木结构建筑施工安全因素识别与安全行为模拟
【摘要】 近些年来,木结构建筑凭借居住舒适和绿色环保等优势而方兴未艾,木结构建筑日益呈现出规模越来越大、施工难度越来越复杂的发展趋势。木结构建筑从最初的三层别墅发展到十层的公寓,甚至欧美一些发达国家正计划建设三十层以上的木结构建筑。规模的扩大和施工难度日益复杂,导致木结构建筑的施工安全问题日益突出。施工安全的研究瓶颈在于人的行为的不确定性,通过虚拟仿真技术模拟和呈现危险因素和危险情境可以提高施工的安全认识,有利于更好的安全控制和管理。本文首先通过事故树分析法进行危险因素的辨识；通过事故树的逻辑求解导致安全事故的最低限度的危险因素集合(最小割集),再利用LEC评价法对其进行危险评价,然后利用3Ds Max建立了建筑仿真模型,危险度较高的安全事故过程通过仿真动画的形式表现。做好危险因素的辨识的工作后,并根据分析结果制定安全措施。最后以C#语言为开发语言并结合Microsoft. net Framework4.0以’SD China"中国国际太阳能十项全能竞赛厦门大学作品’Sunny Inside"的安全管理为对象,自主开发了施工安全模拟系统’SD Safty Project"。通过本论文的研究,为木结构的施工安全管理辨识出最为危险的12个危险因素集,并为施工安全管理和安全教育提供了一个初步的模拟仿真系统和研究思路。
第一章绪论
1.1课题研究的背景和意义
1.1.1课题研究的背景
二十世纪以来，由于人类对资源和能源的不恰当使用，导致了土地沙化、温室效应、淡水资源枯竭以及能源短缺等一系列危机，已经开始威胁到人类的生存空间，在全世界范围内引起了高度重视。如何应对这些生存危机，完成节能减排的目标，已经成为了一个全球性的问题。从全球范围来看，建筑消耗的能源普遍占到总量的25%至40%。欧美发达国家在建筑节能减排上做了大量的研究和实践，并取得了良好的效果[1]。近些年来，随着经济的迅猛发展，我国已成为世界最大能源消耗国之一，其中建筑能耗约占我国能耗总量的30%。除了基数大以外，我国的能耗使用还存在着利用率低和浪费的情况。目前，我国超过80%的现有建筑为非节能建筑，并且节能水平相较于欧美发达国家还存在着较大的差距[2]。
木结构建筑在人类的建筑史上扮演了十分重要的角色。木结构建筑作为一种天然高分子有机材料，具有节能[3][4]、环保舒适[5]、抗震性能好[0以及施工周期短[7]等优点。由于木结构的以上优点，使得它在欧美等国家的住宅建筑中非常受欢迎。目前，节能与减排已逐渐成为建筑界的一个共同发展目标，使用木结构作为建筑节能的一个载体，是未来建筑行业的一个重要发展方向。
1.1.2研究意义
随着经济的快速发展，我国的建筑行业已经成为世界上最大建筑市场的之一，但同时其安全事故的问题也愈来愈突出。近些年来，在大力提倡发展绿色节能建筑的背景下，木结构建筑得到了快速的发展和推广。而木结构的施工安全管理也成为一个新的课题一以往的木结构建筑一般都为多层的建筑，而现在已经建造出高层的木结构建筑。例如欧美国家已经建造出许多十层以上的木结构建筑。我国近年来也不断的推出木结构的高档社区。但是由于材料的特殊性和前期研究成果颇为缺乏，木结构建筑的施工安全管理研究尚且还不完善，如何有效的提高木结构的施工安全管理，是建筑行业亟须解决的一个问题。所以，木结构的施工安全管理具有特殊和及时的研究意义。
虚拟仿真是通过建立研究对象的模型，结合实际情况进行研究、分析和实验的方法。虚拟仿真是的一种建立在模型基础上的的动态实验技术，具有安全和经济的优点。该技术在建筑业中的应用十分广泛，在施工组织、施工过程中的受力以及施工安全等方面，均有良好的应用前景。通过虚拟仿真技术能事先模拟木结构的施工过程，并作为辅助工具辨识施工过程中的空间的危险因素，然后采取有效的预防和强化措施，提高施工现场安全管理的效果。由于建筑业的从业人员存在教育程度不高、思想麻搏大意以及思想上不重视的特点。通过虚拟仿真技术，可以对施工过程中可能导致重大伤亡的安全事故制作仿真动画，加强了安全管理的普及性和可视化，从而促进安全教育的整体效果。
..............................
