王軍武，潘子瑤，王 靖，田夢圓，劉 森

(武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

0 引言

在大力推進建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的現(xiàn)實背景下，裝配式建筑以其節(jié)能、降耗、環(huán)保的顯著優(yōu)勢成為促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵[1]。然而在裝配式建筑吊裝施工過程中，作業(yè)空間并行多維、可視性差、危險性較高，極易發(fā)生施工安全事故。因此，如何科學、合理地評估吊裝作業(yè)安全風險狀態(tài)，對裝配式建筑施工安全管理水平的提高具有重要意義。

對于裝配式建筑施工安全風險因素的識別，國內(nèi)外學者主要采用文獻調(diào)查法、德爾菲法[2]、事件鏈[3-5]等基于經(jīng)驗的傳統(tǒng)安全分析方法，但上述方法未能充分考慮因系統(tǒng)因素間的交互作用而導致的事故，對因素間的作用機理缺乏深入分析，同時缺乏對因素間非線性邏輯關(guān)系的描述。裝配式建筑吊裝施工工藝復雜，風險因素間存在復雜的因果關(guān)系，而系統(tǒng)理論過程分析 ( System Theoretic Process Analysis，STPA)是1種新的危險分析理論，能夠充分描述復雜系統(tǒng)中的因素交互關(guān)系[6]，對于全面分析裝配式建筑吊裝施工安全風險因素有著顯著優(yōu)勢。

國外在裝配式建筑安全評價方面已有健全的標準體系，采用的評價方法主要是模糊綜合評價法、層次分析法、屬性數(shù)學等[7-8]。國內(nèi)學者將灰色聚類、云模型、可變模糊集等應用于裝配式建筑施工安全分析[9-11]?？紤]到裝配式建筑吊裝施工中存在較多的不確定性，上述安全評價方法不能較好地處理不確定性問題，而模糊貝葉斯網(wǎng)絡( Fuzzy Bayesian Network，F(xiàn)BN)具有強大的不確定性問題處理能力，對于解決復雜系統(tǒng)中多因素關(guān)聯(lián)引起的施工安全風險有很大的優(yōu)勢[12]。

鑒于此，本文擬將STPA和模糊BN進行結(jié)合，構(gòu)建裝配式建筑吊裝施工過程中的控制關(guān)聯(lián)模型和反饋回路，量化風險因素間的因果關(guān)系及風險的傳遞機理，從而實現(xiàn)對吊裝施工安全風險的全面分析與評估。

1 STPA原理

STPA是由Leveson提出來的1種基于系統(tǒng)理論事故模型(Systems-Theoretic Accident Model and Process，STAMP)的安全分析方法。在STAMP模型中，系統(tǒng)被視為相互關(guān)聯(lián)組件的集合，通過信息傳遞和控制執(zhí)行的反饋回路保持動態(tài)平衡狀態(tài)。從這個意義上講，復雜系統(tǒng)中的事故并非僅因獨立的組件故障而發(fā)生，而是在控制系統(tǒng)未能充分處理外部干擾、組件故障或系統(tǒng)組件之間的功能失靈的交互作用時發(fā)生的。

STPA主要用于分析已辨別的系統(tǒng)危險致因，通過分析系統(tǒng)內(nèi)部控制反饋結(jié)構(gòu)中可能導致危險狀態(tài)的控制問題，逐步確定導致系統(tǒng)危險的根本原因，并提出相應安全約束。其執(zhí)行過程主要分為4個步驟：1)確定系統(tǒng)級事故和系統(tǒng)級危險。2)建立控制反饋結(jié)構(gòu)。3)識別不安全控制行為(Unsafe Control Action,UCA)，STPA中定義4種不安全控制行為，即未提供控制行為、提供不安全的控制行為、錯誤的時機提供控制行為、控制行為結(jié)束過早或作用時間太長 。4)分析不安全控制行為的致因[13]。

