随着我国城市化进程的加速,城市内涌现大量闲置或废弃的工业厂区,急需拆除或再利用来适应其功能的转换。由于旧工业厂房长期处于振动、腐蚀、高温等历史环境,可能出现部分结构不稳定、遗留工业垃圾多、施工场地受限等问题,导致在改造施工中存在较大风险隐患,然而目前国内尚未有明确的制度规范对其进行施工安全指导监督。旧工业厂房改造施工安全风险隐患是亟待解决的重要问题。

近年来,有关旧工业厂房改造的研究集中在结构检测鉴定、改造策略、改造模式、价值评价等方面。相较于常规建筑工程项目在安全风险评估、施工风险事故率动态预测、动态风险演化等方面较为成熟的研究,旧工业厂房改造施工安全风险管理也多局限在概念和理论层面,且缺乏对风险的动态性分析,导致难以对信息进行充分利用以提升安全管理效率。鉴于此,本文结合旧工业厂房改造施工特征,构建施工安全风险影响因素体系,采用熵权法确定影响因素的权重,结合系统动力学建立旧工业厂房改造施工安全风险SD模型,动态模拟各因素对施工风险影响的变化趋势和程度,以期为此类项目制定施工安全管理与监督对策提供参考。

旧工业厂房改造是结构自身利用、新旧元素融合、空间功能升级的综合实践。在施工过程中必然会有新元素、新功能、新材料的加入,这些要素对旧工业厂房来说都是陌生的,需要正确选择处理方式以减少对既有建筑的破坏。同时,在改造施工过程中要综合考虑空间、结构、功能以及细部构造等多方面因素。

旧工业厂房改造是在保留部分原有建筑物实体的前提下进行,由于功能需求巨大的转变,需要对结构和空间升级改造。首先,需对已有构件的可靠性进行检测鉴定,其性能评定是安全施工的前提保证。其次,对建筑构件、废弃的工业设备需要不同程度的拆除,在拆除过程中施工震动会增大原有结构的损伤程度,也可能出现新的损伤或破坏。同时因部分构件功能弱化,应对损伤构件采取合理的加固措施。

施工场地的有限性,以及原有结构、构件等的制约,对施工方法和施工质量都有影响。旧工业厂房改造项目的施工作业条件很大程度上依托于既有工业建筑,但由于建筑结构的性能存在一定的弱化,所以要选择适于在既有旧工业厂房内部使用、对既有建筑结构影响较小的机械设备。

鉴于旧工业厂房年久失修,结构老化,施工技术条件限制等特点,本文根据施工风险因素来源,从“人(施工人员)、机(机械设备)、环(施工环境)、管(安全管理)、技(施工技术)”五方面,结合T/CMCA 4002-2018《旧工业厂房改造示范基地验收标准》、T/CMCA 4001-2018《旧工业厂房改造技术标准》和JGJ/T77-2003《施工企业安全评价标准》三项标准规范,并根据课题组对全国106个改造项目的实地调研,参考既有文献初步梳理风险清单,在此基础上通过专家访谈修正风险清单,最终识别25项旧工业厂房改造施工安全风险因素见表1。

个别指标说明如下:

主要涉及原有结构安全检测与评定,通过可靠性检测和鉴定对已有结构的结构构成(结构型式、结构布局、构件尺寸等)、材料(材料组成、力学性能等)及使用历史情况等评定分析。

通过结构检测鉴定与现场勘察,明确损伤较大的构件,并制定合理的加固方案,对破坏严重、容易倒塌的安全问题及时处理。主要体现在损伤构件识别的全面性和加固施工方案的合理性等方面。

由于旧工业厂房在使用过程中有诸多历史经历,现场地下障碍物较多,不易直接辨别,因此在改造方案施工前,应尽可能对施工障碍物识别,以避免因疏增加施工风险。

旧工业厂房在历史服役后,由于部分建筑工业生产工艺的特殊性,会遗留大量隐性污染物,如酸洗车间、化工车间等,因此,在施工前应对内部存留的有害物质进行检测与清理,否则容易影响后续厂房内人员使其受到严重伤害。

旧工业厂房改造过程中存在大量拆除工作,现场的垃圾清运工作相较其他项目重要性较为突出,主要体现在垃圾的堆放、清理与运输方面。

根据表1内容,采用7级里克特量表设计调查问卷,对施工安全风险的影响因素进行重要度评分,影响从小到大分别对应1～7分的分值。此次调查问卷共发放150份,回收146份,有效率为97.3%。在有效问卷中,施工单位25人(17%),监理公司14人(10%),设计院16人(11%),房地产公司32人(22%),高校59人(40%),其中,87%以上具备3年以上相关项目的工作经验。

