張守健

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)營(yíng)造與房地產(chǎn)系，150040哈爾濱，zhangsj@hit.edu.cn)

在工程建設(shè)領(lǐng)域，除了應(yīng)用事故歸因理論原理來(lái)預(yù)防和控制安全事故，研究人員還根據(jù)工程建設(shè)過(guò)程中安全事故的特點(diǎn)，使用安全突變理論、安全流變理論等分析安全事故發(fā)生過(guò)程.在突變理論應(yīng)用研究方面，如根據(jù)大壩系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)將其安全事故發(fā)生的臨界點(diǎn)進(jìn)行分類，利用突變理論研究臨界點(diǎn)附近狀態(tài)變化的特征，描述安全事故的發(fā)生過(guò)程，并給出了基于突變理論的系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)及事故前后的行為特征，建立了事故致因突變模型［1］.潘岳［2］等建立了基于突變理論的折突變模型和巖體動(dòng)力失穩(wěn)問題對(duì)應(yīng)的突變模型的平衡方程，為預(yù)防塌方等安全事故提供理論依據(jù).在流變理論應(yīng)用研究方面，自M.Reiner［3］建立結(jié)構(gòu)流變力學(xué)模型或理論流變力學(xué)模型以來(lái)，更多的是對(duì)安全事故或?yàn)?zāi)害的流變過(guò)程的研究，揭示安全事故或?yàn)?zāi)害的流變發(fā)展規(guī)律.如對(duì)淤泥質(zhì)軟土在動(dòng)態(tài)載荷作用下，通過(guò)理論分析和測(cè)試，建立了黏彈塑性流變力學(xué)模型［4］，并推導(dǎo)了新的流變方程和動(dòng)態(tài)黏彈性流變參數(shù)，探索軟土加速流變并導(dǎo)致巖土地質(zhì)災(zāi)害的動(dòng)力學(xué)機(jī)制［5-6］.通過(guò)對(duì)巖石彈黏塑性流變?cè)囼?yàn)，建立了不同壓力下的非線性流變模型等［7-8］.隨著對(duì)各類安全事故的突變過(guò)程或流變過(guò)程的研究，又出現(xiàn)了系統(tǒng)安全突變-流變理論［9］，這一理論認(rèn)為安全事故是由流變轉(zhuǎn)化為突變的系統(tǒng)過(guò)程.上述研究對(duì)揭示各類安全事故的發(fā)生機(jī)理提出了有針對(duì)性的過(guò)程變化規(guī)律和模型，為安全事故的預(yù)防與控制提供了理論依據(jù).但是，這些理論和模型所針對(duì)的對(duì)象多是單一的，即只是針對(duì)某一類事故進(jìn)行研究，并且研究對(duì)象的安全環(huán)境變化很小.對(duì)于建筑施工過(guò)程來(lái)說(shuō)，其各個(gè)工序作業(yè)相對(duì)穩(wěn)定，但經(jīng)常出現(xiàn)多工序交叉作業(yè)的情況，并且外部環(huán)境對(duì)建筑施工的影響較大，此時(shí)安全事故的發(fā)展過(guò)程變得更加復(fù)雜.

本文針對(duì)建筑施工的特點(diǎn)和工序的施工作業(yè)特性，基于安全流變理論原理，考慮多工序交叉作業(yè)的實(shí)際和外部環(huán)境的變化，研究建筑施工安全事故的流變過(guò)程和變化規(guī)律，為預(yù)防和控制建筑施工安全事故、提高安全管理效率提供理論依據(jù).

