

董家成，關 罡

(鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001)

建筑業(yè)作為發(fā)展中或發(fā)達國家的經(jīng)濟支柱近年來得到了高速發(fā)展。建筑業(yè)屬于勞動密集型行業(yè)，具有施工周期長、人員流動性大、工況條件復雜、動態(tài)管理困難等特點，這些行業(yè)特性既帶來了經(jīng)濟效益，也帶來了安全隱患。建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域作為安全管理領域中一個重要的研究方向，許多學者對其進行了研究。如Nezhad等運用ET與BA技術確定了144個建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域，并參考軍事標準將其劃分為高危險區(qū)、重要危險區(qū)和平均危險區(qū)3個等級；Giretti等開發(fā)了一套建筑施工現(xiàn)場健康安全管理系統(tǒng)，能夠自動實時地追蹤現(xiàn)場工人，防止未授權的無關人員誤入危險區(qū)域；郭紅領等運用BIM和定位技術開發(fā)了建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域的劃分規(guī)則，并規(guī)定了區(qū)域的影響面積分布；Teizer等基于實時位置跟蹤技術和未遂事故的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域的靜態(tài)與動態(tài)識別；Kim等基于BIM與RTLS技術建立了建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域實時自動識別模型，通過最優(yōu)路線偏差原則減少了施工人員在危險區(qū)域暴露的時間；Li等基于RTLS技術成功實現(xiàn)了依據(jù)工人位置軌跡自動劃分建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域；華瑩等通過因素分析和多變量聯(lián)合分布建立了建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域的概率評估模型，以為高層建筑施工現(xiàn)場的安全管理提供參考；王偉等將BIM與機器視覺技術相結合構建了建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域入侵預警模型，降低了安全事故發(fā)生的概率。信息技術與定位技術能夠為建筑施工現(xiàn)場人員提供實時跟蹤報警和危險區(qū)域自動劃分，但這些研究均未考慮危險區(qū)域的階段性，不同階段所對應的危險區(qū)域有所不同，且當前國內外大部分相關研究屬于危險區(qū)域的下位研究，即基于明確概念的拓展性研究，而相關的上位研究則較少，如危險區(qū)域的具體概念、標準種類庫、風險程度、空間面積分布等。

目前關于危險因素的評估方法主要涵蓋三大類：首先是以事故樹(FTA)和失效模式(FMEA)為代表的系統(tǒng)安全分析法；其次是以LEC和MES分析為主的風險辨識法；最后是以經(jīng)典算法為核心的數(shù)學理論法，如灰色理論與離差最大化法、綜合加權與TOPSIS法等。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，風險辨識法可操作性強，但主觀影響因素較大，難以得到真實客觀的結果；數(shù)學理論法通常基于多種算法相結合，復雜度高，適用于作為外力工具彌補傳統(tǒng)方法的局限性；系統(tǒng)安全分析法理論成熟，通過與數(shù)學算法結合應用，可主觀可客觀，可定性可定量，可演繹可歸納，適用于多種不同的應用場景。但當前大多數(shù)的危險因素評估方法缺少真正落地的客觀影響因素，僅依靠主觀數(shù)據(jù)所得出的結論并不具備說服力。為此，本文分階段識別了建筑施工現(xiàn)場普適的危險區(qū)域，建立了種類標準庫，并提出了一種建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域主客觀雙線路組合風險評估方法，該方法通過主客觀雙線路構建數(shù)學模型，對建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域進行了全面的風險評估。

1 理論框架

1. 1 危險區(qū)域定義與研究方法框架

危險源的概念已廣為人知，但危險區(qū)域的概念仍沒有權威的定義，明確研究對象的概念內涵是科學研究的基礎工作。本文將危險區(qū)域的廣義概念定義為“由相關的危險源集合風險輻射范圍并集確定的區(qū)域”，狹義概念定義為“施工場區(qū)范圍內由與確定時段某項作業(yè)相關的危險源集合風險輻射范圍并集確定的區(qū)域”。

