沈 陽(yáng)，徐 磊，鄭冠雨，章 超，匡志平

(1.上海建工一建集團(tuán)有限公司，上海 200120；2.上海建工七建集團(tuán)有限公司，上海 200050；3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200082)

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)超高層建筑建造技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，成功建造了金茂大廈、環(huán)球金融中心、上海中心、白玉蘭廣場(chǎng)等著名超高層項(xiàng)目[1-2]，這些項(xiàng)目普遍采用了整體鋼平臺(tái)模架裝備體系(簡(jiǎn)稱整體鋼平臺(tái))施工技術(shù)[3]。超高層建筑建造工序復(fù)雜，多種風(fēng)險(xiǎn)因素耦合，如果不采取有效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警措施，一旦發(fā)生人員傷亡、裝備損壞、構(gòu)件倒塌、高空墜物等事故，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的生命、財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)造成惡劣的社會(huì)影響。因此，有必要考慮風(fēng)險(xiǎn)因素耦合作用的影響，開(kāi)展超高層建筑施工預(yù)警方法研究。

針對(duì)誘發(fā)施工安全事故的風(fēng)險(xiǎn)因素，路彬等[4]、張偉等[5]、李宗坤等[6]、周紅波等[7-8]分別采用AHP層次分析、至因理論、WBS-RBS、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析等方法，分析風(fēng)險(xiǎn)因素及各因素之間的關(guān)聯(lián)性，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素的耦合效應(yīng)進(jìn)行量化評(píng)估；何光輝等[9]定量描述了施工風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)施工人員的影響，提出施工人員安全狀態(tài)的評(píng)估方法。針對(duì)超高層建筑的施工環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，Yue等[10]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了整體鋼平臺(tái)承受的風(fēng)力荷載作用；范峰等[11]、左自波等[12]、Li等[13]圍繞整體鋼平臺(tái)裝備施工全過(guò)程安全監(jiān)控展開(kāi)研究，采用案例歸納法，提出裝備安全監(jiān)控參數(shù)及部分預(yù)警指標(biāo)?，F(xiàn)有研究一般采用最極端指標(biāo)作為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警依據(jù)，并未考慮復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)因素的耦合作用，且超高層建筑施工的預(yù)警方法研究較少，亦缺少結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件的預(yù)警指標(biāo)確定方法。

鑒于此，筆者擬以超高層建筑核心筒結(jié)構(gòu)施工區(qū)域?yàn)檠芯枯d體，綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)因素耦合作用關(guān)系和現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)條件，建立考慮風(fēng)險(xiǎn)因素耦合的施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)重大施工風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)預(yù)警。形成的預(yù)警方法可通過(guò)變換風(fēng)險(xiǎn)因素等手段，應(yīng)用于超高層建筑除核心筒結(jié)構(gòu)施工以外的其他方面及一般建筑工程，為施工風(fēng)險(xiǎn)管理提供理論支撐和有效技術(shù)手段。

1 超高層建筑施工風(fēng)險(xiǎn)因素

1.1 整體鋼平臺(tái)模架裝備

整體鋼平臺(tái)按結(jié)構(gòu)支撐形式可劃分為內(nèi)筒外架式、臨時(shí)鋼柱式、勁性鋼柱式、鋼梁筒架式、鋼柱筒架式5種[3]，其中鋼柱筒架式整體鋼平臺(tái)是目前超高層建筑施工中應(yīng)用較廣的裝備類型。如圖1所示。鋼柱筒架式整體鋼平臺(tái)采用頂部提升式的輕量化裝備結(jié)構(gòu)，具有整體性好、封閉性強(qiáng)、承載力大等特點(diǎn)，其應(yīng)用情況如圖1(a)所示。

圖1 鋼柱筒架式整體鋼平臺(tái)裝備Figure 1 Integrated scaffolding and formwork with steel platform utilizing steel lifting columns

鋼柱筒架式整體鋼平臺(tái)主要由頂部鋼平臺(tái)系統(tǒng)、吊腳手架系統(tǒng)、筒架支撐系統(tǒng)、鋼柱爬升系統(tǒng)、模板系統(tǒng)組成[3]，其中鋼柱爬升系統(tǒng)位于裝備頂部，提升鋼柱底端固定在核心筒頂端。在裝備爬升階段，采用如圖1(b)所示的液壓提升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)整體鋼平臺(tái)裝備向上運(yùn)動(dòng)，可以在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層高度的提升。

1.2 超高建筑施工人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)