1.2国内外研究现状
1.2.1木结构的研究现状与进展
木结构建筑在欧美等国的应用十分广泛。目前，欧美等国家正在积极推动木结构的发展。在美国，90%以上的住宅都是木结构建筑[8]。在欧洲，木结构房屋也十分普及。2009年，德国拜耳集团在北莱茵河-威斯特法伦州建成了一座木结构的幼儿园，并且在屋顶铺设光伏板，以实现建筑的零能耗与绿色环保。在芬兰，建造木结构房屋的历史悠久，其开展的"现代化的木头城市”计划已经在许多城市取得了良好的成效[9]。
上个世纪，随着人口的急剧增长，底层建筑逐渐无法满足城市发展的要求。而钢筋混凝土建造的高层建筑，解决了这个令人困扰的问题。然而随着科技的发展，木结构原有的在层高上的瓶颈正在一步步被打破，建筑师和工程师们通过木结构建筑同样可以建设出高层的木结构建筑：在英国，有业内非常著名的布里德波特公寓大楼（8层）和默里格罗夫住宅大楼（9层），并正在拟建一个新项目Banyan Wharf 总建筑面积为6750平方米，高10层的木结构建筑。在加拿大，木结构房屋的生产和安装技术非常先进，已经利用交错层积木材已经建出了许多高层的木结构建筑。在澳大利亚，利时集团建成了高32米、共10层的木结构高层住宅楼Fort6。关于木结构建筑层高的进一步突破还在规划中，例如：瑞典正在拟建一栋34层的木结构建筑；加拿大建筑师MichaelGreen计划修建一栋30层的木结构建筑；美国的Skidmore Owings & MerrillLLP(SOM)建筑设计事务所近日公布了一份可行性研究，内容是一栋42层的木质高楼。
在我国，早在三千五百多年前就开始了建造木结构建筑[1]并留下了许多不朽之作。比如山西应县木塔[11]、紫禁城等，是我国也是世界木结构建筑中的瑰宝。北宋李诫主编的《营造法式》是建筑史上一部十分珍贵木结构建筑资料与法规，甚至传播到了日本和西方国家[12]。因此可以毫不夸张的说，木结构建筑是中华民族灿烂文化的组成部分。但是由于各种原因，近二十年我国基本停滞了对木结构建筑的发展。随着我国经济的发展、人民环保与节能意识的提高，木结构建筑凭借美观大方、绿色环保、居住舒适等优势己经呈现了快速发展的趋势。从1997年苏州的波特兰小街一直到2009年北京的波特兰花园，国内市场对木质别蜜的开发呈现出不断升温的态势[13]。在政府及社会各界大力发展低碳经济的战略背景下，推广绿色节能建筑的理念逐渐得到了广泛的共识。2011年在上海举办的中国木结构建筑产业论坛暨展览会，就以“低碳、生态、环保"为主题，也是一次倡导和推广绿色节能的木结构建筑的盛会[14]。而由于木结构建筑环保节能的特点，因而推广绿色节能建筑直接催生了我国木结构建筑的发展浪潮。
因此，节能与减排的政策直接推动了绿色节能型木结构建筑在我国的发展浪潮，并打开了广阔的市场[15]。2012年10月20日，江苏常州武进被授予国内第一个"绿色建筑产业集聚示范区"称号，而武进示范区的代表正是其中的“低碳小镇’’，整个"低碳小镇”就是由各种具有世界领先技术的木结构零能耗建筑构成。另外，在旅游休闲产业中木结构业具有广阔的市场。例如：南京聚宝山公园的风情木屋和北京平谷区金海湖畔的度假村，这些古朴典雅的小木屋都成为人们休闲的好去处，可见人们对于木结构建筑和自然原生态的渴望与需求。目前，万科、绿地等集团也有木结构零能耗的建筑在建或是研究。简而言之，木结构零能耗建筑已经成为建筑节能领域的一个重要研究方向。
