基于灰色模糊層次分析理論的斜拉橋施工風(fēng)險評估

林錦騰

（廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理中心，廣東 廣州 510000）

0 引 言

伴隨著中國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，斜拉橋以其跨越能力強、美學(xué)性質(zhì)高、經(jīng)濟性好得到廣泛設(shè)計和建設(shè)。然而斜拉橋施工過程復(fù)雜，在施工過程中存在諸多風(fēng)險干擾因素[1]，這些施工風(fēng)險因素大多難以預(yù)測，任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，都可能將導(dǎo)致工程事故的發(fā)生[2]，造成嚴(yán)重的損失與后果。因此，有必要開展斜拉橋施工風(fēng)險評估。

斜拉橋的施工風(fēng)險因素與橋梁的結(jié)構(gòu)安全有著錯綜復(fù)雜的的關(guān)系，相互之間不能用很明確的函數(shù)關(guān)系定性表達(dá)[2]，采用有效的評估方法對斜拉橋施工風(fēng)險評估尤其重要。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于橋梁施工風(fēng)險評估進(jìn)行了系統(tǒng)分析，施工風(fēng)險評估方法逐步完善。常用的方法有專家評分法、蒙特卡洛法、敏感性分析法、層次分析法和模糊綜合評判法等[2]。但這些單一的評估方法由于自身獨有的特點存在缺陷，如層次分析法在確定權(quán)重指標(biāo)時存在主觀性，甚至不能通過一致性檢驗[3，4]。模糊綜合評判經(jīng)常取大或取小算子而丟失數(shù)據(jù)信息[5，6]，導(dǎo)致評估結(jié)果與實際差異較大。

因此，為使斜拉橋施工風(fēng)險評估結(jié)果更接近實際施工風(fēng)險狀況，本文在建立斜拉橋施工風(fēng)險評估體系的基礎(chǔ)上，提出一種基于層次分析與模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的斜拉橋施工風(fēng)險評估方法，并將此方法應(yīng)用于廣東省在建楓樹壩大橋的施工風(fēng)險評估中，并針對評估結(jié)果提出施工風(fēng)險防控措施。

1 斜拉橋施工風(fēng)險分析

1.1 利用層次分析法（AHP）確定風(fēng)險因重

1.1.1 確定結(jié)構(gòu)評估風(fēng)險因素集

確定風(fēng)險因素集前的首要工作是風(fēng)險識別，風(fēng)險識別是以施工階段的具體目標(biāo)為研究對象，研究和發(fā)現(xiàn)其施工期潛在的風(fēng)險事態(tài)、明確分析要點、確定各風(fēng)險因素間的相互聯(lián)系及隸屬關(guān)系、建立層次分析結(jié)構(gòu)模型的過程。層次分析結(jié)構(gòu)模型是研究對象風(fēng)險問題的層次條理化，同一層各元素從屬于上一層各元素的同時又受到下一層諸元素的影響，例如將斜拉橋的施工過程視作一個獨立的項目，主梁、索塔和拉索本身均存在施工風(fēng)險，結(jié)合自然環(huán)境、設(shè)計方案、施工方式對其施工期風(fēng)險源進(jìn)行普查并咨詢現(xiàn)場技術(shù)人員和專家意見后，確定以斜拉橋整體抗風(fēng)險能力為最終分析目標(biāo)，確定整個項目風(fēng)險等級。將U=（U1，U2，U3，U4，U5）=（基礎(chǔ)施工、主梁施工、人員隊伍、索塔施工、拉索施工）作為風(fēng)險因素集，同樣在風(fēng)險因素集Ui（1≤i≤5）中又包括各種主要的風(fēng)險因素。

1.1.2 確定施工風(fēng)險因素集權(quán)重

根據(jù)研究目標(biāo)的抗風(fēng)險能力評估體系，以施工風(fēng)險因素集確定相對應(yīng)的權(quán)重，具體可按照以下三個步驟進(jìn)行：

