基于安全效益的塔吊可靠性研究

摘要：建筑业是国民经济中的重要组成部分，随着项目规模日益增大，管理难度也随之提高。城市高层建筑不断涌现，塔吊的使用日益频繁，成为工程施工中最常用的垂直运输机械设备。塔吊是施工中的重大危险性工程，如何保证塔吊能可靠工作是建筑企业要解决的重大技术问题。同时，为了达到安全施工的目标，又要降低安全经费的投入，以安全效益的原则来保证经济性。本文将基于安全效益对塔吊安全投入进行研究，寻找最佳的安全投资点。

关键词：安全效益；塔吊；可靠性；安全投资点

Abstract：The construction industry is an important part of the national economy in China, there are more difficulties due to the increasing scale of engineering projects, especially the security problems, which always trouble the construction enterprises. High-rise buildings have mushroomed appear constantly, the use of tower become more frequently, it has became the most commonly used construction equipment of the vertical transportation. However, crane is the major risk project of construction, how to ensure the crane can work reliably is the important technical problem. At the same time, in order to achieve the goal of construction safety and reasonable to reduce the security input as far as possible, it must comply with the principle of safety benefit to ensure economy. This paper will be based on security benefits of crane safety input, and search for the best security investment point.

Key words：security benefits; crane reliability; security investment point

中图分类号： TU198 文献标识码： A 文章编号：

1引言

建筑企业作为我国高危行业之一，都在努力寻找既能降低成本又能提高效率和产出的方法，但在追求最佳投入产出比和利润最大化的同时，施工安全是要面对的最大问题，其中施工人员的安全意识、技能和投入是影响安全的三个重要因素。然而，在建筑企业不断增加安全投入的同时，事故却依然频繁发生，这让我们不得不思考：是否更多的安全投入就能改善施工的安全状况？怎样的安全投入是合理的？目前的文献都单独研究安全效益或者塔吊可靠性分析，而把两者结合起来进行研究的尚且不多。本文以塔吊为例，引入安全效益原则对塔吊可靠性进行分析，从而说明合理的投入与安全的关系，寻找最佳的安全投资点。

2安全投资效益

2.1安全效益

安全经济效益是指通过安全投资实现的安全条件，在生产和生活过程中保障技术、环境及人员的能力和功能，并提高其潜能，为社会经济发展所带来的利益 [7]。

假如安全功能函数以F（s）表示，安全成本函数以C（s）表示，则安全效益函数E（s）的表达式为式（1），函数图如图1所示。

E（s）=F（s）—E（s） （1）

图1 安全成本及效益函数

从图上可以看出，在S0点ES取得最大值，SL和SU是安全经济盈亏点，它们决定了S的理论上下限，在S0点附近，能取得最佳安全效益。

2.2边际投资技术

边际投资（或边际成本）指生产中安全度增加一个单位时，安全投资的增量。进行边际投资分析，离不开边际效益的概念。从图2可以看出，边际投资随着安全度的提高而上升，而边际损失随着安全度的提高，呈递减趋势。在低水平的安全度条件下，边际损失很高；当安全较高时，此时边际损失则很低，而边际投资正好相反。

图2 边际效益与边际投资的关系

图中反映在最佳安全度S0，边际投资量等于边际损失量，即安全投资的增加量等于事故损失的减少量，此时安全效益反映在间接效益和潜在效益上。因此，从经济效益的角度，通常以最佳的安全效益点作为安全投资的参考基点，用于指导安全投资的决策。

3案例分析

以武汉某在建高层住宅为例，该项目地下1层，地上20层，地上高度为68米，总建筑面积14780㎡。结构为柱下墩式基础，基础承台底标高为-10.00m。假设现场最大起重构件为5t，现使用型号为QTZ63的塔吊作为起吊设备，其具体参数如下：

自重F1（KN）：450.8；最大起重荷载F2（KN）：60；塔吊倾覆力矩M（KN.m）：630；塔吊起升高度H（m）：101；塔身宽度B（m）：1.6。

本案例中的塔吊工程采用的是天然基础，主要设计参数有基础的混凝土强度等级、基础以上土的厚度D（m）、基础承台厚度h（m）、基础承台宽度BC（m）、地基承载力设计值（kPa）和钢筋级别。为简化计算，本研究中天然基础混凝土等级统一使用C20，地基承载力设计值为193kPa，钢筋级别是Ⅱ级钢。

