城市轨道交通U型梁的施工风险和成本控制*

皮景坤

城市轨道交通U型梁的施工风险和成本控制*

皮景坤

（郑州市轨道交通有限公司，450000，郑州//高级工程师）

作为新型的桥梁上部结构，U型梁因其低成本、低噪音以及低风险等优点正逐步代替原有的传统桥梁结构。U型梁结构复杂，受施工条件限制等各种不确定因素的影响，施工过程中难免会发生风险事故，给施工成本造成不利影响。利用模糊故障树分析方法，提出了U型梁施工风险事故模糊成本重要度指标，利用该指标衡量U型梁施工过程中各风险对施工总成本的贡献大小。将最小割集中底层事件的发生概率看作梯形模糊数，给出了梯形模糊数相乘的精确算法，利用该方法求出了U型梁施工的模糊成本重要度。最后通过实例分析验证了本方法的有效性。

城市轨道交通；U型梁；施工风险；故障树；施工成本；模糊成本重要度

在城市轨道交通中，U型梁与传统的T型梁和箱型梁相比，具有断面利用率高、外观优美、造价低以及能够有效地降低噪声等优点［1］。U型梁结构特殊、受力复杂，目前尚无成熟、系统的设计静压可供借鉴［2］。文献［3］通过某城市轨道交通1号线U型梁静载试验，测试了结构在正常使用状态下的受力性能。文献［4］结合南京至高淳城际快速轨道TA03标段U型梁的提运架施工，阐述了提运架组织设备的选型和配置，以及提运架施工工艺中的技术难题。文献［5］探讨了城市轨道交通U型梁车桥系统的动力响应，采用线性化轮轨模型建立了31个自由度的轮轨车辆动力学模型。

目前，已有一些关于梁结构的风险研究成果。文献［6］利用层次分析法提出了基于层次分析法-灰色系统理论-人工神经网络-有限元分析-蒙特卡罗理论的定性及定量风险分析方法，并将其应用于某大跨单索面公路轨道两用钢桁梁斜拉桥。文献［7］结合预应力混凝土连续梁桥的工程实例，研究了悬臂施工的连续梁桥施工过程的风险因素识别，阐述了风险识别的基本原理与模糊层次分析的基本概念。文献［8］按照桥梁设计的基本生命周期进行了设计风险划分，提出桥梁的设计风险评价指标；且基于层次分析法（AHP），结合专家打分建立了各指标的权重；再利用模糊综合评价法（FCE）建立了模糊评价集，并利用Zadeh算子对设计风险概率和设计风险损失进行了计算，进而根据风险评估矩阵得到桥梁的设计风险水平。文献［9］利用有限元软件建立了体外预应力混凝土简支梁模型，分析转向块个数、预应力筋的锚固高度、有效预应力度、体外索截面积以及梁体混凝土强度等因素对体外预应力混凝土简支梁极限承载力的影响。

本文利用模糊故障树分析方法，提出了U型梁施工风险事故的模糊成本的重要度指标，利用该指标衡量U型梁施工过程中各风险对施工总成本的贡献大小。将最小割集中底层事件的发生概率看作梯形模糊数，给出了梯形模糊数相乘的精确算法，且利用该方法求出了U型梁施工的模糊成本重要度。最后通过实例分析验证了本方法的有效性。

1 U型梁的模糊故障树研究方法

由于U型梁是新型的城市轨道梁型式，其研究资料较为匮乏。因此，在施工过程中不可避免地存在着施工风险。找出对施工成本造成较大损失的风险因素，从而制定出相应的办法避免这些因素的发生显得尤为重要。

假设在某个U型梁施工过程中，易出现的风险因素为N个。为便于研究，将风险因素记为f1～fN。在研究U型梁的风险评估中，假设每个风险因素相互独立。由模糊数序理论可知，U型梁施工的故障树可看成最小割集单元的故障树，如图1所示。