（1）構(gòu)造判斷矩陣。通過橋墩和主梁風(fēng)險因素集中同層間的風(fēng)險因素兩兩對比，確定其相對重要程度，來構(gòu)造判斷矩陣A，且滿足Ax=λmaxx的最大特征值λmax對應(yīng)的特征向量經(jīng)歸一化處理后為該風(fēng)險因素集權(quán)重。以表1的標(biāo)度[7-10]確定相對重要程度的賦值。

表1 相對重要程度賦值表

（2）一致性檢驗。為消除評價者主觀因素的限制，按照以下公式進(jìn)行一致性檢驗，即

式中：CI為一致性指標(biāo)；n為該層次風(fēng)險因素集包含的對象個數(shù)；λmax為判斷矩陣的最大特征根；RI為平均一致性隨機系數(shù)[2]；CR為一致性比重。CR＜0.1時，一致性檢驗通過，反之需修正判斷矩陣直至CR＜0.1。

（3）確定總權(quán)重及總排序。確定各層次元素相對總目標(biāo)橋墩施工和主梁施工的相對權(quán)重，得到各施工風(fēng)險因素的優(yōu)先順序。

a.假設(shè)第k層具有nk個風(fēng)險因素，每一個元素對于總目標(biāo)進(jìn)行權(quán)向量的排序，排序結(jié)果為：

b.針對第k+1層具有的nk+1個風(fēng)險因素，其對上層次的單一因素進(jìn)行權(quán)向量排序，排序結(jié)果為：

c.得到該層次風(fēng)險因素的綜合重要程度為：

d.若設(shè)各層次評價的相對權(quán)重為：Wi，Wi j，Wnk；則該評價指標(biāo)的相對權(quán)重為：

e.最終得到評價因素的總權(quán)重值為：

2 利用灰色關(guān)聯(lián)模糊理論進(jìn)行綜合評價

2.1 確定風(fēng)險評價等級

本文將施工風(fēng)險評價等級依據(jù)風(fēng)險因素集的相對權(quán)重大小劃分為I類、II類、III類、IV類、V類共5種等級，將5種等級分別數(shù)值化，以V=（9，7，5，3，1）代表，且以上 5 種等級中兩等級之間的等級數(shù)值化為8，6，4，2。5種評價等級風(fēng)險概率大小和風(fēng)險損失程度見表2[11，12]。

表2 不同評價等級含義

2.2 確定風(fēng)險評價矩陣

通過專家參照已經(jīng)確定的風(fēng)險評價等級對各個風(fēng)險因素按照10分制的原則評分，若有h名專家參與評分，總計有n個風(fēng)險因素，則第k名專家對j項風(fēng)險因素的評分為，風(fēng)險評價矩陣為：

2.3 確定灰類等級及白化權(quán)函數(shù)

依據(jù)風(fēng)險評價等級將灰類相對應(yīng)的劃分為I類、II類、III類、IV 類、V 類共 5種等級，5種等級的白化權(quán)函數(shù)分別為：

2.4 確定灰色模糊矩陣

計算研究目標(biāo)在施工時各個風(fēng)險因素在5類評價等級中的各類灰色評價系數(shù)、總灰色評價系數(shù)及灰色評價權(quán)，若將某一風(fēng)險因素的灰色統(tǒng)計值記作nij，第i個風(fēng)險因素的各類灰色統(tǒng)計值按照以下公式計算：

第i個風(fēng)險評價因素的灰色評價權(quán)向量為v=（vi1，vi2，vi3，vi4，vi5），則斜拉橋n個施工風(fēng)險因素的灰色模糊評價權(quán)矩陣為：

2.5 施工期項目綜合評價

施工期項目綜合評價是對研究目標(biāo)的施工期做灰色模糊綜合評價，確定風(fēng)險等級，評價公式如下：

此評價值X與2.1.1節(jié)中所確定的風(fēng)險等級對應(yīng)統(tǒng)一，其中，x1代表I類風(fēng)險值，x2代表II類風(fēng)險值，x3代表III類風(fēng)險值，x4代表IV類風(fēng)險值，x5代表V類風(fēng)險值。根據(jù)最大隸屬度原則，X中的最大值為評價對象風(fēng)險等級。