2 裝配式建筑吊裝施工STPA分析

2.1 確定系統(tǒng)級事故和危險

系統(tǒng)級事故是指導致系統(tǒng)中產(chǎn)生損失的意外事件[14]。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部每年通報的《全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故情況》，并結(jié)合裝配式建筑施工組織特點，梳理裝配式建筑吊裝施工階段極易發(fā)生的3類施工安全事故，主要包括高空墜落、物體打擊、起重傷害，見表1。

表1 吊裝施工中的系統(tǒng)級事故

系統(tǒng)級危險是指系統(tǒng)的狀態(tài)或條件，處于特定的最不利環(huán)境條件將會導致事故(損失)發(fā)生[14]。通過裝配式建筑吊裝施工過程中極易發(fā)生的系統(tǒng)級事故來分析系統(tǒng)級危險，其主要包括吊裝連接部位失效、吊裝機械失效、吊裝操作失誤和管理缺陷，見表2。

表2 吊裝施工中的系統(tǒng)級危險

2.2 建立控制反饋結(jié)構(gòu)

控制反饋結(jié)構(gòu)主要由控制器、執(zhí)行器、控制過程和傳感器4個組件構(gòu)成，其中執(zhí)行器根據(jù)控制器給出的任務要求控制受控對象，傳感器監(jiān)測受控過程的執(zhí)行狀態(tài)并向控制器反饋。根據(jù)裝配式建筑吊裝施工的實際情況，建立如圖1所示的控制反饋結(jié)構(gòu)。施工單位作為控制反饋結(jié)構(gòu)中的較高層級，與現(xiàn)場項目部形成上下層級的指導和約束關(guān)系；現(xiàn)場項目部是該控制回路的控制器，向作業(yè)人員(執(zhí)行器)提出任務要求和進行技術(shù)指導；作業(yè)人員在執(zhí)行具體施工工序過程中，可能遇到外部因素的干擾，如環(huán)境、組織、技術(shù)、交互等；監(jiān)測系統(tǒng)(傳感器)是用來監(jiān)測吊裝施工的實際狀態(tài)，并將施工信息反饋給控制器。

圖1 吊裝施工控制反饋結(jié)構(gòu)

2.3 不安全控制行為

在裝配式建筑吊裝施工過程中，主要控制行為有執(zhí)行安全技術(shù)交底、吊裝準備、預制構(gòu)件吊運及安裝、構(gòu)件調(diào)整校正及臨時固定和安裝質(zhì)量驗收，其行為主體為現(xiàn)場項目部和作業(yè)人員。按照STPA方法的執(zhí)行步驟進行具體分析，得出吊裝施工過程中的不安全控制行為及可能造成的危險見表3。

表3 吊裝施工不安全控制行為

2.4 不安全控制行為的致因分析

在基于引導詞分類識別出可能的不安全控制行為后，需要分析導致不安全控制行為的具體原因。根據(jù)吊裝施工過程的控制反饋結(jié)構(gòu)，從主動控制和反饋2個方面分析吊裝施工中不安全控制行為的致因。

1)不安全控制行為的主動控制致因

①A1安全技術(shù)交底階段

A11：現(xiàn)場負責人員在進行安全技術(shù)交底時，僅口頭交代施工方案中的安全管理要求；A12：在進行安全技術(shù)交底時，作業(yè)人員安全意識水平不高，對技術(shù)交底的內(nèi)容重視程度不夠。

②A2吊裝準備階段

A21：作業(yè)人員盲目自信，未觀測預制構(gòu)件是否基本水平以及各個吊點是否全部受力；A22：吊裝過程中交叉作業(yè)的協(xié)調(diào)管理不到位；A23：作業(yè)人員未提前判斷吊裝機具是否處于正常狀態(tài)，未進行有效維護保養(yǎng)；A24：吊索吊具存在缺陷，導致構(gòu)件連接部位失效；A25：因作業(yè)人員操作技術(shù)水平不過關(guān)，導致預制構(gòu)件綁扎不牢靠；A26：作業(yè)人員吊索具選擇不當，極易導致吊索具磨損和構(gòu)件連接不到位。

