随着城市化进程的推进及建筑技术的发展, 越来越多的超高层建筑在世界各地拔地而起。由于超高层建筑高度高、施工周期长、施工难度大, 施工事故一旦发生, 救援难度较大且后果较严重, 造成很大的人员和经济损失, 因此超高层建筑的施工安全问题在建筑业受到广泛关注。

国内外对超高层施工安全的研究已有一定进展。冯超^[1]通过安全管理组织、安全生产管理制度、安全技术及现场安全管理等指标构建超高层施工安全风险评价指标体系, 并用层次分析法和物元分析法确定了各风险指标的权重。李志鹏^[2]从人、物、环境和监督管理4个方面构建了超高层安全管理评价指标体系, 并采用系统动力学方法模拟了施工现场的安全状况, 总结了重点管控的危险因素。N.M.Sofwan等^[3]通过现场访谈及问卷调查, 运用因子分析手段, 将超高层事故发生的主要因子归结为工作环境、有害条件、高处作业、安全防护不足、临时结构等5大类。D.S.Santoso等^[4]通过问卷调查的方式, 识别了超高层建筑建设过程的16类风险因素, 并量化了其发生频率和影响程度。解金箭^[5]分析了超高层建筑中普遍应用的附着式脚手架的施工管理和安全监管存在的问题, 提出了对应的安全管理程序和措施。邵一凡^[6]对附着状态的超高层施工电梯在地震灾害下的受力情况进行了详细分析, 为后续地震、多遇地震及强震作用下电梯的损伤或坍塌提供了参考依据。熊小艳^[7]对传统故障树分析系统进行了贝叶斯网络的创新, 构建了超高层软土深基坑的故障树, 采用专家调查方法评定了底端事件的发生概率, 从而分析出重点安全风险因素。A.Shapira等^[8]通过对塔式起重机操作员和管理人员的大量调查访谈, 总结了塔式起重机施工中可能造成风险的多类因素。卞肖峰^[9]运用故障树分析法, 综合分析超高层建筑施工过程中多种情境下的坠落事故, 建立了对应的故障树, 并采用层次分析法确定了故障树体系底端事件的权重。昝彦国等^[10]借鉴建筑工程项目病态表象谱的研究成果, 提取影响安全状态的指标, 运用序关系法、唯一参照物比较判断法和重要度分析法确定指标权重。

通过以上研究可以看出, 国外研究运用事故致因理论对事故风险源进行了系统界定, 建立了事故风险评估方法与模型, 并且已有一些数字化、可视化的技术用于施工安全风险评估;国内研究将故障树分析法应用于事故风险的识别, 采用数据包络分析法、贝叶斯网络分析法等对施工风险进行了评估。此外, 基于信息技术的风险识别与评估方法也逐渐应用到研究与实践中。但对于超高层建筑施工的重大风险源还未有较系统和清晰的框架, 未能给施工管理者提供施工全过程的安全风险管理视角。本文着力于识别超高层建筑施工风险源, 尝试构建较合理的风险框架, 并简要阐述分析应对各风险源的安全管理措施, 有助于现场进行针对性管理, 降低事故发生概率, 减轻事故后果。

超高层建筑施工过程复杂, 不同施工风险源有其固定特点, 各类风险源的管控也有其特殊性。基于已有研究, 将调查问卷分为2部分:问卷A主要用于识别超高层建筑施工过程中的风险源, 问卷B是关于应对这些风险源所采取的技术和管理措施。

结合现场访谈和问卷调查, 调研了北京和深圳共7个超高层项目, 受访人员为30多位具有丰富现场超高层施工经验的专家。通过多次访谈调查、召开专家座谈会, 将超高层建筑较为特殊和重要的风险源类别分为:深基坑、主体结构、塔式起重机、施工平台、施工升降机、幕墙和临边防护等7类。

根据前文确定的超高层建筑施工安全风险源类别, 通过文献调研和访谈调查, 判断各风险源产生事故的因素, 建立针对各风险源的技术及安全管理措施, 通过专家打分法确定各项措施的有效程度。具体方法为:将每项技术与管理措施对细分风险因素的有效程度分为0～5 6个等级, 0代表措施无效, 5代表非常有效。专家根据经验打出各措施的等级分, 然后计算出平均等级分数。

