建筑施工現場危險區域主客觀雙線路風險評估研究

董家成，關 罡

(鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001)

建筑業作為發展中或發達國家的經濟支柱近年來得到了高速發展。建筑業屬于勞動密集型行業，具有施工周期長、人員流動性大、工況條件復雜、動態管理困難等特點，這些行業特性既帶來了經濟效益，也帶來了安全隱患。建筑施工現場危險區域作為安全管理領域中一個重要的研究方向，許多學者對其進行了研究。如Nezhad等運用ET與BA技術確定了144個建筑施工現場危險區域，并參考軍事標準將其劃分為高危險區、重要危險區和平均危險區3個等級；Giretti等開發了一套建筑施工現場健康安全管理系統，能夠自動實時地追蹤現場工人，防止未授權的無關人員誤入危險區域；郭紅領等運用BIM和定位技術開發了建筑施工現場危險區域的劃分規則，并規定了區域的影響面積分布；Teizer等基于實時位置跟蹤技術和未遂事故的數據，實現了對建筑施工現場危險區域的靜態與動態識別；Kim等基于BIM與RTLS技術建立了建筑施工現場危險區域實時自動識別模型，通過最優路線偏差原則減少了施工人員在危險區域暴露的時間；Li等基于RTLS技術成功實現了依據工人位置軌跡自動劃分建筑施工現場危險區域；華瑩等通過因素分析和多變量聯合分布建立了建筑施工現場危險區域的概率評估模型，以為高層建筑施工現場的安全管理提供參考；王偉等將BIM與機器視覺技術相結合構建了建筑施工現場危險區域入侵預警模型，降低了安全事故發生的概率。信息技術與定位技術能夠為建筑施工現場人員提供實時跟蹤報警和危險區域自動劃分，但這些研究均未考慮危險區域的階段性，不同階段所對應的危險區域有所不同，且當前國內外大部分相關研究屬于危險區域的下位研究，即基于明確概念的拓展性研究，而相關的上位研究則較少，如危險區域的具體概念、標準種類庫、風險程度、空間面積分布等。

目前關于危險因素的評估方法主要涵蓋三大類：首先是以事故樹(FTA)和失效模式(FMEA)為代表的系統安全分析法；其次是以LEC和MES分析為主的風險辨識法；最后是以經典算法為核心的數學理論法，如灰色理論與離差最大化法、綜合加權與TOPSIS法等。通過對比分析發現，風險辨識法可操作性強，但主觀影響因素較大，難以得到真實客觀的結果；數學理論法通常基于多種算法相結合，復雜度高，適用于作為外力工具彌補傳統方法的局限性；系統安全分析法理論成熟，通過與數學算法結合應用，可主觀可客觀，可定性可定量，可演繹可歸納，適用于多種不同的應用場景。但當前大多數的危險因素評估方法缺少真正落地的客觀影響因素，僅依靠主觀數據所得出的結論并不具備說服力。為此，本文分階段識別了建筑施工現場普適的危險區域，建立了種類標準庫，并提出了一種建筑施工現場危險區域主客觀雙線路組合風險評估方法，該方法通過主客觀雙線路構建數學模型，對建筑施工現場危險區域進行了全面的風險評估。

1 理論框架

1. 1 危險區域定義與研究方法框架

危險源的概念已廣為人知，但危險區域的概念仍沒有權威的定義，明確研究對象的概念內涵是科學研究的基礎工作。本文將危險區域的廣義概念定義為“由相關的危險源集合風險輻射范圍并集確定的區域”，狹義概念定義為“施工場區范圍內由與確定時段某項作業相關的危險源集合風險輻射范圍并集確定的區域”。

本文開發了一套完整的建筑施工現場危險區域主客觀“雙線路”風險評估體系與標準。線路一將綜合加權模糊TOPSIS算法引入FMEA工具，解決了建筑工程系統的模糊化和信息不確定性等問題；線路二基于粗糙集理論進行指標約簡和權重計算，根據多項目施工現場的實時數據分析，實現了真實的客觀評價；雙線路整合方法采用松弛因子，創新性地將模糊集理論與粗糙集理論相結合，綜合考慮主客觀因素，使評估結果更具說服力。該主客觀雙線路風險評估體系是本研究的創新點，研究方法核心框架如圖1所示。