本文開發(fā)了一套完整的建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域主客觀“雙線路”風險評估體系與標準。線路一將綜合加權模糊TOPSIS算法引入FMEA工具，解決了建筑工程系統(tǒng)的模糊化和信息不確定性等問題；線路二基于粗糙集理論進行指標約簡和權重計算，根據(jù)多項目施工現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了真實的客觀評價；雙線路整合方法采用松弛因子，創(chuàng)新性地將模糊集理論與粗糙集理論相結合，綜合考慮主客觀因素，使評估結果更具說服力。該主客觀雙線路風險評估體系是本研究的創(chuàng)新點，研究方法核心框架如圖1所示。

1.2 綜合加權模糊TOPSIS改進FMEA方法

失效模式與影響分析(Falure Mode and Effects Analysis,FMEA)是廣泛應用于航空航天、軍事、船舶、汽車等領域的事前可靠性分析工具，傳統(tǒng)的FMEA方法通過計算風險優(yōu)先因子(Risk Priority Number,RPN)即風險系數(shù)進行風險評估，RPN主要由嚴重度(

S

)、發(fā)生度(

O

)與檢測度(

D

)3個風險因子的乘積構成。這種風險評估方式理論簡單易懂，但其局限性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)收集的模糊性、RPN計算方式簡單、缺乏客觀影響因素、風險因子類型單一等方面。除此之外，第5版《FMEA手冊》的發(fā)布已經(jīng)明確表示不推薦使用RPN值進行風險評估，提出通過風險矩陣與措施優(yōu)先級(AP)替代RPN值。本文以傳統(tǒng)的FMEA方法為基礎，通過TOPSIS算法中的貼合系數(shù)(

CC

)代替FMEA方法中的RPN，利用模糊數(shù)學降低數(shù)據(jù)收集的不確定性，并基于熵值法避免指標主觀權重的影響過重，同時新增了風險因子路徑影響度(

R

)。綜合加權模糊TOPSIS改進FMEA方法的步驟如下：(1) 建立初始決策矩陣。設專家團隊人數(shù)為

k

，危險區(qū)域數(shù)量為

m

，風險因子數(shù)量為

n

。失效模式語言模糊評估分為5個等級，見表1。

圖1 本文研究方法的核心框架Fig.1 Core framework of research methods of the study

表1 失效模式模糊評級標準

某危險區(qū)域對應的模糊數(shù)指標的計算公式為：

(1)

則初始決策矩陣被定義為

(2)

(2) 計算指標主觀權重。風險因子主觀權重的評級標準見表2。通過解模糊化和歸一化，可得到指標的主觀權重。具體計算過程如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

表2 風險因子主觀權重的評級標準

圖2 梯形隸屬度函數(shù)圖(中風險為例)Fig.2 Trapezoidal membership function graph (medium risk as an example)

(7)

(8)

(9)

DP

=1-

En

(10)

(11)

(4) 計算指標綜合權重。將指標主觀權重與客觀權重相結合，可得到指標綜合權重

w

，其計算公式如下：

(12)

(13)

(14)

最后，執(zhí)行TOPSIS步驟，具體計算過程如下：

(15)

(16)

(17)

(18)

1. 3 粗糙集理論

粗糙集是一種處理不確定、不完整、不精確數(shù)據(jù)知識的表達、學習與歸納的數(shù)學方法，目前已被廣泛應用于決策分析、數(shù)據(jù)挖掘、專家系統(tǒng)、模式識別、歸納推理等領域。基于粗糙集理論的客觀評估步驟如下：

(1) 原始數(shù)據(jù)離散化。由于客觀評估指標體系中指標量與數(shù)據(jù)量均不大，因此本文采用調研說明與離散化準則處理原始數(shù)據(jù)。若需要離散化處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，則可使用K-means算法輔助運算。