分析超高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)因素，施工過(guò)程中涉及的裝備主要為大型塔吊機(jī)械和整體鋼平臺(tái)等，涉及的人員主要為位于整體鋼平臺(tái)上的施工人員和位于其他位置的施工人員等，涉及的環(huán)境因素包括大風(fēng)、雨雪、地震、撞擊等，這些風(fēng)險(xiǎn)因素既可以作為施工事故的致災(zāi)主體，也可以作為致災(zāi)客體。從宏觀角度看，人員、裝備、環(huán)境3類因素之間存在如圖2所示的相互影響關(guān)系，共同構(gòu)成超高層建筑施工人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)。

圖2 人員、裝備、環(huán)境因素的互相影響關(guān)系Figure 2 Interaction relationship of human,equipment and environment risk factors

1.3 超高層建筑施工事故的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

從事故結(jié)果的角度看，在超高層建筑施工過(guò)程中可能發(fā)生施工人員傷亡、裝備損傷及破壞兩類事故，即人員因素或裝備因素可作為失效路徑的終點(diǎn)；從事故原因的角度看，導(dǎo)致事故發(fā)生的因素可能是人員、裝備或環(huán)境因素，即人員、裝備、環(huán)境因素可作為失效路徑的起點(diǎn)；從導(dǎo)致事故發(fā)生過(guò)程的角度看，存在2種單因素耦合(人員→人員、裝備→裝備)作用下的失效演變路徑，同時(shí)存在4種雙因素耦合(環(huán)境→人員、環(huán)境→裝備、裝備→人員、人員→裝備)作用下的失效演變路徑，以及2種三因素耦合(環(huán)境→人員→裝備、環(huán)境→裝備→人員)作用下的失效演變路徑。然而，由于圖2描述的風(fēng)險(xiǎn)因素類型之間的相互關(guān)系不足以反映超高層建筑施工人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性特征，且細(xì)分風(fēng)險(xiǎn)因素?cái)?shù)量眾多、關(guān)系復(fù)雜，因此，需要開(kāi)展基于考慮底層風(fēng)險(xiǎn)因素耦合作用的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分析。

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，人員風(fēng)險(xiǎn)因素主要通過(guò)管理手段進(jìn)行干預(yù)控制，環(huán)境類型風(fēng)險(xiǎn)因素只能夠觀察而無(wú)法干預(yù)，而裝備類型的風(fēng)險(xiǎn)因素可以通過(guò)智能監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并可通過(guò)自動(dòng)化手段進(jìn)行控制，在事故預(yù)警和安全控制過(guò)程中是最可控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，對(duì)超高層建筑施工人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)事故演變路徑的分析應(yīng)以裝備類型風(fēng)險(xiǎn)因素為決定性因素，并以反映裝備結(jié)構(gòu)安全性狀的物理量為施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的核心指標(biāo)。

2 考慮風(fēng)險(xiǎn)因素耦合的失效模式

根據(jù)JGJ 459—2019《整體爬升鋼平臺(tái)模架技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[14]及文獻(xiàn)[3]，在核心筒剪力墻結(jié)構(gòu)施工中，整體鋼平臺(tái)包括安裝、爬升、工作、拆除4個(gè)階段。如圖3(b)所示，在工作階段，整體鋼平臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，裝備結(jié)構(gòu)支撐形式穩(wěn)定，人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)在此狀態(tài)下面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。如圖3(c)所示，在爬升階段，整體鋼平臺(tái)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，完全由提升鋼柱提供支撐，人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)在此狀態(tài)下面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因素Figure 3 Risk factors of the human,machine,environment system

將整體鋼平臺(tái)的失效可能性分為一般狀態(tài)下的失效模式與極限狀態(tài)下的失效模式。一般狀態(tài)主要對(duì)應(yīng)工作階段，一般狀態(tài)下整體鋼平臺(tái)裝備結(jié)構(gòu)完整、處于正常施工荷載和自然環(huán)境條件下。極限狀態(tài)則主要對(duì)應(yīng)爬升階段，在此狀態(tài)下整體鋼平臺(tái)裝備結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)隱患，可能處于超標(biāo)荷載和極端自然環(huán)境條件下。

