基于风险的拱桥施工设计策略

谢 峰，魏红一

(1.林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，中国 重庆401121;2.同济大学桥梁工程系，中国上海200092)

1 基于风险的拱桥施工设计目的

风险在桥梁领域的实践，主要是把风险评估的方法应用到桥梁工程中的设计、施工、管理等各个环节。它是把桥梁本来的工程知识与其相结合，是对各个阶段的一个很好的补充和完善。而这个阶段只是风险应用于桥梁工程的初级阶段，而更高的层次是建立一个基于风险的桥梁设计理论体系［1］。

面向拱桥施工的风险设计的核心就是在施工组织设计中，以风险的思想作为出发点，采用风险评估方法对施工中的方法、工艺、施工机具、施工管理进行分析，保证施工顺利进行、减少经济损失、实现优化决策管理。为了实现这一目标，必须对施工过程中可能出现的风险事态十分清楚，并且分析其发生的原因以及发生的概率，通过风险分析后，采用风险规避、风险转移、风险缓解等方法，使风险事态控制在施工方可接受的范围以内。

2 基于风险的拱桥施工设计目标

桥梁的施工组织设计是用来指导桥梁工程施工全过程中技术、经济和组织等活动的综合文件［2］，由图1的桥梁施工组织设计流程可以看出，施工组织设计主要有3个部分:总体施工组织设计、单位工程施工组织设计和分部分项工程施工组织设计。其中，分部分项工程施工组织设计将是直接面对各类风险进行施工实施方案的设计。如对下部结构，主要考虑风险环境下的施工工艺设计;对上部结构，则将要结合施工方法、施工临时设施、结构永久构件的总体性能要求，进行基于风险的施工组织设计。

图1 施工组织设计流程Fig.1 Design process of construction

基于风险的拱桥施工设计目标就是对在拱桥施工过程中潜在的风险事态进行识别，对其出现偏离期望的可能性以及偏离幅度进行某种形式的量测，并对其结构进行研究，最后参照研究成果进行设计，以期达到最佳结果。它的主要任务是把风险的理论和方法引入拱桥施工设计中，从原来基于结构的可靠度发展到基于结构的风险上来，拓展了原有的规范基础。它与原有的单纯分析工程的方法不同之处，是把风险的评估方法和桥梁施工现有的技术知识结合应用，使其更客观地反映事物的内在规律。具体而言，基于风险的施工组织设计要考虑施工过程中的方方面面，经过风险识别→风险概率确定→风险损失确定→风险对策等风险评估流程，认清整个拱桥施工过程中风险状态，作出科学合理的决策，给出可行的措施控制和监控风险。

3 基于风险的拱桥施工设计流程研究

传统意义上的桥梁设计，主要是由设计方来承担，从业主提供的地质、地形、水文等方面的情况出发，对桥梁结构进行设计。通过对比结构的静力设计流程，确定基于风险的施工设计流程，如图2。

图2 基于风险的施工设计流程Fig.2 Design process of construction based on risk

通过这一流程，对施工过程中可能出现的风险进行识别、评估，最后拿出各种方案进行比较，以期得到整个桥梁施工过程中风险优化的方案。

3.1 拱桥施工风险事态研究

拱桥在施工过程中涉及到方方面面，影响结构安全的风险因素多种多样，这些风险因素主要分为以下几类。

3.1.1 施工方法及施工机具因素

现代拱桥随着跨度越来越大，很多时候施工方法的可行性与否直接决定了大跨度桥梁建设的成败。从直观效应看，成功使用施工机具成为桥梁建设至关重要的因素。表1列举了拱桥的常规施工方法及对应的主要风险事态。

表1 拱桥常规施工方法主要风险事态Table 1 The risk matter of arch bridge construction method

3.1.2 质量因素

由于施工因素而导致的拱桥在施工阶段的质量缺陷都可以归纳为施工阶段的质量事故［3］。施工的不确定性为结构带来各种不同的风险，风险事态也渗入到桥梁结构的各个部分，如混凝土结构工程、基础工程、钢结构工程、索工程等。

1)混凝土结构工程主要的风险事故。混凝土强度达不到要求，外加剂使用不当，混凝土出现裂缝、麻面、蜂窝、露筋，钢筋材质不符合标准，漏筋或少筋，预应力混凝土工程中机具(如锚具)质量问题，预应力钢筋质量问题，预留孔道问题，预应力失控，构件翘曲等。

2)基础工程主要的风险事故。地基失稳、地基变形造成的工程事故，地下水渗流造成的事故，土坡滑动造成事故，地震引起的事故等。

3)钢结构工程主要的风险事故。焊接质量问题(如咬边、假焊、尺寸不符、未焊透、气孔、裂纹、夹渣)，铆钉和螺栓连接问题(如松动、断头、切断、高强螺栓滑移)，结构变形(包括局部变形和总体变形、倒塌)等。