1.2.2施工安全现状及木结构建筑的施工安全
在世界各国，建筑业都是高危险的行业，施工安全事故不但阻碍其经营目标，更严重的是造成人身伤亡和巨大的社会财产损失。美国1996年的一项研究表明，其安全事故造成的经济损失已占到其总成本的7.9%-15%。而根据美国的统计资料，在1992-2002年间，死于施工安全事故的人数平均为1122.1人。在以安全管理而著称的英国，由于安全事故造成的经济损失已占到其项目总成本的的3%-6%。根据相关资料，建筑业导致的死亡事故大约占其总数的三分之一[16]。
第二章建筑工程施工过程的危险因素辨识
2.1建筑工程安全事故致因理论
事故致因理论是关于各种安全事故以及导致其发展的因素之间的联系和变化的理论。最初由于人们的认识水平有限，而安全事故的发生形式又多种多样，因此人们把安全事故归结为某些偶然甚至无法解释的现象。然而随着科学技术的进步，人们对事物发生规律的认识水平也大幅度提高。人们逐渐认识到安全事故的发生在偶然性之外，还存在着各种各样的必然因素，有其自身的发展的规律和特点。任何安全事故的发生都经历了从渐变变化的过程，即从触发危险因素到最终导致安全事故的过程。只有掌握了事故致因理论，才能更好的对危险因素进行辨识，从而采取相应的安全措施，保证系统的安全状态。国内外的安全专家在研究调查的基础上提出了许多事故致因的理论，其中比较有代表性的有事故频发倾向理论、海因里希因果连锁理论、综合因素论和"4M"不安全因素等[44-45]。
2.1.1事故频发倾向理论
事故频发倾向理论是指影响系统安全性高低的主要原因是由于工人中存在事故频发倾向者的一种理论。1919年，格林伍德和伍慈通过对大量的安全事故发生的资料进行了三种统计分布的实验，最终得出了相关结论。
①泊松分布：当工人发生安全事故的概率大体相等时，即系统中没有事故频发倾向者，发生安全事故的规律服从泊松分布。即导致安全事故发生的主要原因是外界条件和偶然因素。
②偏倚分布：如果工人中存在个别的事故频发倾向者时，即存在生理或心理方面的障碍的工人，该个体在作业过程中发生安全事故的概率大大高于其他人员，容易导致事故的发生。
③非均等分布：当系统中每个人的事故频发倾向都不相同时，系统服从非均等分布。这种情况下，人的因素是导致安全事故的主要原因。
通过检验事故频发倾向的稳定性的实验，格林伍德和伍慈证明作业过程中存在着事故频发倾向者。而明确提出了事故频发倾向概念的法默和查姆勃，认为事故发生的主要原因是系统中存在事故频发倾向者。
事故频发倾向理论通过统计实验的方法，证明了个体的精神状态等因素对于安全事故发生概率的影响，但是单纯把安全事故发生的因素归结于个体是不全面的。
2.1.2海因里希因果连锁理论
事故因果连锁理论最早由美国安全工程师海因里希提出，该理论论述了安全事故与各种因素之间的关系。该理论的依据是：安全事故并不是孤立的一个后果，而是由于各种因素触发连锁事件而导致的。最初的事故因果连锁理论中主要包括以下几个因素：人的素质、人为过失、人的不安全行为和物质的不安全状态、事故、伤亡与损失。
...............................