2.1 一般狀態(tài)條件下的失效模式

在超高層建筑施工過(guò)程中涉及的機(jī)械裝備除了整體鋼平臺(tái)，還包括塔吊、施工升降梯、混凝土布料機(jī)等。如圖3(a)所示，將超高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的人員、裝備、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)一步劃分：人員因素可分為鋼平臺(tái)人員H1、其他人員H2；裝備因素可分為整體鋼平臺(tái)承力構(gòu)件M1、整體鋼平臺(tái)動(dòng)力裝置M2、整體鋼平臺(tái)附屬構(gòu)件M3、混凝土布料機(jī)M4、施工升降梯M5、塔吊等其他裝備M6；環(huán)境因素可分為強(qiáng)風(fēng)E1、雨雪E2、其他環(huán)境因素E3(地震、撞擊、火災(zāi)等)。

在一般狀態(tài)條件下整體鋼平臺(tái)承力構(gòu)件M1包括鋼平臺(tái)系統(tǒng)、筒架支撐系統(tǒng)、鋼柱爬升系統(tǒng)，M1的筒架底部鋼牛腿承力；整體鋼平臺(tái)動(dòng)力裝置M2包括提升機(jī)構(gòu)和液壓泵站，M2在一般狀態(tài)條件下不工作；整體鋼平臺(tái)附屬構(gòu)件M3包括吊腳手系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等。

圖4為超高層建筑施工重大風(fēng)險(xiǎn)的有向無(wú)權(quán)失效演變路徑網(wǎng)絡(luò)，其中實(shí)線表示一般狀態(tài)條件下的失效路徑，E1～E3一般作為路徑起點(diǎn)，H1、H2、M2～M6多作為路徑終點(diǎn)，M1始終作為事故演變路徑的中樞節(jié)點(diǎn)。

圖4 施工風(fēng)險(xiǎn)失效路徑網(wǎng)絡(luò)Figure 4 Failure evolution path network of construction risk

2.2 極限狀態(tài)條件下的失效模式

在極限狀態(tài)條件下，M1提升柱擱置于剪力墻頂端，整個(gè)裝備的荷載通過(guò)提升柱傳遞給剪力墻結(jié)構(gòu)，此時(shí)M2參加工作。極限狀態(tài)條件下超高層建筑施工重大風(fēng)險(xiǎn)的失效演變路徑網(wǎng)絡(luò)與一般狀態(tài)條件下類似，圖4中虛線標(biāo)出了極限狀態(tài)條件的區(qū)別失效路徑，除M1始終作為路徑的中樞環(huán)節(jié)外，M2也作為重要中間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)。

3 施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系

基于一般狀態(tài)條件下和極限狀態(tài)條件下的失效路徑分析，簡(jiǎn)單歸納可發(fā)現(xiàn)整體鋼平臺(tái)裝備的承力構(gòu)件M1在超高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)起決定性作用，故應(yīng)選取可以反映承力構(gòu)件M1安全狀態(tài)的物理量指標(biāo)作為反映超高層建筑施工安全狀態(tài)的特征參數(shù)及進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的核心指標(biāo)?？紤]可行性，將整體鋼平臺(tái)的構(gòu)件變形和受力狀態(tài)確定為風(fēng)險(xiǎn)特征參數(shù)，并以此為核心建立超高層建筑施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系和預(yù)警方法。

3.1 預(yù)警指標(biāo)分級(jí)

超高層建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)采用4級(jí)定性分級(jí)方法：低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)應(yīng)于4級(jí)風(fēng)險(xiǎn)設(shè)置4級(jí)預(yù)警值：一級(jí)預(yù)警值、二級(jí)預(yù)警值、三級(jí)預(yù)警值、四級(jí)預(yù)警值。施工事故從絕對(duì)安全至事故發(fā)生的演變過(guò)程可抽象為如圖5所示的風(fēng)險(xiǎn)累積曲線。其中縱坐標(biāo)反映了風(fēng)險(xiǎn)累積的程度，隨著施工風(fēng)險(xiǎn)的不斷累積，施工風(fēng)險(xiǎn)度量值增大，依次突破一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)預(yù)警值，并相應(yīng)地觸發(fā)藍(lán)色、黃色、橙色和紅色預(yù)警。當(dāng)某一級(jí)預(yù)警發(fā)布后，如果不進(jìn)行有效的安全控制，施工風(fēng)險(xiǎn)則會(huì)繼續(xù)累積，直至觸發(fā)下一級(jí)的預(yù)警，紅色預(yù)警發(fā)布后，如果不及時(shí)采取安全控制措施，最終將會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生。

圖5 4級(jí)預(yù)警流程示意圖Figure 5 Schematic diagram of four-level early-warning process

3.2 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系

風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系的建立依賴于在超高層建筑施工過(guò)程中可獲取的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

