城市軌道交通U型梁的施工風險和成本控制*

皮景坤

城市軌道交通U型梁的施工風險和成本控制*

皮景坤

（鄭州市軌道交通有限公司，450000，鄭州//高級工程師）

作為新型的橋梁上部結構，U型梁因其低成本、低噪音以及低風險等優點正逐步代替原有的傳統橋梁結構。U型梁結構復雜，受施工條件限制等各種不確定因素的影響，施工過程中難免會發生風險事故，給施工成本造成不利影響。利用模糊故障樹分析方法，提出了U型梁施工風險事故模糊成本重要度指標，利用該指標衡量U型梁施工過程中各風險對施工總成本的貢獻大小。將最小割集中底層事件的發生概率看作梯形模糊數，給出了梯形模糊數相乘的精確算法，利用該方法求出了U型梁施工的模糊成本重要度。最后通過實例分析驗證了本方法的有效性。

城市軌道交通；U型梁；施工風險；故障樹；施工成本；模糊成本重要度

在城市軌道交通中，U型梁與傳統的T型梁和箱型梁相比，具有斷面利用率高、外觀優美、造價低以及能夠有效地降低噪聲等優點［1］。U型梁結構特殊、受力復雜，目前尚無成熟、系統的設計靜壓可供借鑒［2］。文獻［3］通過某城市軌道交通1號線U型梁靜載試驗，測試了結構在正常使用狀態下的受力性能。文獻［4］結合南京至高淳城際快速軌道TA03標段U型梁的提運架施工，闡述了提運架組織設備的選型和配置，以及提運架施工工藝中的技術難題。文獻［5］探討了城市軌道交通U型梁車橋系統的動力響應，采用線性化輪軌模型建立了31個自由度的輪軌車輛動力學模型。

目前，已有一些關于梁結構的風險研究成果。文獻［6］利用層次分析法提出了基于層次分析法-灰色系統理論-人工神經網絡-有限元分析-蒙特卡羅理論的定性及定量風險分析方法，并將其應用于某大跨單索面公路軌道兩用鋼桁梁斜拉橋。文獻［7］結合預應力混凝土連續梁橋的工程實例，研究了懸臂施工的連續梁橋施工過程的風險因素識別，闡述了風險識別的基本原理與模糊層次分析的基本概念。文獻［8］按照橋梁設計的基本生命周期進行了設計風險劃分，提出橋梁的設計風險評價指標；且基于層次分析法（AHP），結合專家打分建立了各指標的權重；再利用模糊綜合評價法（FCE）建立了模糊評價集，并利用Zadeh算子對設計風險概率和設計風險損失進行了計算，進而根據風險評估矩陣得到橋梁的設計風險水平。文獻［9］利用有限元軟件建立了體外預應力混凝土簡支梁模型，分析轉向塊個數、預應力筋的錨固高度、有效預應力度、體外索截面積以及梁體混凝土強度等因素對體外預應力混凝土簡支梁極限承載力的影響。

本文利用模糊故障樹分析方法，提出了U型梁施工風險事故的模糊成本的重要度指標，利用該指標衡量U型梁施工過程中各風險對施工總成本的貢獻大小。將最小割集中底層事件的發生概率看作梯形模糊數，給出了梯形模糊數相乘的精確算法，且利用該方法求出了U型梁施工的模糊成本重要度。最后通過實例分析驗證了本方法的有效性。

1 U型梁的模糊故障樹研究方法

由于U型梁是新型的城市軌道梁型式，其研究資料較為匱乏。因此，在施工過程中不可避免地存在著施工風險。找出對施工成本造成較大損失的風險因素，從而制定出相應的辦法避免這些因素的發生顯得尤為重要。

假設在某個U型梁施工過程中，易出現的風險因素為N個。為便于研究，將風險因素記為f1～fN。在研究U型梁的風險評估中，假設每個風險因素相互獨立。由模糊數序理論可知，U型梁施工的故障樹可看成最小割集單元的故障樹，如圖1所示。

圖1 U型梁施工的模糊故障樹

U型梁施工風險評估的頂層事件概率的計算公式為：

式中：

pj——第j個風險因素發生的概率；

pj，n——第j個風險因素不發生的概率。

傳統的風險分析方法將pj和pj，n看作精確的數值。然而在實際工程中，受到各種不確定因素的影響，底層事件fN的概率往往是不確定的。正確的研究方法是將事故樹的底層事件看作模糊事件，底層事件發生的概率用模糊數表示。這樣頂層事件A變成模糊事件，記為AF。本文采用常用的梯形模糊數來表征底層事件發生的概率。梯形模糊數的隸屬函數如圖2所示。由圖2可知，AF=（m1+a，m1，m2， m+b）。 其中，m1、 m2分別為隸屬值為“1”時隸屬函數定義域的最小值和最大值；a為左連續增函數的定義域區別長度；b為右連續減函數的定義域區間長度。

