建筑施工安全事故流变过程

张守健

(哈尔滨工业大学营造与房地产系，150040哈尔滨，zhangsj@hit.edu.cn)

在工程建设领域，除了应用事故归因理论原理来预防和控制安全事故，研究人员还根据工程建设过程中安全事故的特点，使用安全突变理论、安全流变理论等分析安全事故发生过程.在突变理论应用研究方面，如根据大坝系统的势函数将其安全事故发生的临界点进行分类，利用突变理论研究临界点附近状态变化的特征，描述安全事故的发生过程，并给出了基于突变理论的系统发生事故时及事故前后的行为特征，建立了事故致因突变模型［1］.潘岳［2］等建立了基于突变理论的折突变模型和岩体动力失稳问题对应的突变模型的平衡方程，为预防塌方等安全事故提供理论依据.在流变理论应用研究方面，自M.Reiner［3］建立结构流变力学模型或理论流变力学模型以来，更多的是对安全事故或灾害的流变过程的研究，揭示安全事故或灾害的流变发展规律.如对淤泥质软土在动态载荷作用下，通过理论分析和测试，建立了黏弹塑性流变力学模型［4］，并推导了新的流变方程和动态黏弹性流变参数，探索软土加速流变并导致岩土地质灾害的动力学机制［5-6］.通过对岩石弹黏塑性流变试验，建立了不同压力下的非线性流变模型等［7-8］.随着对各类安全事故的突变过程或流变过程的研究，又出现了系统安全突变-流变理论［9］，这一理论认为安全事故是由流变转化为突变的系统过程.上述研究对揭示各类安全事故的发生机理提出了有针对性的过程变化规律和模型，为安全事故的预防与控制提供了理论依据.但是，这些理论和模型所针对的对象多是单一的，即只是针对某一类事故进行研究，并且研究对象的安全环境变化很小.对于建筑施工过程来说，其各个工序作业相对稳定，但经常出现多工序交叉作业的情况，并且外部环境对建筑施工的影响较大，此时安全事故的发展过程变得更加复杂.

本文针对建筑施工的特点和工序的施工作业特性，基于安全流变理论原理，考虑多工序交叉作业的实际和外部环境的变化，研究建筑施工安全事故的流变过程和变化规律，为预防和控制建筑施工安全事故、提高安全管理效率提供理论依据.

1 建筑施工安全事故的流变特征

安全流变是事物发展过程中安全与不安全要素的矛盾运动过程，其决定了事物发展的各个阶段的安全状态与故障状态，甚至消亡状态.安全流变的全过程可表达为:在某一新系统诞生的初期，其不安全度随时间呈减速递增，新秩序在此期间逐渐形成和完善.当新秩序发展到成熟阶段时，完善的新秩序使不安全度值开始匀速缓慢地增加.经过一个稳定增加的时期后，原秩序继续向无序方向发展，进而使不安全度值开始加速增大.任何事物都具有其固定的不安全度承受能力或界限，超出此界限后，事物将在安全状态方面发生突变.事物发生安全状态突变时的不安全度值即是该事物的临界不安全度.因此，当不安全度加速增大到此临界不安全度值时，事物的破坏开始发生并持续一定时间.当原秩序被完全破坏后，事物又开始回归到安全状态，即不安全度近似为零值，原事物的秩序完全消失.从而又形成了另一个同类新生事物诞生的起点.

建筑施工安全事故是在建设工程施工过程中突然发生的、迫使施工作业过程暂时或永远终止的一种意外事件.这种意外事件的形成过程是作业活动、不安全因素、不安全事件、安全管理活动系统相互作用的结果.建筑施工过程中，安全事故的形成过程是多个不安全事件的组合发生而演变成的(也是安全事故发生后，确定原因的理论依据)，其随时间动态变化，这一动态过程符合安全流变过程原理.

2 建筑施工安全事故流变模式分析

建筑施工过程中安全事故的表现形式是多样的，如高坠、火灾、触电等多种事故形式.每个安全事故的发生即是确定的，又具有偶然性.因此，在建筑施工过程中，其安全事故的流变是多流变模式，但针对一起安全事故的流变过程是单流变模式.