4)索工程主要的风险事故。因施工工艺原因造成腐蚀等。

3.1.3 桥梁施工期间的时间因素

在整个拱桥施工期间，很多因素会因为时间的推移而改变，这就造成了与原来预期相偏移的风险。主要有自然环境改变带来的影响、进度计划改变带来的影响、设计变更带来的影响、支付款未达到带来的影响等。其中对于自然环境的影响主要有地震、泥石流、山崩、洪水、台风、龙卷风和飓风、严寒、酷热等。

3.1.4 桥梁施工期间的市场因素

在拱桥的施工过程中，所需各种投入的市场价格不是固定不变的，随着价格的波动，会对整个工程的投入产生影响。主要有工人工资的变动、施工机具价格的变动、原材料价格的变动。

3.1.5 桥梁建设的资金因素

建设一座桥梁，没有资金是万万不行的。资金对于一个工程的重要性不言而喻，在筹集桥梁资金的时候，很多不确定性对于桥梁的建设有很大的影响。包括:贷款期数的变动、贷款利率的变动、支付进度、筹集方式等。

在影响桥梁施工的诸多风险因素中，后两类并不是传统意义上的工程技术范畴，但是在桥梁施工过程中所起到的作用是有目共睹的。一个称职的桥梁工程师，需要重视资金和市场因素，这样才能使桥梁建设顺利进行。

风险事态研究的最终目标是得到一系列拱桥施工过程中的风险事态，这些风险事态应该不仅能囊括整个施工过程中所发生的事故，也应是它们很好的总结、归纳和升华。

3.2 拱桥施工风险概率估计研究

对于工程结构来说，风险概率可以用结构的失效概率来表示。这就需要确定施工阶段的承载力极限状态、结构的失效概率和结构的失效概率模式。

3.2.1 承载力极限状态

根据我国结构可靠度设计统一标准:承载力极限状态――对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态:

1)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆等);

2)结构构件或连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏)，或因过度变形而不适于继续承载;

3)结构转变为机构;

4)结构构件丧失了稳定(如压屈等);

5)地基丧失承载能力而破坏(如失稳等)。

当在桥梁施工阶段，结构发生如上的情况时，被认为结构失效。针对失效状态，可以计算结构失效概率［4］。

3.2.2 结构失效概率

在计算风险概率的时候，首先确定风险事态出现的概率，然后根据结构在这一风险事态的极限状态的方程式(1)来计算:

式中:S为结构或构件截面上作用下(荷载)的综合效应;R为结构的抗力。

图3 失效概率计算Fig.3 Calculation of failure probability

设fR(r)、fS(s)为随机变量R、S的概率密度函数，如图3，则结构的失效概率Pf为:

荷载效应S在(s，s+ds)之上的概率为fS(s)ds，则FS(S)是R≤S的概率，即F(s)=P(R≤S)。当R、S相互独立的时候，此两事件同时出现的概率等于这两事件概率的乘积，即:

将此概率在S的全域内积分，即得:

可见，失效概率就是荷载效应S取所有可能的值s(S=s)，而抗力R都低于它(R＜S)的总和，或指抗力R取所有可能的值r(R=r)，而荷载效应S都高于它(S＞r)的总和。

从上面的计算公式(4)可知，要计算结构的失效概率，必须知道其功能函数以及每一个变量的变化情况。但是，对于一个大型复杂的结构来说，影响因素有很多，不可能得出一个显式的函数形式，所以直接计算一般在工程中没有很强的适用性，只能通过其他途径来进行。一般，对于大型的结构，主要是采用数值模拟或者专家经验的方法来得到。而这之前还需要搞清楚大型结构的失效概率模式。

3.2.3 结构的失效概率模式

体系可靠度是从概率意义上衡量结构作为一个体系抵抗来自外部作用的能力，它的功能函数可以表达为一个隐函数，很多方法都可以用来构造这一个隐函数，如专家调查法、蒙特卡洛法、响应面法等。

3.3 拱桥施工风险损失估计研究

风险损失估计一般可以简单认为在风险事态影响下系统现有状态与目标状态的偏离程度。在拱桥施工期间，可能会发生不同类型的风险事态，这样会带来各种各样的风险损失，如拱桥机械设备损坏、上部结构损坏、人员伤亡、桥下基础损坏、工期拖延、环境破坏等。由于各种风险损失表现形式不同，所以对其的估计方法也会不同。笔者将风险损失归结为人员损伤、货币损失和时间损失等3种形式。

1)人员损伤是由桥梁施工过程中的事故造成施工人员的健康损害，包括人员死亡损失、人员伤残损失等。当危及到人的生命时，这一损失是无法弥补的，不能简单地用货币进行衡量，往往以伤亡人数表示。