圖2 梯形模糊數的隸屬函數曲線

底層事件發生的概率對頂層事件發生概率的“貢獻度”對模糊故障樹的研究起著至關重要的作用，常用概率重要度表征。文獻［9］給出了精度較高的中值法計算概率重要度。文獻［10］對現有梯形模糊數的計算方法進行了研究，得出該計算方法誤差較大。

故本文在現有方法的基礎上提出一種改進的計算方法。設有N個梯形模糊數，記為：fj=（mj1-aj，mj1，mj2， mj2+b）（j=1～N）。第 j個模糊數的隸屬函數曲線及其λ截集區間如圖3所示［9-11］。模糊數AF=（m1+a， m1， m2，m+b）的精確隸屬度通過表現定理的相關推導求得。表現定理詳見文獻［10］。

圖3 梯形模糊數的隸屬函數及其截集區間示意圖

2 計算數據的獲得

從施工成本的角度出發，U型梁在施工過程中的一個風險事故對整個施工過程的影響因素有2個。①某個風險事件的發生對整個U型梁施工過程發生風險事故的概率影響程度，該因素可用模糊重要度來度量；②某個風險事故對整個施工成本造成損失的大小，該因素可以通過查閱文獻或調研方法來獲取。綜合以上2個因素，本文利用U型梁施工過程中模糊成本重要度來衡量某一風險事故的重要程度，計算公式如下：

式中：

Ij——模糊成本重要度，表示從工程施工成本的角度計算得到的第j項風險的重要程度；

STj——第j項風險的模糊重要度；

cj——第j項風險發生后造成的經濟損失比；mTe——底層事件fi全部發生時頂層事件A模糊概率的中值；

mTje——底層事件fi有一個不發生、其他全部發生時頂層事件A模糊概率的中值。

目前，關于U型梁風險評估方面的研究資料較少。為獲得每項風險事故發生的概率與對工程造成的經濟損失比，本文采用專家調研法獲得所需要的數據。在處理專家調研法得到的數據時，加權平均法為最常用、最簡單的方法之一。加權平均法是將各個專家依據他們的職稱、年齡、學歷、工齡等設定一定的級別，將所有專家的級別經過處理得到每個專家在數據處理時的計算權重，然后對他們所作出的評判按照計算權重來累加，最后得到待調查事件相對精確的結果。本文采用加權平均法來處理專家調查法的數據。共對26名專家進行了調研，調研專家組成如表1所示。

表1 調研專家組成

由表1可知，第r等級專家計算權重為：

最終，由所有專家評判后經過計算權重的累加得到第j項風險事故的發生概率為：

式中：

Pij，r——專家判斷第j項風險事故的發生概率。

在U型梁施工過程中，施工風險成本調查以及風險發生的概率范圍和經濟損失比范圍分別如表2和表3所示。問卷調查中，對表2和表3分別填入相應的數值便可得到風險發生的綜合評價。

表2 U型梁施工風險成本調查表

表3 U型梁施工風險發生概率范圍及經濟損失比范圍分類標準

3 實例分析

本文以鄭州市南四環—鄭州南站城郊鐵路工程的南四環站—新鄭機場站高架橋的U型梁結構為例。該工程采用現澆U型梁結構，由于地形、工程地質與水文條件較復雜，作業人員的素質較低，屬高風險和易發生安全事故的施工作業。通過對現場施工的長時間調研和專家論證，確認以下幾個風險事故危險源：①高處墜落傷害；②物體打擊傷害；③模板脹裂坍塌；④觸電傷害；⑤腳手架（支架）坍塌；⑥機械傷害。分別記為f1、 f2、 f3、 f4、 f5、 f6。 將這 6項風險因素作為故障樹的底層事件，每個事件是相互獨立的。將所有底事件的發生概率取為模糊數，按照式（6）求出各個風險的模糊成本重要度。將式（1）中的底層時間風險概率看著梯形模糊數。由式（1）經過反復計算后得到模糊經濟損失比，如表4所示。

在考慮全部風險和分別不考慮f1～f6的7種情況下，所求得頂層事件發生概率的隸屬函數曲線、曲線所圍面積及對應的中值hx，如圖4～圖10所示。最后，求得所有6項風險的模糊概率重要度、經濟損失比、模糊成本重要度的結果如表5所示。由表5可知：