1.2 綜合加權模糊TOPSIS改進FMEA方法

失效模式與影響分析(Falure Mode and Effects Analysis,FMEA)是廣泛應用于航空航天、軍事、船舶、汽車等領域的事前可靠性分析工具，傳統的FMEA方法通過計算風險優先因子(Risk Priority Number,RPN)即風險系數進行風險評估，RPN主要由嚴重度(

S

)、發生度(

O

)與檢測度(

D

)3個風險因子的乘積構成。這種風險評估方式理論簡單易懂，但其局限性主要體現在數據收集的模糊性、RPN計算方式簡單、缺乏客觀影響因素、風險因子類型單一等方面。除此之外，第5版《FMEA手冊》的發布已經明確表示不推薦使用RPN值進行風險評估，提出通過風險矩陣與措施優先級(AP)替代RPN值。本文以傳統的FMEA方法為基礎，通過TOPSIS算法中的貼合系數(

CC

)代替FMEA方法中的RPN，利用模糊數學降低數據收集的不確定性，并基于熵值法避免指標主觀權重的影響過重，同時新增了風險因子路徑影響度(

R

)。綜合加權模糊TOPSIS改進FMEA方法的步驟如下：(1) 建立初始決策矩陣。設專家團隊人數為

k

，危險區域數量為

m

，風險因子數量為

n

。失效模式語言模糊評估分為5個等級，見表1。

圖1 本文研究方法的核心框架Fig.1 Core framework of research methods of the study

表1 失效模式模糊評級標準

某危險區域對應的模糊數指標的計算公式為：

(1)

則初始決策矩陣被定義為

(2)

(2) 計算指標主觀權重。風險因子主觀權重的評級標準見表2。通過解模糊化和歸一化，可得到指標的主觀權重。具體計算過程如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

表2 風險因子主觀權重的評級標準

圖2 梯形隸屬度函數圖(中風險為例)Fig.2 Trapezoidal membership function graph (medium risk as an example)

(7)

(8)

(9)

DP

=1-

En

(10)

(11)

(4) 計算指標綜合權重。將指標主觀權重與客觀權重相結合，可得到指標綜合權重

w

，其計算公式如下：

(12)

(13)

(14)

最后，執行TOPSIS步驟，具體計算過程如下：

(15)

(16)

(17)

(18)

1. 3 粗糙集理論

粗糙集是一種處理不確定、不完整、不精確數據知識的表達、學習與歸納的數學方法，目前已被廣泛應用于決策分析、數據挖掘、專家系統、模式識別、歸納推理等領域。基于粗糙集理論的客觀評估步驟如下：

(1) 原始數據離散化。由于客觀評估指標體系中指標量與數據量均不大，因此本文采用調研說明與離散化準則處理原始數據。若需要離散化處理大規模數據，則可使用K-means算法輔助運算。

(2) 指標分類約簡。粗糙集理論約簡規則是指在不損害信息有效性的基礎上去除冗雜指標。

S

={

U

,

A

}為信息系統，其中

U

表示論域，

A

={

a

,

a

,…,

a

}表示某類條件屬性的集合，在本文中是指客觀評估各項指標。Ind表示等價關系分類，是指信息系統中的知識顆粒度，知識越多，顆粒度越小;

U

/ind(

A

-

a

)即表示論域中滿足某幾項客觀指標的對象集合。通過求解

U

/ind(

A

)與

U

/ind(

A

-

a

)，可判斷指標

a

是否可約簡，若滿足

U

/ind(

A

)=

U

/ind(

A

-

a

)，則說明指標

a

是

A

中不必要的指標，稱

A

-

a

是

A

的一個約簡，記為red(

A

)；反之，若

U

/ind(

A

)≠

U

/ind(

A

-

a

)，則說明指標

a

是

A

中必要的指標。

A

中所有必要指標的集合稱為

A

的核，記為coer(

A

)=∩red(

A

)。(3) 計算知識依賴度與相對重要程度。設信息系統

S

={

U

,

R

}，

P

、

Q

?