3.1可靠性分析

取基础以上土厚度D为2 m，基础承台厚度h为1.65 m，基础承台宽度BC为5 m，对塔吊进行可靠性验算，结果如下：

（1）塔吊承载力计算

依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)第5.2条承载力计算。

计算简图:

当不考虑附着时的基础设计值计算公式：

当考虑附着时的基础设计值计算公式：

当考虑偏心矩较大时的基础设计值计算公式：

式中：

F──塔吊作用于基础的竖向力，F=304.30kN；

G──基础自重与基础上面的土的自重：

G=1.2×(25.0×Bc×Bc×Hc+γm ×Bc×Bc×D) =2437.50kN；

γm──土的加权平均重度

Bc──基础底的宽度，取Bc=5.00m；

W──基础底面抵抗矩，W=Bc×Bc×Bc/6=20.83m3；

M──倾覆力矩，包括风荷载产生的力矩和最大起重力矩，M=1.4×630.00=882.00kN.m；

a──合力作用点至基础底面最大压力边缘距离(m)，按下式计算：

a= Bc / 2-M / (F + G)=5.00/2-882.00/(612.96+2437.50)=2.21m。

经计算得：

无附着的最大压力设计值 Pmax=(612.96+2437.50)/5.002+882.00/20.83=164.35kPa；

无附着的最小压力设计值 Pmin=(612.96+2437.50)/5.002-882.00/20.83=79.68kPa；

有附着的压力设计值 P=(612.96+2437.50)/5.002=122.02kPa；

偏心矩较大时压力设计值 Pkmax=2×(612.96+2437.50)/(3×5.00×2.21)=183.97kPa。

（2）地基基础承载力验算

依据《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002第5.2.3条，计算公式如下：

fa ──修正后的地基承载力特征值(kN/m2)；

fak ──地基承载力特征值，按本规范第5.2.3条的原则确定；取145.00kN/m2；

ηb、ηd ──基础宽度和埋深的地基承载力修正系数；

γ ──基础底面以上土的重度，地下水位以下取浮重度，取20.00kN/m3；

b ──基础底面宽度(m)，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值，取5.00m；

γm ──基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，取20.00kN/m3；

d ──基础埋置深度(m) 取2.00m；

地基承载力设计值：fa=193.00kPa；

实际计算取的地基承载力设计值为：fa=193.00kPa；

地基承载力特征值fa大于最大压力设计值Pmax=164.35kPa，满足要求！

地基承载力特征值1.2×fa大于偏心矩较大时的压力设计值Pkmax=183.97kPa，满足要求！

3.2塔吊失效分析

取基础以上土的厚度D为2 m，基础承台厚度h为0.6 m，基础承台宽度BC为2.8 m，，同样采用《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002) 对塔吊进行可靠性验算、结果如下：

（1）塔吊承载力计算

依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)第5.2条承载力计算。

塔吊作用于基础的竖向力F=304.30kN；基础自重与基础上面的土的自重G=1.2×(25.0×Bc×Bc×Hc+γm×Bc×Bc×D)=517.44kN；基础底面的抵抗矩W=Bc×Bc×Bc/6=3.66m3；倾覆力矩，M=1.4×630.00=882.00kN.m；合力作用点至基础底面最大压力边缘距离(m)a= Bc / 2 - M / (F + G)=2.80/2-882.00/(612.96+517.44)=0.62m。经计算得:

无附着的最大压力设计值 Pmax=(612.96+517.44)/2.802+882.00/3.66=385.26kPa；

无附着的最小压力设计值 Pmin=(612.96+517.44)/2.802-882.00/3.66=-96.89kPa；

有附着的压力设计值 P=(612.96+517.44)/2.802=144.18kPa；

偏心矩较大时压力设计值 Pkmax=2×(612.96+517.44)/(3×2.80×0.62)=434.28kPa。

（2）地基基础承载力验算

依据《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002第5.2.3条，计算公式如下：

fa──修正后的地基承载力特征值(kN/m2)；

fak──地基承载力特征值，按本规范第5.2.3条的原则确定；取145.00kN/m2；

ηb、ηd──基础宽度和埋深的地基承载力修正系数;