對(duì)于人員風(fēng)險(xiǎn)因素，基于現(xiàn)有技術(shù)條件僅可由管理人員采用觀察判斷或打分等手段定性地獲得一些指標(biāo)，如施工人員素質(zhì)、人員健康狀態(tài)等情況。采用單一的人員風(fēng)險(xiǎn)度量指標(biāo)Rh作為人員預(yù)警指標(biāo)，由項(xiàng)目管理人員根據(jù)分級(jí)準(zhǔn)則直接給出紅、橙、黃、藍(lán)的判定值。

對(duì)于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素，可獲取的指標(biāo)主要是施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)速、溫度、雨雪狀態(tài)等。采用單一的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)度量指標(biāo)Re作為環(huán)境預(yù)警指標(biāo)，由項(xiàng)目管理人員根據(jù)實(shí)測(cè)的風(fēng)速、溫度等基于分級(jí)準(zhǔn)則直接給出紅、橙、黃、藍(lán)的判定值。設(shè)置環(huán)境熔斷指標(biāo)Fe，針對(duì)突發(fā)自然災(zāi)害如果發(fā)生則直接觸發(fā)紅色預(yù)警，采用布爾變量(0/1)表征。

對(duì)于裝備風(fēng)險(xiǎn)因素，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)可獲得較多指標(biāo)，表1中列出了整體鋼平臺(tái)上的監(jiān)測(cè)指標(biāo)及采用的傳感器類型。由表1可知，整體鋼平臺(tái)裝備的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括變形、受力和運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)。裝備運(yùn)行狀態(tài)是一票否決式的熔斷指標(biāo)，需設(shè)置裝備熔斷指標(biāo)Fm，如果動(dòng)力裝置存在異常，則直接觸發(fā)紅色預(yù)警。由此，建立包含6個(gè)指標(biāo)在內(nèi)的超高層建筑施工預(yù)警指標(biāo)體系，見(jiàn)表2。

表1 整體鋼平臺(tái)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及傳感器類型Table 1 Monitoring indexes and sensor selection of integrated steel platform

表2 施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系Table 2 Early-warning index system of construction risk

4 施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法

4.1 人員、環(huán)境指標(biāo)分級(jí)準(zhǔn)則

人員指標(biāo)Rh的4級(jí)預(yù)警值由項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)管理人員基于對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)所有人員專業(yè)素質(zhì)和身心狀態(tài)的了解及觀察，結(jié)合項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn),并根據(jù)表3中提供的定性評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的所有人員進(jìn)行統(tǒng)一打分，直接給出定性判定結(jié)果。

表3 人員狀態(tài)定性評(píng)判準(zhǔn)則Table 3 Qualitative evaluation criteria for personnel status

一般環(huán)境指標(biāo)Re的4級(jí)預(yù)警值應(yīng)遵循《超高層建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制標(biāo)準(zhǔn)》[15]的規(guī)定，指標(biāo)分級(jí)準(zhǔn)則見(jiàn)表4。取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)速、溫度等指標(biāo)落入的最惡劣預(yù)警區(qū)間作為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)值：

表4 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)4級(jí)預(yù)警值劃分準(zhǔn)則Table 4 Standard of four-level early-warning values of environment risk indexes

Re=max{Re,風(fēng)速,Re，高溫,Re，低溫}。

(1)

其中，指標(biāo)的比較規(guī)則為：紅>橙>黃>藍(lán)>不預(yù)警。

環(huán)境熔斷指標(biāo)Fe無(wú)須分級(jí)，由項(xiàng)目管理人員根據(jù)實(shí)際情況直接給出取值。

4.2 裝備預(yù)警指標(biāo)分級(jí)準(zhǔn)則

裝備變形指標(biāo)δ、受力指標(biāo)σ的4級(jí)預(yù)警值需通過(guò)裝備結(jié)構(gòu)有限元分析獲得。

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度確定藍(lán)色預(yù)警值{δ1，σ1}。未達(dá)藍(lán)色預(yù)警時(shí)，裝備結(jié)構(gòu)上任意構(gòu)件任意位置的應(yīng)力均未超過(guò)材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度，應(yīng)滿足式(2)的強(qiáng)度及穩(wěn)定條件，可得到變形指標(biāo)和受力指標(biāo)的確定準(zhǔn)則。

(2)

式中：σ為裝備結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的最大內(nèi)力；σd為設(shè)計(jì)強(qiáng)度；R為工作抗力；S為不同荷載作用；K為實(shí)際穩(wěn)定安全系數(shù)；[K]為設(shè)計(jì)容許安全系數(shù)。

