基于组合权重-可拓物元的脚手架施工风险安全评价

2022-05-17黄莺姚思梦瑚珊

工业安全与环保 2022年5期

黄莺姚思梦瑚珊

(1.西安建筑科技大学土木工程学院西安 710055;2.西安建筑科技大学资源工程学院西安 710055)

0 引言

脚手架是为方便施工活动的顺利进行和安全操作而搭设的一种临时设施。脚手架的安全性不仅关系到建筑物本身的安全性，更关系到操作工人的人身安全。在建筑施工过程中，脚手架发生事故的可能性较高，且事故较大，影响范围广，会造成大量人员伤亡和经济损失，给社会带来非常恶劣的影响。

近年来，许多研究人员对影响建筑施工脚手架安全的风险因素进行了分析和评价研究。GATTI U C等[1]分析脚手架坍塌事故的内部因素是由于设计不满足要求和施工过程中的不稳定因素，外部因素是不确定的外部环境诱发脚手架坍塌。杜荣军[2]将脚手架坍塌事故的原因归结为脚手架的设计荷载低于工程应用中的实际荷载，并给出脚手架结构稳定承载能力的影响因素。陈述等[3]分析研究了脚手架施工过程中的危险因素，对其发生事故的可能性进行了计算。张孟春等[4]对脚手架施工过程中高空抛物和不系安全带的风险进行了评估，并依据统计学方法分析了脚手架作业风险评估结果。李宁一等[5]和杨飞等[6]对脚手架作业中的人员意识、现场实际、材料应用等进行了现场调研，依据调研结果给出了可能使脚手架坍塌的内外原因。袁雪霞等[7]通过现场调研和问卷调查，对钢管脚手架施工因素评价指标进行赋权，建立了施工脚手架安全评价体系。王旭峰等[8]使用模糊数学法对影响脚手架综合安全性能的风险因素进行了分析评价。通过查阅文献发现，我国现阶段脚手架安全评估主要还是采用灰色关联度法、模糊评价法等，这些方法存在对指标分析不明确和各因素影响关系分析不确定等问题。可拓学能解决指标间的交叉不相容问题，因此在脚手架安全评估中使用该方法具有现实意义[9-10]。本文使用可拓学理论对脚手架施工安全风险进行评价，拟为今后建筑施工脚手架工程安全管理评价提供参考和借鉴。

1 脚手架施工风险评价指标选取

由于不同建筑物具有不同的脚手架施工方案，加之脚手架独特的室外施工条件、复杂的力学机制等，要建立适合的评价指标体系，不仅要考虑脚手架本身的因素，而且要考虑设计技术、现场管理等因素，同时遵照《建筑施工扣件式钢管脚手架施工安全技术规范》(JGJ 130—2011)，结合脚手架事故统计分析情况，本文选取从设计到管理的具有代表性的5个一级指标和18个二级指标构成评价体系，如表1所示。

表1 脚手架施工安全风险评价体系

1.1 构造设计与环境因素

不同地区的地理环境、风量大小、雨雪情况等都不相同，脚手架的构造设计也各不相同。在设计阶段，主要选取立杆间距和步距、剪刀撑的设置、横纵间距不合理、扫地杆的设置等因素作为二级指标。立杆间距包括立杆横距和立杆纵距，纵、横向水平杆和立杆共同组成了脚手架框架体系，以保证整个结构的稳定性。立杆横距一般在1.0 m左右，步距一般在1.5～1.8 m。剪刀撑是确保脚手架纵向变形在允许范围内的重要构造措施，在脚手架体系中合理设置剪刀撑，能显著加强脚手架结构的整体刚度和空间作用，将整个结构纵向平面连成几何不变体系，从而保证整个架体的稳定性，同时还能提高立杆的稳定承载力。

1.2 材料质量

钢管与扣件是脚手架的重要组成部分，脚手板、安全网等是脚手架的重要防护设施，因此从工厂采购时需要查验产品合格证书、产品生产许可证和进厂检验证明，保障材料质量合格，同时保证仓库规范保管。在脚手架使用过程中，不可避免会出现由于人的行走、与其他工具的摩擦等造成的磨损，需根据磨损情况及时修补，达到报废程度的及时换新，确保脚手架的安全性。

1.3 人的因素

人是脚手架设计、搭建、施工、拆除、作业的主体，已有研究表明：约90%的工业事故与人的因素有关，人的不安全行为是所有安全事故的最根本原因[11]。人的脆弱性使其选择性接受行为信念，进而对某特定行为的喜爱或不喜爱程度进行评估，这种评估结果会直接影响个体的行为态度，进而可能导致安全事故的发生。例如，懒惰、怕麻烦的个性会使某些建筑工人在施工时讨厌佩戴诸如安全帽、安全眼镜等安全防护工具；看到同伴在违背安全生产规范但并未受到相应惩罚或指责时，个人对遵循此规范的意愿将随之减弱。因此，对人的行为加以约束十分必要。

1.4 现场安全管理

安全管理必须符合“安全第一、预防为主、综合治理”的原则，从施工初期就应充分考虑人力和物力，对各种状况应尽量事前控制，同时也应制定好应急预案，配备好相应的安全设施和设备。对安全人员检查出的安全隐患应及时整顿，并对安全情况进行进一步查看和记录。

