建筑施工安全事故流變過程

張守健

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

在工程建設(shè)領(lǐng)域，除了應用事故歸因理論原理來預防和控制安全事故，研究人員還根據(jù)工程建設(shè)過程中安全事故的特點，使用安全突變理論、安全流變理論等分析安全事故發(fā)生過程.在突變理論應用研究方面，如根據(jù)大壩系統(tǒng)的勢函數(shù)將其安全事故發(fā)生的臨界點進行分類，利用突變理論研究臨界點附近狀態(tài)變化的特征，描述安全事故的發(fā)生過程，并給出了基于突變理論的系統(tǒng)發(fā)生事故時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力失穩(wěn)問題對應的突變模型的平衡方程，為預防塌方等安全事故提供理論依據(jù).在流變理論應用研究方面，自M.Reiner［3］建立結(jié)構(gòu)流變力學模型或理論流變力學模型以來，更多的是對安全事故或災害的流變過程的研究，揭示安全事故或災害的流變發(fā)展規(guī)律.如對淤泥質(zhì)軟土在動態(tài)載荷作用下，通過理論分析和測試，建立了黏彈塑性流變力學模型［4］，并推導了新的流變方程和動態(tài)黏彈性流變參數(shù)，探索軟土加速流變并導致巖土地質(zhì)災害的動力學機制［5-6］.通過對巖石彈黏塑性流變試驗，建立了不同壓力下的非線性流變模型等［7-8］.隨著對各類安全事故的突變過程或流變過程的研究，又出現(xiàn)了系統(tǒng)安全突變-流變理論［9］，這一理論認為安全事故是由流變轉(zhuǎn)化為突變的系統(tǒng)過程.上述研究對揭示各類安全事故的發(fā)生機理提出了有針對性的過程變化規(guī)律和模型，為安全事故的預防與控制提供了理論依據(jù).但是，這些理論和模型所針對的對象多是單一的，即只是針對某一類事故進行研究，并且研究對象的安全環(huán)境變化很小.對于建筑施工過程來說，其各個工序作業(yè)相對穩(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)境對建筑施工的影響較大，此時安全事故的發(fā)展過程變得更加復雜.

本文針對建筑施工的特點和工序的施工作業(yè)特性，基于安全流變理論原理，考慮多工序交叉作業(yè)的實際和外部環(huán)境的變化，研究建筑施工安全事故的流變過程和變化規(guī)律，為預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)展過程中安全與不安全要素的矛盾運動過程，其決定了事物發(fā)展的各個階段的安全狀態(tài)與故障狀態(tài)，甚至消亡狀態(tài).安全流變的全過程可表達為:在某一新系統(tǒng)誕生的初期，其不安全度隨時間呈減速遞增，新秩序在此期間逐漸形成和完善.當新秩序發(fā)展到成熟階段時，完善的新秩序使不安全度值開始勻速緩慢地增加.經(jīng)過一個穩(wěn)定增加的時期后，原秩序繼續(xù)向無序方向發(fā)展，進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)突變時的不安全度值即是該事物的臨界不安全度.因此，當不安全度加速增大到此臨界不安全度值時，事物的破壞開始發(fā)生并持續(xù)一定時間.當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同類新生事物誕生的起點.

建筑施工安全事故是在建設(shè)工程施工過程中突然發(fā)生的、迫使施工作業(yè)過程暫時或永遠終止的一種意外事件.這種意外事件的形成過程是作業(yè)活動、不安全因素、不安全事件、安全管理活動系統(tǒng)相互作用的結(jié)果.建筑施工過程中，安全事故的形成過程是多個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))，其隨時間動態(tài)變化，這一動態(tài)過程符合安全流變過程原理.

2 建筑施工安全事故流變模式分析

建筑施工過程中安全事故的表現(xiàn)形式是多樣的，如高墜、火災、觸電等多種事故形式.每個安全事故的發(fā)生即是確定的，又具有偶然性.因此，在建筑施工過程中，其安全事故的流變是多流變模式，但針對一起安全事故的流變過程是單流變模式.