1 建筑施工安全事故的流變特征

安全流變是事物發(fā)展過(guò)程中安全與不安全要素的矛盾運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其決定了事物發(fā)展的各個(gè)階段的安全狀態(tài)與故障狀態(tài)，甚至消亡狀態(tài).安全流變的全過(guò)程可表達(dá)為:在某一新系統(tǒng)誕生的初期，其不安全度隨時(shí)間呈減速遞增，新秩序在此期間逐漸形成和完善.當(dāng)新秩序發(fā)展到成熟階段時(shí)，完善的新秩序使不安全度值開始勻速緩慢地增加.經(jīng)過(guò)一個(gè)穩(wěn)定增加的時(shí)期后，原秩序繼續(xù)向無(wú)序方向發(fā)展，進(jìn)而使不安全度值開始加速增大.任何事物都具有其固定的不安全度承受能力或界限，超出此界限后，事物將在安全狀態(tài)方面發(fā)生突變.事物發(fā)生安全狀態(tài)突變時(shí)的不安全度值即是該事物的臨界不安全度.因此，當(dāng)不安全度加速增大到此臨界不安全度值時(shí)，事物的破壞開始發(fā)生并持續(xù)一定時(shí)間.當(dāng)原秩序被完全破壞后，事物又開始回歸到安全狀態(tài)，即不安全度近似為零值，原事物的秩序完全消失.從而又形成了另一個(gè)同類新生事物誕生的起點(diǎn).

建筑施工安全事故是在建設(shè)工程施工過(guò)程中突然發(fā)生的、迫使施工作業(yè)過(guò)程暫時(shí)或永遠(yuǎn)終止的一種意外事件.這種意外事件的形成過(guò)程是作業(yè)活動(dòng)、不安全因素、不安全事件、安全管理活動(dòng)系統(tǒng)相互作用的結(jié)果.建筑施工過(guò)程中，安全事故的形成過(guò)程是多個(gè)不安全事件的組合發(fā)生而演變成的(也是安全事故發(fā)生后，確定原因的理論依據(jù))，其隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，這一動(dòng)態(tài)過(guò)程符合安全流變過(guò)程原理.

2 建筑施工安全事故流變模式分析

建筑施工過(guò)程中安全事故的表現(xiàn)形式是多樣的，如高墜、火災(zāi)、觸電等多種事故形式.每個(gè)安全事故的發(fā)生即是確定的，又具有偶然性.因此，在建筑施工過(guò)程中，其安全事故的流變是多流變模式，但針對(duì)一起安全事故的流變過(guò)程是單流變模式.

2.1 安全事故的單流變模式

建筑施工安全事故的形成過(guò)程表現(xiàn)為某一不安全事件序列的有序產(chǎn)生，最終形成安全事故.其形成過(guò)程可用圖1所示的單流變模式表示.

圖1 建筑施工安全事故的單流變模式

定義:流變強(qiáng)度是指安全事故流變過(guò)程中，形成此安全事故的不安全事件集合內(nèi)的全部不安全事件發(fā)生的可能性.

圖1中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，用t表示.縱坐標(biāo)表示流變強(qiáng)度，用U表示，0≤U≤1.OE表示一個(gè)安全事故形成的完成過(guò)程.建筑施工安全事故的單流變模式可以分為啟動(dòng)階段OA、振蕩階段AB、激發(fā)階段BC、事故階段CD和后效階段DE 5部分.

1)啟動(dòng)階段OA.施工作業(yè)開始階段，由于生產(chǎn)要素投入少，不安全因素較少.隨著作業(yè)人員、設(shè)備、資源等要素的投入，不安全因素逐步增加，不安全因素集合不斷增大，使流變強(qiáng)度U增加.在某一施工工序處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，流變過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)點(diǎn)A，即流變強(qiáng)度為U2.

2)震蕩階段AB.隨著建筑施工作業(yè)的全面展開，不安全因素產(chǎn)生并存在于施工作業(yè)中，不安全因素不斷地引起不安全事件的發(fā)生.不安全事件的發(fā)生規(guī)律具有隨機(jī)性，即因?yàn)椴话踩蛩氐拇嬖诓趴赡馨l(fā)生不安全事件，但不是這些不安全因素都會(huì)時(shí)時(shí)表現(xiàn)為不安全事件.針對(duì)不安全因素而制定的安全管理行為，使多數(shù)不安全事件序列不能形成完整的事件序列，安全事故沒有發(fā)生.有針對(duì)性地安全管理行為控制或消除部分不安全因素，使作業(yè)過(guò)程的流變強(qiáng)度降低，達(dá)到U1.隨著施工作業(yè)過(guò)程的展開，一些不安全因素出現(xiàn)新的擾動(dòng)，使流變強(qiáng)度不斷波動(dòng)，達(dá)到U3，h表示震蕩幅度，這一過(guò)程屬振蕩階段.一般情況下，安全流變模式長(zhǎng)時(shí)間處于震蕩階段而不發(fā)生安全事故.

