城市軌道交通U型梁的施工風(fēng)險(xiǎn)和成本控制*

皮景坤

城市軌道交通U型梁的施工風(fēng)險(xiǎn)和成本控制*

皮景坤

（鄭州市軌道交通有限公司，450000，鄭州//高級(jí)工程師）

作為新型的橋梁上部結(jié)構(gòu)，U型梁因其低成本、低噪音以及低風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)正逐步代替原有的傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)。U型梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受施工條件限制等各種不確定因素的影響，施工過程中難免會(huì)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故，給施工成本造成不利影響。利用模糊故障樹分析方法，提出了U型梁施工風(fēng)險(xiǎn)事故模糊成本重要度指標(biāo)，利用該指標(biāo)衡量U型梁施工過程中各風(fēng)險(xiǎn)對(duì)施工總成本的貢獻(xiàn)大小。將最小割集中底層事件的發(fā)生概率看作梯形模糊數(shù)，給出了梯形模糊數(shù)相乘的精確算法，利用該方法求出了U型梁施工的模糊成本重要度。最后通過實(shí)例分析驗(yàn)證了本方法的有效性。

城市軌道交通；U型梁；施工風(fēng)險(xiǎn)；故障樹；施工成本；模糊成本重要度

在城市軌道交通中，U型梁與傳統(tǒng)的T型梁和箱型梁相比，具有斷面利用率高、外觀優(yōu)美、造價(jià)低以及能夠有效地降低噪聲等優(yōu)點(diǎn)［1］。U型梁結(jié)構(gòu)特殊、受力復(fù)雜，目前尚無成熟、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靜壓可供借鑒［2］。文獻(xiàn)［3］通過某城市軌道交通1號(hào)線U型梁靜載試驗(yàn)，測(cè)試了結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的受力性能。文獻(xiàn)［4］結(jié)合南京至高淳城際快速軌道TA03標(biāo)段U型梁的提運(yùn)架施工，闡述了提運(yùn)架組織設(shè)備的選型和配置，以及提運(yùn)架施工工藝中的技術(shù)難題。文獻(xiàn)［5］探討了城市軌道交通U型梁車橋系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，采用線性化輪軌模型建立了31個(gè)自由度的輪軌車輛動(dòng)力學(xué)模型。

目前，已有一些關(guān)于梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)研究成果。文獻(xiàn)［6］利用層次分析法提出了基于層次分析法-灰色系統(tǒng)理論-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-有限元分析-蒙特卡羅理論的定性及定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法，并將其應(yīng)用于某大跨單索面公路軌道兩用鋼桁梁斜拉橋。文獻(xiàn)［7］結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的工程實(shí)例，研究了懸臂施工的連續(xù)梁橋施工過程的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別，闡述了風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的基本原理與模糊層次分析的基本概念。文獻(xiàn)［8］按照橋梁設(shè)計(jì)的基本生命周期進(jìn)行了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)劃分，提出橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)；且基于層次分析法（AHP），結(jié)合專家打分建立了各指標(biāo)的權(quán)重；再利用模糊綜合評(píng)價(jià)法（FCE）建立了模糊評(píng)價(jià)集，并利用Zadeh算子對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)概率和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)損失進(jìn)行了計(jì)算，進(jìn)而根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣得到橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)水平。文獻(xiàn)［9］利用有限元軟件建立了體外預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁模型，分析轉(zhuǎn)向塊個(gè)數(shù)、預(yù)應(yīng)力筋的錨固高度、有效預(yù)應(yīng)力度、體外索截面積以及梁體混凝土強(qiáng)度等因素對(duì)體外預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁極限承載力的影響。