R

，其中

R

是全部客觀指標，

Q

是最簡指標集，

P

是最簡指標集中的某類指標。若滿足ind(

P

)?ind(

Q

)，則

Q

依賴于

P

，則依賴度

k

按照下面公式計算:

(19)

式中:Pos(

Q

)表示

Q

的

P

正域，是指在論域中所有使用分類

U

/ind(

P

)表達的知識能夠正確地劃入

U

/ind(

Q

)等價分類中的對象的集合，在客觀評估指標體系中實指兩個等價關系集合之間的相對重要程度；Card表示集合中的對象數。當

k

=1時，

Q

完全依賴于

P

；當0<

k

<1時，

Q

部分依賴于

P

；當

k

=0時，

Q

完全獨立于

P

。

P

中的指標

a

對于

U

/ind(

Q

)的相對重要性被定義為

(20)

σ

通常表示指標

a

在條件屬性中的重要性。由于本研究客觀評估指標體系中不涉及決策屬性，所以

σ

可作為指標

a

在客觀評估指標體系中的重要程度(注：作為權重時需要進行歸一化處理)。(4) 計算客觀風險評估值并排序。為最簡指標集對應的原始矩陣，為權重歸一化的結果向量；客觀風險評估值的計算公式如下：

(21)

式中：

m

表示最簡指標的數量；

n

表示論域中對象的數量。

1. 4 松弛因子

在計算組合評估值風險之前，需要對主觀與客觀風險評估值同質處理。設

CC

與

V

分別是兩者的同質處理結果，松弛因子

δ

和組合風險評估值

W

的具體計算公式如下：

(22)

W

=

δ

×

V

+(1-

δ

)×

CC

(23)

2 工程實例分析

2. 1 危險區域識別

在考慮危險因素階段性的基礎上，將建筑施工過程劃分為以下4個階段：基礎處理階段、主體施工階段、二次結構階段、裝飾裝修階段。本文基于《建筑施工安全檢查標準》(JGJ 59—2011)和安全施工經驗進行了危險源的識別與空間面積分布整理，并基于此匯總出建筑施工各階段的危險區域，其中基礎處理階段和主體施工階段均涉及10個危險區域，二次結構階段涉及9個危險區域，裝飾裝修階段涉及7個危險區域。建筑施工現場危險區域與時效階段的對應關系，見圖3。

圖3 建筑施工現場危險區域識別Fig.3 Hazardous area identification of a construction site

2.2 基于改進FMEA的主觀風險評估

為了使原始數據科學合理，評審團隊成員由不同領域的24位專家組成，主要涉及FMEA分析、項目管理、工程安全、醫療科學等方面。主觀評估指標分別是

S

、

O

、

D

、

R

4項，為了便于評估標準邏輯統一和模糊矩陣規范化的計算，本文將探測度

D

修正為不可探測度(Non-

D

)。主觀評估指標的評估標準及語言變量見表3。

表3 主觀評估指標的評估標準及語言變量表

2. 3 基于粗糙集的客觀風險評估

建筑施工現場調研的客觀數據具備修正主觀排序的價值，但真實的數據應來源于工程安全數據庫。為了使客觀數據盡可能真實有效，本團隊跟進河南省鄭州市及周邊的10個同期在建工程作為調研目標，歷時兩年完成了數據收集與整理工作，本文以各項目數據均值作為客觀原始數據。

客觀風險評估方法主要應用了粗糙集理論的兩個部分：一是通過知識約簡原則去除冗雜數據；二是通過知識依賴性計算指標權重。客觀風險評估指標分為4類共16項，由于客觀風險評估指標的數據來源于實地調研，所以數據之間應符合客觀規律。客觀風險評估指標調研說明與離散化準則的具體內容，見表4。

表4 客觀風險評估指標的調研說明與離散化準則表

2. 4 組合評估結果與分析

在主客觀原始數據收集完成后，本文基于MATLAB編寫計算程序，輔助風險評估框架的運算。首先，將主觀模糊數據代入公式(1)～(2)，可得到初始決策矩陣；其次，通過公式(3)～(6)將風險因子主觀權重進行三角模糊數的解模糊化與歸一化處理，可得到主觀風險評估指標

