面向安全的设计研究综述

夏侯遐迩，岳一博，陆 莹，袁竞峰，李启明

（东南大学 建设与房地产系，江苏 南京 210096，E-mail:xh@seu.edu.cn）

面向安全的设计研究综述

夏侯遐迩，岳一博，陆 莹，袁竞峰，李启明

（东南大学 建设与房地产系，江苏 南京 210096，E-mail:xh@seu.edu.cn）

提升安全生产水平是全球建筑业关注的一项重要课题。阅读国内外相关文献发现，在建筑行业实施面向安全的设计（Design For Safety，DFS）即在设计阶段考虑安全管理问题可以有效消除或者降低项目全生命周期安全风险。DFS作为安全管理的一项早期的介入方式，近年来受到了极大的关注。从DFS的特征与内涵、现有的相关政策、技术应用等方面进行系统的梳理，找出制约DFS理念推广与应用的因素，提出合理的建议，为DFS在我国建筑业的推广和应用提供重要的参考。

安全管理；面向安全的设计；设计阶段

长期以来，安全事故一直伴随着建筑业的发展。由于安全事故通常发生在施工、运营等阶段，传统安全管理研究也主要集中在以上各个阶段，缺乏对设计阶段与安全事故之间关系的研究［1］。Szymberski［2］给出的项目进度/安全影响曲线显示，设计阶段对降低安全风险具有较高的影响，并且随着项目的推进，影响安全管理的能力会逐渐降低。同时，Manuele［3］在安全管理的层次论中也指出:相较于施工阶段开展的安全管理工作，如为生产人员安全护具等，在设计阶段考虑安全风险是安全管理的最高层次和最有效的手段。近年来，面向安全的设计（Design For Safety，DFS）的概念受到了越来越多的关注，DFS强调在设计阶段中考虑安全问题，能够极大提高项目的可施工性、可运营性等，降低项目全生命周期的安全风险。

Hinze等［4］通过问卷调查研究了设计师在降低施工人员安全风险中的角色，发现了设计师在传统安全管理中的缺失；在南非的一项调查中，50%的总包商认为设计对安全健康有着消极的影响［5］；Gibb［6］通过对100个安全事故的评估，发现47%的案例可以通过对设计方案做一些改变而减少风险发生的概率；Behm［7］针对224份报告进行分析，发现其中有42%的事故与设计有关联，如果在设计阶段考虑了安全风险，这些安全事故将会大大减少；Gambatese［8］通过专家座谈再次证明了这个结论，并指出若想进一步提高建筑业的安全绩效，设计专家们需要在设计方案中考虑安全问题；Driscoll［9］利用澳大利亚国家验尸官协会的信息系统中的数据，同样发现在评估的210个案例中37%死亡事故与设计有关。我国学者张仕廉等［10］研究了建设项目设计节点安全设计与施工安全的关系，认为设计对建筑施工安全的影响较为显著，推进安全设计是建筑施工本质安全的必然要求。熊远勤等［11］通过对施工安全事故的随机抽样统计、分析，得出大量的施工安全事故都与建筑设计因素有关，尤其是地基基础工程、砌筑工程等。大量的研究证明设计与安全事故之间存在密切关联，在设计阶段介入安全管理逐渐成为研究的新趋势。