图1 U型梁施工的模糊故障树

U型梁施工风险评估的顶层事件概率的计算公式为：

式中：

pj——第j个风险因素发生的概率；

pj，n——第j个风险因素不发生的概率。

传统的风险分析方法将pj和pj，n看作精确的数值。然而在实际工程中，受到各种不确定因素的影响，底层事件fN的概率往往是不确定的。正确的研究方法是将事故树的底层事件看作模糊事件，底层事件发生的概率用模糊数表示。这样顶层事件A变成模糊事件，记为AF。本文采用常用的梯形模糊数来表征底层事件发生的概率。梯形模糊数的隶属函数如图2所示。由图2可知，AF=（m1+a，m1，m2， m+b）。 其中，m1、 m2分别为隶属值为“1”时隶属函数定义域的最小值和最大值；a为左连续增函数的定义域区别长度；b为右连续减函数的定义域区间长度。

图2 梯形模糊数的隶属函数曲线

底层事件发生的概率对顶层事件发生概率的“贡献度”对模糊故障树的研究起着至关重要的作用，常用概率重要度表征。文献［9］给出了精度较高的中值法计算概率重要度。文献［10］对现有梯形模糊数的计算方法进行了研究，得出该计算方法误差较大。

故本文在现有方法的基础上提出一种改进的计算方法。设有N个梯形模糊数，记为：fj=（mj1-aj，mj1，mj2， mj2+b）（j=1～N）。第 j个模糊数的隶属函数曲线及其λ截集区间如图3所示［9-11］。模糊数AF=（m1+a， m1， m2，m+b）的精确隶属度通过表现定理的相关推导求得。表现定理详见文献［10］。

图3 梯形模糊数的隶属函数及其截集区间示意图

2 计算数据的获得

从施工成本的角度出发，U型梁在施工过程中的一个风险事故对整个施工过程的影响因素有2个。①某个风险事件的发生对整个U型梁施工过程发生风险事故的概率影响程度，该因素可用模糊重要度来度量；②某个风险事故对整个施工成本造成损失的大小，该因素可以通过查阅文献或调研方法来获取。综合以上2个因素，本文利用U型梁施工过程中模糊成本重要度来衡量某一风险事故的重要程度，计算公式如下：

式中：

Ij——模糊成本重要度，表示从工程施工成本的角度计算得到的第j项风险的重要程度；

STj——第j项风险的模糊重要度；

cj——第j项风险发生后造成的经济损失比；mTe——底层事件fi全部发生时顶层事件A模糊概率的中值；

mTje——底层事件fi有一个不发生、其他全部发生时顶层事件A模糊概率的中值。

目前，关于U型梁风险评估方面的研究资料较少。为获得每项风险事故发生的概率与对工程造成的经济损失比，本文采用专家调研法获得所需要的数据。在处理专家调研法得到的数据时，加权平均法为最常用、最简单的方法之一。加权平均法是将各个专家依据他们的职称、年龄、学历、工龄等设定一定的级别，将所有专家的级别经过处理得到每个专家在数据处理时的计算权重，然后对他们所作出的评判按照计算权重来累加，最后得到待调查事件相对精确的结果。本文采用加权平均法来处理专家调查法的数据。共对26名专家进行了调研，调研专家组成如表1所示。

表1 调研专家组成

由表1可知，第r等级专家计算权重为：

最终，由所有专家评判后经过计算权重的累加得到第j项风险事故的发生概率为：

式中：

Pij，r——专家判断第j项风险事故的发生概率。

在U型梁施工过程中，施工风险成本调查以及风险发生的概率范围和经济损失比范围分别如表2和表3所示。问卷调查中，对表2和表3分别填入相应的数值便可得到风险发生的综合评价。

表2 U型梁施工风险成本调查表

表3 U型梁施工风险发生概率范围及经济损失比范围分类标准

3 实例分析

本文以郑州市南四环—郑州南站城郊铁路工程的南四环站—新郑机场站高架桥的U型梁结构为例。该工程采用现浇U型梁结构，由于地形、工程地质与水文条件较复杂，作业人员的素质较低，属高风险和易发生安全事故的施工作业。通过对现场施工的长时间调研和专家论证，确认以下几个风险事故危险源：①高处坠落伤害；②物体打击伤害；③模板胀裂坍塌；④触电伤害；⑤脚手架（支架）坍塌；⑥机械伤害。分别记为f1、 f2、 f3、 f4、 f5、 f6。 将这 6项风险因素作为故障树的底层事件，每个事件是相互独立的。将所有底事件的发生概率取为模糊数，按照式（6）求出各个风险的模糊成本重要度。将式（1）中的底层时间风险概率看着梯形模糊数。由式（1）经过反复计算后得到模糊经济损失比，如表4所示。