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:流變強度是指安全事故流變過程中，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，橫坐標表示時間，用t表示.縱坐標表示流變強度，用U表示，0≤U≤1.OE表示一個安全事故形成的完成過程.建筑施工安全事故的單流變模式可以分為啟動階段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，使流變強度U增加.在某一施工工序處于穩(wěn)定狀態(tài)時，流變過程達到穩(wěn)定的狀態(tài)點A，即流變強度為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)律具有隨機性，即因為不安全因素的存在才可能發(fā)生不安全事件，但不是這些不安全因素都會時時表現(xiàn)為不安全事件.針對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)過程的流變強度降低，達到U1.隨著施工作業(yè)過程的展開，一些不安全因素出現(xiàn)新的擾動，使流變強度不斷波動，達到U3，h表示震蕩幅度，這一過程屬振蕩階段.一般情況下，安全流變模式長時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積累到了一定的程度，使施工作業(yè)過程的流變強度突然急劇增加，達到最高水平U4，U4=1.此時不安全事件序列發(fā)生的可能性迅速增加，流變過程立即進入下一階段.

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階段，表現(xiàn)為施工作業(yè)過程遭到破壞，正常施工作業(yè)進入停止狀態(tài)并回到最初的穩(wěn)定狀態(tài).安全流變強度從U4降低到O點，返回初始狀態(tài).

2.2 安全事故的多流變模式

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

形成每個安全事故的不安全事件序列具有獨立性，但是其中的某一個或多個不安全事件可能同時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單疊加.對于建筑施工安全管理的主體，其安全管理的對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)啟動階段OA'的流變強度增長更快，相對于單流變模式，安全事故發(fā)生的幾率更高.

2)在震蕩階段A'B'過程中，其流變強度更高，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度更快達到1，發(fā)生安全事故.

4)在后效階段DE'過程中，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，進入新的、流變強度相對較高的流變過程.

5)多流變模式下，當流變過程只有1個時，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)展過程看，若建筑施工安全事故發(fā)生，應立即停止同一階段的全部施工作業(yè)活動，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度.

3 流變強度分析

流變強度的大小直接關(guān)系到安全事故發(fā)生的可能性.對其進行度量對預防安全事故的發(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，通過故障事件在一定條件下的邏輯推理，表示導致安全事故的各種因素之間的因果及邏輯關(guān)系［10］.FTA方法的計算過程和手段已經(jīng)較為成熟［11-12］.建筑施工安全事故流變強度變化的根本原因是施工作業(yè)過程中不安全事件序列內(nèi)各個事件的邏輯發(fā)生狀況，因此，可用FTA方法來表達流變強度.因為安全事故流變過程中流變強度是動態(tài)變化的，本文以建筑施工某一階段各工序施工作業(yè)正常進行為對象(即流變模式的震蕩階段)，計算其流變強度.

3.1 單流變模式下的流變強度計算

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度為

即對于單流變模式來說，流變強度為構(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度計算

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

Ui為第i類安全事故的單流變強度，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 流變強度的敏感性分析

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

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不安全事件序列結(jié)構(gòu)構(gòu)成上分析某個不安全事件對流變強度的敏感性時，該不安全事件xj對流變強度的結(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)的計算［13］如下

［φi(1j，X)-φi(0j，X)］為與不安全事件xi對照的臨界割集.

計算全部不安全事件的結(jié)構(gòu)敏感度Y(xj)，可以實現(xiàn)Y(xj)的排序.Y(xj)越大，對流變強度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U的概率敏感性

將式(3)代入上式得

計算不安全事件xij的概率敏感性G(xij)，可實現(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)的變化對流變強度U的波動影響越大.

從上述流變強度的敏感性分析可知，在建筑施工過程中，某些不安全事件對安全事故的發(fā)生與否影響較大.通過對施工作業(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度，提高建筑施工安全管理效率.

4 結(jié)語

建筑施工安全事故是以突變形式發(fā)生的，但其發(fā)展過程符合流變過程理論.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程，為預防和控制施工作業(yè)過程中安全事故的發(fā)生提供理論依據(jù).針對安全事故的流變模式，利用故障樹分析方法基本原理，給出了流變強度的計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程的相關(guān)分析理論和方法，但是對流變過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)生的安全事故進行邏輯推理得到，如何認知各個施工作業(yè)階段的全部不安全事件序列，將是下一步研究的重點.

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