试述可靠性理论在建筑施工管理中的应用

摘要：针对建筑施工安全管理体系，从系统可靠性的视角，综合运用可靠性方面的知识，构建了建筑施工安全管理系统混联模型。在此基础上，将可靠性分配理论与故障树分析方法相结合，根据系统安全目标的要求，确定混联系统的第一层次各单元事件的可靠性目标值，对构成各单元的各个下属单元采取最小工作量可靠度分配方法，研究表明，可靠性理论可以成功地应用到建筑施工安全领域，使系统在给定的目标值条件下达到系统的安全性优化，从而实现建筑施工安全保障效能，减小事故损失。

关键词：建筑施工 安全可靠性 模型

0 引言

我国的建筑施工行业具有作业难度大、作业环境差、从业人员素质不高等特点，是一个安全事故多发的行业。将可靠性理论应用在建筑施工事故防范上，具有重要的现实意义和光明的前景，是“以人为本”的安全管理理念的具体体现。

现有的建筑施工安全领域的研究大多是从管理体制、施工人员素质、法律法规与安全文化建设等角度来研究建筑施工安全管理体系的构建。这些研究对于建筑施工安全管理具有非常重要的意义，但是却忽视了该体系建设的可靠性。在体系工作过程中，倘若某个环节失效或发生故障，从而导致整个体系瘫痪，将会给建筑施工带来不可估量的损失。

鉴于可靠性工程的许多分析方法都能用于安全系统工程领域，本文将可靠性分配理论与系统安全分析相结合，在给定建筑施工安全系统防御目标值条件下，建立可靠性分配模型，确定基本事件可靠度，从而为建筑施工安全管理系统的优化提供理论依据。

1 结构可靠性分析方法

结构设计的目的是使结构在预定的使用期限内满足设计所预期的各种功能要求，并具有足够的可靠性。

衡量一个结构构件是否安全，能否满足预期的功能要求，也就是研究该构件所承受的荷载效应S和构件自身抵抗能力R的相关关系，以使结构设计既安全又经济。一般SR不安全不可靠，S=R处于极限状态。用什么方法来度量这个问题呢?我国以往的各本结构规范曾采用过下列方法。

①容许应力法：安全性用材料强度除以安全系数后得出的容许应力的形式来保证，即 。

②破损阶段设计法：使按经验确定的安全系数加大后的荷载效应小于等于构件的极限承载能力，即KS≤R。

③极限状态设计法：使用荷载系数加大后的荷载效应不大于由材料强度踩以大于1的材料系数计算得出的截面承载能力，即 。

这些设计方法对结构可靠度问题的处理一个比一个有所改进，特别是极限状态设计法，已经考虑到影响结构可靠度有关因素的随机性，在确定设计参数时已经部分地应用了概率。然而所有这些方法，或者是将设计参数都看成不变的定值，或者是在荷载与材料强度取值上部分地考虑了统计变异性，但都没有脱离以经验为主来估计结构可靠度的范畴，因此都属于“定值设计法”。这些方法使人们常常误认为，只要设计中采用了某一给定的安全系数，结构就是百分之百可靠，有多大的安全系数，就有多少倍数的安全储备，也就是将设计安全系数与结构可靠度简单地等同起来。实际上这种定值法所规定的定值安全系数，只能从工程经验上和常识上给予某种解释，并不能真正从定量上度量结构的可靠度。例如，对于偏心受压构件，砖石结构设计规范当时规定安全系数K=2.30，钢筋混凝土结构设计规范规定K=1.55，但这并不意味着砖石结构的可靠度高于钢筋混凝土结构。相反，应用可靠度理论分析表明，前者可靠指标为3.45，后者为3.84，前者的可靠度反而低于后者。如何科学地度量结构的可靠性，长期以来一直是人们十分关心的问题，是工程结构设计理论上要解决的首要问题，这个问题不解决，建筑结构的合理设计就难以实现。

2 建筑施工安全管理系统可靠性模型对建筑施工安全管理系统可靠性的研究，需要给出建筑施工安全系统功能的定义

根据建立建筑施工安全管理系统的目的，本文认为可定义建筑施工安全管理系统的功能为最大限度地防止建筑施工事故或灾害的发生，在事故一旦发生时，系统应能启动相应的应急预案，进行人员救助和财产保全，对事故进行控制和后处理，防止次生事故的发生，迅速进行事故紧急修复以保证施工作业的正常进行。按照时间序列分析，这一功能包含4个重要环节：①事故预防；②事故预警；③应急反应；④事故控制及后处理。

根据建筑施工安全管理系统的特点，应当将其作为可修系统考虑。就任务可靠性而言，建筑施工安全管理系统的相应任务可靠性简化模型。建筑施工安全管理系统可划分为事故预防和应急处理两个单元，其中应急处理为由事故预警、应急反应和事故控制及后处理3个子系统组成的应急处理虚单元。只有这两个单元全部失效，才会导致整个系统功能的丧失。在应急处理虚单元内，事故预警、应急反应和事故控制及后处理3个子系统中的任何一个失灵，都会造成应急处理虚单元功能的丧失。因此，建筑施工安全管理系统任务可靠性是一个混联模型。建筑施工安全管理系统从整体上而言是一个并联系统。

反映了系统与子系统之间的关系。而建筑施工安全管理系统可靠性的分析必须尽可能多地考虑中间事件和基本事件对系统功能的影响。基于对建筑施工安全管理系统功能构成的分析，借鉴董华等人在城市公共安全系统可靠性方面的研究，可以方便地进行建筑施工安全管理系统可靠性的预计和分配，按照最弱环节理论寻求改善和提高建筑施工安全管理系统可靠性的途径。

3 建筑施工安全管理系统可靠性分配方法

建筑施工安全管理系统可靠性分配对于一个已经建立的建筑施工安全管理保障体系，为实现最大安全保障效能，对系统的安全目标值自上而下进行分解，分配至各子系统是非常实用的一种方法。目前经常应用的可靠性分配方法有：

等分配法、AGREE分配法（电子设备可靠性咨询组分配法）、航空无线电公司分配法、目标可行性法、最小工作量算法和动态规化法等。

作为一个线性规划问题，如果目标函数恰好与约束条件平行，当目标函数向优化方向移动时，与可行域不是在一个点上，而是在某一条线段上相切，该线段上所有点都能使目标函数得到最优解；因此即便有约束条件式时，目标函数式也仍然可能有多个解。可靠性分配的关键在于：根据具体的条件选择与所提出的系统目标相匹配的分配方法以得到合理的可靠性分配值的优化解。

为实现建筑施工安全系统安全目标的可靠性分配，笔者提出的建模思想是：结合故障树分析方法的特征，对混联系统的第一层次各单元之间采取最小工作量可靠度再分配法，然后对第二层各单元再进行下一层次的可靠度分配法，依此类推，直至分配至基本事件为止，即对系统的可靠度采取多个层次进行分配。在需要调整可靠度的同一层次各单元之间采取等分配法。

当然，各中间事件可以依次类推将可靠度分配至最基本事件，从而对系统进行合理优化。对于包括多种功能的建筑施工安全管理复杂系统，系统下属基本事件包括多种功能属于多功能系统。对其进行分析，这时应按逻辑代数的运算法则把系统可靠度表达式先化简再代入数值计算。

至此，各单元的可靠度都已重新分配，系统满足了规定的可靠度指标，比较重新分配后的可靠度与原始的可靠度可以发现，仅仅通过改变少数几个单元的可靠度，就能够使系统的可靠度达到要求，并且需要改变可靠度的单元都是系统中可靠度较低的单元。

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