模糊层次分析法在桥梁工程总体施工安全风险评估中的应用

张 腾，肖 赟

(1.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉 40034;2.桥梁结构安全与健康湖北省重点实验室，湖北武汉 40034;3.中建钢构有限公司，江苏靖江 214500)

0 引言

随着经济的快速发展，大批跨海桥梁和新型结构形式桥梁不断涌现，并且伴随着工程投资规模的不断增大，桥梁施工受到了越来越多的不确定因素影响，施工难度和安全风险日益增大。

为了提高桥梁施工风险管控水平，我国先后开展了大量的施工风险管理方面的研究，2005年阮欣［1］等提出了基于风险评估方法的桥梁施工期间强健性分析方法并在南宁大桥成功应用;2006年巩春领［2］从实际出发，采用量化分析的思想，以大跨度斜拉桥为主要研究对象开展了施工期风险分析理论研究;2008年阮欣［3］通过对苏通大桥桥塔施工安全风险研究，形成了完整的风险管理系统并得到了成果应用;2011年，交通运输部正式出版发行了《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》(试行)(以下简称《指南》)［4］，这标志着我国桥梁施工安全风险评估正迈向规范化和标准化。

《指南》指出桥梁施工总体风险推荐采用指标体系法，将总体风险评估结论作为是否进行专项施工风险评估的依据［5］。由于指标体系过于强调施工过程中的固有施工风险，未考虑合理施工组织等给施工风险带来的风险抵消作用，并且当前指标体系还不大完善，评价过程具有较大的主观性。通过对当前的各种定量和定性评估方法的综合分析，认为模糊层次分析方法应用于桥梁总体施工安全风险评估能够实现施工风险的全面分析和评估，又能较好的克服评价主观性强的问题。为此，本文拟通过某跨海桥评估实例，对模糊层次分析运用于桥梁施工总体风险评估进行论述，为开展桥梁施工风险评估与管理提供参考依据。

1 模糊层次评价理论

模糊层次评价是综合利用了层次分析法和模糊综合评判法进行风险分析的一种综合评估方法。该方法主要工作包括:

1)建立因素集合:引起风险的各种潜在因素的组合。

2)建立评价集合:建立评价集的目的是通过综合考虑评判对象的所有影响因素，从评价集合中获得一个最佳的评判结果。

3)建立权重集:利用层次分析法结合专家打分确定各因素间的相对权重，以表示各个因素对一个风险的影响程度。

4)单因素模糊评定:单独对一个因素进行评判。一般情况下，采用专家评定、打分、统计或者建立模糊隶属度函数的方法生成判断矩阵。

5)模糊综合评定:把各个单因素评判的结果通过各自的权重综合进来进行评定。常用的模糊函数有最大隶属度法、加权平均法等多种［6］［7］。本文拟采用加权平均法构建模糊函数，通过从低层次逐级向高层次进行计算，也就是先分别对各级事物进行一次模糊综合评判，接着对上一级进行模糊评判运算，直至得出最终的评判结果。

2 总体施工风险模糊综合评判

以平潭海峡公铁两用大桥元洪航道桥为例。元洪航道桥是一座主跨为532m的双塔钢桁梁结合梁斜拉桥。依据该项目实施性施工组织设计，元洪航道桥的主要施工内容主要包括塔柱与墩柱的基础施工(采用先平台后围堰施工方法)、塔柱施工(液压爬模施工)、墩柱与辅助墩施工以及钢桁梁施工(架梁吊机对称悬臂架设法)四个主要方面的内容。

参考《平潭海峡公铁两用大桥施工安全风险评估报告》［8］，本节建立了该斜拉桥的总体施工风险指标体系(表1)，按照专家评估意见构造了判断矩阵，计算出了各指标的权重值(计算可参考本文2.3节相关内容)。

2.1 建立风险因素集

基于表1，建立因素集如下:

={基础施工风险，塔柱施工风险，边墩与辅助墩施工风险，钢桁梁施工风险}

={钻孔平台搭设风险，钢护筒施工风险，钻孔施工风险，围堰施工风险}

={主塔墩身施工风险，横梁施工风险，塔吊与电梯安拆风险}

={模板施工风险，塔吊安拆风险}

={钢桁梁运输风险，浮吊架设风险、架梁吊机架设风险，挂索施工风险}

表1 总体施工风险指标体系及权重

2.2 建立评价集

本项目模型从各种风险对整个桥梁建设项目影响程度的大小考虑，最终将风险分为四个等级，即 V={v1，v2，v3，v4}={一级，二级，三级，四级}={低风险，中风险，高风险，极高风险}，并给出相应的风险值1～4，如表2。