2 确定指标权重

2.1 AHP法确定权重

AHP法是对各级指标因素进行两两定量比较，用1～9 标度法构建判断矩阵，确定权重，如表2所示。计算最大特征值、一致性指标(CI)、一致性比率(CR)，并进行一致性检验，若CR<0.1，则通过检验。

表2 AHP法标度及含义

2.2 熵权法确定权重

熵权法也称为客观加权法，其使用熵值可反映各指标的信息量，以确定各指标的熵量[12]。

(1)在AHP法构造的判断矩阵的基础上，对其归一化处理得矩阵B=(bij)m×n。

(1)

(2)计算熵值，按传统的定义计算：

(2)

(3)计算熵权：

(3)

2.3 综合权重计算

为使AHP法和熵权法的组合权重更具科学性，本文使用拉格朗日算子计算各指标的组合权重：

(4)

式中，Gi为AHP法得到的权重；Wi为熵权法得到的权重；ωi为组合权重。

3 脚手架安全可拓综合评价模型构建

3.1 可拓理论

可拓学是将物元、特征和量值的关系及其变化过程形式化，并导入物元理论与可拓集合理论，对实际物体与量值之间的关系及其变化进行深入研究，根据关联性判定要素进行评价，可更直观地反映客观事物的变化过程[13-14]。影响脚手架安全性的因素较多，物元分析可以根据评价对象的真实状态进行打分，通过定量分析更准确地对其评价。

假设有事物N，其特征用C表示，对应的量值用V表示，那么R=(N，C，V)就表示事物的基本物元。在脚手架安全因素可拓评价中，N代表脚手架安全评价，C代表评价指标，V代表评价指标的量值，通过关联度函数计算出各等级之间的关联度，关联度小表示属于该等级的程度小。

3.2 评价流程

(1)经典域的确定。所评估对象的经典域和节域分别为：

(5)

式中，Nj为安全评价等级；C为评价的特征；Vj为相应特征的取值区间。

(2)值域的确定。

(6)

式中，N为安全评价等级域；C为评价指标集合；Vp为评价指标量值的范围。

(3)评价物元的确定。评价对象的全体构成称为评价物元，其公式为：

(7)

式中，Pk为某待评价对象；Vkn为cn的量值。

(4)确定关联函数。

a.二级关联度的确定。为准确描述物元的特征，将其定义为点到有限区间的距离，公式为:

(8)

(9)

二级关联度关联函数Kj(xi)定义为:

(10)

b.一级关联度的确定。通过计算每个一级指标中包括的所有二级指标的关联度，可以实现对一级指标的评估。计算评估对象等级j的关联度公式为:

(11)

(5)确定安全等级。遵循隶属度最大原则，脚手架安全评价等级结果根据最大关联度确定，如式(12)所示，具体判断如表3所示。

表3 安全等级说明

Kj(N)=Kj(Nj)max

(12)

本文按照专家意见将脚手架安全评价等级分为四级，如表4所示。

表4 安全评价等级量化范围

4 实例应用

以西安市某工程脚手架的施工安全风险因素为研究对象，应用文中构建的脚手架安全评价指标体系及AHP-熵权可拓物元模型进行评价。该工程的总建筑面积为127 031 m2，地上部分为5层，建设总高度为56.5 m。一层面积最大，二层以上外轮廓变化较小，看台部分轮廓逐层内收。根据结构轮廓，外脚手架选用双排落地脚手架，在一层外圈和二层外平台处布置外脚手架。五层外围用悬挑架做外防护及操作架。邀请该工程的项目工程师、安全管理人员共10人按百分制进行打分，去掉最高分和最低分，取剩余平均值作为最终分值。

4.1 组合赋权确定权重

4.1.1 AHP法的权重确定

依据构建的脚手架安全评价指标体系及专家评分，运用MATLAB软件分析AHP法的判断矩阵，计算出最大特征值、CI、CR，0

4.1.2 熵权法确定权重

根据AHP法得到的判断矩阵，依据式(1)～式(3)得到各评价熵权，依据式(4)得到组合权重，如表5所示。

表5 评价体系权重及得分

4.2 可拓综合评价

4.2.1 经典域和节域的建立

结合上述对安全等级的划分，以材料质量方面的因素U2为例，由式(5)～式(7)确定其经典域、节域、待评价物元为：

4.2.2 关联度计算

根据关联度计算式(8)～式(10)得到的计算结果如表6、表7所示。

表6 第二层风险关联度

表7 首层风险关联度

4.3 确定脚手架安全评价等级

由式(11)～式(12)可知，Kmax=K2=0.002 9，因此可以确定该脚手架安全评价等级为Ⅱ级。通过分析一级指标中的关联度可知，材料质量、现场安全管理、人的因素相对薄弱，属于可接受范围，但存在进一步加强管理的空间，建议继续加强管理。对二级指标分析可知，管理人员在管理过程中未及时消除安全隐患、工人在作业过程中存在甩抛物料等行为，建议管理者加强管理，实行奖惩机制，督促员工在建设过程中遵守安全条例，减少人的不安全行为。