在考虑全部风险和分别不考虑f1～f6的7种情况下，所求得顶层事件发生概率的隶属函数曲线、曲线所围面积及对应的中值hx，如图4～图10所示。最后，求得所有6项风险的模糊概率重要度、经济损失比、模糊成本重要度的结果如表5所示。由表5可知：

（1）综合考虑某个风险对U型梁施工过程发生事故的概率的影响程度和造成的经济损失，即从模糊成本重要度的角度出发，最值得重视的一项风险因素为“高处坠落伤害”，其模糊成本重要度指标大于0.001 1，且比其他风险要大得多，故其是从成本角度而言值得规避的风险因素。

表4 所有风险事件的发生概率和经济损失比情况

图4 考虑全部风险时顶层事件发生概率的隶属函数曲线

图5 不考虑物体打击伤害时顶层事件发生概率的隶属函数曲线

图6 不考虑触电伤害时顶层事件发生概率的隶属函数曲线

图7 不考虑高处坠落伤害时顶层事件发生概率的隶属函数曲线

图8 不考虑模板胀裂坍塌时顶层事件发生概率的隶属函数曲线

图9 不考虑机械伤害时顶层事件发生概率的隶属函数曲线

图10 不考虑脚手架（支架）坍塌时顶层事件发生概率的隶属函数曲线

（2）诸如“物体打击伤害”和“机械伤害”此类的风险因素的模糊概率重要度均较低，但因为经济损失比的均值非常大，使得模糊成本重要度的排名也很靠前。

（3）虽然“脚手架（支架）坍塌”这一项风险因素可通过投保的方式来规避，但“脚手架（支架）坍塌”这一项风险因素，单纯采用保险一种手段是不够的。因为“脚手架（支架）坍塌”本身的概率重要度就是所有风险中最大的。所以对于这类投保，保险公司所规定的保险费率、免赔额度肯定会很高，同时风险一旦发生，即使有赔款也不能弥补所有的损失。故可将投保所用的大量费用花在研究如何避免发生脚手架（支架）坍塌的施工技术上面。

表5 各风险的模糊成本重要度排名及比较

［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］ 庄严，余小华，蒲黔辉.城市轨道交通U型梁静载试验研究［J］.西南公路，2010，32（4）：48-52.

［4］ 周敏.城市轨道U型梁提运架综合施工技术［J］.铁道建筑技术，2015（8）：1-5.

［5］ 王彬力，蒲黔辉，白光亮.城市轨道交通U型梁动力性能研究与实验验证［J］.地震工程与工程振动，2011，31（6）：174-180.

［6］ 曾勇，郑慧君，向中富.大跨单索面公轨两用钢桁梁斜拉桥施工风险分析［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2014，33（4）：29-34.

［7］ 宋传中.悬臂施工连续梁桥施工过程风险识别［J］.中外公路，2012，32（4）：182-185.

［8］ 项贻强，吴强强，张婷婷.基于AHP-FCE模型的桥梁设计风险评估研究［J］.土木工程学报，2010，43（S）：275-280.

［9］ 邹蕾，沈锐利.体外预应力混凝土简支梁数值仿真分析［J］.铁道建筑技术，2011（S）：38-42.

［10］ 李青，陆廷金.模糊重要度分析方法的研究［J］.模糊系统与数学，2000，14（1）：89-93.

［11］ 郑俊杰，林池峰，赵冬安，等.基于模糊故障树的盾构隧道施工成本风险评估［J］.岩土工程学报，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

*中铁十九局集团有限公司科技研究开发计划项目（2016-8A）

2016-10-02）