基于組合權(quán)重-可拓物元的腳手架施工風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)價(jià)

黃鶯 姚思?jí)?瑚珊

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

0 引言

腳手架是為方便施工活動(dòng)的順利進(jìn)行和安全操作而搭設(shè)的一種臨時(shí)設(shè)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(guò)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(huì)造成大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，給社會(huì)帶來(lái)非常惡劣的影響。

近年來(lái)，許多研究人員對(duì)影響建筑施工腳手架安全的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)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(shè)計(jì)不滿足要求和施工過(guò)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(shè)計(jì)荷載低于工程應(yīng)用中的實(shí)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(guò)程中的危險(xiǎn)因素，對(duì)其發(fā)生事故的可能性進(jìn)行了計(jì)算。張孟春等[4]對(duì)腳手架施工過(guò)程中高空拋物和不系安全帶的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，并依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了腳手架作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。李寧一等[5]和楊飛等[6]對(duì)腳手架作業(yè)中的人員意識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、材料應(yīng)用等進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)鋼管腳手架施工因素評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，建立了施工腳手架安全評(píng)價(jià)體系。王旭峰等[8]使用模糊數(shù)學(xué)法對(duì)影響腳手架綜合安全性能的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)現(xiàn)階段腳手架安全評(píng)估主要還是采用灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊評(píng)價(jià)法等，這些方法存在對(duì)指標(biāo)分析不明確和各因素影響關(guān)系分析不確定等問(wèn)題?？赏貙W(xué)能解決指標(biāo)間的交叉不相容問(wèn)題，因此在腳手架安全評(píng)估中使用該方法具有現(xiàn)實(shí)意義[9-10]。本文使用可拓學(xué)理論對(duì)腳手架施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，擬為今后建筑施工腳手架工程安全管理評(píng)價(jià)提供參考和借鑒。

1 腳手架施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(dú)特的室外施工條件、復(fù)雜的力學(xué)機(jī)制等，要建立適合的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，不僅要考慮腳手架本身的因素，而且要考慮設(shè)計(jì)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)管理等因素，同時(shí)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(jì)分析情況，本文選取從設(shè)計(jì)到管理的具有代表性的5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和18個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)體系，如表1所示。

表1 腳手架施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

1.1 構(gòu)造設(shè)計(jì)與環(huán)境因素

不同地區(qū)的地理環(huán)境、風(fēng)量大小、雨雪情況等都不相同，腳手架的構(gòu)造設(shè)計(jì)也各不相同。在設(shè)計(jì)階段，主要選取立桿間距和步距、剪刀撐的設(shè)置、橫縱間距不合理、掃地桿的設(shè)置等因素作為二級(jí)指標(biāo)。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(gè)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(shè)置剪刀撐，能顯著加強(qiáng)腳手架結(jié)構(gòu)的整體剛度和空間作用，將整個(gè)結(jié)構(gòu)縱向平面連成幾何不變體系，從而保證整個(gè)架體的穩(wěn)定性，同時(shí)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(hù)設(shè)施，因此從工廠采購(gòu)時(shí)需要查驗(yàn)產(chǎn)品合格證書、產(chǎn)品生產(chǎn)許可證和進(jìn)廠檢驗(yàn)證明，保障材料質(zhì)量合格，同時(shí)保證倉(cāng)庫(kù)規(guī)范保管。在腳手架使用過(guò)程中，不可避免會(huì)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(shí)修補(bǔ)，達(dá)到報(bào)廢程度的及時(shí)換新，確保腳手架的安全性。

1.3 人的因素

人是腳手架設(shè)計(jì)、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(jìn)而對(duì)某特定行為的喜愛或不喜愛程度進(jìn)行評(píng)估，這種評(píng)估結(jié)果會(huì)直接影響個(gè)體的行為態(tài)度，進(jìn)而可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。例如，懶惰、怕麻煩的個(gè)性會(huì)使某些建筑工人在施工時(shí)討厭佩戴諸如安全帽、安全眼鏡等安全防護(hù)工具；看到同伴在違背安全生產(chǎn)規(guī)范但并未受到相應(yīng)懲罰或指責(zé)時(shí)，個(gè)人對(duì)遵循此規(guī)范的意愿將隨之減弱。因此，對(duì)人的行為加以約束十分必要。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)安全管理

安全管理必須符合“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的原則，從施工初期就應(yīng)充分考慮人力和物力，對(duì)各種狀況應(yīng)盡量事前控制，同時(shí)也應(yīng)制定好應(yīng)急預(yù)案，配備好相應(yīng)的安全設(shè)施和設(shè)備。對(duì)安全人員檢查出的安全隱患應(yīng)及時(shí)整頓，并對(duì)安全情況進(jìn)行進(jìn)一步查看和記錄。

2 確定指標(biāo)權(quán)重

2.1 AHP法確定權(quán)重

AHP法是對(duì)各級(jí)指標(biāo)因素進(jìn)行兩兩定量比較，用1～9 標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣，確定權(quán)重，如表2所示。計(jì)算最大特征值、一致性指標(biāo)(CI)、一致性比率(CR)，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若CR<0.1，則通過(guò)檢驗(yàn)。

表2 AHP法標(biāo)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(biāo)的信息量，以確定各指標(biāo)的熵量[12]。

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

(1)