2.2建筑工程事故危险因素辨识方法研究与比较
2.2.1建筑工程事故危险因素辨识应遵循的原则
危险因素是指系统中导致物的损失或者人的伤亡的因素，而危险因素辨识是指对系统中的这些危险因素进行识别的过程。危险因素辨识是安全管理的首要工作，只有全面地、系统地对施工活动中存在的危险因素进行识别，才能通过定性或定量的评价方法对这些危险因素进行评价，并根据评价结果制定控制措施。危险因素辨识的根本目的就是在危险因素演变成安全事故之前，消除或控制这些因素所造成的不安全状态。施工现场环境复杂，而且随着新技术的不断应用，生产过程中的危险因素也相应地增加，这些都给科学地识别系统中各种危险因素带来了困难。因此，对所分析工程项目的熟悉程度、丰富的施工安全经验、先进的技术手段以及选择科学的方法是准确而有效进行危险因素辨识的基础。
针对上述建筑施工现场安全管理的特点，在进行建筑工程施工危险因素辨识的工作时，应当考虑以下几个原则[46]：
①共性原则。不同工程项目大小不同，复杂程度不同，导致危险因素辨识工作不能以一概全。但是基本的施工流程、施工工艺、施工组织可以进行大体的归类。施工单位可以根据这些共性的内容，依据相关的工程技术和工程经验进行危险因素的辨识，并且列出基本的危害因素清单。
②具体性原则。对于实际工程项目，除了分析该类项目的共性之外，还必须分析个体的具体特征，对具体的危险因素进行辨识。
③特殊性原则。要实事求是地考虑不同工程项目各自的特殊性，作业人员的交叉作业情况，季节及地区影响，临时设施的分布情况以及场地环境的特点。
对危险因素进行科学的辨识是安全管理的首要工作，其目的是为了找出各项工作活动有关的所有危险因素，并分析这些危险将如何引发安全事故的发生。如：在没有使用安全带的情况下进行高空作业，可能会导致高空坠落；吊装物体时人员进入吊件下方，可能会触发物体打击；临近高压线路的作业的起重设备可能会引发触电事故等等。对危险因素进行了科学全面的辨识后，就要对其可能导致的事故进行风险评价,进而采取控制措施。
2.2.2常用的建筑工程事故危险因素辨识方法建筑工程危险因素辨识就是从建筑工程施工系统出发，分析系统中可导致安全事故发生的所有因素，根据“4M”因素论的理论，主要包括人的因素、物的因素、环境的因素和管理的因素。常用的建筑工程施工危险因素辨识方法有以下几种[47-51]。
1.鱼骨图分析法
鱼骨图又成为因果图，由于图形看上去类似于鱼的骨头，因此而得名。鱼骨图中原因（危险因素）标在"鱼骨"上，安全事故的结果标注在“鱼头”上。鱼骨图中，在鱼骨上伸出多根“鱼刺”，“鱼刺”上通过箭头的位置和方向描述出各种因素之间的主次关系，可以说明各个因素的主次关系，具有简捷实用、深入直观的特点。
.................................