S

、

O

、Non-

D

、

R

的主觀權重；再次，通過公式(7)求出解模糊化矩陣各列的投影值

P

，并基于熵值法求得主觀評估指標的客觀權重；最后，通過公式(12)將指標主客觀權重結合，求出主觀評估指標的組合權重。風險因子的各項權重見表5。

表5 主觀評估指標的主客觀權重和組合權重

其中，解模糊化各列的投影值

P

為

總說明：塔式起重機相關指標定義為其他區域對應指標的均值；離散化原則在不同指標之間的含義保持一致；危險區域應該被重視的程度或已經被重視的程度越高，說明該區域的風險優先級越高，其離散化數據越靠近1，反之其離散化數據越靠近3。

客觀評估基于粗糙集理論計算，具體計算步驟如下：

首先，根據原始數據離散化處理結果約簡指標。以基礎處理階段的人員因素系統

S

=(

U

，

A

)為例，其中

U

={1，2，…,9，10}表示論域，

A

={

a

，

a

，

a

，

a

}表示條件屬性。分別計算

U

/ind(

A

)、

U

/ind(

A

-

a

)、

U

/ind(

A

-

a

)、

U

/ind(

A

-

a

)、

U

/ind(

A

-

a

)，得出

a

、

a

為不必要指標，人員因素指標最簡指標為

a

、

a

。同理，物體因素最簡指標為

b

、

b

，環境因素最簡指標為

c

，管理因素最簡指標為

d

。其次，計算指標重要性。基礎處理階段信息系統

S

=(

U

，

Q

)，指標集

Q

={

a

，

a

，

b

，

b

，

c

，

d

}，以人員因素信息系統

S

=(

U

，

P

)為例，約簡指標集

P

={

a

，

a

}，樣本子集

X

={1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}。分別計算

U

/ind(

Q

)、

U

/ind(

P

)、Posp(

Q

)和依賴度

k

，得出

σ

=3/10，

σ

=3/10,

σ

=1/5，

σ

=1/5，

σ

=1/10，

σ

=1/5。

原始數據經過處理與運算可分別得到主客觀的風險評估結果。為了減小主觀因素對風險排序的影響，本文通過引入松弛因子將主觀風險評估值與客觀風險評估值相結合，可得到更切合實際的不同施工階段各危險區域風險排序綜合計算結果，見表6。

表6 不同施工階段各危險區域的風險排序綜合計算結果

為了方便安全部門對不同施工階段各危險區域的風險管控，本文基于ALARP原則對危險區域依據危險程度進行了分級，具體分級標準見表7。

表7 危險區域分級標準

4個施工階段中，核心危險區域代碼分別是F4、F5、F8、M2、MSD1、MS5、S2、S3、D3、D2，即臨邊防護、施工用電、高空作業、垂直運輸均為須重點管控的對象，具體管控措施如下：在施工用電方面，采用TN-S配電系統是防止觸電事故的基本技術措施，配電箱的設置應滿足三級配電與兩級保護，管理部門需加強對安全電壓、電氣維修、滅火措施等內容的培訓與考核力度；在垂直運輸方面，塔式起重機、施工電梯、物料提升機等設備的安裝拆卸應當嚴格按照專業技術規程進行，管理部門須提高結構構件的檢查與驗收標準；在高空作業方面，基坑臨邊、腳手架與外立面施工的風險系數較高，管理部門除了嚴控相關安全規范的落地執行與提高工人安全意識之外，還需增加對防護用品的資金投入，確保每位工人的防護用品佩戴率，以降低事故風險。

對綜合風險排序做出如下說明：首先，由于主觀評估的專家庫不同，對模糊數據的分析結果會存在細微差異，客觀數據來源于實際工程，不同的項目對應不同的客觀風險評估值，會在一定程度影響組合風險排序；其次，客觀數據應來源于一定數量級的歷史工程數據庫，當數據庫構建逐漸趨于成熟時，客觀原始數據將越來越真實；最后，本文所選擇的風險因子不僅考慮了區域的危險程度、事故發生度、事故可預測度，還考慮了緊急情況下區域的空間分布對場內疏散路徑避讓的影響度，即風險因子的不同會影響危險區域風險排序。