本文利用模糊故障樹分析方法，提出了U型梁施工風(fēng)險(xiǎn)事故的模糊成本的重要度指標(biāo)，利用該指標(biāo)衡量U型梁施工過程中各風(fēng)險(xiǎn)對(duì)施工總成本的貢獻(xiàn)大小。將最小割集中底層事件的發(fā)生概率看作梯形模糊數(shù)，給出了梯形模糊數(shù)相乘的精確算法，且利用該方法求出了U型梁施工的模糊成本重要度。最后通過實(shí)例分析驗(yàn)證了本方法的有效性。

1 U型梁的模糊故障樹研究方法

由于U型梁是新型的城市軌道梁型式，其研究資料較為匱乏。因此，在施工過程中不可避免地存在著施工風(fēng)險(xiǎn)。找出對(duì)施工成本造成較大損失的風(fēng)險(xiǎn)因素，從而制定出相應(yīng)的辦法避免這些因素的發(fā)生顯得尤為重要。

假設(shè)在某個(gè)U型梁施工過程中，易出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素為N個(gè)。為便于研究，將風(fēng)險(xiǎn)因素記為f1～fN。在研究U型梁的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，假設(shè)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素相互獨(dú)立。由模糊數(shù)序理論可知，U型梁施工的故障樹可看成最小割集單元的故障樹，如圖1所示。

圖1 U型梁施工的模糊故障樹

U型梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的頂層事件概率的計(jì)算公式為：

式中：

pj——第j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率；

pj，n——第j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素不發(fā)生的概率。

傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法將pj和pj，n看作精確的數(shù)值。然而在實(shí)際工程中，受到各種不確定因素的影響，底層事件fN的概率往往是不確定的。正確的研究方法是將事故樹的底層事件看作模糊事件，底層事件發(fā)生的概率用模糊數(shù)表示。這樣頂層事件A變成模糊事件，記為AF。本文采用常用的梯形模糊數(shù)來表征底層事件發(fā)生的概率。梯形模糊數(shù)的隸屬函數(shù)如圖2所示。由圖2可知，AF=（m1+a，m1，m2， m+b）。 其中，m1、 m2分別為隸屬值為“1”時(shí)隸屬函數(shù)定義域的最小值和最大值；a為左連續(xù)增函數(shù)的定義域區(qū)別長(zhǎng)度；b為右連續(xù)減函數(shù)的定義域區(qū)間長(zhǎng)度。

圖2 梯形模糊數(shù)的隸屬函數(shù)曲線

底層事件發(fā)生的概率對(duì)頂層事件發(fā)生概率的“貢獻(xiàn)度”對(duì)模糊故障樹的研究起著至關(guān)重要的作用，常用概率重要度表征。文獻(xiàn)［9］給出了精度較高的中值法計(jì)算概率重要度。文獻(xiàn)［10］對(duì)現(xiàn)有梯形模糊數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，得出該計(jì)算方法誤差較大。

故本文在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的計(jì)算方法。設(shè)有N個(gè)梯形模糊數(shù)，記為：fj=（mj1-aj，mj1，mj2， mj2+b）（j=1～N）。第 j個(gè)模糊數(shù)的隸屬函數(shù)曲線及其λ截集區(qū)間如圖3所示［9-11］。模糊數(shù)AF=（m1+a， m1， m2，m+b）的精確隸屬度通過表現(xiàn)定理的相關(guān)推導(dǎo)求得。表現(xiàn)定理詳見文獻(xiàn)［10］。

圖3 梯形模糊數(shù)的隸屬函數(shù)及其截集區(qū)間示意圖

2 計(jì)算數(shù)據(jù)的獲得

從施工成本的角度出發(fā)，U型梁在施工過程中的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事故對(duì)整個(gè)施工過程的影響因素有2個(gè)。①某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生對(duì)整個(gè)U型梁施工過程發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故的概率影響程度，該因素可用模糊重要度來度量；②某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事故對(duì)整個(gè)施工成本造成損失的大小，該因素可以通過查閱文獻(xiàn)或調(diào)研方法來獲取。綜合以上2個(gè)因素，本文利用U型梁施工過程中模糊成本重要度來衡量某一風(fēng)險(xiǎn)事故的重要程度，計(jì)算公式如下：