深基坑工程指开挖深度≥5m或地下室≥3层, 或深度<5m, 但地质条件和周围环境及地下管线特别复杂的基坑土方开挖支护、降水工程。超高层建筑深基坑开挖面积较大, 一般多在10 000m²以上且建筑高度越高, 基坑开挖深度就越大, 一般可达20m以上。在城市中开挖土方, 不可避免会受到城市管网、已建地铁以及附近建筑物 (特别是高层建筑物) 的影响。在城市中心建筑物密集区域, 施工场地狭窄, 基坑开挖的地理及区位条件更复杂。因此, 深基坑是超高层建筑一个重要风险源。

导致深基坑发生风险的因素可分为2类:①深基坑周边环境的破坏;②深基坑自身的破坏。基坑自身的破坏主要指变形或倒塌。针对可能导致深基坑变形或倒塌的原因, 采取的技术与管理措施及其有效程度如表1所示。

由表1可知, 一些管理措施比较通用, 如“对工人进行定期培训、考核”“加强安全巡视”等, 其对于深基坑各类风险因素的管控有着积极的作用;有些管理措施比较具有针对性, 如“加强水位监测、基坑变形监测”和“适当的降水措施”, 主要针对土体含水问题 (如流砂、管涌等) 比较有效。另外, “按方案要求进行施工验收”在很多项风险因素中都占较高分值, 说明有较大的管理效力。验收实际上就是最终考核, 合规的验收程序、严格的验收要求, 也是风险源的根本管理动力。

从材料上划分, 超高层建筑主体结构可分为钢结构和混凝土结构。超高层钢结构施工最严重问题是结构的倾斜和倒塌, 另外, 施工过程中也有可能发生火灾和触电等问题。钢结构倾斜倒塌事故发生的原因主要有焊接质量缺陷、焊接顺序错误、临时固定方案不可靠等。结合上述问题, 确定相关技术及管理措施及有效程度如表2所示。

可以看出, 材料进场验收只管控了材料缺陷问题, 而对其他风险因素没有管理效力。另外, “对工人进行安全技术交底”“加强现场巡视”及“按方案要求进行施工验收”对从设计到工人操作的各类风险因素都有很好的管控效果, 且“按方案要求进行施工验收”在多项风险因素上都具有最高的管理效力。

根据超高层混凝土结构坍塌的风险因素, 确定各类技术及管理措施的有效性, 如表3所示。

由表3可知, 混凝土结构的坍塌问题最需要注意混凝土浇筑质量, 除了需在材料进场时进行严格的进场验收外, 还需加强现场巡视, 监督工人做好混凝土浇筑工作。

塔式起重机是超高层建筑施工必不可少的机械, 承担着垂直运输和水平运输功能, 且所吊重物可高达数吨, 因此塔式起重机安全也是非常重要的问题。超高层建筑施工塔式起重机有外挂内爬式和附着式等, 相关的安全事故有塔式起重机倾斜倒塌、安拆设备倾斜倒塌、塔臂碰撞、吊物坠落等。塔式起重机倾斜倒塌是工地现场管控的重点。

结合导致塔式起重机发生施工风险的因素及对应的管理措施, 确定了地基基础、附墙杆件、塔身结构和操作人员方面的技术及管理措施有效程度, 分别如表4, 5所示。

由表4, 5可知, 塔式起重机倾斜或倒塌多是实际操作中出现了问题, 因此操作的合规性十分重要。“制定并实施相应的作业规范”“查验各种技术资料和手续”不仅覆盖了大多数风险因素, 并且在每类风险因素中也具有重要的管理效力。同样, 施工验收内容的风险因素, 如“按方案要求进行施工验收”也具有重要的管理效力。

施工平台是因层高较高而导致外墙施工或内部装修无法直接进行时给工人提供操作面而搭设的平台。施工平台还承担着垂直运输和水平运输的作用。然而, 用于建筑外部施工的平台相对较危险, 一旦发生坍塌和坠落事故, 后果十分严重。

在此主要关注施工平台变形、倾斜或倒塌等3种比较严重的事故类型, 针对平台结构和基础可能导致上述3种事故的风险因素, 确定相应技术及管理措施的有效性, 如表6所示。