③A3構(gòu)件吊運及安裝

A31：預制構(gòu)件本身設計不合理，存在質(zhì)量問題，以致吊運過程中發(fā)生構(gòu)件破環(huán)；A32：作業(yè)人員安全意識水平不高，在進行臨邊作業(yè)(或高處作業(yè))時佩戴安全防護措施不到位；A33：安全文明措施費投入不足，導致吊裝作業(yè)安全防護措施不完備；A34：作業(yè)人員僅憑經(jīng)驗來判斷構(gòu)件重量是否符合起重機荷載，未進行受力檢測；A35：塔吊駕駛員狀態(tài)不佳，導致操作存在失誤或者違章操作；A36：信號員和塔吊駕駛員配合不協(xié)調(diào)，技術(shù)水平不過關(guān)；A37：信號員未嚴格按照安全規(guī)程發(fā)出信號指令或判斷失誤；A38：外部環(huán)境(如氣候狀況、吊裝現(xiàn)場環(huán)境)影響塔吊駕駛員的正常作業(yè)；A39：遇到需停止作業(yè)的情況時，現(xiàn)場作業(yè)人員未能提供應急措施；A310：塔吊功能出現(xiàn)故障或失效導致吊裝失誤；A311：現(xiàn)場管理人員未執(zhí)行有效的監(jiān)管職責，以致作業(yè)人員不安全操作。

④A4構(gòu)件調(diào)整及臨時固定

A41：預制構(gòu)件本身存在質(zhì)量問題，導致作業(yè)人員安裝偏位；A42：作業(yè)人員未按照控制線調(diào)整預制構(gòu)件，導致安裝失誤；A43：臨時支撐桿老化，或保存環(huán)境差引起的質(zhì)量問題；A44：作業(yè)人員未按照吊裝專項施工方案搭設臨時支撐，導致臨時支撐體系搭設質(zhì)量差；A45：作業(yè)人員之間配合不協(xié)調(diào)，導致操作失誤。

⑤A5安裝質(zhì)量驗收

A51：安全技術(shù)交底不到位，導致作業(yè)人員忽略安裝質(zhì)量驗收；A52：作業(yè)人員未嚴格按照規(guī)范進行安裝質(zhì)量驗收。

2)A6不安全控制行為的反饋致因

A61：當監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到吊裝施工過程中的危險狀態(tài)，現(xiàn)場管理人員未采取應急措施；A62：有關(guān)吊裝施工過程的信息反饋不正確或者發(fā)生延遲。

2.5 吊裝施工安全風險因素

根據(jù)STPA分析結(jié)果，按照吊裝操作失誤、吊裝機械失效、吊裝連接部位失效、管理缺陷和環(huán)境干擾5類系統(tǒng)級危險來劃分影響裝配式建筑吊裝施工安全的風險因素，見表4。

表4 吊裝施工安全風險因素

3 裝配式建筑吊裝BN模型

3.1 構(gòu)建BN拓撲結(jié)構(gòu)

BN是1種概率網(wǎng)絡，其中變量由節(jié)點表示，變量之間的概率依賴關(guān)系由有向箭頭表示，并且每個節(jié)點上都被賦予條件概率,用于表示父子節(jié)點的不確定性因果關(guān)系。根據(jù)不安全控制行為的致因分析，構(gòu)建BN模型的拓撲結(jié)構(gòu)，見圖2。其中，除安全風險R的狀態(tài)分為高風險(H)、中風險(M)和低風險(L)，其他節(jié)點的狀態(tài)均用發(fā)生(Y)和未發(fā)生(N)表示。

圖2 吊裝施工安全風險BN模型

3.2 確定模型參數(shù)