2)货币损失是指在拱桥施工过程中风险事故产生的可用货币来衡量的损失，一般包括直接的经济损失和间接的经济损失。直接经济损失由拱桥施工风险事故直接引起的用货币来衡量各类损失之和。如桥梁施工风险事故导致的桥梁结构损坏，机械、设备损失等。而间接经济损失则是桥梁施工风险事故直接经济损失以外的、可用货币计量的间接损失。如桥梁结构风险事故导致的施工单位停工损失，供电受阻或中断而造成的经济损失等。

3)时间损失是指由于桥梁风险事态的出现，使得桥梁建造工期的增加。一般有两个原因造成时间损失:一个方面是结构失效引起的时间损失;另一方面是风险事态引起的损失，如暴雨造成无法施工。

不同的风险损失，最后会计量不一。为了方便比较，在最后希望能给出统一的计量标准，这就涉及到3种损失的转换问题。一般都对各种形式的损失进行货币量化处理。

对人员损伤的货币量化，与所在地区的经济发展水平、人民生活水平、受害人的收入损失、医疗费、丧葬费等有关。2004年5月1日最高人民法院公布了《关于审理人身损害赔偿案件适用法律若干问题的解释》［5］，对因生命、健康、身体遭受侵害引起的损害赔偿的诉讼提供了确切的指导。

在得到桥梁施工阶段的人员损失情况后，可参照表2进行人员死亡损失计算，人员伤残损失按照伤情的轻重，医疗费用进行计算。

表2 根据法规计算全国部分地区的死亡赔偿金Table 2 The compensation for death according the law in different places

时间损失的货币量化主要通过统计由于桥梁施工期加长，造成建造桥梁的各个部门停工、停运、停产的损失以及桥梁延期通车的收益损失。这两者相加就是时间损失的货币量。两者主要根据当地的经济发展水平进行估计。

在得到3方面的货币量化的损失之后，总和即为桥梁施工阶段的风险损失。它是由统一的计量来表示施工风险后果，使之与风险评价标准相一致，便于进行风险评价，并易于理解和接受。在后续的风险评价的时候，会比较方便。

3.4 拱桥施工风险事态参与组合研究

拱桥事故，究其原因，大多是由两个或两个以上风险事态共同引起的。在对风险设计的研究中，必须研究和解决多种风险组合的问题。

风险组合问题，就是将风险效应叠加，求其和的统计规律问题。显然，寻求综合风险事态的统计规律比单个风险事态的研究更为复杂。首先，它不是单一的叠加，就算是同时发生也不能简单叠加，因为有时候同一个因素也会引起不同风险事态的发生。其次，风险的量化值本来就是假定的，简单的叠加不能反应其事物内在联系。由于组合方式多种多样，还需要从中找到最不利的情况进行结构风险分析。风险组合的研究目标就是通过对上述问题的分析和比较，明确其风险的贡献值，以便应用于实际工程。

3.5 拱桥施工风险评价研究

拱桥施工风险评价是在经过风险识别和风险估计这两个过程，建立一个综合风险概率与风险后果的施工风险评价模型，确定总体风险的数值大小，然后根据相关风险评价标准，对系统风险进行综合评价，检验系统风险是否可以接受，为风险应对与决策提供科学依据，以保障桥梁工程建设项目的顺利进行。要进行风险评价首先需要建立系统风险综合评价模型和系统的风险决策准则［6］。

3.5.1 系统风险综合评价模型

笔者主要是从风险概率与风险后果的综合角度来进行风险评价。综合评价模型分为定性的模型和定量的模型两种。

1)定性的模型没有把系统的风险概率以及后果综合起来，没有统一成一个指标进行量化，而是直接对风险情形给出风险态度(如专家调查法)，直接进行决策。

2)定量风险综合评价模型，以某座桥梁为基本研究对象，在整个施工工期内，系统的综合风险可以表示为:

式中:R为整个施工期内的系统综合风险;Pij为第i类风险事故第j种损伤程度发生的概率;Cij为第i类风险事故第j种损伤程度造成的损失。

3.5.2 风险评价准则

在拱桥施工过程中，需要对各种风险改善措施所产生的效果进行分析，选择最优方案。在经济学领域中，普遍存在边际效应，这一规律在风险控制中也是适用的。边际效应是指当所分析的对象风险较高的时候，加大投入的情况下，效果一般比较明显;但是随着分析对象抵御风险提高，改善安全性能的投入效果会逐步降低，最终趋于0，甚至为负。

