改进型故障树分析法的建筑施工安全管理方法研究

钟柳明

(湖南省人民医院，湖南 长沙 410005)

0 引言

近年来我国建筑行业发展迅速，建筑工程项目的数量逐渐增多。建筑业作为一个高风险行业，建筑施工环境的安全状态影响施工人员的安全性。建筑项目施工过程中，施工环境复杂多变，多个建筑工程工序交叉作业同时进行，容易同时受到多种风险因素的共同影响，导致施工现场发生安全事故[1-2]。

针对上述存在的问题，文献[3]运用神经网络事故树分析法，分析安全事故发生的概率，对建筑施工中存在的风险因素根据风险概率进行排序。但没有考虑到建筑结构中材料的不安全因素，评估事故还存在不确定性。文献[4]提出建筑工程风险评估系统，选定风险指标和评价体系，用来评估施工过程中施工区域受潜在风险因素的影响。风险指标的选定因素较少，评价事故风险不够全面。

针对上述研究中存在的不足，本研究的创新点在于以下几点。

(1)分析建筑工程项目中人员和施工设备存在的风险因素，设计出建筑施工安全风险评估路线，根据分析结果制定风险应对方案。

(2)结合建筑项目施工环境改进故障树结构，明确风险因素之间的逻辑关系，并进行定性定量分析。

(3)使用模糊运算处理基本事件发生的不确定性，将风险因素发生概率模糊化，计算顶层安全事故发生的概率。

1 建筑施工安全风险评估整体架构设计

在建筑施工作业环境正常情况下，引起安全事故的原因具有随机性，因此构建出的本研究技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

本研究以改进型的故障树理论为分析方法，研究建筑施工中主要事故类型和发生事故的风险因素，分析风险因素之间的内在联系，基于模糊集理论构建建筑施工的风险评估体系，评价建筑施工过程中存在的潜在风险因素[5]，推导数理逻辑确定发生安全事故的可能性较大的致因链，发现建筑施工中风险元素的关键部分[6]。根据建筑施工风险因素分析结果，减少事故发生的概率。帮助施工现场管理人员更好地了解发生各类事故的主要风险因子，对事故预防措施定制更加完善的制度，为优化安全控制措施提供参考。

建筑施工安全事故的主要因素有风险因子、孕险环境、风险事故等因素。内在因素是孕险环境，包括建筑施工的施工现场环境和外界自然环境，孕险环境的存在增加了事故的发生概率。风险因子有很多种，比如施工设备的违规操作，线路乱接等现象[7-8]。安全风险的产生机制如图2所示。

图2 安全风险产生机制

人和施工设备的风险因素如表1所示。

表1 建筑工程中人和设备的风险因素

建筑工程中安全管理水平决定了安全事故发生可能性的高低，建筑施工要设置专门的安全管理机构，使参与施工作业的人员学习相关专业技能，提高安全作业意识。要避免安全事故的发生要从根源做起，完善安全管理制度，使人们严格遵守安全作业指标，认真落实安全培训，增强安全意识。

2 建筑施工风险评估核心技术设计

2.1 改进型建筑施工风险故障树

本研究基于改进型故障树分析法对建筑施工中风险进行评估，如图3所示。

图3 安全风险评估流程图

本研究以建筑项目中发生安全事故为故障树的顶事件，根据风险识别可将风险因素分为4个中间事件：人的不安全行为M1、设备的不安全状态M2、技术风险M3、施工现场环境风险M4。根据施工现场的实际情况确定风险因素之间的逻辑关系，并扩大和完善故障树(M5～M12)。根据故障树底层部件发生故障的可能性对风险因素定量和定性分析，完善故障树的风险评估功能。了解建筑施工系统功能之间的逻辑关系和功能应用，评估安全事故的关键因素[9]。建筑施工风险故障树如图4所示。

图4 建筑施工风险故障树

建筑施工系统中子系统和部件只处于正常和失效2种状态，底事件可定义为式(1)。

(1)

建筑施工中顶事件的状态用Φ表示，顶事件是有关底事件状态xi的函数，可表示为式(2)。

Φ=Φ(x)=Φ(x1,x2,…,xn)

(2)

同时，当顶事件发生状态与Φ有关，表示为式(3)。

(3)

