試述可靠性理論在建筑施工管理中的應用

摘要：針對建筑施工安全管理體系，從系統可靠性的視角，綜合運用可靠性方面的知識，構建了建筑施工安全管理系統混聯模型。在此基礎上，將可靠性分配理論與故障樹分析方法相結合，根據系統安全目標的要求，確定混聯系統的第一層次各單元事件的可靠性目標值，對構成各單元的各個下屬單元采取最小工作量可靠度分配方法，研究表明，可靠性理論可以成功地應用到建筑施工安全領域，使系統在給定的目標值條件下達到系統的安全性優化，從而實現建筑施工安全保障效能，減小事故損失。

關鍵詞：建筑施工 安全可靠性 模型

0 引言

我國的建筑施工行業具有作業難度大、作業環境差、從業人員素質不高等特點，是一個安全事故多發的行業。將可靠性理論應用在建筑施工事故防范上，具有重要的現實意義和光明的前景，是“以人為本”的安全管理理念的具體體現。

現有的建筑施工安全領域的研究大多是從管理體制、施工人員素質、法律法規與安全文化建設等角度來研究建筑施工安全管理體系的構建。這些研究對于建筑施工安全管理具有非常重要的意義，但是卻忽視了該體系建設的可靠性。在體系工作過程中，倘若某個環節失效或發生故障，從而導致整個體系癱瘓，將會給建筑施工帶來不可估量的損失。

鑒于可靠性工程的許多分析方法都能用于安全系統工程領域，本文將可靠性分配理論與系統安全分析相結合，在給定建筑施工安全系統防御目標值條件下，建立可靠性分配模型，確定基本事件可靠度，從而為建筑施工安全管理系統的優化提供理論依據。

1 結構可靠性分析方法

結構設計的目的是使結構在預定的使用期限內滿足設計所預期的各種功能要求，并具有足夠的可靠性。

衡量一個結構構件是否安全，能否滿足預期的功能要求，也就是研究該構件所承受的荷載效應S和構件自身抵抗能力R的相關關系，以使結構設計既安全又經濟。一般SR不安全不可靠，S=R處于極限狀態。用什么方法來度量這個問題呢?我國以往的各本結構規范曾采用過下列方法。

①容許應力法：安全性用材料強度除以安全系數后得出的容許應力的形式來保證，即 。

②破損階段設計法：使按經驗確定的安全系數加大后的荷載效應小于等于構件的極限承載能力，即KS≤R。

③極限狀態設計法：使用荷載系數加大后的荷載效應不大于由材料強度踩以大于1的材料系數計算得出的截面承載能力，即 。

這些設計方法對結構可靠度問題的處理一個比一個有所改進，特別是極限狀態設計法，已經考慮到影響結構可靠度有關因素的隨機性，在確定設計參數時已經部分地應用了概率。然而所有這些方法，或者是將設計參數都看成不變的定值，或者是在荷載與材料強度取值上部分地考慮了統計變異性，但都沒有脫離以經驗為主來估計結構可靠度的范疇，因此都屬于“定值設計法”。這些方法使人們常常誤認為，只要設計中采用了某一給定的安全系數，結構就是百分之百可靠，有多大的安全系數，就有多少倍數的安全儲備，也就是將設計安全系數與結構可靠度簡單地等同起來。實際上這種定值法所規定的定值安全系數，只能從工程經驗上和常識上給予某種解釋，并不能真正從定量上度量結構的可靠度。例如，對于偏心受壓構件，磚石結構設計規范當時規定安全系數K=2.30，鋼筋混凝土結構設計規范規定K=1.55，但這并不意味著磚石結構的可靠度高于鋼筋混凝土結構。相反，應用可靠度理論分析表明，前者可靠指標為3.45，后者為3.84，前者的可靠度反而低于后者。如何科學地度量結構的可靠性，長期以來一直是人們十分關心的問題，是工程結構設計理論上要解決的首要問題，這個問題不解決，建筑結構的合理設計就難以實現。

