舊工業(yè)建筑再生利用坍塌風險診斷—基于本體-貝葉斯網(wǎng)絡分析

鄧婷婷 閆文周 海南大學 西安建筑科技大學，海口 570100

1 引言

本體知識理論對理清研究對象內(nèi)在概念和相互影響關系上具有較好的表達優(yōu)勢，但在信息不足或不確定性較大的情形下，無法完成對研究對象動態(tài)變化的定量推理。貝葉斯網(wǎng)絡是基于概率論有向無環(huán)圖模型，用于分析因果關系中不確定性知識之間的概率推理，既能較好表征不確定的變量知識，又能較好推理變量知識之間的影響程度。貝葉斯網(wǎng)絡主要包括有向無環(huán)圖和條件概率表，有向無環(huán)圖用于描述分析變量知識之間的邏輯關系，條件概率表用于衡量變量知識之間的影響程度，它具有多功能性、有效性和開放性等特征，能夠有效地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識，然后利用這些轉(zhuǎn)化后的知識進行推理，來解決現(xiàn)實世界中的不確定性方面的問題。

舊工業(yè)建筑再生利用是風險比較突出、事故比較多發(fā)的建筑工程項目，其中尤以坍塌事故居多，如北方機械制造公司金工二廠廠房坍塌造成3 人死亡事故、山東天源熱電有限公司關停煙囪坍塌造成3 人死亡事故、上海市長寧區(qū)昭化路148 號舊廠房坍塌造成12 人死亡事故、浙江韓佳電器有限公司老廠房翻建坍塌造成2 人受傷事故、上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)陳行公路蘇召路制衣廠樓房裝修坍塌造成3 人死亡事故等等，均造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。對于舊工業(yè)建筑再生利用坍塌事故，主要原因有四類，一是建筑自身的不安全狀態(tài)，在缺乏必要前期評估和加固措施的情形下，易導致廠房坍塌；二是工程管理的不規(guī)范、不科學；三是人為的指導失誤和檢查疏漏；四是客觀環(huán)境的不安全因素；五是自然環(huán)境突發(fā)狀況或極端天氣。

2 坍塌事故風險診斷

2.1 本體構建

1．概念類

為避免舊工業(yè)建筑再生利用風險知識表達的混淆、混亂和含糊不清問題，本文結(jié)合相關文獻、廠房改建坍塌事故分析報告等資料，確定舊工業(yè)建筑再生利用坍塌風險知識最根本、最基礎的概念類，基于上述風險信息和事故信息提出針對性的安全應對舉措，比如加固措施，以防止類似事故再次發(fā)生。

表1 基礎類概念含義

基于上述概念類之間的關系，借助本體構建軟件protégé 對上述概念進行可視化表示，如圖1 所示。

圖1 舊工業(yè)建筑再生利用坍塌風險概念可視化表示

2．建立風險知識表示框架

基于上述概念之間的關系，本文在軟件中構建了若干對象屬性關系，比如極端天氣（暴風、雨、雪）、工人操作失誤或鉆墻施工活動均對廠房墻柱開裂有影響，以此建立三個概念對墻柱開裂的影響關系“has impact”，建立舊工業(yè)建筑再生利用風險知識概念間對象屬性關系，同理，建立其他屬性關系。

在構建上述對象屬性關系的基礎上，通過protégé 軟件生成了舊工業(yè)建筑再生利用坍塌風險知識表示框架圖，如圖2 所示。此外，本文特隱去“父子類”關系，即has subclass 屬性，以更清晰展現(xiàn)與坍塌事故風險直接相關的概念，并選取這些概念建立OBN 模型。

2.2 本體模型向OBN 模型轉(zhuǎn)換

基于概念類向節(jié)點轉(zhuǎn)換的規(guī)則，在轉(zhuǎn)換之前，需要對上述概念類作進一步描述，即賦予節(jié)點屬性值，主要包括節(jié)點名稱、節(jié)點釋義、節(jié)點狀態(tài)和賦值等。如表2 所示。

表2 中，每個節(jié)點均為二元隨機變量X（1, 0），1 代表該節(jié)點變量發(fā)生或存在，0 代表該節(jié)點變量未發(fā)生或不存在。

圖2 舊工業(yè)建筑再生利用坍塌事故風險知識表示主要框架

表2 貝葉斯網(wǎng)絡節(jié)點描述

基于轉(zhuǎn)換規(guī)則，將本體概念類轉(zhuǎn)換為OBN 模型節(jié)點變量，如圖3 所示。

至此，完成了由本體網(wǎng)絡向OBN 網(wǎng)絡的初步轉(zhuǎn)換，但仍需賦予節(jié)點隨機變量先驗概率和條件概率，方可進行事故因果分析和推理。

圖3 舊工業(yè)建筑再生利用坍塌風險部分本體貝葉斯（OBN）網(wǎng)絡

根據(jù)上述節(jié)點變量先驗概率和條件概率表，輸入到Netica 軟件，得到包含先驗概率和條件概率的完整的舊工業(yè)建筑再生利用坍塌風險部分本體貝葉斯（OBN）網(wǎng)絡，如圖4 所示。

圖4 舊工業(yè)建筑再生利用坍塌風險部分本體貝葉斯（OBN）網(wǎng)絡

2.3 風險診斷分析

本文借助Netica 軟件，通過設置不同節(jié)點變量的狀態(tài)以更新其他節(jié)點變量狀態(tài)的概率情況，從而實現(xiàn)事故風險預測和致因診斷的目的。

若在舊工業(yè)建筑再生利用項目施工過程中，存在墻柱地基開挖施工活動，則墻柱坍塌的概率從57.6%上升至58.7%，如圖5 所示，同時，因坍塌導致人員受傷的概率從55.3%上升至56.4%，人員死亡的概率從43.2%上升至44.1%。

若該施工項目未采取墻柱加固措施，則墻柱坍塌風險進一步上升，由58.7%上升至62.6%，同時，人員受傷和人員死亡發(fā)生的概率分別上升至60.1%和47.0%。如圖6 所示。

圖5 墻柱地基開挖時坍塌事故貝葉斯網(wǎng)絡圖

圖6 墻柱地基開挖及未加固時坍塌事故貝葉斯網(wǎng)絡圖

圖7 墻柱地基開挖、鉆墻及未加固時坍塌事故貝葉斯網(wǎng)絡圖

以上主要分析舊工業(yè)建筑再生利用坍塌致險因素的發(fā)生與否對墻柱坍塌發(fā)生概率的影響，且分析表明，各致險因素的發(fā)生均顯著增加了施工項目坍塌事故發(fā)生的概率，實現(xiàn)了定量分析舊工業(yè)建筑再生利用項目坍塌事故致險機理的目的。