第三章建筑工程施工安全评价............................................37
3.1安全评价分析概述............................................37
3.2危险评价方法研究与比较............................................37
3.2.1定性安全评价............................................38
3.2.2半定量安全评价............................................40
3.2.3定量安全评价............................................43
3.2.4系统安全评价中常用分析方法的比较与选择............................................45
3.3木结构建筑施工系统危险因素的定性分析与定量评价............................................47
3.3.1事故树的定性分析............................................47
3.3.2最小割集的定义及求解............................................47
3.3.3危险因素集（最小割集）的定量评价............................................51
第四章施工安全虚拟仿真............................................55
4.1虚拟仿真技术 ............................................ 55
4.1.1虚拟仿真技术概述............................................55
4.1.2仿真工具的比较研究............................................55
4.2基于虚拟仿真技术的施工安全模拟研究............................................57
4.2.1 3Ds Max关键功能技术介绍............................................57
4.2.2施工安全仿真的整体设计思路............................................62
4.3木结构施工安全仿真的实现............................................63
4.3.1主要技术路线概述............................................63
4.3.2木结构三维模型的仿真建模............................................64
4.3.3仿真环境中的危险因素辨识及安全事故后果预测............................................65
4.3.4木结构施工安全仿真动画制作............................................70
第五章施工安全模拟系统的设计及其应用实例
5.1 SD项目背景、工程概况及施工安全管理
5.1.1 SD项目背景
"SD中国”是2011年1月胡锦涛主席访美期间签署的中美能源合作项目，也是2011年5月第3轮中美战略与经济对话的会议成果之一。发起于美国能源部的SD大赛，2002年迄今已在美国和欧洲成功举办了 6次，是太阳能、节能技术与建筑设计紧密结合的全世界最高水平的国际赛事。"SD中国”由中国国家能源局、美国能源部联合主办，北京大学承办，2013年在中国大同举行，这也是SD大赛首次登陆亚洲。
SD中国太阳能十项全能竞赛以全球高校为参赛单位，要求各参赛单位设计并实际建造一栋太阳能住宅，以太阳能作为该住宅运行和生活能源的唯一来源。大赛设定十项标准全面考核每个参赛作品的各项节能、建筑物理、环境调控及能源完全自给能力，通过综合十个标准的单项比赛评比最终确定总体排名，因此称为“十项全能”竞赛，被誉为“太阳能界的奥运会”。
经过全体队员的讨论，厦门大学参赛队将赛队作品命名为Sunny inside,意在使房屋的每个角落都充满阳光。
5.1.2工程概况
厦门大学参赛作品"Sunny inside”是一栋将木构件标准化生产后，现场进行装配式施工的木结构建筑。整个建筑按功能分区为：主卧（可通过收纳为会客室）、次卧、厨房、卫生间、通风过廊以及平台花园。本项目结构形式主要为框架体系，建筑面积约为90平方米，主要由28个独立基础、28根柱子、38根梁、15块地面板、33块墙体构件片及10块屋面构件组成，单个构件最大重量约为550KG。吊装装配作业中所使用的机械主要是汽车吊起重机。其中，吊装作业采用分件吊装法，即按照构件的顺序进行吊装。吊装的方向由起重机吊臂半径范围，由外向内进行吊装。整栋建筑中使用了相变材料技术、中水技术、保温材料等新技术，并且屋顶还有安装块太阳能光伏板。因此，施工过程中大量使用的新技术及新工艺、非常紧张的工期以及频繁的交叉作业，这些都对施工安全提出了更高的要求。
5.1.3施工安全管理的特点与难点
由前文背景和工程概况的简要叙述可以看出本项目具有以下几个特点：
(1)根据“SD China"的比赛要求，施工工期只有短短10天，对于施工速度和效率的要求高，同时也对施工安全提出了较高的要求；
(2)项目中使用了众多的新技术、新工艺，交叉作业频繁，这些都是施工安全的难点；
(3)吊装装配是本项目整体施工过程的重要环节，吊装过程中各构件体积大、质量重，对施工空间区域的限制提出了很大的挑战；
(4)由于“SD China"项目的大部分施工人员都是学生，在施工经验上极度欠缺，而且对施工安全存在一定的不重视现象，因此如何交流表达施工过程中的安全问题，也给本项目的施工安全管理提出了要求。
本章的主要内容就是针对项目以上特点和难点，通过SD施工安全虚拟仿真系统设计与应用，对木结构建筑施工过程中可能产生的各种施工安全问题进行软件化的管理的研究。确保项目的顺利施工以及人员安全保障。
5.2 SD施工安全系统设计思路与开发情况
5.2.1施工安全仿真系统的实现情况
由于前文所述情况，目前还无法实现虚拟安全系统。因此作者将已经实现的仿真功能结合软件技术，开发了施工安全仿真系统。虚拟仿真是本系统设计的首要工作，同时也是该施工安全仿真系统的的核心模块。木结构施工安全虚拟仿真的主要目的是基于3Ds Max所建的木结构模型，通过三维的动画，来直观的模拟SD厦门大学参赛作品Sunny Inside的施工安全问题，以实现木结构施工安全的仿真可视化。除了仿真动画外，本系统还实现了两个功能以满足施工安全管理的要求：提供危险因素及事故过程描述和安全控制措施的功能。
为实现"SD中国"厦门大学参赛作品“Sunny inside”的施工安全虚拟仿真系统的各项功能，以施工流程界面为主线，结合三个功能模块结合来实现安全管理的功能。系统中将设计五个功能分区，分别称为模块1 (施工流程查询）、模块2 (危险因素与事故过程描述）、模块3 (动画控制模块）、模块4 (控制措施）和辅助模块（工具栏）。下面将对各个模块的功能和设计思路进行详细的论述。
...............................