式(2)和式(3)为故障树结构的数学函数。

故障树中人的不安全行为M1连接风险因素M5、M6时，使用了一个“与”门结构故障树，当M5和M6同时发生故障时，整个系统才会发生安全事故[10]。其结构函数可表示为式(4)。

(4)

连接风险因素M1、M2、M3、M4时，使用了一个“或”门结构树，相当于一个并联系统，当其中一个部件时效时，建筑施工项目就会发生安全事故。其结构函数可表示为式(5)。

(5)

(6)

整个建筑施工故障树的逻辑关系可表示为式(7)。

Φ(x)=x1∪(x2∪x3)

(7)

安全事故的发生受到N个风险因素的影响，不安全风险对顶事件的影响程度不同，第i个不安全事件的测度[11]可定义为式(8)。

(8)

其中，g为故障树中顶事件发生的概率；qi部件出现风险的概率，表示为式(9)。

qi=Pr{xi=1}=E{xi}(i=1,2,…,n)

(9)

在建筑施工风险故障树中，“与”门、“或”门相结合时，顶事件发生的概率为式(10)。

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

(10)

式(8)和式(10)结合可得式(11)。

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

(11)

当0

2.2 基于模糊故障树的风险评价

(12)

(13)

建筑施工风险故障树中顶事件的模糊可能性为式(14)。

(14)

(15)

(16)

真实的概率数据和模糊可能性存在不一致的问题，将模糊可能性转换为发生概率表示为式(17)。

(17)

其中，PT表示为建筑施工风险故障树顶事件发生的概率。

利用模糊数理论解决了建筑项目中底层部件故障的不确定性和安全事故随机性的问题，将风险概率模糊化和去模糊化计算，对建筑项目安全事故风险进行定量分析[13]。

3 应用测试

由于建筑工程项目施工过程涉及风险广泛，影响施工安全的因素过多，施工现场的复杂性和不确定性造成安全事故发生的随机性，高空坠落事故是建筑施工现场经常发生的事故之一，具有代表性。本研究以“高空坠落事故”为实例进行分析，对建筑施工风险因素进行全面评估。建筑施工环境数据如表2所示。

表2 建筑施工环境

根据施工环境的实际情况，识别建筑施工安全风险因素，依据建筑项目的建筑结构和系统的使用功能，确定风险因素之间的逻辑关系，以“人从脚手架坠落M1”和“脚手架坍塌M2”为顶层事件，建立高空坠落安全事故的故障树，如图5所示。

图5 高空坠落事故的故障树

在高空坠落事故的故障树中，有5个中间事件和10个基本事件。M1表示人从脚手架坠落;M2表示脚手架坍塌;M3表示脚手架质量不合格;M4表示立杆安装不合格;M5表示水平杆安装不合格。当M1或M2发生时，就会引起顶层事件T“高空坠落事故”的发生。

对高空坠落事故故障树定性分析找出影响系统出现建筑施工安全事故的关键风险部分[14]，整理出故障树中基本事件发生概率与之对应的梯形模糊数据，3种分析方法得出的模糊概率如图6所示。

图6 中间事件发生的模糊概率

本研究分析方法得出M3“脚手架质量不合格”风险因素模糊概率最高为0.82，M1“人从脚手架坠落”风险因素模糊概率最低为0.51。M3、M4风险因素共同影响M2事件发生的可能性，M3的模糊概率升高导致M2的模糊概率也升高到0.71。M1、M2两种风险因素发生一件就会导致高空坠落故障树中顶事件的发生。本研究中间事件的模糊概率是由故障树中10个基本事件的模糊概率量化得到，得出的风险因素模糊概率更加精确，分析方法更加科学客观，符合建筑项目施工环境实际情况。

4 总结

本研究对建筑工程项目中施工现场的风险因素进行识别，根据实际情况建立了建筑施工风险的故障树，利用模糊数描述基本风险因素发生的概率，解决了施工安全系统中存在的不确定性问题，考虑到了安全风险的模糊特性又结合了现场技术人员的工程经验，使分析结果更加科学客观。依据故障树中风险因素的分析结果，确定建筑施工过程中薄弱环节，完善安全管理制度和控制措施。本文研究还存在一些不足之处有待改进，分析结果可作为其他安全事故的参考。