3)激發(fā)階段BC.由于不安全因素的擾動(dòng)積累到了一定的程度，使施工作業(yè)過(guò)程的流變強(qiáng)度突然急劇增加，達(dá)到最高水平U4，U4=1.此時(shí)不安全事件序列發(fā)生的可能性迅速增加，流變過(guò)程立即進(jìn)入下一階段.

4)事故階段CD.這一階段表現(xiàn)為不安全事件完整并有序發(fā)生，致使系統(tǒng)的能量突然釋放，安全事故瞬間發(fā)生.

5)后效階段DE.這一階段是安全單流變模式的最后一個(gè)階段，表現(xiàn)為施工作業(yè)過(guò)程遭到破壞，正常施工作業(yè)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)并回到最初的穩(wěn)定狀態(tài).安全流變強(qiáng)度從U4降低到O點(diǎn)，返回初始狀態(tài).

2.2 安全事故的多流變模式

建筑施工過(guò)程中，由于安全管理水平、多工序交叉作業(yè)、外界擾動(dòng)等多因素的影響，可能發(fā)生多種安全事故.因此，在實(shí)際的建筑施工過(guò)程中，安全事故形成過(guò)程屬于多流變模式.

形成每個(gè)安全事故的不安全事件序列具有獨(dú)立性，但是其中的某一個(gè)或多個(gè)不安全事件可能同時(shí)是其他安全事故的不安全事件序列的組成部分，因此，多流變模式是單流變模式的集成，不是單流變模式的簡(jiǎn)單疊加.對(duì)于建筑施工安全管理的主體，其安全管理的對(duì)象是安全事故的多流變模式.安全事故多流變模式的規(guī)律如圖2所示.

圖2 建筑施工安全事故的多流變模式

多流變模式的特征:

1)啟動(dòng)階段OA'的流變強(qiáng)度增長(zhǎng)更快，相對(duì)于單流變模式，安全事故發(fā)生的幾率更高.

2)在震蕩階段A'B'過(guò)程中，其流變強(qiáng)度更高，與發(fā)生安全事故的距離更近.多流變模式與單流變模式的流變強(qiáng)度距離為U3'-U2'=k，k越大，不安全事件集合越大，能構(gòu)成不安全事件序列的可能性就越多.

3)在激發(fā)階段B'C過(guò)程中，由于存在U4-U3'≤U4-U2'，使安全事故更容易激發(fā)，使安全事故的流變強(qiáng)度更快達(dá)到1，發(fā)生安全事故.

4)在后效階段DE'過(guò)程中，由于多流變模式下的不安全事件集合更大，在E'上流變強(qiáng)度降低到U1'水平，而不是降低到0.并在安全事故發(fā)生后，進(jìn)入新的、流變強(qiáng)度相對(duì)較高的流變過(guò)程.

5)多流變模式下，當(dāng)流變過(guò)程只有1個(gè)時(shí)，多流變模式變成單流變模式.單流變模式是多流變模式的特殊形式.

從安全事故多流變模式的發(fā)展過(guò)程看，若建筑施工安全事故發(fā)生，應(yīng)立即停止同一階段的全部施工作業(yè)活動(dòng)，查找并消除更多的不安全因素，以降低多流變模式下的流變強(qiáng)度.

3 流變強(qiáng)度分析

流變強(qiáng)度的大小直接關(guān)系到安全事故發(fā)生的可能性.對(duì)其進(jìn)行度量對(duì)預(yù)防安全事故的發(fā)生有重要作用.故障樹分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是一種圖形演繹方法，通過(guò)故障事件在一定條件下的邏輯推理，表示導(dǎo)致安全事故的各種因素之間的因果及邏輯關(guān)系［10］.FTA方法的計(jì)算過(guò)程和手段已經(jīng)較為成熟［11-12］.建筑施工安全事故流變強(qiáng)度變化的根本原因是施工作業(yè)過(guò)程中不安全事件序列內(nèi)各個(gè)事件的邏輯發(fā)生狀況，因此，可用FTA方法來(lái)表達(dá)流變強(qiáng)度.因?yàn)榘踩鹿柿髯冞^(guò)程中流變強(qiáng)度是動(dòng)態(tài)變化的，本文以建筑施工某一階段各工序施工作業(yè)正常進(jìn)行為對(duì)象(即流變模式的震蕩階段)，計(jì)算其流變強(qiáng)度.