3 工程實例應(yīng)用

楓樹壩大橋為雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨徑布置為160 m+320 m+160 m，采用塔梁固結(jié)體系。橋墩采用雙薄壁空心墩，塔身為C50混凝土。各塔均布置25對斜拉索，立面呈扇形布置。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，為單箱三室截面。主梁為C55混凝土，采用掛籃現(xiàn)澆施工的方式?？傮w布置見圖1。

圖1 楓樹垻大橋總體布置圖（單位：m）

楓樹壩大橋跨越山谷，施工難度高，為保證施工安全，采用前述提出的斜拉橋施工風(fēng)險評估方法對該橋施工階段的風(fēng)險進(jìn)行評估。

3.1 建立風(fēng)險評估體系

楓樹壩大橋施工期風(fēng)險分析時，按照斜拉橋最重要的結(jié)構(gòu)組成部分及施工人員的技術(shù)狀況，分為5種基本施工風(fēng)險，其風(fēng)險因素集U=（U1，U2，U3，U4，U5）=（基礎(chǔ)施工、主梁施工、索塔施工、拉索施工、施工隊伍素質(zhì)）。再結(jié)合現(xiàn)場技術(shù)人員的施工經(jīng)驗及工程專家的論證分析，對斜拉橋施工風(fēng)險因素進(jìn)行識別和篩選，確定斜拉橋施工風(fēng)險指標(biāo)。最終經(jīng)過研究與討論，構(gòu)建楓樹壩大橋施工風(fēng)險評估體系，見表3。

表3 楓樹垻大橋施工風(fēng)險評估體系

3.2 斜拉橋施工期風(fēng)險評估

3.2.1 單層次風(fēng)險因素權(quán)重計算

依據(jù)表3確定的楓樹壩大橋施工風(fēng)險評估體系，制作判斷矩陣調(diào)查表，邀請施工、科研、設(shè)計單位的專家，對各類風(fēng)險因素的影響兩兩判斷，進(jìn)行打分，計算各層次風(fēng)險因素的權(quán)重。

以指標(biāo)層為例，根據(jù)專家評分，可得到指標(biāo)層重要性判斷矩陣如下：

根據(jù)公式A1x=λmaxx求解該判斷矩陣的最大特征值λmax，并得到λmax對應(yīng)的特征向量，將特征向量進(jìn)行歸一化處理，即為權(quán)重值W=（w（1），w（2），…，w（5）），經(jīng)過一致性檢驗后結(jié)果如下：

CR=0.009＜0.1，一致性檢驗通過，表明重要性判斷矩陣合理。

則指標(biāo)層風(fēng)險因素權(quán)重值：

準(zhǔn)則層施工風(fēng)險重要性判斷矩陣的確定及權(quán)重計算采用與指標(biāo)層相同的理論與計算方法，最終得到準(zhǔn)則層各施工風(fēng)險因素權(quán)重如下：

3.2.2 總層次風(fēng)險因素權(quán)重計算

施工期間各關(guān)鍵組成部分的施工風(fēng)險（包括主梁施工風(fēng)險、基礎(chǔ)施工風(fēng)險、索塔施工風(fēng)險、拉索施工風(fēng)險、人員風(fēng)險）因素集相對于目標(biāo)層斜拉橋施工風(fēng)險的相對重要性權(quán)重值通過前述方法確定，總層次風(fēng)險因素權(quán)重結(jié)果見表4。

3.2.3 確定評價樣本矩陣和灰色權(quán)矩陣

依據(jù)表2的評價原則，工程技術(shù)人員及專家對楓樹垻大橋施工期間各風(fēng)險因素進(jìn)行評分，根據(jù)評分構(gòu)建評價樣本矩陣W，再計算出風(fēng)險評價模型準(zhǔn)則層中各風(fēng)險因素的五類白化權(quán)函數(shù)對應(yīng)的灰類統(tǒng)計數(shù)值，以U11為例，I類灰色統(tǒng)計數(shù)值為f1（x）=4.33，II類灰色統(tǒng)計數(shù)值為f2（x）=4.42，III類灰色統(tǒng)計數(shù)值為f3（x）=2.2，IV類灰色統(tǒng)計數(shù)值為f4（x）=0，V類灰色統(tǒng)計數(shù)值為f5（x）=0。U11總灰色統(tǒng) 計 數(shù) 值 為fU11=1（x）+f2（x）+f3（x）+f4（x）+f5（x）=10.95，則評估權(quán)重分別為n1=0.395，n2=0.404，n3=0.201，n4=0，n5=0。同理求解出其余風(fēng)險因素評估權(quán)重組成灰色模糊評價權(quán)矩陣V。