(2) 指標分類約簡。粗糙集理論約簡規(guī)則是指在不損害信息有效性的基礎上去除冗雜指標。

S

={

U

,

A

}為信息系統(tǒng)，其中

U

表示論域，

A

={

a

,

a

,…,

a

}表示某類條件屬性的集合，在本文中是指客觀評估各項指標。Ind表示等價關系分類，是指信息系統(tǒng)中的知識顆粒度，知識越多，顆粒度越小;

U

/ind(

A

-

a

)即表示論域中滿足某幾項客觀指標的對象集合。通過求解

U

/ind(

A

)與

U

/ind(

A

-

a

)，可判斷指標

a

是否可約簡，若滿足

U

/ind(

A

)=

U

/ind(

A

-

a

)，則說明指標

a

是

A

中不必要的指標，稱

A

-

a

是

A

的一個約簡，記為red(

A

)；反之，若

U

/ind(

A

)≠

U

/ind(

A

-

a

)，則說明指標

a

是

A

中必要的指標。

A

中所有必要指標的集合稱為

A

的核，記為coer(

A

)=∩red(

A

)。(3) 計算知識依賴度與相對重要程度。設信息系統(tǒng)

S

={

U

,

R

}，

P

、

Q

?

R

，其中

R

是全部客觀指標，

Q

是最簡指標集，

P

是最簡指標集中的某類指標。若滿足ind(

P

)?ind(

Q

)，則

Q

依賴于

P

，則依賴度

k

按照下面公式計算:

(19)

式中:Pos(

Q

)表示

Q

的

P

正域，是指在論域中所有使用分類

U

/ind(

P

)表達的知識能夠正確地劃入

U

/ind(

Q

)等價分類中的對象的集合，在客觀評估指標體系中實指兩個等價關系集合之間的相對重要程度；Card表示集合中的對象數(shù)。當

k

=1時，

Q

完全依賴于

P

；當0<

k

<1時，

Q

部分依賴于

P

；當

k

=0時，

Q

完全獨立于

P

。

P

中的指標

a

對于

U

/ind(

Q

)的相對重要性被定義為

(20)

σ

通常表示指標

a

在條件屬性中的重要性。由于本研究客觀評估指標體系中不涉及決策屬性，所以

σ

可作為指標

a

在客觀評估指標體系中的重要程度(注：作為權重時需要進行歸一化處理)。(4) 計算客觀風險評估值并排序。為最簡指標集對應的原始矩陣，為權重歸一化的結果向量；客觀風險評估值的計算公式如下：

(21)

式中：

m

表示最簡指標的數(shù)量；

n

表示論域中對象的數(shù)量。

1. 4 松弛因子

在計算組合評估值風險之前，需要對主觀與客觀風險評估值同質處理。設

CC

與

V

分別是兩者的同質處理結果，松弛因子

δ

和組合風險評估值

W

的具體計算公式如下：

(22)

W

=

δ

×

V

+(1-

δ

)×

CC

(23)

2 工程實例分析

2. 1 危險區(qū)域識別

在考慮危險因素階段性的基礎上，將建筑施工過程劃分為以下4個階段：基礎處理階段、主體施工階段、二次結構階段、裝飾裝修階段。本文基于《建筑施工安全檢查標準》(JGJ 59—2011)和安全施工經(jīng)驗進行了危險源的識別與空間面積分布整理，并基于此匯總出建筑施工各階段的危險區(qū)域，其中基礎處理階段和主體施工階段均涉及10個危險區(qū)域，二次結構階段涉及9個危險區(qū)域，裝飾裝修階段涉及7個危險區(qū)域。建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域與時效階段的對應關系，見圖3。

圖3 建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域識別Fig.3 Hazardous area identification of a construction site

2.2 基于改進FMEA的主觀風險評估

為了使原始數(shù)據(jù)科學合理，評審團隊成員由不同領域的24位專家組成，主要涉及FMEA分析、項目管理、工程安全、醫(yī)療科學等方面。主觀評估指標分別是