2 建筑施工安全管理系統可靠性模型對建筑施工安全管理系統可靠性的研究，需要給出建筑施工安全系統功能的定義

根據建立建筑施工安全管理系統的目的，本文認為可定義建筑施工安全管理系統的功能為最大限度地防止建筑施工事故或災害的發生，在事故一旦發生時，系統應能啟動相應的應急預案，進行人員救助和財產保全，對事故進行控制和后處理，防止次生事故的發生，迅速進行事故緊急修復以保證施工作業的正常進行。按照時間序列分析，這一功能包含4個重要環節：①事故預防；②事故預警；③應急反應；④事故控制及后處理。

根據建筑施工安全管理系統的特點，應當將其作為可修系統考慮。就任務可靠性而言，建筑施工安全管理系統的相應任務可靠性簡化模型。建筑施工安全管理系統可劃分為事故預防和應急處理兩個單元，其中應急處理為由事故預警、應急反應和事故控制及后處理3個子系統組成的應急處理虛單元。只有這兩個單元全部失效，才會導致整個系統功能的喪失。在應急處理虛單元內，事故預警、應急反應和事故控制及后處理3個子系統中的任何一個失靈，都會造成應急處理虛單元功能的喪失。因此，建筑施工安全管理系統任務可靠性是一個混聯模型。建筑施工安全管理系統從整體上而言是一個并聯系統。

反映了系統與子系統之間的關系。而建筑施工安全管理系統可靠性的分析必須盡可能多地考慮中間事件和基本事件對系統功能的影響。基于對建筑施工安全管理系統功能構成的分析，借鑒董華等人在城市公共安全系統可靠性方面的研究，可以方便地進行建筑施工安全管理系統可靠性的預計和分配，按照最弱環節理論尋求改善和提高建筑施工安全管理系統可靠性的途徑。

3 建筑施工安全管理系統可靠性分配方法

建筑施工安全管理系統可靠性分配對于一個已經建立的建筑施工安全管理保障體系，為實現最大安全保障效能，對系統的安全目標值自上而下進行分解，分配至各子系統是非常實用的一種方法。目前經常應用的可靠性分配方法有：

等分配法、AGREE分配法（電子設備可靠性咨詢組分配法）、航空無線電公司分配法、目標可行性法、最小工作量算法和動態規化法等。

作為一個線性規劃問題，如果目標函數恰好與約束條件平行，當目標函數向優化方向移動時，與可行域不是在一個點上，而是在某一條線段上相切，該線段上所有點都能使目標函數得到最優解；因此即便有約束條件式時，目標函數式也仍然可能有多個解。可靠性分配的關鍵在于：根據具體的條件選擇與所提出的系統目標相匹配的分配方法以得到合理的可靠性分配值的優化解。

為實現建筑施工安全系統安全目標的可靠性分配，筆者提出的建模思想是：結合故障樹分析方法的特征，對混聯系統的第一層次各單元之間采取最小工作量可靠度再分配法，然后對第二層各單元再進行下一層次的可靠度分配法，依此類推，直至分配至基本事件為止，即對系統的可靠度采取多個層次進行分配。在需要調整可靠度的同一層次各單元之間采取等分配法。

當然，各中間事件可以依次類推將可靠度分配至最基本事件，從而對系統進行合理優化。對于包括多種功能的建筑施工安全管理復雜系統，系統下屬基本事件包括多種功能屬于多功能系統。對其進行分析，這時應按邏輯代數的運算法則把系統可靠度表達式先化簡再代入數值計算。

至此，各單元的可靠度都已重新分配，系統滿足了規定的可靠度指標，比較重新分配后的可靠度與原始的可靠度可以發現，僅僅通過改變少數幾個單元的可靠度，就能夠使系統的可靠度達到要求，并且需要改變可靠度的單元都是系統中可靠度較低的單元。