3.1 單流變模式下的流變強(qiáng)度計(jì)算

設(shè)某安全事故的不安全事件序列為X，則

xj表示第j個(gè)不安全事件.

若xj的發(fā)生概率為p(xj)，則該安全事故的流變強(qiáng)度為

即對(duì)于單流變模式來(lái)說(shuō)，流變強(qiáng)度為構(gòu)成安全事故的不安全事件發(fā)生概率的交集.

3.2 多流變模式下的流變強(qiáng)度計(jì)算

由于實(shí)際建筑施工過(guò)程中基本是多工序交叉作業(yè)，某一時(shí)間斷面上可能發(fā)生安全事故的種類較多，因此，多流變模式的流變強(qiáng)度為

Ui為第i類安全事故的單流變強(qiáng)度，i=1，2，…，m.

設(shè)Xi={xij}，Xi為Ui的不安全事件序列集合，根據(jù)式(1)、(2)，有

3.3 流變強(qiáng)度的敏感性分析

由于多流變模式下某一個(gè)不安全事件可能存在于多個(gè)安全事故的不安全事件序列，因此，每個(gè)不安全事件對(duì)于流變強(qiáng)度的影響不同.

1)結(jié)構(gòu)敏感性.不考慮不安全事件的發(fā)生概率，僅從多流變模式的各個(gè)不安全事件序列結(jié)構(gòu)構(gòu)成上分析某個(gè)不安全事件對(duì)流變強(qiáng)度的敏感性時(shí)，該不安全事件xj對(duì)流變強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)敏感性

式中:k為Xi中不安全事件的序數(shù);mi為Xi中不安全事件的數(shù)量.

式(4)中，若xk?Xi，則Yi(j)=0.其中Y(j)的計(jì)算［13］如下

［φi(1j，X)-φi(0j，X)］為與不安全事件xi對(duì)照的臨界割集.

計(jì)算全部不安全事件的結(jié)構(gòu)敏感度Y(xj)，可以實(shí)現(xiàn)Y(xj)的排序.Y(xj)越大，對(duì)流變強(qiáng)度U的影響越大.

2)概率敏感性.不安全事件xij發(fā)生概率是變化的，不同的xij變化引起U的變化幅度不同.因此，不安全事件xij對(duì)U的概率敏感性

將式(3)代入上式得

計(jì)算不安全事件xij的概率敏感性G(xij)，可實(shí)現(xiàn)G(xij)的排序.G(xij)越大的不安全事件，表示該不安全事件發(fā)生概率p(xij)的變化對(duì)流變強(qiáng)度U的波動(dòng)影響越大.

從上述流變強(qiáng)度的敏感性分析可知，在建筑施工過(guò)程中，某些不安全事件對(duì)安全事故的發(fā)生與否影響較大.通過(guò)對(duì)施工作業(yè)中不安全事件的判別，可以有效地降低安全事故的流變強(qiáng)度，提高建筑施工安全管理效率.

4 結(jié)語(yǔ)

建筑施工安全事故是以突變形式發(fā)生的，但其發(fā)展過(guò)程符合流變過(guò)程理論.結(jié)合建筑施工安全事故的特征，研究了其單流變模式和多流變模式的變化過(guò)程，為預(yù)防和控制施工作業(yè)過(guò)程中安全事故的發(fā)生提供理論依據(jù).針對(duì)安全事故的流變模式，利用故障樹分析方法基本原理，給出了流變強(qiáng)度的計(jì)算方法和敏感性分析，為提高建筑施工安全管理效率提供有效的途徑.

盡管本文給出建筑施工安全事故流變過(guò)程的相關(guān)分析理論和方法，但是對(duì)流變過(guò)程有重要影響的不安全事件序列的確定仍具有一定的難度.現(xiàn)階段不安全事件序列多是根據(jù)已發(fā)生的安全事故進(jìn)行邏輯推理得到，如何認(rèn)知各個(gè)施工作業(yè)階段的全部不安全事件序列，將是下一步研究的重點(diǎn).

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