S

、

O

、

D

、

R

4項，為了便于評估標準邏輯統(tǒng)一和模糊矩陣規(guī)范化的計算，本文將探測度

D

修正為不可探測度(Non-

D

)。主觀評估指標的評估標準及語言變量見表3。

表3 主觀評估指標的評估標準及語言變量表

2. 3 基于粗糙集的客觀風險評估

建筑施工現(xiàn)場調研的客觀數(shù)據(jù)具備修正主觀排序的價值，但真實的數(shù)據(jù)應來源于工程安全數(shù)據(jù)庫。為了使客觀數(shù)據(jù)盡可能真實有效，本團隊跟進河南省鄭州市及周邊的10個同期在建工程作為調研目標，歷時兩年完成了數(shù)據(jù)收集與整理工作，本文以各項目數(shù)據(jù)均值作為客觀原始數(shù)據(jù)。

客觀風險評估方法主要應用了粗糙集理論的兩個部分：一是通過知識約簡原則去除冗雜數(shù)據(jù)；二是通過知識依賴性計算指標權重。客觀風險評估指標分為4類共16項，由于客觀風險評估指標的數(shù)據(jù)來源于實地調研，所以數(shù)據(jù)之間應符合客觀規(guī)律。客觀風險評估指標調研說明與離散化準則的具體內容，見表4。

表4 客觀風險評估指標的調研說明與離散化準則表

2. 4 組合評估結果與分析

在主客觀原始數(shù)據(jù)收集完成后，本文基于MATLAB編寫計算程序，輔助風險評估框架的運算。首先，將主觀模糊數(shù)據(jù)代入公式(1)～(2)，可得到初始決策矩陣；其次，通過公式(3)～(6)將風險因子主觀權重進行三角模糊數(shù)的解模糊化與歸一化處理，可得到主觀風險評估指標

S

、

O

、Non-

D

、

R

的主觀權重；再次，通過公式(7)求出解模糊化矩陣各列的投影值

P

，并基于熵值法求得主觀評估指標的客觀權重；最后，通過公式(12)將指標主客觀權重結合，求出主觀評估指標的組合權重。風險因子的各項權重見表5。

表5 主觀評估指標的主客觀權重和組合權重

其中，解模糊化各列的投影值

P

為

總說明：塔式起重機相關指標定義為其他區(qū)域對應指標的均值；離散化原則在不同指標之間的含義保持一致；危險區(qū)域應該被重視的程度或已經(jīng)被重視的程度越高，說明該區(qū)域的風險優(yōu)先級越高，其離散化數(shù)據(jù)越靠近1，反之其離散化數(shù)據(jù)越靠近3。

客觀評估基于粗糙集理論計算，具體計算步驟如下：

首先，根據(jù)原始數(shù)據(jù)離散化處理結果約簡指標。以基礎處理階段的人員因素系統(tǒng)

S

=(

U

，

A

)為例，其中

U

={1，2，…,9，10}表示論域，

A

={

a

，

a

，

a

，

a

}表示條件屬性。分別計算

U

/ind(

A

)、

U

/ind(

A

-

a

)、

U

/ind(

A

-

a

)、

U

/ind(

A

-

a

)、

U

/ind(

A

-

a

)，得出

a

、

a

為不必要指標，人員因素指標最簡指標為

a

、

a

。同理，物體因素最簡指標為

b

、

b

，環(huán)境因素最簡指標為

c

，管理因素最簡指標為

d

。其次，計算指標重要性。基礎處理階段信息系統(tǒng)

S

=(

U

，

Q

)，指標集

Q

={

a

，

a

，

b

，

b

，

c

，

d

}，以人員因素信息系統(tǒng)