1　DFS相关概念与内涵

1.1DFS的相关表述

DFS作为建筑业安全管理的新理念，在相关实践和研究中的表述不尽相同。国外文献中类似的表述主要有Design For Safety（DFS）［12］，Prevention through Design（PtD）［13］，Safety in Design［14］以及Design For Construction Worker Safety（DFCS）［15］等。其中PtD作为美国国家职业安全与健康研究所（National Institute for Occupational Safety and Health，NIOSH）的一项预防职业安全健康伤害计划，旨在通过设计工作预防职业伤害、疾病、死亡等危害，该计划涵盖了诸如建筑业、采矿业等8个行业［16］，PtD在建筑业中又被具体称之为Construction Hazard Prevention through Design（CHPtD）［17］。美国建筑师协会（The American Institute of Achitects，AIA）将其表述为Safety in Design and Construction，并将之定义为:一种以全生命周期的视角考虑从拆除已有结构到新建结构的概念形成、设计、施工以及运营各阶段工作场所安全的方法［18］。由美国 OSHA和Toole等［19］搭建的关于 DFCS与 PtD的网页中将PtD/DFCS具体描述为:在项目的设计中明确考虑施工人员的安全；在开展设计工作中，施工人员的安全；考虑设计方案中的风险对于施工人员的影响；可施工性审查过程中加强工人安全的措施。国内对于 DFS的表述主要有安全设计［20］，面向施工安全的设计［21］等。相关的表述及自身的特点也略有不同，它们之间表述以及各自特点如表1所示［22］。

尽管国内外在对相关概念的表述上略有差别，但是所传达的理念基本相似，都是通过项目的规划、设计或重新设计阶段针对项目包括施工在内的全生命周期安全展开研究从而降低安全风险、提高项目全生命期的安全绩效。本文采用DFS的表述并将其中文称之为“面向安全的设计”。

表1　DFS类似表述及其特点

1.2DFS的特征与内涵

与传统的安全管理相比较，DFS主要有以下几点新的特征:

（1）更早地介入项目全生命周期安全管理。相较于处于项目全生命期下游的施工、运营阶段，设计阶段对降低项目全生命周期安全风险更为明显，并且影响安全风险的能力随着工程项目的推进显著降低［2］。DFS将安全风险从传统的项目建设阶段或设计方案安全审查阶段进一步前移，体现了“预防为主”的安全风险管理理念，实现了工程项目安全管理从被动到主动、从“事后”、“事中”朝着“事前”乃至“超前”预防的转变［23］。

（2）以设计本身为研究对象。与传统的现场安全管理、险兆事件管理［24］以及针对已完成设计方案的安全风险识别［25］不同，DFS将工程项目设计工作本身作为研究对象，研究设计工作与安全风险的关系，科学应用安全管理知识，借助先进的科学技术，增强设计人员面向安全设计的意识和能力，最终在设计过程中降低设计方案中潜在的安全风险。

（3）扩展了安全管理的内容。传统的安全风险主要关注与项目中的人身安全，财产损失等。由于工程项目的设计方案往往决定了工程项目的施工与运营方式，如在地铁设计中，设计方案决定了地铁网络的脆弱性，从而决定了地铁网络的运营安全风险及社会公共安全风险。DFS将工程项目对周边的自然环境、社会的影响也作为重要的研究内容［26］，丰富了安全管理的内容，拓展了传统安全管理的边界。

2　国内外推进DFS的相关政策

设计工作对于项目全生命周期安全的影响逐渐受到了社会各方的关注和认可。然而传统的安全责任更多的归咎于项目承包商，设计人员缺乏在安全管理中的参与［4］。为推进DFS的应用，明确设计人员在安全管理工作中的责任，国内外相关的政府部门、协会等制定了一系列的法律法规。

2.1国外相关制度

欧盟于 1992年颁布了“临时与移动施工场所的安全风险控制法案”，要求在设计中考虑安全问题。接着英国于1994年出台与之对应的《英国（设计管理）建设法》，强调了设计人员应当避免设计方案中能够预见的安全风险［27］。在澳大利亚，新南威尔士州建设政策指导委员会于 2000年提出在设计过程中应当考虑、评估以及控制建设过程中的职业健康安全；昆士兰州和西澳大利亚州在法律中强调了设计人员的责任［9］。2008年，西澳大利亚州工作安全局和职业健康安全委员会制定并完善了建筑结构安全设计守则，用以指导设计人员满足安全设计的相关法律法规要求。美国土木工程师协会在其关于工程安全的第350条款中描述:设计师在做方案规划设计时应当意识到安全和可施工性的重要性并提供安全施工方案。2007年，美国职业健康安全研究所在全美包括建筑业在内的8个行业推行了一项通过设计预防（PtD）计划［16］，旨在通过在设计过程中考虑安全风险从而减少职业安全事故。新加坡从2008年将DFS作为建筑业的一项安全管理的自愿行为，并在2015年7月颁布了DFS的相关法律法规［28］；南非等国家也颁布了类似的法律法规及规定。