1)專家語言模糊化

模型的參數(shù)包括根節(jié)點的初始概率和中間節(jié)點的條件概率。通過對專家進行問卷調(diào)查來計算各節(jié)點的發(fā)生概率。專家可以選用很低(VL)、低(L)、偏低(FL)、中等(M)、偏高(FH)、高(H)和很高(VH)7個語言變量表示節(jié)點的發(fā)生概率，各語言變量對應的具體模糊數(shù)表現(xiàn)形式見表5[15]。

表5 模糊數(shù)形式

2)專家模糊評判聚類

為降低個別專家意見的主觀性，保證專家意見不同的一致性，本文將采用相似性聚合方法(Similarity Aggregation Method，SAM)來整合專家的模糊意見[16]，具體包括以下6點操作步驟：

(1)

式中：Smn為專家m和專家n意見的相似度；ai和bi為專家意見中第i模糊數(shù)，結(jié)果在0～1之間，相似度隨著值的增加而增加。

②計算專家意見平均一致度如式(2)所示：

(2)

式中：AAm為專家意見的平均一致度；M為專家數(shù)量。

③計算專家意見相對一致度如式(3)所示：

(3)

式中：RAm為專家意見的相對一致度。

④計算專家一致性系數(shù)如式(4)所示：

CCm=β·ωm+(1-β)RAm

(4)

式中：CCm為專家一致性系數(shù)；ωm為專家的權(quán)重，按照專家職稱、年齡、經(jīng)驗3個標準來計算專家權(quán)重系數(shù)；β表示ωm比RAm的相對重要程度，取0.5。

⑤專家模糊意見匯總?cè)缡?5)所示：

(5)

⑥專家意見去模糊化。通過采用均值面積法進行去模糊化處理如式(6)所示:

(6)

4 實例分析

4.1 工程概況

以湖北省荊門市某裝配式建筑項目為例，該項目總建筑面積14.2萬m2，主體結(jié)構(gòu)采用裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，其中外墻、樓板、樓梯等均采用預制構(gòu)件，總體預制率約為40%，裝配率為50%。

4.2 計算模型參數(shù)

根據(jù)已經(jīng)建立的裝配式建筑吊裝施工安全風險BN模型和項目相關(guān)信息，邀請從事裝配式建筑領(lǐng)域的7位專家評判模型中根節(jié)點的先驗概率和父子節(jié)點間的條件概率，并經(jīng)過反復修正，將獲得的數(shù)據(jù)作為變量參數(shù)輸入Netica軟件中，每個節(jié)點的概率由貝葉斯推理生成。以根節(jié)點C1為例，根據(jù)專家調(diào)查法收集到7位專家的模糊意見分別為L，VL，VL，L，F(xiàn)L，L，L，并結(jié)合SAM方法整合專家意見，獲取節(jié)點的先驗概率，具體數(shù)據(jù)見表6，其中根節(jié)點C1的先驗發(fā)生概率為0.141?？紤]到篇幅限制，僅給出C4的條件概率見表7。

表6 針對節(jié)點C1的專家意見整合

表7 C4的條件概率

4.3 正向因果推理

因果推理可用于計算多種復雜風險因素作用下的安全風險發(fā)生概率，從而幫助決策者提前防范風險?；谏鲜鰳?gòu)建的BN模型，采用Netica軟件推斷裝配式建筑吊裝施工安全風險概率。通過貝葉斯推理得到吊裝施工安全風險的先驗概率P(R=H)=7.9%，P(R=M)=30%,P(R=L)=62.1%，根據(jù)最大隸屬性原則，說明該裝配式建筑吊裝施工安全風險狀態(tài)處于相對較低水平。

