挂篮施工风险评估及软件开发

王利军， 刘 伟， 吴雨航， 宋 楠, 申 晶

(1.中建铁投路桥有限公司， 武汉 460014； 2.石家庄铁道大学 土木工程学院， 石家庄 050043)

挂篮是悬臂浇筑施工的主要施工设备，虽然其施工方案和技术措施不断完善，但施工过程中安全事故仍时有发生[1-2]。进行挂篮施工风险分析，识别潜在风险因素并制定相应措施规避风险对保障施工安全顺利进行具有重要意义。

目前，《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》(以下简称《指南》)对挂篮施工风险评价指标通常是依靠经验和工程实际状况选取，尚未形成一套完备的挂篮施工风险指标体系。此外，挂篮施工风险评价指标的模糊不确定性使得大部分评价方法较难反映其真实性[3-4]。因此，科学合理地选取风险评价指标和评估方法成为挂篮施工安全风险管控的核心和关键。本文从挂篮拼装预压、混凝土工程、预应力工程、挂篮行走、挂篮拆除等5个方面对挂篮施工风险因素进行识别。在此基础上，运用直觉模糊集理论(IFAHP)对指标进行赋权，基于灰云模型完成风险评估工作。考虑到本文方法相对复杂，计算量较大，不易在工程实际中推广使用的问题，基于Python语言，开发挂篮施工风险评估软件，实现现场施工风险评估的智能化，提高评估效率。

1 挂篮施工安全指标体系

参考《指南》，通过对挂篮施工流程的分解，基于事故因果连锁理论[5]，将挂篮施工安全影响因素进行归纳总结，建立表1所示的挂篮施工安全风险评价指标，该指标由挂篮拼装预压、混凝土工程、预应力工程、挂篮行走和挂篮拆除5大风险因素构成。

2 IFAHP赋权

直觉模糊层次分析法从直觉模糊集的思想机理入手，将直觉模糊集理论运用到层次结构模型之中，在进行指标因素比较时，不单只对单维度(隶属度)进行比较，而且还对非隶属度进行比较，能够有效解决专家决策过程中的主观性问题。

2.1 直觉模糊集理论

直觉模糊集理论是模糊集理论的拓展，属于不确定分析理论[6]。该理论利用隶属度及非隶属度对问题的模糊性进行描述，与模糊集相比，直觉模糊集能够在描述不确定性和犹豫模糊性方面更具有灵活性，弥补了模糊集仅使用单个隶属度描述问题的不足。直觉模糊集的基本原理如下[7-9]。

定义1：设论域X包含两个映射μ(x)：X→[0,1]和ν(x)：X→[0,1]，若μ(x)和ν(x)同时满足μ(x)∈[0,1]，ν(x)∈[0,1]且0≤μ(x)+ν(x)≤1，x∈X，则称μ(x)和ν(x)为X上的一个直觉模糊集A，记为A={〈x,μ(x),ν(x)〉|x∈X}。

定义2：设π(x)=1-μ(x)-ν(x)为直觉模糊集A中元素x∈X的犹豫度。对于任意x∈X，均有π(x)=0，若π(x)=0，则μ(x)+ν(x)=1，此时集合A退化为一般的模糊集。

定义3：设A1=(a1,b1)，A2=(a2,b2)，是一个给定的论域上的两个直觉模糊数，且a1,b1∈[0,1]，a1+b1∈[0,1]，a2,b2∈[0,1]，a2+b2∈[0,1]。设λ为实数，λ≥0，定义直觉模糊数的运算如下。

1)直觉模糊数的和：A1+A2=(a1+a2-a1a2,b1b2)。

2)直觉模糊数的积：A1A2=(a1a2,b1+b2-b1b2)。

3)实数与直觉模糊数的积：λA1=[1-(1-a1)λ,b1λ]。

2.2 IFAHP的一般计算步骤

2.2.1 建立层次结构模型

建立顶层为目标层、第二层为准则层、底层为指标层的递阶层次结构模型，并确定各层次之间的逻辑关系[10]。

2.2.2 构造直觉模糊互补判断矩阵

根据表2，用直觉模糊数表示两两因素之间的相对重要性，建立直觉模糊互补判断矩阵R=(rij)n×n,其中，rij=(μij,νij)(i,j=1,2,…,n),μij∈[0,1],νij∈[0,1],μji=νij,νji=μij,μii=νii=0.5,μij+νij≤1，μij为专家在比较因素i和j时对因素i的偏爱程度，νij为专家在比较因素i和j时对因素j的偏爱程度。π(x)=1-μ(x)-ν(x)为专家犹豫度。

表2 属性重要程度标注

2.2.3 进行一致性检验

直觉模糊互补判断矩阵一致性检验公式为

(1)