2.1 安全事故的单流变模式

建筑施工安全事故的形成过程表现为某一不安全事件序列的有序产生，最终形成安全事故.其形成过程可用图1所示的单流变模式表示.

图1 建筑施工安全事故的单流变模式

定义:流变强度是指安全事故流变过程中，形成此安全事故的不安全事件集合内的全部不安全事件发生的可能性.

图1中，横坐标表示时间，用t表示.纵坐标表示流变强度，用U表示，0≤U≤1.OE表示一个安全事故形成的完成过程.建筑施工安全事故的单流变模式可以分为启动阶段OA、振荡阶段AB、激发阶段BC、事故阶段CD和后效阶段DE 5部分.

1)启动阶段OA.施工作业开始阶段，由于生产要素投入少，不安全因素较少.随着作业人员、设备、资源等要素的投入，不安全因素逐步增加，不安全因素集合不断增大，使流变强度U增加.在某一施工工序处于稳定状态时，流变过程达到稳定的状态点A，即流变强度为U2.

2)震荡阶段AB.随着建筑施工作业的全面展开，不安全因素产生并存在于施工作业中，不安全因素不断地引起不安全事件的发生.不安全事件的发生规律具有随机性，即因为不安全因素的存在才可能发生不安全事件，但不是这些不安全因素都会时时表现为不安全事件.针对不安全因素而制定的安全管理行为，使多数不安全事件序列不能形成完整的事件序列，安全事故没有发生.有针对性地安全管理行为控制或消除部分不安全因素，使作业过程的流变强度降低，达到U1.随着施工作业过程的展开，一些不安全因素出现新的扰动，使流变强度不断波动，达到U3，h表示震荡幅度，这一过程属振荡阶段.一般情况下，安全流变模式长时间处于震荡阶段而不发生安全事故.

3)激发阶段BC.由于不安全因素的扰动积累到了一定的程度，使施工作业过程的流变强度突然急剧增加，达到最高水平U4，U4=1.此时不安全事件序列发生的可能性迅速增加，流变过程立即进入下一阶段.

4)事故阶段CD.这一阶段表现为不安全事件完整并有序发生，致使系统的能量突然释放，安全事故瞬间发生.

5)后效阶段DE.这一阶段是安全单流变模式的最后一个阶段，表现为施工作业过程遭到破坏，正常施工作业进入停止状态并回到最初的稳定状态.安全流变强度从U4降低到O点，返回初始状态.

2.2 安全事故的多流变模式

建筑施工过程中，由于安全管理水平、多工序交叉作业、外界扰动等多因素的影响，可能发生多种安全事故.因此，在实际的建筑施工过程中，安全事故形成过程属于多流变模式.

形成每个安全事故的不安全事件序列具有独立性，但是其中的某一个或多个不安全事件可能同时是其他安全事故的不安全事件序列的组成部分，因此，多流变模式是单流变模式的集成，不是单流变模式的简单叠加.对于建筑施工安全管理的主体，其安全管理的对象是安全事故的多流变模式.安全事故多流变模式的规律如图2所示.

图2 建筑施工安全事故的多流变模式

多流变模式的特征:

1)启动阶段OA'的流变强度增长更快，相对于单流变模式，安全事故发生的几率更高.

2)在震荡阶段A'B'过程中，其流变强度更高，与发生安全事故的距离更近.多流变模式与单流变模式的流变强度距离为U3'-U2'=k，k越大，不安全事件集合越大，能构成不安全事件序列的可能性就越多.

3)在激发阶段B'C过程中，由于存在U4-U3'≤U4-U2'，使安全事故更容易激发，使安全事故的流变强度更快达到1，发生安全事故.

4)在后效阶段DE'过程中，由于多流变模式下的不安全事件集合更大，在E'上流变强度降低到U1'水平，而不是降低到0.并在安全事故发生后，进入新的、流变强度相对较高的流变过程.