表4 各層次風(fēng)險因素權(quán)重值

其中：v11=（0.395，0.336，0.228，0.220，0.074，0.159，0.245，0.197，0.251，0.166，0.167，0.191，0.202，0.234，0.300，0.271，0.216，0.179，0.166，0.189，0.201，0.247）;

v12=（0.404，0.356，0.269，0.283，0.095，0.205，0.371，0.386，0.355，0.375，0.364，0.368，0.350,0.339，0.351，0.369，0.391，0.381，0.387，0.365，0.392，0.387）；

v13=（0.201，0.249，0.312，0.288，0.132，0.286，0.331，0.369，0.342，0.412，0.420，0.390，0.395，0.367，0.295，0.310，0.345，0.393，0.399，0.398，0.362，0.320）；

v14=（0.000，0.059，0.191，0.210，0.147，0.350，0.053，0.047，0.052，0.047，0.050，0.052，0.053，0.059，0.055，0.049，0.048，0.047，0.048，0.047，0.045，0.046）；

v15=（0.000，0.000，0.000，0.000，0.552，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000）。

3.2.4 確定模糊綜合評判結(jié)果

在確定出評價樣本矩陣和灰色權(quán)矩陣后，計算評價程度值X，X=W·V=（0.225 8，0.356 6，0.270 5，0.054 4，0.000 0），最終根據(jù)最大隸屬度原則，其最大值為0.356 6，確定施工風(fēng)險等級為II類，即施工風(fēng)險概率為一般，但風(fēng)險損失較大。必須在施工期間采用可靠的施工監(jiān)控方案及風(fēng)險應(yīng)對措施，加強施工管理與教育。

3.3 斜拉橋施工風(fēng)險防控對策

針對表3的風(fēng)險源，制定相應(yīng)的風(fēng)險應(yīng)對措施，益于降低斜拉橋施工期間風(fēng)險發(fā)生的概率，減小風(fēng)險損失，保障施工人員安全。結(jié)合本工程風(fēng)險評估結(jié)果，該斜拉橋施工風(fēng)險防控措施有以下幾點。

（1）施工時應(yīng)采取施工期的全壽命監(jiān)控，做到施工與監(jiān)控并行，將風(fēng)險概率降到最低，保障斜拉橋在盡可能安全、高效的前提下施工。

（2）項目部應(yīng)設(shè)立專職施工質(zhì)量安全負(fù)責(zé)管理機構(gòu)、工地施工質(zhì)量安全管理員、小組施工質(zhì)量安全管理員，構(gòu)建系統(tǒng)的施工質(zhì)量安全管理機構(gòu)。

（3）針對施工中的各風(fēng)險因素，需要業(yè)主、監(jiān)理、監(jiān)測方監(jiān)督施工單位保質(zhì)保量進(jìn)行施工，各方均需對風(fēng)險因素認(rèn)真核查、提早預(yù)警、及時處理。

4 結(jié) 論

（1）針對斜拉橋施工風(fēng)險評估，建立了斜拉橋施工風(fēng)險評估體系。

（2）提出以層次分析法和模糊理論相結(jié)合的斜拉橋風(fēng)險評估方法，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對模糊評價指標(biāo)量化，大大提高評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。并將此評估方法應(yīng)用于廣東省楓樹壩大橋，為實際的安全施工提供理論指導(dǎo)。

（3）通過施工期風(fēng)險評估，確定楓樹壩大橋的施工風(fēng)險等級為II類，即風(fēng)險概率為一般，風(fēng)險損失較大。評估結(jié)果為施工單位的施工風(fēng)險排查提供理論依據(jù)，為施工質(zhì)量安全管理機構(gòu)的建立提供有益參考。