当直觉模糊互补判断矩阵A与特征矩阵A*的相容性指标I[A,A*]≤0.1时，则判定直觉模糊互补判断矩阵具有一致性。

2.2.4 计算权重向量

在评估中假设专家给出的直觉模糊互补判断矩阵为R=(rij)n×n，应用式(2)计算权重向量VT：

(2)

进一步计算得分权重H(λj)：

(3)

归一化得指标最终权重wj：

(4)

3 基于灰云模型的挂篮施工风险评估模型

挂篮施工风险评估指标信息具有模糊性、随机性、不完备性的特点，传统灰色聚类模型的白化权函数仅对信息不完备性进行了处理，忽略了信息的模糊性和随机性，存在着自身的局限性[11-12]。为了克服传统白化权函数的局限性，将表示信息模糊性和随机性的定性与定量转换的云模型引入灰色白化权函数[13-14]，对传统白化权函数进行改进，建立灰云模型。该模型既能表示信息的不完全性又能表示人的主观判断的随机性，能有效处理评估过程中产生的不确定性问题。其灰云模型示意图如图1所示。

图1 灰云模型示意图

在灰云模型中，横坐标表示灰数的取值范围，纵坐标表示灰数的白化权。灰云的数字特征用峰值Cx、左右界值[Lx,Rx]、熵En和超熵He等表征。峰值Cx是白化权等于1时的值，Lx、Rx分别表示灰数确定取值区间的最大值和最小值。各数字特征间的关系为

(5)

(6)

(7)

式中，a为给定的常数，本文中取a=6[15]。由于正态分布具有独特的数学性质和较强的普遍适用性，所以本文基于正态灰云进行分析。

3.1 灰云评价等级构建

根据《指南》，将挂篮施工风险划分为4个等级，即低风险、中等风险、较高风险、高风险，对应的灰数k=1,2,3,4。依据风险等级数目确定左右边界，按式(5)～式(7)分别计算各风险等级下峰值、熵、超熵值，各项评估指标的接受准则、等级划分及数字特征见表3。

3.2 确定白化权函数

若指标j的子类隶属等级k灰云满足

(8)

若指标j的子类隶属等级k灰云满足

(9)

若指标j的子类隶属等级k灰云满足

(10)

式中，em为期望为En、标准差为He的随机数。

3.3 确定白化权值

(11)

根据各项指标的评估等级划分及数字特征，可以得到对应的指标的灰云标尺，如图2所示，图中横坐标为表3中分值左右界值。

3.4 确定综合聚类系数

(12)

(13)

表3 指标评估等级划分及数字特征

图2 灰云标尺

3.5 计算评估结果

按最大聚类系数原则[16]判断挂篮施工风险处于哪一种类别之下，从而确定其风险等级。

(14)

4 软件开发

为提高风险评估效率，本文研发了挂篮施工安全风险智能化评估软件。系统开发工具为JetBrains PyCharm，开发语言为Python，版本为3.6，界面开发选用与 Python 配套的tkinter，版本为8.6。该评估软件是以数据库管理系统作为数据支持。一方面将挂篮施工风险评估指标体系及指标权重公式存储到数据库管理系统中，实现对山岭隧道施工坍塌风险评估指标权重的计算；另一方面，基于挂篮施工风险评估模型，对挂篮施工风险评估指标进行灰云评估，最终确定出挂篮施工风险等级。应用该软件主要包括以下几个步骤：

1)用户登录。该系统为单机版本软件，在挂篮施工安全风险评估软件界面中输入正确的用户名和密码后就可以登录该评估软件界面。将用户名设置为“admin”，密码为“123456”。

2)风险识别。风险识别界面的主要功能是在本文建立的挂篮施工风险评估指标体系的基础上，完成风险识别工作。

3)权重计算。在指标权重计算界面中，采用直觉模糊层次分析法构造直觉模糊互补判断矩阵，对直觉模糊数的隶属度与非隶属度进行赋值，软件会按照编入系统中的公式(1)～式(4)计算出挂篮施工各风险因素指标权重。

4)灰云评估。在灰云评估界面中，将依据挂篮施工风险指标量化标准得到的评分数值与根据指标权重计算界面得到的各指标权重数值输入至界面相应的位置，软件会按照编入系统中的公式(8)～式(14)计算出挂篮施工各基本风险因素风险等级与挂篮总风险等级。

使用本文开发的软件时只需要将指标相对重要性与专家对指标评分的平均值输入到软件相应界面，系统便会根据数据库中公式对数据进行运算，得到整体施工风险等级与各指标风险等级。采取软件化的评估手段对挂篮施工风险进行评估效率更高、便捷性强，对于挂篮悬臂浇筑施工项目有较好地普适性。