(2)根據(jù)彈性極限強(qiáng)度確定黃色預(yù)警值{δ2，σ2}。處于已達(dá)藍(lán)色預(yù)警且未達(dá)黃色預(yù)警狀態(tài)時(shí)，裝備結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件的最大應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)材料彈性比例極限，少數(shù)構(gòu)件處于輕微的塑性變形狀態(tài)，應(yīng)滿足式(3)的強(qiáng)度及穩(wěn)定條件，可得到指標(biāo)確定準(zhǔn)則。

(3)

式中：σe為整體鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)的材料彈性極限強(qiáng)度；Ke為彈性極限狀態(tài)的容許安全系數(shù)。

(3)根據(jù)塑性極限強(qiáng)度確定橙色預(yù)警值{δ3，σ3}。當(dāng)處于已達(dá)黃色預(yù)警且未達(dá)橙色預(yù)警狀態(tài)時(shí)，裝備結(jié)構(gòu)上部分構(gòu)件發(fā)生屈服并出現(xiàn)一定程度的塑性變形，部分構(gòu)件可能出現(xiàn)輕微裂縫或損傷，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性特性。取構(gòu)件最大塑性應(yīng)變與塑性極限應(yīng)變的比值kb作為控制量，應(yīng)滿足式(4)的強(qiáng)度及穩(wěn)定條件，可得到指標(biāo)確定準(zhǔn)則。

{δ3,σ3}=f(σ≤σb,max(kb)≤1,R≥S)。

(4)

式中：σb為整體鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)的材料塑性極限強(qiáng)度。

(4)根據(jù)有限元計(jì)算獲得紅色預(yù)警值。當(dāng)處于已達(dá)橙色預(yù)警狀態(tài)時(shí)，裝備結(jié)構(gòu)的變形從構(gòu)件的塑性變形發(fā)展為裝備結(jié)構(gòu)的幾何非線性變形，整體變形量急劇增大，呈現(xiàn)大變形狀態(tài)，當(dāng)荷載增加至破壞極限時(shí)，喪失承載力，結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞。需根據(jù)裝備承力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，基于導(dǎo)致裝備整體失穩(wěn)的最不利結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)相應(yīng)的有限元模型計(jì)算獲得這一級(jí)的變形、受力預(yù)警值。

裝備熔斷指標(biāo)Fm的取值由裝備機(jī)械動(dòng)力控制系統(tǒng)自動(dòng)獲得。

4.3 考慮風(fēng)險(xiǎn)因素耦合的指標(biāo)折減方法

采用對(duì)裝備定量指標(biāo)取值進(jìn)行折減的方法，考慮人員、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素耦合對(duì)整體鋼平臺(tái)裝備結(jié)構(gòu)的影響，將人員、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素歸一為折減系數(shù)k，對(duì)裝備變形和受力指標(biāo)預(yù)警值進(jìn)行折減。折減后的整體鋼平臺(tái)裝備4級(jí)變形和受力指標(biāo)預(yù)警表達(dá)式為

(5)

式中：n=1，2，3，4表示4級(jí)預(yù)警值。

折減系數(shù)k的取值通過(guò)裝備結(jié)構(gòu)有限元分析獲得，將不同等級(jí)的人員因素和環(huán)境因素?fù)Q算為不同的荷載及邊界條件，通過(guò)對(duì)比不同條件下的計(jì)算結(jié)果確定折減系數(shù)的取值表。將獲得的裝備變形、受力指標(biāo)監(jiān)測(cè)值與折減后的預(yù)警值進(jìn)行對(duì)比，可獲得反映裝備整體風(fēng)險(xiǎn)狀況的裝備指標(biāo)Rm的取值，根據(jù)式(6)可獲得最終的系統(tǒng)預(yù)警指標(biāo)R的取值，以此為預(yù)警發(fā)布的依據(jù)。

R=max{Rh,Rm,Fm,Re,Fe}。

(6)

采用預(yù)警指標(biāo)折減的方法體現(xiàn)多因素耦合對(duì)預(yù)警指標(biāo)的影響，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法流程如圖6所示。在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警過(guò)程中采用時(shí)間步的形式進(jìn)行循環(huán)，時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)項(xiàng)目情況設(shè)定。

圖6 采用指標(biāo)折減的施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法Figure 6 Early-warning method with index reduction for construction risk