（1）綜合考慮某個風險對U型梁施工過程發生事故的概率的影響程度和造成的經濟損失，即從模糊成本重要度的角度出發，最值得重視的一項風險因素為“高處墜落傷害”，其模糊成本重要度指標大于0.001 1，且比其他風險要大得多，故其是從成本角度而言值得規避的風險因素。

表4 所有風險事件的發生概率和經濟損失比情況

圖4 考慮全部風險時頂層事件發生概率的隸屬函數曲線

圖5 不考慮物體打擊傷害時頂層事件發生概率的隸屬函數曲線

圖6 不考慮觸電傷害時頂層事件發生概率的隸屬函數曲線

圖7 不考慮高處墜落傷害時頂層事件發生概率的隸屬函數曲線

圖8 不考慮模板脹裂坍塌時頂層事件發生概率的隸屬函數曲線

圖9 不考慮機械傷害時頂層事件發生概率的隸屬函數曲線

圖10 不考慮腳手架（支架）坍塌時頂層事件發生概率的隸屬函數曲線

（2）諸如“物體打擊傷害”和“機械傷害”此類的風險因素的模糊概率重要度均較低，但因為經濟損失比的均值非常大，使得模糊成本重要度的排名也很靠前。

（3）雖然“腳手架（支架）坍塌”這一項風險因素可通過投保的方式來規避，但“腳手架（支架）坍塌”這一項風險因素，單純采用保險一種手段是不夠的。因為“腳手架（支架）坍塌”本身的概率重要度就是所有風險中最大的。所以對于這類投保，保險公司所規定的保險費率、免賠額度肯定會很高，同時風險一旦發生，即使有賠款也不能彌補所有的損失。故可將投保所用的大量費用花在研究如何避免發生腳手架（支架）坍塌的施工技術上面。

表5 各風險的模糊成本重要度排名及比較

［1］ ALHAJRI T M，AZIMI M，MIRZA，et al.Behavior of pre-cast U-shaped composite beam integrating cold-formed steel with ferro-cement slab［J］.Thin-Walled Structures，2016，102（5）：18-29.

［2］ JOSE V M，TATIANA G S，VICTOR Y.Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy［J］.Journal of Cleaner Production，2016，120（5）：231-240.

［3］ 莊嚴，余小華，蒲黔輝.城市軌道交通U型梁靜載試驗研究［J］.西南公路，2010，32（4）：48-52.

［4］ 周敏.城市軌道U型梁提運架綜合施工技術［J］.鐵道建筑技術，2015（8）：1-5.

［5］ 王彬力，蒲黔輝，白光亮.城市軌道交通U型梁動力性能研究與實驗驗證［J］.地震工程與工程振動，2011，31（6）：174-180.

［6］ 曾勇，鄭慧君，向中富.大跨單索面公軌兩用鋼桁梁斜拉橋施工風險分析［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2014，33（4）：29-34.

［7］ 宋傳中.懸臂施工連續梁橋施工過程風險識別［J］.中外公路，2012，32（4）：182-185.

［8］ 項貽強，吳強強，張婷婷.基于AHP-FCE模型的橋梁設計風險評估研究［J］.土木工程學報，2010，43（S）：275-280.

［9］ 鄒蕾，沈銳利.體外預應力混凝土簡支梁數值仿真分析［J］.鐵道建筑技術，2011（S）：38-42.

［10］ 李青，陸廷金.模糊重要度分析方法的研究［J］.模糊系統與數學，2000，14（1）：89-93.

［11］ 鄭俊杰，林池峰，趙冬安，等.基于模糊故障樹的盾構隧道施工成本風險評估［J］.巖土工程學報，2011，33（4）：501-508.

Construction Risk of Urban Rail Transit U-Beam and the Cost Control

PI Jingkun

As a new kind of bridge structure，U-beam features many advantages，such as low cost，safety，low noise and low risk，it is replacing the traditional bridge beams gradually.However，due to complex structure and the influences of various uncertain factors，risk accidents are inevitable during construction，the cost will also increase correspondingly.By employing fuzzy fault tree method，the important index of fuzzy cost in construction risk accidents for U-beam is proposed.This index is used to weight the contribution of construction risks to the total cost，the probabilities of bottom event in the MCS（minimal cut sets）is taken as the trapezoidal fuzzy number，thus the accurately multiply algorithm of trapezoidal fuzzy number is derived，which is employed to compute the fuzzy cost importance degree.The presented method is finally verified through a case analysis.

urban rail transit； U-beam； construction risk；fault tree； construction cost； fuzzy cost important degree

U445.1：U233

10.16037/j.1007-869x.2017.10.013

Author′s address Zhengzhou Rail Transit Co.，Ltd.，450000，Zhengzhou，China

*中鐵十九局集團有限公司科技研究開發計劃項目（2016-8A）

2016-10-02）