英国国家健康和安全委员会于1999年提出ALARP风险决策准则。该准则的意义是:任何系统都是存在风险的，不可能通过预防措施来彻底消除风险;而且，当系统的风险水平越低时，要进一步降低就越困难，其成本往往呈指数曲线上升。也可以这样说，安全改进措施投资的边际效益递减，最终趋于0，甚至为负值。因此，必须在工业系统的风险水平和成本之间做出一个折衷。为此，常把“ALARP原则”称为“二拉平原则”［6］，ALARP原则可用图4来表示。

具体做法是，首先确定合理的风险可忽略水平和不可接受水平，将整个风险域划分为风险可忽略区域、合理控制区域和风险不可接受区域3个区域。在风险拒绝区域的风险，表明其风险水平高于可接受水平，必须降低。落于可接受水平的，表明其风险水平远低于社会可接受水平，可接受，不需要采用任何措施。在两者之间称为合理控制区域，属于可容忍的风险，应以合理的成本投入进行风险降低。

图4 ALARP评价准则Fig.4 ALARP evaluation principle

为了明确ALARP评价原则中的区域界限，会对引起拱桥施工风险的因素进行参数分析，通过一系列参数的变化，来估算其对应的综合风险水平，考察这一因素对于综合风险的影响程度，以此来确定风险不可接受区域、风险可忽略区域和合理控制区域之间的界限，作为对综合风险进行评价的依据。

3.6 拱桥施工风险对策研究

在总体风险评价结果的基础之上，拟定风险对策。即针对某一个风险事态，提出有针对性的风险对策以期把风险降低到可接受的范围内。目前对于风险对策一般有6种类型:风险自留、风险回避、风险缓解、风险规避、风险转移和风险缓解。针对风险级别的不同，选择不同风险对策的类型，见表3。

表3 风险对策选择方式Table 3 The selection of risk countermeasures

在拱桥施工阶段一般的对策来源于以下3方面:

1)工程技术方面。在拱桥施工阶段，主要是通过修改设计，增加一些机具来降低或者消除潜在的隐患。例如，增加风缆，增加缆塔的刚度使得施工时机具更加稳定。

2)管理方面。管理是一个系统的学科。在一个大跨度拱桥建设中，涉及到方方面面的问题。如何制定科学的管理措施，并且调度得当，减少事故的发生，保护桥梁建设者的安全都是需要管理者细心考虑的问题。例如，夜间施工时，设置足够的照明并且人员不能过于疲劳等，利于安全施工。

3)保险方面。通过财产保险或第三者保险的方法，将部分管理部门潜在赔偿损失转移到保险公司，降低管理部门的风险。与以上的两个方面不同，保险转移不能降低施工过程中风险概率，但是有利于在风险发生后风险的承受者能降低承担的风险。保险已经渗入到了社会的方方面面。保险在拱桥施工过程的应用将会越来越广泛。

经过分析提出的对于风险事态的基本决策，需要进行风险水平复核，对这一决策是否将风险控制在可接受范围内进行评估。只有在风险的承担者同意的前提下，才能把决策应用于设计方案之中。

整个拱桥施工风险设计过程是完全脱离了规范进行的，更能反应现阶段经济技术的发展以及人们的接受程度。

总体上看来，在施工阶段对不同的风险事态进风险设计，可以采用一个对策，也可以几个对策一起采用。对策的提出，不能局限于一个对策，应该从多个方面考虑，提出多个对策进行比较，以期得到最优对策。

4 结语

1)从风险的角度进行施工组织设计，提出基于风险的拱桥施工设计流程，希望达到科学设计的目的。这一流程主要是施工组织设计与风险设计的有机结合，是对拱桥设计和施工方法的一个补充。

2)按照提出的设计流程，对每一个步骤进行理论分析，特别是对风险概率估计和风险损失估计，通过数学以及统计的方法达到量化的目的，为以后的风险评价提供依据。

3)面对各种风险，采用包括工程技术在内的多种对策，达到科学应对风险的目的。

［1］阮欣.桥梁工程风险评估体系及关键问题研究［D］.上海:同济大学，2006.

［2］许谨良.企业风险管理［M］.上海:上海财经大学出版社，2000:1-20.

［3］谢海涛.桥梁施工风险评估适用方法研究及其在钻孔灌注桩施工中的应用［D］.长沙:中南大学，2009.

［4］GB/T 50283—1999公路工程结构可靠度设计统一标准［S］.北京:中华人民共和国建设部，1999.

［5］陈剑锋.关于审理人身损害赔偿案件适用法律若干问题的解释［M］.北京:中国法制出版社，2008.

［6］巩春领.大跨度斜拉桥施工风险分析与对策研究［D］.上海:同济大学，2006.

［7］吴煜，李从东.二拉平原则(ALARP)应用分析［J］.山东财政学院学报，2005，12(3):47-48.Wu Yu，Li Congdong.The application of as low as reasonably practically［J］.Journal of Shangdong Financial College，2005，12(3):47-48.