第六章结论与展望
6.1结论
本论文在总结一年多的SD中国国际太阳能十项全能竞赛安全管理的实践经验的基础上，结合当前木结构建筑的施工安全实际问题，本论文识别了木结构建筑施工安全的危险因素，并初步实现了虚拟施工安全的模拟。具体结论如下：
(1)本文中采用事故树分析法对木结构建筑的施工过程进行了危险因素辨识，并结合LEC评价对最小割集进行了评价，有效的利用了二者的优点，避开了其缺点。在安全评价中，由于安全事故通常不是由单一因素引起的。事故树分析法不仅可以表示事故发生的逻辑，还可以求出触发安全事故的最小危险因素集合（最小割集），与LEC评价法结合可以对事故发生的过程和结果进行整体评价。
(2)通过3Ds Max建立了虚拟仿真环境，并且利用仿真模型和仿真环境，对各施工阶段进行仿真模拟，在虚拟环境中对施工过程中的危险因素进行辨识工作，特别是空间交叉上的危险因素。通过虚拟仿真技术，制作了施工过程中可能发生的高危险的安全事故仿真动画，可用于与不同专业、不同教育经历的人员直观的交流施工安全问题。
(3)建立了木结构施工安全仿真系统，可以查询和演示施工过程中的危险因素、事故过程以及安全措施等，提高了安全管理的效率，有助于当前熟练建筑工人短缺条件下的安全教育。
................................
参考文献:
- [1] 王培斌. 木结构建筑的发展与绿色建筑[J]. 沈阳工程学院学报(自然科学版). 2014(01)
- [2] 王澄燕,汪霄. 我国木结构建筑的发展思考[J]. 林产工业. 2013(05)
- [3] 李峰,王居林,张颖. 施工安全的可视化技术及应用[J]. 施工技术. 2013(15)
- [4] 高振兴,高艳玲. 基于FTA的机械伤害事故分析[J]. 科技信息. 2013(18)
- [5] 陈学雄. 施工现场用电安全三维仿真系统的开发与应用[J]. 福建建材. 2013(04)
- [6] 翟晓强,胡亦杰. 盾构施工虚拟仿真三维模型建模方法[J]. 电脑知识与技术. 2013(11)
- [7] 曲莎,樊建春,张来斌. 改进作业条件分析法在输气站场安全评价中的应用研究[J]. 安全与环境学报. 2012(05)
- [8] 王天成. 从典型案例探析木结构建筑的发展[J]. 绿色科技. 2012(09)
- [9] 何长春. 建筑施工现场火灾的事故树分析法[J]. 内江科技. 2012(08)
- [10] 李静,李众立,李培亮. 基于虚拟现实技术的建筑施工动态仿真研究[J]. 计算机与现代化. 2012(08)
本文编号：9307
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/shuoshibiyelunwen/9307.html