5 工程实例

5.1 工程概况

西郊大桥第五联为47 m+88 m+47 m三跨预应力混凝土连续刚构桥，上跨国道307和太旧高速。上部结构为单箱三室预应力混凝土箱梁，采用全幅整体式施工方法进行悬臂浇筑。箱梁顶宽24.5 m，属于超宽结构，且位于半径为800 m的圆曲线上；梁面顶坡由2%渐变至4%，挂篮共4片主桁，左右两侧挂篮主构架高差最大为810 mm，挂篮采用前吊点降低的菱形结构，在保证施工空间的基础上降低前吊点高度，增强稳定性的同时，方便施工。该桥桥面宽度大、线形复杂、横坡较大，导致悬臂施工难度较大。

5.2 软件应用

5.2.1 用户登录

使用Pycharm打开挂篮施工风险评估软件，输入用户名和密码后进入挂篮施工安全风险评估界面，挂篮施工安全风险评估界面包含3个功能区，挂篮施工风险识别、评估指标权重计算、挂篮施工风险灰云评估，如图3所示。

图3 挂篮施工风险评估登录界面及主要功能

5.2.2 挂篮施工风险识别

风险识别界面有“挂篮拼装预压”“混凝土工程”“预应力工程”“挂篮行走”及“挂篮拆除”5个版块，界面共显示有20个基本风险因素，如图4所示，操作人员只需勾选风险识别界面中的风险因素，实现对风险因素的识别，点击确定，进入评估指标权重计算界面。

5.2.3 指标权重计算

专家根据表2对评估指标重要程度进行判断，以挂篮拼装预压下4个二级指标为例进行说明。将轨道安装误差U11，插销、螺栓不紧固U12，挂篮构件损坏U13，预压过程模板失稳U144个风险因子进行两两比较，构建直觉模糊判断矩阵见表4。将该矩阵输入到评估指标权重计算界面下四阶矩阵计算中相应位置，点击计算，计算结果如图5所示。

采用同样方法计算得到一级指标权重为W=(0.203,0.216,0.172,0.251,0.158)，二级指标权重为W1=(0.259,0.232,0.246,0.263)，W2=(0.32,0.36,0.32)，W3=(0.197,0.184,0.188,0.186,0.245)，W4=(0.178,0.181,0.236,0.213,0.192)，W5=(0.32,0.34,0.34)，进一步计算20项指标权重为w=(0.053,0.047,0.05,0.053,0.069,0.078,0.069,0.034,0.032,0.032,0.032,0.042,0.045,0.045,0.059,0.053,0.048,0.051,0.054,0.054)。

表4 挂篮拼装预压下二级指标的直觉模型判断矩阵

图4 风识别界面

图5 指标权重计算界面

5.2.4 风险等级计算

将10位专家对挂篮施工风险各风险事件评分的平均值输入到软件评分数值列，结合指标权重，计算各指标风险等级及挂篮施工综合风险等级。计算结果如图6所示。

图6 风险等级计算界面

6 结果分析

该桥挂篮施工风险可接受，但轨道安装误差、挂篮构件损坏、挂篮行走速度过快、反扣轮偏压、轨道梁锚固不合格5项施工风险等级较高，应从这5方面采取措施，降低施工风险。

1)该桥施工时挂篮有4片主桁且主桁高度相差较大，极易造成轨距和轨道高差偏差较大的问题，安装完轨道后应仔细核对轨道中心线与设计位置是否相符，4个轨道是否在同一水平线上。

2)对挂篮关键受力构件的材料、焊缝进行超声波探伤，检查吊杆、吊带、锚杆、连接器有无焊接、通电、风割等现象，此外还应关注吊带有无变形、损伤现象及吊带连接板张开等现象。

3)悬臂浇筑施工中，每浇筑完一个节段，挂篮就会前行，挂篮插销、螺栓会被反复拆装，这一过程易出现连接松动的问题，因此必须仔细进行检查，保证插销、螺栓连接紧固。

4)通过检查轨道是否顺直通畅，确保挂篮反扣轮不偏压，若出现偏压现象，及时通过主桁相对走行距离进行纠偏。

5)检查轨道与钢枕支垫是否密实，轨道连接螺栓是否拧紧，确保轨道梁锚固符合设计要求。

7 结论

1)从挂篮拼装预压、混凝土工程、预应力工程、挂篮行走、挂篮拆除等5个方面建立了20项挂篮施工风险评价指标，考虑到评估指标包含大量模糊信息，使用IFAHP对指标进行赋权，利用云模型改进的灰色聚类模型计算隶属度，建立IFAHP-灰云模型，优化了评价指标模糊性的表示形式，提高了模型处理不确定信息的能力。

2)研究开发了挂篮施工风险评估软件，实现挂篮施工风险评估智能化，提高评估效率。该软件主要包括用户登录、风险识别、指标权重计算、灰云评估等功能。以西郊大桥悬臂浇筑为例，对软件功能进行详细介绍。