施工平台与塔式起重机有相似之处, 都需要注意搭建和使用过程。因此“制定并实施相应的作业规范”“查验各种技术资料和手续”“定期进行安全检查”等几项对平台风险因素的管控有重要作用。

施工升降机主要承担超高层建筑中垂直运输的作用, 可以搭载人员和货物。施工升降机安全事故主要为吊笼坠落和附墙架失稳倒塌。吊笼发生坠落, 可能是由于导轨吊笼缺陷或老化, 也可能是由于升降机超负荷使用。另外, 从施工升降机的安全防护设备来看, 可能是由于限位装置或安全装置失效、对重钢丝绳断裂等。

本文从施工升降机的基础、附墙架和导轨等3个部分研究升降机的倒塌事故, 分析各技术及管理措施的有效性, 如表7所示。

可以看出, 施工升降机最有效的3个管控措施分别是“制定并实施相应的作业规范”“按方案要求进行施工验收”和“查验各种技术资料和手续”, 从过程、验收以及使用的角度进行管控, 保证了施工升降机的正确安装和使用, 使得风险能得到很好控制。

幕墙施工安全事故主要是吊篮整体掉落, 人从吊篮上发生高处坠落, 或吊篮上施工用具坠落导致物体打击。针对吊篮掉落问题, 需对吊篮进行例行的安全检查, 吊篮维修要遵守流程规定, 维修完成要有专人检查合格方能使用。禁止擅自使用损坏或维修完成却未经检查的吊篮, 一定要确保吊篮各配件处于安全状态。吊篮安全装置是保证吊篮发生意外时的安全保障, 应特别注意保证吊篮安全锁内穿好安全绳。防止人从吊篮上高处坠落, 各项安全交底必不可少, 提高工人安全意识的同时应特别规定禁止幕墙施工人员在吊篮未停稳时或违规处进出吊篮。另外, 应监督工人系好安全带, 且确保安全带扣住安全保护绳上的安全锁扣。

由于安全带、安全绳的相关问题和其他高处作业基本类似, 因此此处幕墙风险因素只关注幕墙的吊篮问题, 如吊篮安全防护、吊篮失稳、吊篮钢丝绳缺陷、吊篮荷载问题等。针对具体风险因素的各技术及管理措施的有效性如表8所示。

由表8可知, 幕墙施工中, “制定并实施相应的作业规范”是首道安全保障。其次工人在高处吊篮作业, 自身不安全行为的风险较大, 因此对工人定期的考核以及现场施工时加强安全巡视非常必要。另外, 为保证吊篮安全性, 必须要保证每个吊篮都验收合格后才能投入使用。

建筑工地中临边作业几乎随处可见, 行业内将临边总结为“四口五临边”, 超高层建筑高度高, 临边施工问题更为突出。临边防护的安全问题可以分为人的高处坠落和物体掉落造成的物体打击。临边防护高处坠落事故尤为严重。临边防护高处坠落技术及管理措施的有效性如表9, 10所示。

由表9, 10可知, “进行现场技术交底”“安全管理人员需加强临边防护的安全巡视”“对工人进行定期培训”“制定相应的作业要求”以及“对工人进行定期培训、考核”在各项风险因素上均有较大作用。总之, 临边防护高处坠落的安全管理, 首先需要监督工人搭建好安全可靠的防护设施, 及时验收;其次对现场施工工人进行安全交底, 保证工人在施工时系好安全带等自我防护措施;再次要落实对工人的安全教育, 工地作业以安全为主, 禁止胡干蛮干, 加强监督管理, 禁止工人酒后或在精神状态不佳时作业。另外, 目前不少工地都采用安全体验区, 对于工人安全意识的提高也有一定的效果。

基于现有研究和一线工程师的实际经验, 分析归纳了超高层建筑施工中的关键风险源类别, 即深基坑、主体结构、塔式起重机、施工平台、施工升降机、幕墙、临边防护等, 进而从资料和事故案例中分析可能导致风险源发生安全事故的各类风险因素, 并提出针对各风险因素的技术管理措施, 同时依据专家打分法, 确定各项管理措施的有效性程度。本文构建的风险源基本框架可以作为超高层建筑施工风险源进一步研究的基础。