γ──基础底面以上土的重度，地下水位以下取浮重度，取20.00kN/m3；

b──基础底面宽度(m)，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值，取2.80m；

γm──基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，取20.00kN/m3；

d──基础埋置深度(m) 取2.00m；

地基承载力设计值：fa=186.40kPa；

实际计算取的地基承载力设计值为:fa=193.00kPa；

地基承载力特征值fa小于最大压力设计值Pmax=385.26kPa，不满足要求！

地基承载力特征值1.2×fa小于偏心矩较大时的压力设计值Pkmax=434.28kPa，不满足要求！

4安全投资分析

4.1影响因素

从上述参数对比分析，在相同塔吊型号和最大起重构件条件下，改变基础承台厚度和宽度，会引起不同的结果。当基础承台厚度和宽度分别是1.65m、5m时，塔吊可靠性得到保证；当基础承台厚度和宽度分别修改为0.6m、2.8m时，地基承载力均不满足最大压力设计值和偏心矩较大时的压力设计值，塔吊基础处于失效工作状态。因此，我们以塔吊基础的设计参数作为研究对象，分析安全投入在不同基础设计中的作用。

4.2安全投资分析

根据《国家建设工程量清单计价规范》，塔吊基础属于设备基础工程，设备基础的造价套用设备基础定额子目。在塔吊可靠工作状态下，基础厚度h为1.65m，宽度Bc为5m，设备基础体积：

V=Bc×Bc×h=5×5×1.65=41.25（m3）

塔吊失效状态下，基础厚度h为0.6m，宽度Bc为2.8m，设备基础体积：

V= Bc×Bc×h =2.8×2.8×0.6=4.704（m3）

根据《2008湖北省建筑工程消耗量定额及统一基价表》，定额子目“现场搅拌混凝土构件基础设备基础 C20 块体体积5m3以内”，每10 m3基价为2476.79元，得到失效状态下设备基础的造价为1165.08元；定额子目“现场搅拌混凝土构件基础设备基础 C20 块体体积100m3以内”，每10 m3基价为2442.72元，得到可靠状态下设备基础的造价为10076.22元。由此可得塔吊安全工作状态下与失效状态下安全投入的差额L为：

L=10076.22－1165.08=8911.14（元）

由图2边际效益与边际投资的规律可知，当设备基础的造价降低8911.14元，将会导致塔吊工作失效，从而会造成巨大的人员伤亡和财产损失。但当设备基础的造价超过10076.22元时，由此产生的安全效益会逐渐下降，大量的投入将会造成投资的浪费。所以，在本工程的塔吊基础中，宜采用厚度为1.65m，宽度为5m的设计参数，既确保了安全，同时又实现了效益的最大化（图3）。

图3 安全效益最佳投资点

5结论

本文通过引入安全效益分析，对塔吊进行可靠性研究，目的在于寻找最优的设备安全投入，提高安全系数，保证投资的合理优化。利用边际投资与边际效益模型，结合工程实际情况，通过安全与失效验算，计算出最佳的安全投资点，此方法对同类工程具有重要的参考价值。

主要参考文献

[1] 佘立中，刘大千．建筑行业安全投入问题分析与对策[J]，建筑经济，2007，（1）．

[2] 甘晶，沈道东，王直民．建筑安全投资效益分析[J]，华中建筑，2006，（7）．

[3] 黄俊东．建筑施工安全成本浅析[J]，建筑安全，2005， (11)．

[4] 候立峰,何学秋.安全投资决策优化模型[J].中国安全科学学报, 2004, 14(10): 29~32．

[5] 黄新宇．工程建设项目安全管理及其评价指标体系研究[D]，北京：清华大学土木工程系，2001．

[6] 方东平，黄新宇，李强等．建设项目安全投入与安全业绩关系研究[J]，建筑经济，2001．

[7] 罗云．安全经济学[M]，北京：化学工业出版社，2007．

[作者简介] 麦景成，男，生于1986年，广东佛山人，中南财经政法大学硕士就读，研究方向：管理科学与工程（工程管理）

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。