當改變父節(jié)點的先驗概率，子節(jié)點的概率會隨貝葉斯推理發(fā)生相應改變。以安全風險R的父節(jié)點為例，當B3節(jié)點發(fā)生概率設置為100%時，安全風險的高風險狀態(tài)概率從7.9%增加到22.6%。此外，當B2和B3節(jié)點同時發(fā)生時，安全風險的高風險狀態(tài)概率從7.9%增加到43.8%，說明多風險因素作用下，安全風險概率變化程度大于單因素作用下的變化程度。這一結(jié)論與實際情況相符，證明BN模型是有效的。

4.4 反向診斷推理

診斷推理主要根據(jù)BN計算調(diào)查給定結(jié)果的各種概率，可以進行逆向推理和分析，實時診斷和揭示影響事故發(fā)生的主要原因。在給定安全風險P(R=H)=1的條件下，通過Netica軟件計算，各節(jié)點的后驗概率見圖3和表8。

圖3 各節(jié)點的先驗概率和后驗概率

表8 風險因素后驗概率

根據(jù)軟件計算結(jié)果，吊裝連接部位失效B3的后驗概率最高，說明其導致裝配式建筑吊裝施工安全風險的可能性最大。為有效防止安全風險的發(fā)生，需要對該問題進行排查。假定B3已經(jīng)發(fā)生，即P(B3=Y)=1，作為新的證據(jù)輸入BN模型，在這種情況下繼續(xù)進行反向診斷，其中吊索吊具存在缺陷C10的后驗概率最高。按照這個程序，不斷對節(jié)點的發(fā)生概率進行調(diào)整作為新證據(jù)輸入BN模型，進行下一輪風險診斷，直到裝配式建筑吊裝施工安全風險得到有效控制。

4.5 敏感性分析

通過敏感性分析，可以確定網(wǎng)絡中的任一變量對任何其他變量的變化敏感，從而識別BN模型中對安全風險影響最大的風險因素。通過Netica軟件對安全風險R進行敏感性分析，計算出各節(jié)點的互信息(Mutual Information,MI)值，其能夠衡量各節(jié)點對于節(jié)點R的影響程度。當MI值越大，表明該節(jié)點的較小變化將對節(jié)點R造成較大影響。具體的MI值見表9。

表9 風險因素排序

由表9可以看出，起重機械超負荷運行C7、現(xiàn)場安全管理不到位C13和吊索吊具存在缺陷C10這3個風險因素對吊裝安全風險的影響更大，是需要著重關(guān)注的風險因素。這3種最為重要的風險因素存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，其中節(jié)點C7和節(jié)點C10均受節(jié)點C13的影響，說明提高現(xiàn)場施工安全管理水平可有效減少起重機械超負荷運行和吊索吊具存在缺陷的情況的發(fā)生。具體措施包括：1)加強現(xiàn)場對起重機械荷載的監(jiān)控，嚴格管控起重機械安全檢查以及定期對起重機械進行維修保養(yǎng)。2)制定吊索具的檢查標準，并嚴控吊索具的安全檢查。3)投入充足的安全措施費可提高現(xiàn)場安全的管理水平。對于關(guān)鍵風險因素的重點監(jiān)管，制定合理的風險管控措施，是保障裝配式建筑吊裝施工安全的重點。

5 結(jié)論

1)采用基于STAMP模型的STPA方法，分析裝配式建筑吊裝施工中導致危險狀態(tài)的不安全控制行為，進而識別其致因因素，并通過分類匯總構(gòu)建風險因素清單。

2)運用模糊BN模型的正向因果推理，計算裝配式建筑吊裝施工安全風險的狀態(tài)概率，通過反向診斷推理揭示影響吊裝過程中安全事故發(fā)生的主要風險因素，分析結(jié)果驗證模型的有效性。

3)通過對風險因素進行敏感性分析，可有效考慮風險因素對安全風險的影響。在裝配式建筑吊裝施工過程中需要加強現(xiàn)場安全管理水平、保障起重機械的安全檢查次數(shù)和嚴控吊索具的檢查標準，可有效減少施工安全風險。