为保证研究结果可靠性、准确性,采用SPSS软件对问卷数据进行信度与效度检验。利用克朗巴哈检验量表的信度,经检验,问卷总量表的信度系数(Cronbach Alpha)值为0.887>0.8,各分量表的Cronbach Alpha均大于0.8(C₁～C₅ Cronbach Alpha值分别为0.893、0.834、0.865、0.807、0.883)表明该问卷具有很高的信度;利用KMO值和Bartlett球形度检验法来检验量表的效度,KMO统计量越接近于1,变量间的相关性越强。该样本KMO值为0.854,且Bartlett球形检验P值接近0,小于显著性水平0.05,本研究的量表具有较好的建构效度。本研究的量表信度、效度均满足要求,以上25个施工安全风险影响因素均可保留做进一步分析。

旧工业厂房改造施工安全风险具有较高的危险性和不确定性,因施工工艺、人员素质等不同因素的相互影响而不断变化,故很难用主观赋权表示其影响规律。本文利用熵权法构建判断矩阵确定指标权重,其出发点是根据某同一指标数据值之间的差异程度来反映其指标的重要程度,差异越大,该指标权重越大;反之,权重越小。采用熵权法确定权重,可尽量避免权重计算过程中人为影响,使得赋值结果更符合实际。

旧工业厂房改造施工风险影响因素体系包括5个一级指标,25个二级指标,邀请15位专家,其中3名教授,4名副教授,8名现场工作人员,收集其对指标打分数据,利用MATLAB软件完成指标权重计算。采用熵权法计算的过程如下:

①将各指标同度量化,Y=(y_ij)_m×n计算第j项指标下第i个方案指标值的比重;

②计算第j项指标的熵值,其中e_j为指标熵值,k为大于零的正数,设定k=1/lnm,确保0≤e_j≤1;

③计算第j项指标的差异性系数g_j=1-e_j,熵值越小,指标间差异系数越大,指标越重要;

④定义权系数,各因素指标的权重计算结果见表1。

通过对旧工业厂房改造施工安全风险影响因素体系中各因素内在关系分析,利用系统动力学仿真平台VENSIM软件,进行旧工业厂房改造施工安全风险仿真模型分析。

系统界限(或边界)是一个想象的轮廓,把建模目的所考虑的内容圈入,其他部分(环境)“隔开”。本文中的系统界限主要是区分再利用施工阶段的安全风险影响因素与非影响因素之间的界限。旧工业厂房改造的施工安全风险影响因素包括安全结构风险、施工技术风险、施工人员风险、安全管理风险和环境风险。根据系统边界原则,将风险因素具体分成以下三类。

技术结构复杂、原结构构件约束、项目内容零星繁杂、施工管理水平、供应能力、施工变更等。

改造前期准备、施工方案、自然灾害、改造质量验收标准、新技术的应用、施工现场条件等。

社会政治动荡、原工厂未安置工人围堵施工现场、组织结构的演进等。

旧工业厂房改造施工阶段是一个复杂多变的系统,根据表1可知,旧工业厂房改造施工安全风险由结构安全、施工技术、施工人员、安全管理和施工环境5个子系统构成,系统模型包括状态变量、速率变量和辅助变量。根据旧工业厂房改造施工特点,分析各因素之间的相互关系,构建如图1所示旧工业厂房改造施工安全风险系统流图,其中状态变量6个,速率变量8个,辅助变量25个。

基于熵权法已计算得到的旧工业厂房改造施工安全风险影响因素各指标权重值(表1),建立旧工业厂房改造施工安全风险SD方程(见表2)。

选取陕西某钢厂6号车间改造项目作为样本进行实证分析,该厂房建于1978年,设计使用寿命为50a,利用改造建筑面积13574m²,项目建设周期为12个月,改造后的使用功能为图书馆。