S

=(

U

，

P

)為例，約簡指標集

P

={

a

，

a

}，樣本子集

X

={1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}。分別計算

U

/ind(

Q

)、

U

/ind(

P

)、Posp(

Q

)和依賴度

k

，得出

σ

=3/10，

σ

=3/10,

σ

=1/5，

σ

=1/5，

σ

=1/10，

σ

=1/5。

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理與運算可分別得到主客觀的風險評估結果。為了減小主觀因素對風險排序的影響，本文通過引入松弛因子將主觀風險評估值與客觀風險評估值相結合，可得到更切合實際的不同施工階段各危險區(qū)域風險排序綜合計算結果，見表6。

表6 不同施工階段各危險區(qū)域的風險排序綜合計算結果

為了方便安全部門對不同施工階段各危險區(qū)域的風險管控，本文基于ALARP原則對危險區(qū)域依據(jù)危險程度進行了分級，具體分級標準見表7。

表7 危險區(qū)域分級標準

4個施工階段中，核心危險區(qū)域代碼分別是F4、F5、F8、M2、MSD1、MS5、S2、S3、D3、D2，即臨邊防護、施工用電、高空作業(yè)、垂直運輸均為須重點管控的對象，具體管控措施如下：在施工用電方面，采用TN-S配電系統(tǒng)是防止觸電事故的基本技術措施，配電箱的設置應滿足三級配電與兩級保護，管理部門需加強對安全電壓、電氣維修、滅火措施等內容的培訓與考核力度；在垂直運輸方面，塔式起重機、施工電梯、物料提升機等設備的安裝拆卸應當嚴格按照專業(yè)技術規(guī)程進行，管理部門須提高結構構件的檢查與驗收標準；在高空作業(yè)方面，基坑臨邊、腳手架與外立面施工的風險系數(shù)較高，管理部門除了嚴控相關安全規(guī)范的落地執(zhí)行與提高工人安全意識之外，還需增加對防護用品的資金投入，確保每位工人的防護用品佩戴率，以降低事故風險。

對綜合風險排序做出如下說明：首先，由于主觀評估的專家?guī)觳煌瑢δ：龜?shù)據(jù)的分析結果會存在細微差異，客觀數(shù)據(jù)來源于實際工程，不同的項目對應不同的客觀風險評估值，會在一定程度影響組合風險排序；其次，客觀數(shù)據(jù)應來源于一定數(shù)量級的歷史工程數(shù)據(jù)庫，當數(shù)據(jù)庫構建逐漸趨于成熟時，客觀原始數(shù)據(jù)將越來越真實；最后，本文所選擇的風險因子不僅考慮了區(qū)域的危險程度、事故發(fā)生度、事故可預測度，還考慮了緊急情況下區(qū)域的空間分布對場內疏散路徑避讓的影響度，即風險因子的不同會影響危險區(qū)域風險排序。

為了突顯主客觀雙線路風險評估框架的應用價值與優(yōu)勢，本文對比分析了4個施工階段的主觀與客觀風險評估結果，各風險階段的風險曲線圖見圖4至圖7。

圖4 基礎處理階段風險曲線圖Fig.4 Risk curves of foundation construction stage

由圖4和圖7可見，主觀認知與客觀實際的不同施工階段各危險區(qū)域的風險排序大體趨勢一致，但個別危險區(qū)域存在較大差異。若客觀風險評估值遠低于主觀風險評估值，則說明過去主觀認知的高風險區(qū)域在實際工程中受到足夠重視，管控措施得以有效執(zhí)行，如樁基施工作業(yè)區(qū)、塔式起重機拆卸區(qū)、臨邊洞口墜落區(qū)等；若客觀風險評估值遠高于主觀風險評估值，則說明該危險區(qū)域的實際管控執(zhí)行力度不夠，仍存在較高風險，如腳手架工程搭建與作業(yè)區(qū)。