2.2我国相关制度

我国的法律法规针对设计阶段的安全管理责任也做出了规定，如《安全生产法》第28条规定:安全设施必须与主体工程同时设计、同时施工、同时投入生产和使用；第 30条规定:建设项目安全设施的设计人、设计单位应当对安全设施设计负责；《建筑法》第 56条规定设计勘察单位必须对其勘察、设计的质量负责，第 73条规定建筑设计单位不按照建筑工程质量、安全标准进行设计的，责令改正，处以罚款。《建设工程安全生产管理条例》第4条规定勘察设计单位必须遵守安全生产法律、法规规定，保证工程安全生产、依法承担建设工程安全生产责任等。

3　DFS的现有工具与应用

当前在安全风险管理中，对安全风险事前预防的研究主要有险兆风险识别与管理以及针对设计方案中的安全问题主要采用设计方案审查等方式［24］，如基于施工图纸的地铁建设安全风险自动识别系统，用于施工前的安全风险识别和评估［25］。这些方式过于依赖安全专家知识，并且需要在设计方案完成之后才能开展安全审查，设计变更往往消耗了大量的资源。因此，建筑业亟需能够帮助设计人员在设计工作开展之前或者设计过程中实现 DFS工具的。

20世纪90年代，Gambatese等［29］在美国建筑业协会Construction Industry Institute（CII）的资助下，将积累的安全建议集成到计算机程序中，建成了一个名为“Design for Construction Safety Toolbox”的工具箱，该工具箱将设计和施工阶段联系在一起，帮助设计师在设计阶段识别项目中的具体安全事故，从而在设计阶段降低项目安全风险，Gambatese［15］、Marini等［30］又在工具箱中加入了安全手册和安全指南。Akladios等［31］针对危险废弃物治理领域开发了称为“T-expert”的专家系统，“T-expert”利用人工智能（Artificial Intelligence，AI），并且利用专家系统中的“What-If ”场景分析，为设计师提供安全和健康建议，指出设计过程中不安全的参数。2001年，澳大利亚新南威尔士的宜家保险公司开发了一套CHAIR Safety in Design的工具，通过系统的、结构化的方法，帮助设计阶段涉及的各方识别和降低相关安全风险［32］。香港学者Hadikusumo和Rowlinson基于虚拟现实（Visual Reality，VR）和Design-For-Safety-Process（DFSP）数据库开发了DFSP工具，DFSP工具不仅能够改善设计方案以达到降低建设阶段的安全风险，也能够帮助设计师获取所需的安全知识，进一步提高设计人员的面向全的设计能力。2005年，Damrong等［33］开发了一项4DCAD-safety的工具用来帮助设计人员就何时、何处、如何、为什么以及采用何种安全措施等问题进行分析和处理。2006年Carter等［34］开发了一个名为 Total-Safety的信息技术工具，用来帮助设计人员提高安全风险识别能力。为了帮助承包商将职业健康安全风险管理植入到安全阶段，2008年，Cooke等［35］设计了一套基于网页版本的创新信息决策辅助系统:“ToolSHeDtm”，该系统中采用争议树来推理并克服基于规则的专家系统的限制。2008年，Cameron等利用责任分配表、健康安全风险会议、选择评估表等8个集成工具将健康安全管理集成到项目规划的过程中。其他的一些工具，如GIS等也被应用于规划设计阶段来帮助降低设计相关的安全风险［36］。