為了突顯主客觀雙線路風險評估框架的應用價值與優勢，本文對比分析了4個施工階段的主觀與客觀風險評估結果，各風險階段的風險曲線圖見圖4至圖7。

圖4 基礎處理階段風險曲線圖Fig.4 Risk curves of foundation construction stage

由圖4和圖7可見，主觀認知與客觀實際的不同施工階段各危險區域的風險排序大體趨勢一致，但個別危險區域存在較大差異。若客觀風險評估值遠低于主觀風險評估值，則說明過去主觀認知的高風險區域在實際工程中受到足夠重視，管控措施得以有效執行，如樁基施工作業區、塔式起重機拆卸區、臨邊洞口墜落區等；若客觀風險評估值遠高于主觀風險評估值，則說明該危險區域的實際管控執行力度不夠，仍存在較高風險，如腳手架工程搭建與作業區。

圖4中顯示樁基施工作業區主客觀風險評估結果相差較大。傳統認知中樁基施工存在較大的安全隱患，如塌孔、樁孔墜落、盲區誤傷以及特種作業人員的非正規操作等，但由于國家加大了對特種作業人員專項檢查的力度，樁機作業人員無證上崗或施工違紀的比例近乎為零，且多數項目配備了兩個以上安全專項負責人，所以樁基施工過程的客觀風險較低，在評估結果中表現出客觀風險值偏低的局面。

圖5 主體施工階段風險曲線圖Fig.5 Risk curves of main construction stage

圖5中顯示鋼筋模板加工棚與腳手架工程搭建與作業區的主客觀風險評估值相差較大。其中，鋼筋模板加工棚存在電焊明火、機械切割等風險因素，其事故原因主要由人員操作不當引起，而通過實地調研發現，現場技術人員的實際操作熟練度普遍較高，新人培訓采用師徒教學制，雖偶爾有人因疏忽或疲勞導致人員輕微受傷，但相對來說風險性并不高；國內與腳手架工程相關的技術規程較多，但腳手架工程塔建與作業除了腳手架本身安拆的風險性之外，還潛藏著基底基礎、安全網搭設和高空作業等安全難題，且腳手架種類繁多，不同形式對應的風險點不盡相同，導致施工人員在實地調研考核環節表現不佳，在評估結果中表現出客觀風險評估值偏高的局面。

圖6 二次結構階段風險曲線圖Fig.6 Risk curves of secondary structure stage

圖7 裝飾裝修階段風險曲線圖Fig.7 Risk curves of decoration stage

圖6和圖7中主客觀風險評估結果差距較大的區域為塔式起重機拆卸區和樓層臨邊洞口墜落區。其中，塔式起重機拆卸是傳統認知中風險較高的危險源，安拆過程事故頻發，但當前的拆卸流程與工藝已經標準化，專業技術方案的制作水平逐步提高，且項目安全責任人大多將其視為重點管控危險源，因此客觀調研結果較為理想；關于樓層臨邊洞口墜落，近年來多數項目團隊進行了針對性管控，安全防護到位，專項方案評審、巡檢機制嚴格，在評估結果中表現為客觀評估風險值偏低的局面，也從側面說明樓層臨邊洞口安全管控初見成效。

通過主客觀雙線路風險評估框架能夠清晰地看出建筑工程施工現場的哪些危險區域已經得到了良好管控，哪些危險區域仍然具有較大的風險，其中腳手架工程應是未來一段時間內風險管控的重點，因此加大腳手架工程安全檢查的執行力度，提高管理團隊的安全管理水平，增加腳手架工程的安全文明建設投入比例，則是降低相關事故發生率的重要舉措。

3 結論與建議

在明確危險區域概念的前提下，本文提出了一種基于改進FMEA與粗糙集的建筑施工現場危險區域主客觀“雙線路”風險評估框架。該評估框架充分彌補了傳統FMEA的不足，克服了傳統RPN乘法運算的局限，驗證了模糊集理論與粗糙集理論在處理不確定性問題上的互補性，并將松弛因子應用于主客觀兩套風險評估體系的融合。組合風險排序的優越性與實踐價值主要體現在評估結果的客觀公正，可真實地反映建筑施工現場危險區域的風險分布。通過對比分析主客觀風險評估結果的差異，能夠清晰地看出目前風險管控措施的落地效果，便于及時采取對應的重點風險管控措施，盡最大可能降低施工現場的風險概率。未來的研究工作可考慮區域疏散路徑規劃、施工場地布置安全決策等方向。