圖4中顯示樁基施工作業(yè)區(qū)主客觀風險評估結果相差較大。傳統(tǒng)認知中樁基施工存在較大的安全隱患，如塌孔、樁孔墜落、盲區(qū)誤傷以及特種作業(yè)人員的非正規(guī)操作等，但由于國家加大了對特種作業(yè)人員專項檢查的力度，樁機作業(yè)人員無證上崗或施工違紀的比例近乎為零，且多數(shù)項目配備了兩個以上安全專項負責人，所以樁基施工過程的客觀風險較低，在評估結果中表現(xiàn)出客觀風險值偏低的局面。

圖5 主體施工階段風險曲線圖Fig.5 Risk curves of main construction stage

圖5中顯示鋼筋模板加工棚與腳手架工程搭建與作業(yè)區(qū)的主客觀風險評估值相差較大。其中，鋼筋模板加工棚存在電焊明火、機械切割等風險因素，其事故原因主要由人員操作不當引起，而通過實地調研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場技術人員的實際操作熟練度普遍較高，新人培訓采用師徒教學制，雖偶爾有人因疏忽或疲勞導致人員輕微受傷，但相對來說風險性并不高；國內與腳手架工程相關的技術規(guī)程較多，但腳手架工程塔建與作業(yè)除了腳手架本身安拆的風險性之外，還潛藏著基底基礎、安全網(wǎng)搭設和高空作業(yè)等安全難題，且腳手架種類繁多，不同形式對應的風險點不盡相同，導致施工人員在實地調研考核環(huán)節(jié)表現(xiàn)不佳，在評估結果中表現(xiàn)出客觀風險評估值偏高的局面。

圖6 二次結構階段風險曲線圖Fig.6 Risk curves of secondary structure stage

圖7 裝飾裝修階段風險曲線圖Fig.7 Risk curves of decoration stage

圖6和圖7中主客觀風險評估結果差距較大的區(qū)域為塔式起重機拆卸區(qū)和樓層臨邊洞口墜落區(qū)。其中，塔式起重機拆卸是傳統(tǒng)認知中風險較高的危險源，安拆過程事故頻發(fā)，但當前的拆卸流程與工藝已經(jīng)標準化，專業(yè)技術方案的制作水平逐步提高，且項目安全責任人大多將其視為重點管控危險源，因此客觀調研結果較為理想；關于樓層臨邊洞口墜落，近年來多數(shù)項目團隊進行了針對性管控，安全防護到位，專項方案評審、巡檢機制嚴格，在評估結果中表現(xiàn)為客觀評估風險值偏低的局面，也從側面說明樓層臨邊洞口安全管控初見成效。

通過主客觀雙線路風險評估框架能夠清晰地看出建筑工程施工現(xiàn)場的哪些危險區(qū)域已經(jīng)得到了良好管控，哪些危險區(qū)域仍然具有較大的風險，其中腳手架工程應是未來一段時間內風險管控的重點，因此加大腳手架工程安全檢查的執(zhí)行力度，提高管理團隊的安全管理水平，增加腳手架工程的安全文明建設投入比例，則是降低相關事故發(fā)生率的重要舉措。

3 結論與建議

在明確危險區(qū)域概念的前提下，本文提出了一種基于改進FMEA與粗糙集的建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域主客觀“雙線路”風險評估框架。該評估框架充分彌補了傳統(tǒng)FMEA的不足，克服了傳統(tǒng)RPN乘法運算的局限，驗證了模糊集理論與粗糙集理論在處理不確定性問題上的互補性，并將松弛因子應用于主客觀兩套風險評估體系的融合。組合風險排序的優(yōu)越性與實踐價值主要體現(xiàn)在評估結果的客觀公正，可真實地反映建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域的風險分布。通過對比分析主客觀風險評估結果的差異，能夠清晰地看出目前風險管控措施的落地效果，便于及時采取對應的重點風險管控措施，盡最大可能降低施工現(xiàn)場的風險概率。未來的研究工作可考慮區(qū)域疏散路徑規(guī)劃、施工場地布置安全決策等方向。