(2)計(jì)算熵值，按傳統(tǒng)的定義計(jì)算：

(2)

(3)計(jì)算熵權(quán)：

(3)

2.3 綜合權(quán)重計(jì)算

為使AHP法和熵權(quán)法的組合權(quán)重更具科學(xué)性，本文使用拉格朗日算子計(jì)算各指標(biāo)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(píng)價(jià)模型構(gòu)建

3.1 可拓理論

可拓學(xué)是將物元、特征和量值的關(guān)系及其變化過(guò)程形式化，并導(dǎo)入物元理論與可拓集合理論，對(duì)實(shí)際物體與量值之間的關(guān)系及其變化進(jìn)行深入研究，根據(jù)關(guān)聯(lián)性判定要素進(jìn)行評(píng)價(jià)，可更直觀地反映客觀事物的變化過(guò)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(píng)價(jià)對(duì)象的真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行打分，通過(guò)定量分析更準(zhǔn)確地對(duì)其評(píng)價(jià)。

假設(shè)有事物N，其特征用C表示，對(duì)應(yīng)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(píng)價(jià)中，N代表腳手架安全評(píng)價(jià)，C代表評(píng)價(jià)指標(biāo)，V代表評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值，通過(guò)關(guān)聯(lián)度函數(shù)計(jì)算出各等級(jí)之間的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度小表示屬于該等級(jí)的程度小。

3.2 評(píng)價(jià)流程

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

(5)

式中，Nj為安全評(píng)價(jià)等級(jí)；C為評(píng)價(jià)的特征；Vj為相應(yīng)特征的取值區(qū)間。

(2)值域的確定。

(6)

式中，N為安全評(píng)價(jià)等級(jí)域；C為評(píng)價(jià)指標(biāo)集合；Vp為評(píng)價(jià)指標(biāo)量值的范圍。

(3)評(píng)價(jià)物元的確定。評(píng)價(jià)對(duì)象的全體構(gòu)成稱為評(píng)價(jià)物元，其公式為：

(7)

式中，Pk為某待評(píng)價(jià)對(duì)象；Vkn為cn的量值。

(4)確定關(guān)聯(lián)函數(shù)。

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

(8)

(9)

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

(10)

b.一級(jí)關(guān)聯(lián)度的確定。通過(guò)計(jì)算每個(gè)一級(jí)指標(biāo)中包括的所有二級(jí)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)指標(biāo)的評(píng)估。計(jì)算評(píng)估對(duì)象等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度公式為:

(11)

(5)確定安全等級(jí)。遵循隸屬度最大原則，腳手架安全評(píng)價(jià)等級(jí)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(jí)說(shuō)明

Kj(N)=Kj(Nj)max

(12)

本文按照專家意見將腳手架安全評(píng)價(jià)等級(jí)分為四級(jí)，如表4所示。

表4 安全評(píng)價(jià)等級(jí)量化范圍

4 實(shí)例應(yīng)用

以西安市某工程腳手架的施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素為研究對(duì)象，應(yīng)用文中構(gòu)建的腳手架安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及AHP-熵權(quán)可拓物元模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。該工程的總建筑面積為127 031 m2，地上部分為5層，建設(shè)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(tái)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(tái)處布置外腳手架。五層外圍用懸挑架做外防護(hù)及操作架。邀請(qǐng)?jiān)摴こ痰捻?xiàng)目工程師、安全管理人員共10人按百分制進(jìn)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系及專家評(píng)分，運(yùn)用MATLAB軟件分析AHP法的判斷矩陣，計(jì)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(píng)價(jià)熵權(quán)，依據(jù)式(4)得到組合權(quán)重，如表5所示。

表5 評(píng)價(jià)體系權(quán)重及得分

4.2 可拓綜合評(píng)價(jià)

4.2.1 經(jīng)典域和節(jié)域的建立

結(jié)合上述對(duì)安全等級(jí)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(píng)價(jià)物元為：

4.2.2 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

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

表6 第二層風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)度

表7 首層風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)度

4.3 確定腳手架安全評(píng)價(jià)等級(jí)

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(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。通過(guò)分析一級(jí)指標(biāo)中的關(guān)聯(lián)度可知，材料質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)安全管理、人的因素相對(duì)薄弱，屬于可接受范圍，但存在進(jìn)一步加強(qiáng)管理的空間，建議繼續(xù)加強(qiáng)管理。對(duì)二級(jí)指標(biāo)分析可知，管理人員在管理過(guò)程中未及時(shí)消除安全隱患、工人在作業(yè)過(guò)程中存在甩拋物料等行為，建議管理者加強(qiáng)管理，實(shí)行獎(jiǎng)懲機(jī)制，督促員工在建設(shè)過(guò)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(duì)腳手架進(jìn)行安全評(píng)估是保證腳手架安全的重要環(huán)節(jié)，結(jié)合腳手架獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立腳手架安全評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)更加客觀準(zhǔn)確。

(3)將可拓學(xué)理論引入腳手架施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定性分析，利用關(guān)聯(lián)函數(shù)定量表示評(píng)價(jià)物元的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)一步得出腳手架安全管理過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)。通過(guò)實(shí)踐研究得到的結(jié)果與真實(shí)情況較為相符，表明該評(píng)價(jià)模型具有實(shí)用性，可為腳手架安全管理和評(píng)價(jià)提供一定的參考和借鑒。