鋼結(jié)構(gòu)施工過程人因失誤因素AHP分析

李張苗，寇新建，蔣 萌，胡啟平

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院， 上海 200240； 2.南通職業(yè)大學 建筑工程學院，江蘇 南通 226007；3.河北工程大學 建筑工程學院，河北 邯鄲 056038)

建筑結(jié)構(gòu)施工操作都是由人來完成，在這一過程中不可避免存在各種人因失誤操作。施工階段的人因失誤操作將會影響結(jié)構(gòu)抗力性能，導致結(jié)構(gòu)可靠性功能函數(shù)發(fā)生變化，使結(jié)構(gòu)實際可靠性能與設計可靠性能產(chǎn)生偏差。如果實際可靠性能低于設計可靠性能將會引起安全隱患，而實際可靠性能高于設計則會造成不必要的經(jīng)濟浪費。Ellongwood在文獻[1]中通過大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)總結(jié)約90%的結(jié)構(gòu)失效及其正常使用功能出現(xiàn)問題均來源于人為失誤。因此施工階段人因失誤操作的研究有很高的工程意義。

Stewart[2]對鋼筋混凝土梁施工過程人因失誤進行了現(xiàn)場調(diào)查和定量化研究。周詳[3]建立了基于人誤概率可能性分布的結(jié)構(gòu)模糊隨機可靠度分析模型。周沖[4]利用層次分析法(AHP)對混凝土施工過程中的人因失誤影響因素進行了重要性排序，將得到的權(quán)重向量用于結(jié)構(gòu)可靠度研究。史文秀[5]對鋼結(jié)構(gòu)施工過程人因失誤的機理進行了分析，歸納總結(jié)人因失誤影響因素的類型，研究影響因素之間的灰色關聯(lián)度，建立了可靠性灰色-模糊評判方法。本文擬對鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中的人因失誤因素進行調(diào)查研究，建立層次分析法(AHP)研究模型，分析各因素重要性，獲得可以反映各種人因失誤操作對鋼結(jié)構(gòu)整體安全性能影響大小的權(quán)重排序向量。

1 施工階段人因失誤因素分析

鋼結(jié)構(gòu)施工階段由人完成的基本操作難以準確界定，比如鋼筋綁扎可以是單根鋼筋的綁扎也可以是某個節(jié)點的鋼筋綁扎，因此按基本操作進行人因失誤因素分析難度較大，本文將參照文獻[4]和[5]依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工工序從宏觀管理角度出發(fā)定義鋼結(jié)構(gòu)施工階段人因失誤因素。

當前我國鋼結(jié)構(gòu)施工階段相關工序及主要流程如圖1所示。

在以上流程中，每一個步驟都依靠人的操作來完成，因而都存在人因操作失誤可能。材料選用是否符合設計要求的強度、剛度、穩(wěn)定性，是否充分考慮承載特性要求以及工作環(huán)境。施工工序設計是否完善，避免返工與窩工，是否考慮特殊使用要求。構(gòu)件加工時必須按照設計圖紙要求進行尺寸加工和偏差限制，在此過程中操作人員必須按照一定的操作規(guī)程進行加工。構(gòu)件組裝時，必須嚴格按照圖紙組裝，控制拼接偏差，減少構(gòu)件變形。安裝方案必須合理，安裝操作要嚴格執(zhí)行各種規(guī)定，注意安放位置的測量定位。焊接連接與緊固件連接必須按照規(guī)范要求進行，嚴格執(zhí)行各種驗收標準。

2 AHP分析模型

鋼結(jié)構(gòu)施工階段人因失誤操作存在于7個流程，每一流程發(fā)生人因失誤將會對鋼結(jié)構(gòu)建筑整體安全性能產(chǎn)生不同的影響，因此對這7個人因失誤因素進行重要性排序具有較高的工程指導價值。AHP法是目前應用較多的多因素重要性評價方法[6]。下文將按照AHP法分析步驟建立鋼結(jié)構(gòu)施工階段人因失誤因素AHP分析模型。

1)根據(jù)因素之間的因果關系建立遞階層次模型。模型決策目標即本文研究目標是鋼結(jié)構(gòu)施工階段人因失誤。模型準則層即B級任務為上文7個施工相關流程。故鋼結(jié)構(gòu)施工階段人因失誤因素AHP法遞階層次模型如圖2所示。

