改進型故障樹分析法的建筑施工安全管理方法研究

鐘柳明

(湖南省人民醫院，湖南 長沙 410005)

0 引言

近年來我國建筑行業發展迅速，建筑工程項目的數量逐漸增多。建筑業作為一個高風險行業，建筑施工環境的安全狀態影響施工人員的安全性。建筑項目施工過程中，施工環境復雜多變，多個建筑工程工序交叉作業同時進行，容易同時受到多種風險因素的共同影響，導致施工現場發生安全事故[1-2]。

針對上述存在的問題，文獻[3]運用神經網絡事故樹分析法，分析安全事故發生的概率，對建筑施工中存在的風險因素根據風險概率進行排序。但沒有考慮到建筑結構中材料的不安全因素，評估事故還存在不確定性。文獻[4]提出建筑工程風險評估系統，選定風險指標和評價體系，用來評估施工過程中施工區域受潛在風險因素的影響。風險指標的選定因素較少，評價事故風險不夠全面。

針對上述研究中存在的不足，本研究的創新點在于以下幾點。

(1)分析建筑工程項目中人員和施工設備存在的風險因素，設計出建筑施工安全風險評估路線，根據分析結果制定風險應對方案。

(2)結合建筑項目施工環境改進故障樹結構，明確風險因素之間的邏輯關系，并進行定性定量分析。

(3)使用模糊運算處理基本事件發生的不確定性，將風險因素發生概率模糊化，計算頂層安全事故發生的概率。

1 建筑施工安全風險評估整體架構設計

在建筑施工作業環境正常情況下，引起安全事故的原因具有隨機性，因此構建出的本研究技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

本研究以改進型的故障樹理論為分析方法，研究建筑施工中主要事故類型和發生事故的風險因素，分析風險因素之間的內在聯系，基于模糊集理論構建建筑施工的風險評估體系，評價建筑施工過程中存在的潛在風險因素[5]，推導數理邏輯確定發生安全事故的可能性較大的致因鏈，發現建筑施工中風險元素的關鍵部分[6]。根據建筑施工風險因素分析結果，減少事故發生的概率。幫助施工現場管理人員更好地了解發生各類事故的主要風險因子，對事故預防措施定制更加完善的制度，為優化安全控制措施提供參考。

建筑施工安全事故的主要因素有風險因子、孕險環境、風險事故等因素。內在因素是孕險環境，包括建筑施工的施工現場環境和外界自然環境，孕險環境的存在增加了事故的發生概率。風險因子有很多種，比如施工設備的違規操作，線路亂接等現象[7-8]。安全風險的產生機制如圖2所示。

圖2 安全風險產生機制

人和施工設備的風險因素如表1所示。

表1 建筑工程中人和設備的風險因素

建筑工程中安全管理水平決定了安全事故發生可能性的高低，建筑施工要設置專門的安全管理機構，使參與施工作業的人員學習相關專業技能，提高安全作業意識。要避免安全事故的發生要從根源做起，完善安全管理制度，使人們嚴格遵守安全作業指標，認真落實安全培訓，增強安全意識。

2 建筑施工風險評估核心技術設計

2.1 改進型建筑施工風險故障樹

本研究基于改進型故障樹分析法對建筑施工中風險進行評估，如圖3所示。

圖3 安全風險評估流程圖

本研究以建筑項目中發生安全事故為故障樹的頂事件，根據風險識別可將風險因素分為4個中間事件：人的不安全行為M1、設備的不安全狀態M2、技術風險M3、施工現場環境風險M4。根據施工現場的實際情況確定風險因素之間的邏輯關系，并擴大和完善故障樹(M5～M12)。根據故障樹底層部件發生故障的可能性對風險因素定量和定性分析，完善故障樹的風險評估功能。了解建筑施工系統功能之間的邏輯關系和功能應用，評估安全事故的關鍵因素[9]。建筑施工風險故障樹如圖4所示。

圖4 建筑施工風險故障樹

建筑施工系統中子系統和部件只處于正常和失效2種狀態，底事件可定義為式(1)。

(1)

建筑施工中頂事件的狀態用Φ表示，頂事件是有關底事件狀態xi的函數，可表示為式(2)。

Φ=Φ(x)=Φ(x1,x2,…,xn)

(2)

同時，當頂事件發生狀態與Φ有關，表示為式(3)。

(3)

