黃鶯 姚思夢 瑚珊

(1.西安建筑科技大學土木工程學院 西安 710055;2.西安建筑科技大學資源工程學院 西安 710055)

0 引言

腳手架是為方便施工活動的順利進行和安全操作而搭設的一種臨時設施。腳手架的安全性不僅關(guān)系到建筑物本身的安全性，更關(guān)系到操作工人的人身安全。在建筑施工過程中，腳手架發(fā)生事故的可能性較高，且事故較大，影響范圍廣，會造成大量人員傷亡和經(jīng)濟損失，給社會帶來非常惡劣的影響。

近年來，許多研究人員對影響建筑施工腳手架安全的風險因素進行了分析和評價研究。GATTI U C等[1]分析腳手架坍塌事故的內(nèi)部因素是由于設計不滿足要求和施工過程中的不穩(wěn)定因素，外部因素是不確定的外部環(huán)境誘發(fā)腳手架坍塌。杜榮軍[2]將腳手架坍塌事故的原因歸結(jié)為腳手架的設計荷載低于工程應用中的實際荷載，并給出腳手架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載能力的影響因素。陳述等[3]分析研究了腳手架施工過程中的危險因素，對其發(fā)生事故的可能性進行了計算。張孟春等[4]對腳手架施工過程中高空拋物和不系安全帶的風險進行了評估，并依據(jù)統(tǒng)計學方法分析了腳手架作業(yè)風險評估結(jié)果。李寧一等[5]和楊飛等[6]對腳手架作業(yè)中的人員意識、現(xiàn)場實際、材料應用等進行了現(xiàn)場調(diào)研，依據(jù)調(diào)研結(jié)果給出了可能使腳手架坍塌的內(nèi)外原因。袁雪霞等[7]通過現(xiàn)場調(diào)研和問卷調(diào)查，對鋼管腳手架施工因素評價指標進行賦權(quán)，建立了施工腳手架安全評價體系。王旭峰等[8]使用模糊數(shù)學法對影響腳手架綜合安全性能的風險因素進行了分析評價。通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，我國現(xiàn)階段腳手架安全評估主要還是采用灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊評價法等，這些方法存在對指標分析不明確和各因素影響關(guān)系分析不確定等問題?？赏貙W能解決指標間的交叉不相容問題，因此在腳手架安全評估中使用該方法具有現(xiàn)實意義[9-10]。本文使用可拓學理論對腳手架施工安全風險進行評價，擬為今后建筑施工腳手架工程安全管理評價提供參考和借鑒。

1 腳手架施工風險評價指標選取

由于不同建筑物具有不同的腳手架施工方案，加之腳手架獨特的室外施工條件、復雜的力學機制等，要建立適合的評價指標體系，不僅要考慮腳手架本身的因素，而且要考慮設計技術(shù)、現(xiàn)場管理等因素，同時遵照《建筑施工扣件式鋼管腳手架施工安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 130—2011)，結(jié)合腳手架事故統(tǒng)計分析情況，本文選取從設計到管理的具有代表性的5個一級指標和18個二級指標構(gòu)成評價體系，如表1所示。

表1 腳手架施工安全風險評價體系

1.1 構(gòu)造設計與環(huán)境因素

不同地區(qū)的地理環(huán)境、風量大小、雨雪情況等都不相同，腳手架的構(gòu)造設計也各不相同。在設計階段，主要選取立桿間距和步距、剪刀撐的設置、橫縱間距不合理、掃地桿的設置等因素作為二級指標。立桿間距包括立桿橫距和立桿縱距，縱、橫向水平桿和立桿共同組成了腳手架框架體系，以保證整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。立桿橫距一般在1.0 m左右，步距一般在1.5～1.8 m。剪刀撐是確保腳手架縱向變形在允許范圍內(nèi)的重要構(gòu)造措施，在腳手架體系中合理設置剪刀撐，能顯著加強腳手架結(jié)構(gòu)的整體剛度和空間作用，將整個結(jié)構(gòu)縱向平面連成幾何不變體系，從而保證整個架體的穩(wěn)定性，同時還能提高立桿的穩(wěn)定承載力。