2)對同層因素關于上一層的重要程度進行兩兩比較，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。對圖2的遞階層次模型中的B級任務層的因素關于目標層的重要程度進行兩兩比較。記B級任務層為b=[B1,B2,…,B7]，用bij表示第i個因素與第j個因素之間的重要性之比。將所有因素進行兩兩比較，可以得到7×7階兩兩比較判斷矩陣

(1)

衡量bij的數(shù)值標準為標度，本文采取1～9標度，其數(shù)值意義見表1。由矩陣論可知判斷矩陣為正互反矩陣。

3)計算各層次因素權(quán)重，獲得其重要性序列，檢驗判斷矩陣一致性。正互反矩陣中的元素Bij只反映兩兩元素之間的重要性，AHP法通過一系列數(shù)學變換，采用矩陣最大特征根λmax及其正交化特征向量在同尺度下量化同層次因素重要性。

表1 標度數(shù)值的含義

表2 1～15階RI值

根據(jù)矩陣理論，判斷矩陣最大特征根及其正交化向量反映各因素重要性水平的可信度依賴于判斷矩陣的一致性，因此必須檢驗判斷矩陣的一致性。具體步驟如下：

1)計算一致性指標CI(Consistency Index)

(2)

式中n—判斷矩陣階數(shù)。

2)查找與判斷矩陣階數(shù)相對應的平均隨機一致性指標RI(average Random consistency Index)。常用的1～15階矩陣的平均隨機一致性指標值見表2。

3)計算正互反矩陣一致性比率CR(Consistency Ratio)，進行一致性判斷。

(3)

根據(jù)計算得到的CR值判斷矩陣的一致性，一般認為CR<0.1時，判斷矩陣滿足一致性要求，其最大特征根可以真實反映各層因素重要性。

3 施工階段人因失誤AHP分析實例

采用調(diào)查問卷的方式得到鋼結(jié)構(gòu)施工階段人因失誤因素兩兩比較判斷矩陣

(4)

判斷矩陣中元素bij的角標排序按圖1中從左至右的順序。通過數(shù)學變換與計算可得其最大特征根對應的正交化特征向量為

W=[0.034 0.041 0.159 0.063 0.076 0.368 0.259]T

(5)

為保證式(5)能夠真實反映各因素重要性，尚需對式(4)中的判斷矩陣進行一致性檢驗。依據(jù)式(4)和式(5)，由矩陣論可知判斷矩陣最大特征根為λmax=7.374，將其代入式(2)可得一致性指標為

(6)

查表2可知7階判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI=1.36，將相關數(shù)據(jù)代入式(3)可得一致性比率為

(7)

根據(jù)式(7)的結(jié)果，可知判斷矩陣滿足一致性要求，其最大特征根對應的正交化特征向量可以真實反映各因素對總體影響的大小，即式(5)結(jié)果真實可用。

根據(jù)式(5)，可知鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，節(jié)點連接(包含節(jié)點焊接和緊固連接)施工和構(gòu)件加工施工對鋼結(jié)構(gòu)總體影響極為重要，必須重點加強管理，嚴格控制這些流程中人因失誤操作的發(fā)生；另一方面，在人力資金等管理資源有限時，應該按照式(5)中的重要性排序優(yōu)先考慮重要性高的流程，可以有效提高資源效率。

4 結(jié)語

依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工階段人因失誤因素重要性排序向量，節(jié)點連接和構(gòu)件加工對鋼結(jié)構(gòu)施工影響最為重要性，應在實踐工程中加強控制，在管理資源有限時應優(yōu)先考慮重要性高的流程。

參考文獻：

[1] ELLONGWOOD B. Design and construction error effect on structural reliability[J]. Journal of Structural Engeering, ASCE, 1987, 113(2): 409-422.

[2] STEWART A, MELCHERS R E. Error control in member design[J]. Structural Safety, 1989, 6(1):11-24.

[3] 周 詳. 考慮人為錯誤的結(jié)構(gòu)模糊隨機可靠度分析模型[J]. 武漢工業(yè)大學學報, 1996,18(2):38-40.

[4] 周 沖. 基于污染分布模型下的結(jié)構(gòu)可靠度分析[D]. 上海：上海交通大學, 2010.

[5] 史文秀. 鋼結(jié)構(gòu)施工階段人為失誤研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學, 2009.

[6] 索貴彬，蔡振禹. 基于AHP的石油地質(zhì)風險模糊綜合評價體系研究[J].河北工程大學學報:社會科學版,2008,25(3): 7-8.