将评价结果B进行具体量化，作为最终风险评价数值［9］求出风险值V:

表2 施工风险评价集与评价标准

2.3 建立权重集

以基础施工风险影响因素的权重计算为例，根据层次分析法构造基础风险影响因素的，判断矩阵如表3。

表3 基础施工(A1)风险的判断矩阵

经过计算，基础施工风险影响因素u1的权重向量为

n=4，根据平均随机一致性指标［10］［11］，得出RI=0.89，则:CR=CI/RI=0.092 ＜ 0.1，满足一致性检验，所以构造的基础施工风险影响因素的判断矩阵合理。

2.4 进行模糊综合评价

1)单因素评估:为了综合评价项目的总体施工风险，本模型选取相关领域专家共11人组成评审进行单因素综合评价。

让每位专家对第i级指标中的第j个指标给出评价，计算出uij。

式中uij表示第i级指标中的第j个指标相应的权重;nij表示第i级指标中的第j个指标归为同一风险档次的专家人数;Σ m表示专家总数。

2)建立评估模型中的模糊关系:按上述方法计算全部的单因素评估向量Rij，建立模糊关系矩阵Ri:

3)一级模糊风险评估

以基础施工风险u1为例:

将B1归一化后得

根据最大隶属度原则，该桥基础施工风险等级为三级，为高度风险。

同理

塔柱施工风险为三级风险，为高度风险。

边墩与辅助墩施工风险为二级风险，为中度风险。

钢桁梁施工风险为四级风险，为极高度风险。

4)二级模糊风险评估

本例通过二次模糊风险评估，就能得出该桥施工总体安全风险等级。

综上，该桥施工总体风险等级为三级，高度风险。施工中最可能发生的事故是钢桁梁施工和主塔施工，其次是基础施工和边墩与辅助墩施工。

3 结论

将模糊层析分析法引入桥梁工程项目总体施工风险评估的主要特点在于:

1)在缺少可靠数据无法开展定量风险评估时，可以依靠专家的群组决策优势对拟建项目进行总体风险评估，具有一定的操作性和可行性。

2)风险是多因素之间的耦合效果，此方法的应用的前提是对模型进行完全的层次分析，无法对平行影响因素之间相互关联效果还有待进一步研究。

3)层次分析法由底层往上层进行推演计算，与交通部《指南》开展风险评估的思路存在差别，对于如何与行业标准实现有效对接还有待进一步讨论和分析。

［1］ 阮欣，陈艾荣，石雪飞.大跨径桥梁施工期间结构强健性的风险评估研究［C］.中国公路学会桥梁和结构工程分会2005年全国桥梁学术会议，2005:659－664.

［2］ 巩春领.大跨度斜拉桥施工风险分析与对策研究［D］.上海:同济大学，2006.

［3］ 阮欣，陈艾荣，欧阳效勇，等.超大跨径斜拉桥索塔施工期间风险评估与风险管理［J］.桥梁建设，2008，25(2):74 －77.

［4］ 交通运输部工程质量监督局.公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估制度及指南解析［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［5］ 彭可可，F.Netcati.Catbas，万志勇.桥梁工程设计的综合安全风险评估方法研究［J］.华东交通大学学报，2013，30(4):7.

［6］ 徐善初，张世林，陈建平.模糊层次评价法在隧道地质灾害评估中的应用［J］.地下空间与工程学报.2013，9(4):947 －948.

［7］ 梁雷.沿海高桩码头施工风险评估及安全控制研究［D］.重庆:重庆交通大学，2013.

［8］ 朱治宝，胡贵琼，等.平潭海峡公铁两用大桥施工安全风险评估报告［R］.武汉:武汉桥梁建筑工程监理有限公司，2014.

［9］ 陈军，张德明，蔺亚虎.基于模糊层次分析方法大型桥梁工程项目风险评估［J］.石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2010，23(3):31－32.

［10］ 谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用［M］.武汉:华中科技大学出版社，2006.

［11］ 温世儒.基于超前地质预报的隧道施工期风险评估与防控措施研究［D］.西安:长安大学，2012.