式(2)和式(3)為故障樹結構的數學函數。

故障樹中人的不安全行為M1連接風險因素M5、M6時，使用了一個“與”門結構故障樹，當M5和M6同時發生故障時，整個系統才會發生安全事故[10]。其結構函數可表示為式(4)。

(4)

連接風險因素M1、M2、M3、M4時，使用了一個“或”門結構樹，相當于一個并聯系統，當其中一個部件時效時，建筑施工項目就會發生安全事故。其結構函數可表示為式(5)。

(5)

(6)

整個建筑施工故障樹的邏輯關系可表示為式(7)。

Φ(x)=x1∪(x2∪x3)

(7)

安全事故的發生受到N個風險因素的影響，不安全風險對頂事件的影響程度不同，第i個不安全事件的測度[11]可定義為式(8)。

(8)

其中，g為故障樹中頂事件發生的概率；qi部件出現風險的概率，表示為式(9)。

qi=Pr{xi=1}=E{xi}(i=1,2,…,n)

(9)

在建筑施工風險故障樹中，“與”門、“或”門相結合時，頂事件發生的概率為式(10)。

g=g(Q)=qi[1i,Q]+(1-qi)[0i,Q]

(10)

式(8)和式(10)結合可得式(11)。

Ig(i)=g[1i,Q]-g[0i,Q]=E[Φ(1i,x)-Φ(0i,x)]

(11)

當0

2.2 基于模糊故障樹的風險評價

(12)

(13)

建筑施工風險故障樹中頂事件的模糊可能性為式(14)。

(14)

(15)

(16)

真實的概率數據和模糊可能性存在不一致的問題，將模糊可能性轉換為發生概率表示為式(17)。

(17)

其中，PT表示為建筑施工風險故障樹頂事件發生的概率。

利用模糊數理論解決了建筑項目中底層部件故障的不確定性和安全事故隨機性的問題，將風險概率模糊化和去模糊化計算，對建筑項目安全事故風險進行定量分析[13]。

3 應用測試

由于建筑工程項目施工過程涉及風險廣泛，影響施工安全的因素過多，施工現場的復雜性和不確定性造成安全事故發生的隨機性，高空墜落事故是建筑施工現場經常發生的事故之一，具有代表性。本研究以“高空墜落事故”為實例進行分析，對建筑施工風險因素進行全面評估。建筑施工環境數據如表2所示。

表2 建筑施工環境

根據施工環境的實際情況，識別建筑施工安全風險因素，依據建筑項目的建筑結構和系統的使用功能，確定風險因素之間的邏輯關系，以“人從腳手架墜落M1”和“腳手架坍塌M2”為頂層事件，建立高空墜落安全事故的故障樹，如圖5所示。

圖5 高空墜落事故的故障樹

在高空墜落事故的故障樹中，有5個中間事件和10個基本事件。M1表示人從腳手架墜落;M2表示腳手架坍塌;M3表示腳手架質量不合格;M4表示立桿安裝不合格;M5表示水平桿安裝不合格。當M1或M2發生時，就會引起頂層事件T“高空墜落事故”的發生。

對高空墜落事故故障樹定性分析找出影響系統出現建筑施工安全事故的關鍵風險部分[14]，整理出故障樹中基本事件發生概率與之對應的梯形模糊數據，3種分析方法得出的模糊概率如圖6所示。

圖6 中間事件發生的模糊概率

本研究分析方法得出M3“腳手架質量不合格”風險因素模糊概率最高為0.82，M1“人從腳手架墜落”風險因素模糊概率最低為0.51。M3、M4風險因素共同影響M2事件發生的可能性，M3的模糊概率升高導致M2的模糊概率也升高到0.71。M1、M2兩種風險因素發生一件就會導致高空墜落故障樹中頂事件的發生。本研究中間事件的模糊概率是由故障樹中10個基本事件的模糊概率量化得到，得出的風險因素模糊概率更加精確，分析方法更加科學客觀，符合建筑項目施工環境實際情況。

4 總結

本研究對建筑工程項目中施工現場的風險因素進行識別，根據實際情況建立了建筑施工風險的故障樹，利用模糊數描述基本風險因素發生的概率，解決了施工安全系統中存在的不確定性問題，考慮到了安全風險的模糊特性又結合了現場技術人員的工程經驗，使分析結果更加科學客觀。依據故障樹中風險因素的分析結果，確定建筑施工過程中薄弱環節，完善安全管理制度和控制措施。本文研究還存在一些不足之處有待改進，分析結果可作為其他安全事故的參考。