近年来，随着BIM及其相关的技术不断发展，BIM相关工具也在DFS中得到了应用［37］。2009年，芬兰国家技术研究中心（VTT）开展了一项称为“SafetyBIM”的研究项目，研究显示通过使用BIM技术能够有效将安全管理与工程规划设计、现场布置等结合在一起，同时BIM技术能够加强项目之间的沟通，最终提高工程项目的安全［38］。Qi等［39］利用BIM技术将安全管理集成在设计过程中，通过将前期搜集的安全管理建议整理后形成安全建议软件包，再利用软件包在设计过程中检测施工人员的安全状态。这些工具能够让设计师优化设计方案以确保建设阶段的安全风险最小化，同时承包商也能够参与到设计阶段中，通过提供合理的安全建议，实现安全风险的主动控制。针对建筑业中最常见的坠落事故，Qi等［40］在后续研究中利用BIM和Solibri模型检测功能开发了预防高处坠落的 PtD工具。Zhang等［41］将安全管理与BIM集成在一起，基于设定的规则在设计过程中自动检测设计方案中的高处坠落的风险。

工程项目的设计规划在建筑业中具有龙头作用，对提高项目全生命周期安全绩效的贡献也得到了国内研究学者们的认可和关注。袁竞峰等［20］针对地铁工程安全问题建立了DFS的知识库，通过知识的搜集、分析、存储和查询实现相应的功能，帮助设计人员提高 DFS能力。郭红领等［21］提出了集成BIM和安全规则的DFCS模型，论证了BIM为技术平台是实现DFCS的有效手段。曾雯琳等［42］基于Microsoft Visual Studio平台结合DFS的规范和规则对Autodesk的Revit软件进行了二次开发，实现了对设计的自动化审查，高效识别了施工安全风险。

DFS现有的工具应用根据其实际操作的方法主要可以分为①清单审查法:综合的法律法规以及搜集整理的安全建议，形成设计建议或者专家系统在设计过程中为设计人员提供参照。②风险评估法:针对可能的安全风险开展评估，为设计师提供安全风险的等级提示。③虚拟现实法:利用计算机辅助设计（CAD）技术模拟设计方案，在虚拟情景下检查设计方案中的安全风险。④BIM规则法:将安全规则转化为BIM软件能够识别的计算机语言，自动检查设计过程的安全风险。具体如表2所示。

4　当前DFS应用面临的制约与对策

4.1制约因素

虽然 DFS对于降低和消除项目全生命周期安全风险的可行性已经得到证实，但DFS在国内外还处于探索阶段。建筑业推行DFS仍然面临着诸多的制约因素:

表2　DFS现有应用及其分类

（1）制度因素。尽管国内外针对DFS出台了相关的法律法规，其影响并不显著［46］。现行的法律法规对于设计阶段以及设计人员的责任过于笼统，界定不清。现行的项目递交模式导致项目全生命期各阶段分离，处于下游的施工、运营等阶段的安全管理人员无法参与设计阶段的安全风险管理［47］，因此无法有效地实施DFS。

（2）技术因素。随着科学技术的不断发展，大量的科技被应用于安全风险管理领域，然而相关的先进技术缺乏在设计阶段的应用［1］，现有工具操作繁琐，不够智能。部分工具在安全风险管理的应用中只针对特定的安全风险，存在局限性，在实际设计工作中缺乏帮助设计人员实现DFS的工具。

（3）人才因素。目前设计阶段的安全管理主要依赖于安全专家的安全管理知识［44］，设计企业缺乏推进DFS的设计人才。设计人员缺乏实际的工程项目现场经验，对安全风险管理认知不足，因此无法开展DFS工作。

（4）市场因素。当前建筑市场竞争激烈，设计企业仍然将质量、成本、进度以及业主的要求作为首要目标。根据一项面向设计师对质量、成本、进度、美观，终端用户安全、施工人员安全6项指标的排序调查中，施工人员安全排名最低［27］。市场对于DFS的重视不足，缺乏推行DFS的整体氛围。