式中：

Ij——模糊成本重要度，表示從工程施工成本的角度計(jì)算得到的第j項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的重要程度；

STj——第j項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的模糊重要度；

cj——第j項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后造成的經(jīng)濟(jì)損失比；mTe——底層事件fi全部發(fā)生時(shí)頂層事件A模糊概率的中值；

mTje——底層事件fi有一個(gè)不發(fā)生、其他全部發(fā)生時(shí)頂層事件A模糊概率的中值。

目前，關(guān)于U型梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究資料較少。為獲得每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率與對(duì)工程造成的經(jīng)濟(jì)損失比，本文采用專家調(diào)研法獲得所需要的數(shù)據(jù)。在處理專家調(diào)研法得到的數(shù)據(jù)時(shí)，加權(quán)平均法為最常用、最簡(jiǎn)單的方法之一。加權(quán)平均法是將各個(gè)專家依據(jù)他們的職稱、年齡、學(xué)歷、工齡等設(shè)定一定的級(jí)別，將所有專家的級(jí)別經(jīng)過處理得到每個(gè)專家在數(shù)據(jù)處理時(shí)的計(jì)算權(quán)重，然后對(duì)他們所作出的評(píng)判按照計(jì)算權(quán)重來累加，最后得到待調(diào)查事件相對(duì)精確的結(jié)果。本文采用加權(quán)平均法來處理專家調(diào)查法的數(shù)據(jù)。共對(duì)26名專家進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)研專家組成如表1所示。

表1 調(diào)研專家組成

由表1可知，第r等級(jí)專家計(jì)算權(quán)重為：

最終，由所有專家評(píng)判后經(jīng)過計(jì)算權(quán)重的累加得到第j項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生概率為：

式中：

Pij，r——專家判斷第j項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生概率。

在U型梁施工過程中，施工風(fēng)險(xiǎn)成本調(diào)查以及風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率范圍和經(jīng)濟(jì)損失比范圍分別如表2和表3所示。問卷調(diào)查中，對(duì)表2和表3分別填入相應(yīng)的數(shù)值便可得到風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的綜合評(píng)價(jià)。

表2 U型梁施工風(fēng)險(xiǎn)成本調(diào)查表

表3 U型梁施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率范圍及經(jīng)濟(jì)損失比范圍分類標(biāo)準(zhǔn)

3 實(shí)例分析

本文以鄭州市南四環(huán)—鄭州南站城郊鐵路工程的南四環(huán)站—新鄭機(jī)場(chǎng)站高架橋的U型梁結(jié)構(gòu)為例。該工程采用現(xiàn)澆U型梁結(jié)構(gòu)，由于地形、工程地質(zhì)與水文條件較復(fù)雜，作業(yè)人員的素質(zhì)較低，屬高風(fēng)險(xiǎn)和易發(fā)生安全事故的施工作業(yè)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的長(zhǎng)時(shí)間調(diào)研和專家論證，確認(rèn)以下幾個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事故危險(xiǎn)源：①高處墜落傷害；②物體打擊傷害；③模板脹裂坍塌；④觸電傷害；⑤腳手架（支架）坍塌；⑥機(jī)械傷害。分別記為f1、 f2、 f3、 f4、 f5、 f6。 將這 6項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素作為故障樹的底層事件，每個(gè)事件是相互獨(dú)立的。將所有底事件的發(fā)生概率取為模糊數(shù)，按照式（6）求出各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的模糊成本重要度。將式（1）中的底層時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)概率看著梯形模糊數(shù)。由式（1）經(jīng)過反復(fù)計(jì)算后得到模糊經(jīng)濟(jì)損失比，如表4所示。

