钢结构施工过程人因失误因素AHP分析

李张苗，寇新建，蒋 萌，胡启平

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200240； 2.南通职业大学 建筑工程学院，江苏 南通 226007；3.河北工程大学 建筑工程学院，河北 邯郸 056038)

建筑结构施工操作都是由人来完成，在这一过程中不可避免存在各种人因失误操作。施工阶段的人因失误操作将会影响结构抗力性能，导致结构可靠性功能函数发生变化，使结构实际可靠性能与设计可靠性能产生偏差。如果实际可靠性能低于设计可靠性能将会引起安全隐患，而实际可靠性能高于设计则会造成不必要的经济浪费。Ellongwood在文献[1]中通过大量统计数据总结约90%的结构失效及其正常使用功能出现问题均来源于人为失误。因此施工阶段人因失误操作的研究有很高的工程意义。

Stewart[2]对钢筋混凝土梁施工过程人因失误进行了现场调查和定量化研究。周详[3]建立了基于人误概率可能性分布的结构模糊随机可靠度分析模型。周冲[4]利用层次分析法(AHP)对混凝土施工过程中的人因失误影响因素进行了重要性排序，将得到的权重向量用于结构可靠度研究。史文秀[5]对钢结构施工过程人因失误的机理进行了分析，归纳总结人因失误影响因素的类型，研究影响因素之间的灰色关联度，建立了可靠性灰色-模糊评判方法。本文拟对钢结构在施工过程中的人因失误因素进行调查研究，建立层次分析法(AHP)研究模型，分析各因素重要性，获得可以反映各种人因失误操作对钢结构整体安全性能影响大小的权重排序向量。

1 施工阶段人因失误因素分析

钢结构施工阶段由人完成的基本操作难以准确界定，比如钢筋绑扎可以是单根钢筋的绑扎也可以是某个节点的钢筋绑扎，因此按基本操作进行人因失误因素分析难度较大，本文将参照文献[4]和[5]依据钢结构施工工序从宏观管理角度出发定义钢结构施工阶段人因失误因素。

当前我国钢结构施工阶段相关工序及主要流程如图1所示。

在以上流程中，每一个步骤都依靠人的操作来完成，因而都存在人因操作失误可能。材料选用是否符合设计要求的强度、刚度、稳定性，是否充分考虑承载特性要求以及工作环境。施工工序设计是否完善，避免返工与窝工，是否考虑特殊使用要求。构件加工时必须按照设计图纸要求进行尺寸加工和偏差限制，在此过程中操作人员必须按照一定的操作规程进行加工。构件组装时，必须严格按照图纸组装，控制拼接偏差，减少构件变形。安装方案必须合理，安装操作要严格执行各种规定，注意安放位置的测量定位。焊接连接与紧固件连接必须按照规范要求进行，严格执行各种验收标准。

2 AHP分析模型

钢结构施工阶段人因失误操作存在于7个流程，每一流程发生人因失误将会对钢结构建筑整体安全性能产生不同的影响，因此对这7个人因失误因素进行重要性排序具有较高的工程指导价值。AHP法是目前应用较多的多因素重要性评价方法[6]。下文将按照AHP法分析步骤建立钢结构施工阶段人因失误因素AHP分析模型。

1)根据因素之间的因果关系建立递阶层次模型。模型决策目标即本文研究目标是钢结构施工阶段人因失误。模型准则层即B级任务为上文7个施工相关流程。故钢结构施工阶段人因失误因素AHP法递阶层次模型如图2所示。

2)对同层因素关于上一层的重要程度进行两两比较，构造两两比较判断矩阵。对图2的递阶层次模型中的B级任务层的因素关于目标层的重要程度进行两两比较。记B级任务层为b=[B1,B2,…,B7]，用bij表示第i个因素与第j个因素之间的重要性之比。将所有因素进行两两比较，可以得到7×7阶两两比较判断矩阵

(1)

衡量bij的数值标准为标度，本文采取1～9标度，其数值意义见表1。由矩阵论可知判断矩阵为正互反矩阵。

3)计算各层次因素权重，获得其重要性序列，检验判断矩阵一致性。正互反矩阵中的元素Bij只反映两两元素之间的重要性，AHP法通过一系列数学变换，采用矩阵最大特征根λmax及其正交化特征向量在同尺度下量化同层次因素重要性。

表1 标度数值的含义

表2 1～15阶RI值

根据矩阵理论，判断矩阵最大特征根及其正交化向量反映各因素重要性水平的可信度依赖于判断矩阵的一致性，因此必须检验判断矩阵的一致性。具体步骤如下：

1)计算一致性指标CI(Consistency Index)

(2)

式中n—判断矩阵阶数。

2)查找与判断矩阵阶数相对应的平均随机一致性指标RI(average Random consistency Index)。常用的1～15阶矩阵的平均随机一致性指标值见表2。

3)计算正互反矩阵一致性比率CR(Consistency Ratio)，进行一致性判断。

(3)

根据计算得到的CR值判断矩阵的一致性，一般认为CR<0.1时，判断矩阵满足一致性要求，其最大特征根可以真实反映各层因素重要性。

3 施工阶段人因失误AHP分析实例

采用调查问卷的方式得到钢结构施工阶段人因失误因素两两比较判断矩阵

(4)

判断矩阵中元素bij的角标排序按图1中从左至右的顺序。通过数学变换与计算可得其最大特征根对应的正交化特征向量为

W=[0.034 0.041 0.159 0.063 0.076 0.368 0.259]T

(5)

为保证式(5)能够真实反映各因素重要性，尚需对式(4)中的判断矩阵进行一致性检验。依据式(4)和式(5)，由矩阵论可知判断矩阵最大特征根为λmax=7.374，将其代入式(2)可得一致性指标为

(6)

查表2可知7阶判断矩阵的平均随机一致性指标RI=1.36，将相关数据代入式(3)可得一致性比率为

(7)

根据式(7)的结果，可知判断矩阵满足一致性要求，其最大特征根对应的正交化特征向量可以真实反映各因素对总体影响的大小，即式(5)结果真实可用。

根据式(5)，可知钢结构施工过程中，节点连接(包含节点焊接和紧固连接)施工和构件加工施工对钢结构总体影响极为重要，必须重点加强管理，严格控制这些流程中人因失误操作的发生；另一方面，在人力资金等管理资源有限时，应该按照式(5)中的重要性排序优先考虑重要性高的流程，可以有效提高资源效率。

4 结语

依据钢结构施工阶段人因失误因素重要性排序向量，节点连接和构件加工对钢结构施工影响最为重要性，应在实践工程中加强控制，在管理资源有限时应优先考虑重要性高的流程。

参考文献：

[1] ELLONGWOOD B. Design and construction error effect on structural reliability[J]. Journal of Structural Engeering, ASCE, 1987, 113(2): 409-422.

[2] STEWART A, MELCHERS R E. Error control in member design[J]. Structural Safety, 1989, 6(1):11-24.

[3] 周 详. 考虑人为错误的结构模糊随机可靠度分析模型[J]. 武汉工业大学学报, 1996,18(2):38-40.

[4] 周 冲. 基于污染分布模型下的结构可靠度分析[D]. 上海：上海交通大学, 2010.

[5] 史文秀. 钢结构施工阶段人为失误研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2009.

[6] 索贵彬，蔡振禹. 基于AHP的石油地质风险模糊综合评价体系研究[J].河北工程大学学报:社会科学版,2008,25(3): 7-8.