通过定期跟踪项目统计数据,根据《建设工程项目管理规范》将风险源的等级由高至低划分为1(稍有风险)、2(一般风险)、3(显著风险)、4(高度风险)、5(极其危险)。为保证结果的全面性和可行性,本文将风险等级划分为7个等级由小到大分别对应1～7分的分值,运用德尔菲法综合施工现场安全管理专家意见得出变量赋值,结合旧工业厂房施工特点及《建筑工程安全防护、文明施工措施费用及使用管理规定》持续记录项目施工过程每月实际发生安全风险作为历史值,运行VENSIM软件进行模拟,得出施工风险仿真值,通过计算施工风险值历史值与仿真值的相对误差来验证模型的有效性。其中,各系统内初始值由项目实际运行状态获得,安全投入、风险管控为无量纲参量,施工风险值仅表示特征变化趋势。对比结果见表3。

从表3可以看出,该项目施工风险值仿真值与历史值的相对误差绝对值最大为12.02%,最小仅为0.66%,总体误差保持在±15%以内,考虑到旧工业厂房施工安全风险系统变量多、关系复杂,因此,认为该模型能够反映旧工业建筑施工安全风险的实际情况。

在施工前期,由于旧工业厂房年代久远受生产环境影响存在一定程度损害,首先,对原有结构安全检测评定,由于人员对施工环境地质情况等不熟悉,安全保护装置需要准备时间,项目开工约1～3个月风险量缓慢增加,在主体工程施工中,项目管理者对风险管控存在一定的滞后性,施工风险整体呈上升趋势,在7～9月间,施工技术逐渐成熟,安全管控强度增加,人员安全素质提高,曲线开始转折,之后随着风险管控力度的加强滞后性消除,风险事故逐渐得到控制,其积累趋于直线。在旧厂房改造项目施工风险导致的损失是逐渐积累的、不可逆的,故风险曲线递增。通过对比工程实际施工风险反馈信息与仿真模拟施工风险的预测结果,发现两者基本符合相互对照关系。

本文选取结构、技术、人员、环境和管理风险作为五个子系统变量,动态分析各个变量对旧工业厂房改造施工风险值的影响程度。据相关经验可知,有效降低施工风险发生的概率需要加大安全管控与投入的力度。本研究在保持旧工业厂房改造施工系统其余子系统不变的情况下,在风险管控与安全投入作用下结构安全风险值降低20%,再依序改变技术、人员、管理、环境的风险值,具体如图2所示。

图2可知,当每个子系统值降低20%时,结构风险和技术风险对旧工业厂房改造施工安全风险影响最大,人员风险与管理风险的变化对旧工业厂房改造施工安全风险影响次之,环境风险的变化对旧工业厂房改造施工安全风险影响最小。

(1)旧工业厂房改造施工最主要的特点是利用原有结构改造再利用,由于恶劣的使用环境导致部分承重构件出现腐蚀、破坏和安全度降低的情况,需要通过可靠性检测和鉴定分析评定结构的安全性能,在评定中受到结构自身形式、检测设备等诸多因素的影响;而原有结构检测技术水平较低,发生遗漏项造成二次检测,同时施工拆除加固操作过程受限,从而导致旧工业厂房改造施工风险值大幅度增加。

(2)施工人员未有类似改造施工经验,对施工环境中安全危害、安全隐患认知和定位缺乏深度和准确性,管理过程中缺乏成套化的安全管理制度,安全投入少、监管力度不足、安全意识不强而忽视改造施工的潜在风险,从而发生连锁反应导致风险事故。

(3)随时间推进施工环境逐渐被改善适应,故对旧工业厂房改造施工安全风险影响最小。因此,在旧工业厂房改造施工风险防范中要重点监测现场原有结构安全、同时提升施工技术水平,其次,关注安全管理与施工人员风险,改善施工环境。

结合熵权法权重计算和SD模型仿真结果,得出各个子系统中权重最高的影响因素,即结构安全评定不到位、原有结构检测技术水平不合格、人员安全意识不强、安全管理制度未落实和缺乏改造验收标准。通过查阅文献以及调查事故报告,分析得出5项影响因素的诱发条件以及可能造成的后果,有针对性提出防范措施(见表4)。

1)建立旧工业厂房改造施工安全风险SD模型,动态分析了风险因素之间的相互关联及影响,克服了传统的风险管理方法无法分析非线性风险问题。

2)仿真模拟分析得出,结构风险和技术风险的管控在降低旧工业厂房改造施工安全风险中占主要地位,人员风险与管理风险的管控作用次之,环境风险管控的作用对旧工业厂房改造施工安全风险值影响较小。

3)对结构安全评定、原有结构检测技术、人员安全意识、安全管理制度、改造验收标准各个子系统中权重最高的风险因素提出防范措施,以降低项目施工风险、提高安全管理能力,为旧工业厂房改造施工安全风险管理提供参考依据。