在考慮全部風(fēng)險(xiǎn)和分別不考慮f1～f6的7種情況下，所求得頂層事件發(fā)生概率的隸屬函數(shù)曲線、曲線所圍面積及對(duì)應(yīng)的中值hx，如圖4～圖10所示。最后，求得所有6項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的模糊概率重要度、經(jīng)濟(jì)損失比、模糊成本重要度的結(jié)果如表5所示。由表5可知：

（1）綜合考慮某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)U型梁施工過程發(fā)生事故的概率的影響程度和造成的經(jīng)濟(jì)損失，即從模糊成本重要度的角度出發(fā)，最值得重視的一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素為“高處墜落傷害”，其模糊成本重要度指標(biāo)大于0.001 1，且比其他風(fēng)險(xiǎn)要大得多，故其是從成本角度而言值得規(guī)避的風(fēng)險(xiǎn)因素。

表4 所有風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生概率和經(jīng)濟(jì)損失比情況

圖4 考慮全部風(fēng)險(xiǎn)時(shí)頂層事件發(fā)生概率的隸屬函數(shù)曲線

圖5 不考慮物體打擊傷害時(shí)頂層事件發(fā)生概率的隸屬函數(shù)曲線

圖6 不考慮觸電傷害時(shí)頂層事件發(fā)生概率的隸屬函數(shù)曲線

圖7 不考慮高處墜落傷害時(shí)頂層事件發(fā)生概率的隸屬函數(shù)曲線

圖8 不考慮模板脹裂坍塌時(shí)頂層事件發(fā)生概率的隸屬函數(shù)曲線

圖9 不考慮機(jī)械傷害時(shí)頂層事件發(fā)生概率的隸屬函數(shù)曲線

圖10 不考慮腳手架（支架）坍塌時(shí)頂層事件發(fā)生概率的隸屬函數(shù)曲線

（2）諸如“物體打擊傷害”和“機(jī)械傷害”此類的風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊概率重要度均較低，但因?yàn)榻?jīng)濟(jì)損失比的均值非常大，使得模糊成本重要度的排名也很靠前。

（3）雖然“腳手架（支架）坍塌”這一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素可通過投保的方式來規(guī)避，但“腳手架（支架）坍塌”這一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素，單純采用保險(xiǎn)一種手段是不夠的。因?yàn)椤澳_手架（支架）坍塌”本身的概率重要度就是所有風(fēng)險(xiǎn)中最大的。所以對(duì)于這類投保，保險(xiǎn)公司所規(guī)定的保險(xiǎn)費(fèi)率、免賠額度肯定會(huì)很高，同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)一旦發(fā)生，即使有賠款也不能彌補(bǔ)所有的損失。故可將投保所用的大量費(fèi)用花在研究如何避免發(fā)生腳手架（支架）坍塌的施工技術(shù)上面。

表5 各風(fēng)險(xiǎn)的模糊成本重要度排名及比較

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Construction Risk of Urban Rail Transit U-Beam and the Cost Control

PI Jingkun

As a new kind of bridge structure，U-beam features many advantages，such as low cost，safety，low noise and low risk，it is replacing the traditional bridge beams gradually.However，due to complex structure and the influences of various uncertain factors，risk accidents are inevitable during construction，the cost will also increase correspondingly.By employing fuzzy fault tree method，the important index of fuzzy cost in construction risk accidents for U-beam is proposed.This index is used to weight the contribution of construction risks to the total cost，the probabilities of bottom event in the MCS（minimal cut sets）is taken as the trapezoidal fuzzy number，thus the accurately multiply algorithm of trapezoidal fuzzy number is derived，which is employed to compute the fuzzy cost importance degree.The presented method is finally verified through a case analysis.

urban rail transit； U-beam； construction risk；fault tree； construction cost； fuzzy cost important degree

U445.1：U233

10.16037/j.1007-869x.2017.10.013

Author′s address Zhengzhou Rail Transit Co.，Ltd.，450000，Zhengzhou，China

*中鐵十九局集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016-8A）

2016-10-02）