5)多流变模式下，当流变过程只有1个时，多流变模式变成单流变模式.单流变模式是多流变模式的特殊形式.

从安全事故多流变模式的发展过程看，若建筑施工安全事故发生，应立即停止同一阶段的全部施工作业活动，查找并消除更多的不安全因素，以降低多流变模式下的流变强度.

3 流变强度分析

流变强度的大小直接关系到安全事故发生的可能性.对其进行度量对预防安全事故的发生有重要作用.故障树分析(Fault Tree Analysis，FTA)是一种图形演绎方法，通过故障事件在一定条件下的逻辑推理，表示导致安全事故的各种因素之间的因果及逻辑关系［10］.FTA方法的计算过程和手段已经较为成熟［11-12］.建筑施工安全事故流变强度变化的根本原因是施工作业过程中不安全事件序列内各个事件的逻辑发生状况，因此，可用FTA方法来表达流变强度.因为安全事故流变过程中流变强度是动态变化的，本文以建筑施工某一阶段各工序施工作业正常进行为对象(即流变模式的震荡阶段)，计算其流变强度.

3.1 单流变模式下的流变强度计算

设某安全事故的不安全事件序列为X，则

xj表示第j个不安全事件.

若xj的发生概率为p(xj)，则该安全事故的流变强度为

即对于单流变模式来说，流变强度为构成安全事故的不安全事件发生概率的交集.

3.2 多流变模式下的流变强度计算

由于实际建筑施工过程中基本是多工序交叉作业，某一时间断面上可能发生安全事故的种类较多，因此，多流变模式的流变强度为

Ui为第i类安全事故的单流变强度，i=1，2，…，m.

设Xi={xij}，Xi为Ui的不安全事件序列集合，根据式(1)、(2)，有

3.3 流变强度的敏感性分析

由于多流变模式下某一个不安全事件可能存在于多个安全事故的不安全事件序列，因此，每个不安全事件对于流变强度的影响不同.

1)结构敏感性.不考虑不安全事件的发生概率，仅从多流变模式的各个不安全事件序列结构构成上分析某个不安全事件对流变强度的敏感性时，该不安全事件xj对流变强度的结构敏感性

式中:k为Xi中不安全事件的序数;mi为Xi中不安全事件的数量.

式(4)中，若xk∉Xi，则Yi(j)=0.其中Y(j)的计算［13］如下

［φi(1j，X)-φi(0j，X)］为与不安全事件xi对照的临界割集.

计算全部不安全事件的结构敏感度Y(xj)，可以实现Y(xj)的排序.Y(xj)越大，对流变强度U的影响越大.

2)概率敏感性.不安全事件xij发生概率是变化的，不同的xij变化引起U的变化幅度不同.因此，不安全事件xij对U的概率敏感性

将式(3)代入上式得

计算不安全事件xij的概率敏感性G(xij)，可实现G(xij)的排序.G(xij)越大的不安全事件，表示该不安全事件发生概率p(xij)的变化对流变强度U的波动影响越大.

从上述流变强度的敏感性分析可知，在建筑施工过程中，某些不安全事件对安全事故的发生与否影响较大.通过对施工作业中不安全事件的判别，可以有效地降低安全事故的流变强度，提高建筑施工安全管理效率.

4 结语

建筑施工安全事故是以突变形式发生的，但其发展过程符合流变过程理论.结合建筑施工安全事故的特征，研究了其单流变模式和多流变模式的变化过程，为预防和控制施工作业过程中安全事故的发生提供理论依据.针对安全事故的流变模式，利用故障树分析方法基本原理，给出了流变强度的计算方法和敏感性分析，为提高建筑施工安全管理效率提供有效的途径.

尽管本文给出建筑施工安全事故流变过程的相关分析理论和方法，但是对流变过程有重要影响的不安全事件序列的确定仍具有一定的难度.现阶段不安全事件序列多是根据已发生的安全事故进行逻辑推理得到，如何认知各个施工作业阶段的全部不安全事件序列，将是下一步研究的重点.

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