4.2推进DFS应用的建议

（1）采用现代化的生产方式。建筑产业现代化是对传统建筑业生产方式的一种变革。建筑产业现代化实行工业化的生产方式，在建筑业内实现设计工作标准化、生产工厂化、管理信息化等目标。因此，从设计阶段就考虑安全风险，通过采用更多的预制构件，减少现场作业，安装临时安全措施等手段，可以消除或减少安全风险的概率［17］。

（2）推广EPC、DB、IPD等项目递交模式。在EPC、DB、IPD等项目递交模式中，设计阶段和施工等阶段通常由一家企业完成，项目生命期的安全风险也由一方承担，因此，企业拥有实现DFS的积极性和主动性。同时在以上几类项目递交模式中，下游的安全管理人员能够参与到设计阶段的工作中，协助设计人员开展面向安全的设计，从而提高项目的安全管理水平。

（3）加强信息技术在DFS中的应用。一方面利用先进的信息技术将隐性的安全管理经验转化为设计阶段能够利用的知识，对设计人员开展安全管理教育与培训，提高设计人员对安全风险以及DFS的认知水平；另一方面，将先进的信息技术在DFS中应用，开发智能、通用的DFS工具，从而有效地推进DFS在建筑业的应用。

（4）加强推广与应用。DFS作为安全风险管理的一种新的理念，还需要进一步的研究和推广。一些国家和地区明确提出了推动DFS的措施，如美国针对 DFS的概念出台了国家层面的计划［16］，一些学术期刊、协会围绕 DFS开展了专门的研讨会等，认为DFS理念的发展离不开学术界的研究，同时也需要学校对于学生进行相关教育培训、建筑产业中的安全专家在实际工程中的推广与实践［48］。

5　结语

DFS是建筑业安全风险管理的必然趋势，体现了“预防为主”的安全管理理念。DFS不仅能够降低安全风险、提高安全管理水平，增强工程可施工性、降低因安全事故而导致的工期延长、成本增加等风险，同时DFS也被认为是实现社会可持续发展的重要途径。

当前 DFS的研究和应用仍然处于探索阶段，DFS的发展与应用面临着制度、技术、人才以及市场等制约因素。关于DFS的内涵、设计与安全风险之间的量化关系、相关工具如BIM在DFS中的应用等仍然需要进一步研究。只有不断提高整个行业对DFS的认知水平，加强DFS在我国建筑业的推广应用，才能最终提高项目全生命期的安全绩效。

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Design For Safety:A literature Review

XIAHOU Xia-er，YUE Yi-bo，LU Ying，YUAN Jing-feng，LI Qi-ming
（School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China，E-mail:xh@seu.edu.cn）

Safety promotion is an important issue in construction industry worldwide.After reviewing literatures in the field，

safety management；safety oriented design；design phase

TU714

A

1674-8859（2016）04-007-06

10.13991/j.cnki.jem.2016.04.002

夏侯遐迩（1988-），男，博士研究生，研究方向:安全管理，风险管理；

岳一博（1989-），女，博士研究生，研究方向:安全管理，风险管理；

陆 莹（1984-），女，博士，讲师，研究方向:安全管理，风险管理，基础设施管理等；

袁竞峰（1981-），男，博士，副教授，研究方向:风险管理，安全管理，基础设施管理等；

李启明（1963-），男，教授，博士生导师，研究方向:工程风险预警与管理，工程安全管理等。

2016-06-06.

国家自然科学基金项目（51578144、51308113）；

江苏省基础研究计划青年基金项目（BK20130616）；

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（KYLX_0206）.

findings show the implementation of design for safety（DFS），that is to consider the safety management during the design phase can eliminate or reduce the lifecycle safety hazards for the construction projects.As an earlier intervention of safety management，DFS has raised great interests within the industry.In this article，the characteristics and concept，the existing regulations and policies as well as the current tools for DFS were analyzed based on related studies.And the barriers that limit the implementation of DFS were identified.Also the recommendations were given for the future reference to promote DFS in construction industry.