1.2 材料質(zhì)量

鋼管與扣件是腳手架的重要組成部分，腳手板、安全網(wǎng)等是腳手架的重要防護設施，因此從工廠采購時需要查驗產(chǎn)品合格證書、產(chǎn)品生產(chǎn)許可證和進廠檢驗證明，保障材料質(zhì)量合格，同時保證倉庫規(guī)范保管。在腳手架使用過程中，不可避免會出現(xiàn)由于人的行走、與其他工具的摩擦等造成的磨損，需根據(jù)磨損情況及時修補，達到報廢程度的及時換新，確保腳手架的安全性。

1.3 人的因素

人是腳手架設計、搭建、施工、拆除、作業(yè)的主體，已有研究表明：約90%的工業(yè)事故與人的因素有關(guān)，人的不安全行為是所有安全事故的最根本原因[11]。人的脆弱性使其選擇性接受行為信念，進而對某特定行為的喜愛或不喜愛程度進行評估，這種評估結(jié)果會直接影響個體的行為態(tài)度，進而可能導致安全事故的發(fā)生。例如，懶惰、怕麻煩的個性會使某些建筑工人在施工時討厭佩戴諸如安全帽、安全眼鏡等安全防護工具；看到同伴在違背安全生產(chǎn)規(guī)范但并未受到相應懲罰或指責時，個人對遵循此規(guī)范的意愿將隨之減弱。因此，對人的行為加以約束十分必要。

1.4 現(xiàn)場安全管理

安全管理必須符合“安全第一、預防為主、綜合治理”的原則，從施工初期就應充分考慮人力和物力，對各種狀況應盡量事前控制，同時也應制定好應急預案，配備好相應的安全設施和設備。對安全人員檢查出的安全隱患應及時整頓，并對安全情況進行進一步查看和記錄。

2 確定指標權(quán)重

2.1 AHP法確定權(quán)重

AHP法是對各級指標因素進行兩兩定量比較，用1～9 標度法構(gòu)建判斷矩陣，確定權(quán)重，如表2所示。計算最大特征值、一致性指標(CI)、一致性比率(CR)，并進行一致性檢驗，若CR<0.1，則通過檢驗。

表2 AHP法標度及含義

2.2 熵權(quán)法確定權(quán)重

熵權(quán)法也稱為客觀加權(quán)法，其使用熵值可反映各指標的信息量，以確定各指標的熵量[12]。

(1)在AHP法構(gòu)造的判斷矩陣的基礎(chǔ)上，對其歸一化處理得矩陣B=(bij)m×n。

(1)

(2)計算熵值，按傳統(tǒng)的定義計算：

(2)

(3)計算熵權(quán)：

(3)

2.3 綜合權(quán)重計算

為使AHP法和熵權(quán)法的組合權(quán)重更具科學性，本文使用拉格朗日算子計算各指標的組合權(quán)重：

(4)

式中，Gi為AHP法得到的權(quán)重；Wi為熵權(quán)法得到的權(quán)重；ωi為組合權(quán)重。

3 腳手架安全可拓綜合評價模型構(gòu)建

3.1 可拓理論

可拓學是將物元、特征和量值的關(guān)系及其變化過程形式化，并導入物元理論與可拓集合理論，對實際物體與量值之間的關(guān)系及其變化進行深入研究，根據(jù)關(guān)聯(lián)性判定要素進行評價，可更直觀地反映客觀事物的變化過程[13-14]。影響腳手架安全性的因素較多，物元分析可以根據(jù)評價對象的真實狀態(tài)進行打分，通過定量分析更準確地對其評價。

假設有事物N，其特征用C表示，對應的量值用V表示，那么R=(N，C，V)就表示事物的基本物元。在腳手架安全因素可拓評價中，N代表腳手架安全評價，C代表評價指標，V代表評價指標的量值，通過關(guān)聯(lián)度函數(shù)計算出各等級之間的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度小表示屬于該等級的程度小。

3.2 評價流程

(1)經(jīng)典域的確定。所評估對象的經(jīng)典域和節(jié)域分別為：

(5)

式中，Nj為安全評價等級；C為評價的特征；Vj為相應特征的取值區(qū)間。

(2)值域的確定。

(6)

式中，N為安全評價等級域；C為評價指標集合；Vp為評價指標量值的范圍。

(3)評價物元的確定。評價對象的全體構(gòu)成稱為評價物元，其公式為：

(7)

式中，Pk為某待評價對象；Vkn為cn的量值。

(4)確定關(guān)聯(lián)函數(shù)。

a.二級關(guān)聯(lián)度的確定。為準確描述物元的特征，將其定義為點到有限區(qū)間的距離，公式為:

(8)

(9)

二級關(guān)聯(lián)度關(guān)聯(lián)函數(shù)Kj(xi)定義為:

(10)

b.一級關(guān)聯(lián)度的確定。通過計算每個一級指標中包括的所有二級指標的關(guān)聯(lián)度，可以實現(xiàn)對一級指標的評估。計算評估對象等級j的關(guān)聯(lián)度公式為:

(11)

(5)確定安全等級。遵循隸屬度最大原則，腳手架安全評價等級結(jié)果根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度確定，如式(12)所示，具體判斷如表3所示。

表3 安全等級說明

Kj(N)=Kj(Nj)max

(12)

本文按照專家意見將腳手架安全評價等級分為四級，如表4所示。

表4 安全評價等級量化范圍

4 實例應用

以西安市某工程腳手架的施工安全風險因素為研究對象，應用文中構(gòu)建的腳手架安全評價指標體系及AHP-熵權(quán)可拓物元模型進行評價。該工程的總建筑面積為127 031 m2，地上部分為5層，建設總高度為56.5 m。一層面積最大，二層以上外輪廓變化較小，看臺部分輪廓逐層內(nèi)收。根據(jù)結(jié)構(gòu)輪廓，外腳手架選用雙排落地腳手架，在一層外圈和二層外平臺處布置外腳手架。五層外圍用懸挑架做外防護及操作架。邀請該工程的項目工程師、安全管理人員共10人按百分制進行打分，去掉最高分和最低分，取剩余平均值作為最終分值。

4.1 組合賦權(quán)確定權(quán)重

4.1.1 AHP法的權(quán)重確定

依據(jù)構(gòu)建的腳手架安全評價指標體系及專家評分，運用MATLAB軟件分析AHP法的判斷矩陣，計算出最大特征值、CI、CR，0

4.1.2 熵權(quán)法確定權(quán)重

根據(jù)AHP法得到的判斷矩陣，依據(jù)式(1)～式(3)得到各評價熵權(quán)，依據(jù)式(4)得到組合權(quán)重，如表5所示。

表5 評價體系權(quán)重及得分

4.2 可拓綜合評價

4.2.1 經(jīng)典域和節(jié)域的建立

結(jié)合上述對安全等級的劃分，以材料質(zhì)量方面的因素U2為例，由式(5)～式(7)確定其經(jīng)典域、節(jié)域、待評價物元為：

4.2.2 關(guān)聯(lián)度計算

根據(jù)關(guān)聯(lián)度計算式(8)～式(10)得到的計算結(jié)果如表6、表7所示。

表6 第二層風險關(guān)聯(lián)度

表7 首層風險關(guān)聯(lián)度

4.3 確定腳手架安全評價等級

由式(11)～式(12)可知，Kmax=K2=0.002 9，因此可以確定該腳手架安全評價等級為Ⅱ級。通過分析一級指標中的關(guān)聯(lián)度可知，材料質(zhì)量、現(xiàn)場安全管理、人的因素相對薄弱，屬于可接受范圍，但存在進一步加強管理的空間，建議繼續(xù)加強管理。對二級指標分析可知，管理人員在管理過程中未及時消除安全隱患、工人在作業(yè)過程中存在甩拋物料等行為，建議管理者加強管理，實行獎懲機制，督促員工在建設過程中遵守安全條例，減少人的不安全行為。

5 結(jié)論

(1)目前建筑施工腳手架安全事故頻發(fā)，對腳手架進行安全評估是保證腳手架安全的重要環(huán)節(jié)，結(jié)合腳手架獨特的結(jié)構(gòu)特點，建立腳手架安全評價指標體系。

(2)利用拉格朗日算子綜合AHP和熵權(quán)得到綜合權(quán)重，克服了單一權(quán)重系數(shù)的局限性，使可拓安全評價更加客觀準確。

(3)將可拓學理論引入腳手架施工安全風險評價中，對各評價指標進行定性分析，利用關(guān)聯(lián)函數(shù)定量表示評價物元的關(guān)聯(lián)度，進一步得出腳手架安全管理過程中的薄弱環(huán)節(jié)。通過實踐研究得到的結(jié)果與真實情況較為相符，表明該評價模型具有實用性，可為腳手架安全管理和評價提供一定的參考和借鑒。