5 案例分析

上海市浦東新區(qū)張江科學(xué)之門東塔超高層項(xiàng)目地上60層，建筑高度320 m。

5.1 整體鋼平臺(tái)裝備的極限狀態(tài)

該項(xiàng)目核心筒南側(cè)剪力墻在第45～49層向內(nèi)側(cè)傾斜，共向內(nèi)收分約2.8 m，如圖7所示。在第49層施工完成后，鋼平臺(tái)系統(tǒng)外伸形成5.75 m的懸挑段，斜墻段結(jié)束后進(jìn)行動(dòng)態(tài)提升的狀態(tài)是整體鋼平臺(tái)裝備的極限狀態(tài)。針對(duì)極限狀態(tài)條件下的裝備結(jié)構(gòu)特性，建立有限元模型進(jìn)行分析。

圖7 整體鋼平臺(tái)裝備的極限狀態(tài)(m)Figure 7 Limit state of integrated scaffolding and formwork equipment with steel platform(m)

5.2 裝備結(jié)構(gòu)變形指標(biāo)預(yù)警值

建立裝備結(jié)構(gòu)有限元模型，分析變形與受力狀態(tài)，在設(shè)計(jì)恒載、活載組合(共5 697.3 kN)作用下，最大變形發(fā)生在頂部北側(cè)角部，約為4.59 mm，如圖8(a)所示，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為55.94 MPa，如圖8(b)所示。上述裝備變形、受力計(jì)算值不能直接取為指標(biāo)預(yù)警值。

圖8 整體鋼平臺(tái)裝備結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Figure 8 Structural analysis results of integrated steel platform equipment

由于缺少對(duì)裝備結(jié)構(gòu)中約束構(gòu)件的實(shí)勘信息，本案例僅需確定裝備變形預(yù)警指標(biāo)的取值，計(jì)算獲得裝備變形指標(biāo)預(yù)警值：δ1=7.5 mm，δ2=15.8 mm，δ3=36.9 mm，δ4=102.3 mm。

5.3 考慮耦合的預(yù)警指標(biāo)折減系數(shù)

簡(jiǎn)化人員因素、環(huán)境因素的耦合影響，分別按4級(jí)人員因素導(dǎo)致的附加荷載(2、3、4、5 kPa)和4級(jí)風(fēng)力荷載(0.5、0.83、1.25、2.08 kPa)考慮，對(duì)處于紅色預(yù)警臨界狀態(tài)下的整體鋼平臺(tái)裝備結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析。

圖9為不同組合作用下的裝備最大變形量，取變形指標(biāo)預(yù)警值δ4與計(jì)算變形量的比值為折減系數(shù)k，獲得考慮耦合的預(yù)警指標(biāo)折減系數(shù)，如表5所示。

圖9 不同人員、風(fēng)力荷載組合下裝備最大變形量Figure 9 Maximum deformation of equipment under different combinations of human-caused and wind loads

5.4 施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法

由圖6可知，施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法：①在每個(gè)預(yù)警時(shí)間步中，人員指標(biāo)Rh、環(huán)境指標(biāo)Re均為定性獲得；②對(duì)照表5獲得裝備變形指標(biāo)4級(jí)預(yù)警值的折減值，根據(jù)裝備變形監(jiān)測(cè)值判定裝備指標(biāo)Rm的取值，獲得裝備指標(biāo)取值；③根據(jù)式(6)獲得整個(gè)超高層建筑施工人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)預(yù)警指標(biāo)R的取值，并確定項(xiàng)目預(yù)警狀態(tài)；④管理人員制定相應(yīng)的安全控制措施；⑤預(yù)警時(shí)間步結(jié)束后，開(kāi)展下一個(gè)預(yù)警時(shí)間步循環(huán)。

表5 預(yù)警指標(biāo)折減系數(shù)Table 5 Reduction coefficient of early-warning index

6 結(jié)論

(1)整體鋼平臺(tái)的承力構(gòu)件是關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，整體鋼平臺(tái)的構(gòu)件變形和受力狀態(tài)是風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系的重要參數(shù)。

(2)建立了包括人員、環(huán)境、裝備和熔斷指標(biāo)在內(nèi)的施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系，提出各指標(biāo)的分級(jí)確定準(zhǔn)則。折減系數(shù)k為裝備風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的判定依據(jù)。

(3)建立了施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程，獲得一種施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法。通過(guò)變換風(fēng)險(xiǎn)因素等手段，將預(yù)警方法應(yīng)用于除核心筒結(jié)構(gòu)施工以外的其他施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中，該方法具有可行性。