После строительных аварий последних лет у многих специалистов, да и просто обеспокоенных граждан возникают вопросы, связанные с безопасностью строительства и последующей эксплуатацией зданий и сооружений различного назначения.

Многих интересует как отечественный, так и зарубежный опыт обеспечения безопасности. Нами рассмотрены исследования последних лет, опубликованные в материалах отечественных и зарубежных конференций. Это позволило в конспективной форме изложить основополагающие требования к оценке риска и методы их реализации в современных нормативных документах.

Проблема оценки риска в геотехническом строительстве имеет огромное значение. Это связано с возведением все большего количества современных неординарных сооружений с необычными конструктивными особенностями и нагрузками, возрастающими масштабами реконструкции исторических городов во всем мире, зачастую проводимой в сложных геотехнических условиях, большой степенью ответственности при проектировании подземных сооружений, дамб, мостов, линий метрополитена. Основные понятия оценки риска и обеспечения надежности возводимых конструкций введены в нормы проектирования многих западных стран, в том числе и в европейские нормы проектирования – Еврокоды.

Эта проблема становится доминирующей темой для обсуждения на многих конгрессах. Так, на международной конференции по геотехнике и геологии, состоявшейся в 2000 г. в Австралии, один из генеральных докладов был посвящен проблеме оценке риска в геотехническом строительстве [1], а в 2001 г. на Мальте был проведен международный конгресс по безопасности, риску и надежности в строительстве [2]. На XII Дунайско-Европейской конференции, проведенной в 2002 г. в городе Пассау (Германия), половина рабочего времени была отведена на рассмотрение двух тем: управление геотехническими рисками и предотвращения катастроф в строительстве. Было представлено немало примеров разрушения больших ответственных сооружений, что свидетельствует о необходимости развития методов оценки и управления рисками и надежности сооружений [3].

Доклад геотехников из Санкт-Петербурга [4], посвященный выявлению и оценке факторов риска при реконструкции нашего города, вызвал на этой конференции большой интерес и получил одобрение международного геотехнического сообщества.

Ниже приводится краткий обзор состояния вопроса оценки и управления риском в геотехнике.

В настоящее время при анализе риска приняты следующие определения [1, 5]:

Угроза – атрибут деятельности, которая может вызвать опасность. Угроза направлена на объекты – людей, материальные и культурные ценнности.

Безопасность – термин означает отсутствие угрозы. Относительная безопасность достигается, если риск не превышает допустимого предела.

Риск – мера величины угрозы. Риск – это функция частоты нежелательного события и его последствий, например, потери жизни, экономических потерь, социальных возмущений, экологического ущерба.

Надежность – способность рассматриваемой системы в рассматриваемом отрезке времени удовлетворять заданным требованиям.

В системе Еврокодов основополагающим документом являются нормы EN 1990 “Основы проектирования”. EN 1990 – это основные нормы, устанавливающие принципы и требования к безопасности, эксплуатационным качествам и долговечности сооружений. Эти нормы служат основой для дальнейших направлений разработки различных аспектов надежности сооружений [6]. На этот документ опираются практически все другие нормы Евросоюза, в том числе и Еврокоды 7 – «Геотехника».

Нормы EN 1990 определяют концепцию проектирования на основе частных коэффициентов надежности, дают рекомендуемые значения частных коэффициентов и устанавливают основные положения по управлению надежностью в строительстве на национальном уровне (см. также статью В.А. Ильичева и А.Б. Фадеева в настоящем номере). В значениях частных коэффициентов надежности заложены «допустимые» уровни риска. Эти уровни, или предельные состояния, не должны быть достигнуты в течение 50 лет эксплуатации сооружения.

Однако сам термин «риск» в Еврокодах не определен, видимо, потому, что он связан со многими факторами, например, с последствиями угроз для сооружения и его функциональным использованием.

По мнению разработчиков Еврокодов, риск может быть выражен следующим образом: R = Prob(F)xC, где Prob(F) – вероятность возникающей угрозы; С – количественные последствия, выраженные, например, в количестве смертей, вызванных аварией, временных или денежных единицах [6].

В Бюллетене CEB 124/125 предложена пробная таблица для оценки порога вероятности разрушения сооружений в течение 50 лет (см. таблицу). В нем также установлено, что вероятность разрушения должна быть меньше величины допустимого личного риска людей в течение года, умноженной на срок службы сооружения и деленной на среднее количество подвергаемых угрозе людей.

Вероятность разрушения сооружений
в течение 50 лет

Очень важным фактором, влияющим на степень надежности сооружений, является риск, которому подвергаются находящиеся в них люди. Величина допустимого индивидуального риска, принятая в качестве точки отсчета при разработке таблицы, составила 10^-5. Концепция «допустимой» смертности, вызванной авариями конструкций, поднимает очень важные и социально значимые вопросы, связанные с реакцией общественного мнения на аварии и катастрофы [7]. В западных странах определен денежный эквивалент превышения порога риска, приводящего к смертельному исходу. Так, во Франции он составляет 600 тыс. евро. Считается, что данная сумма существенно занижена, а уровни надежности в Еврокодах, определяемые в соответствии с категорией сооружения, ориентированы на гораздо большую сумму [6].

Нормированные пороги вероятности аварии являются только математическими инструментами: они вовсе не означают, что некоторый процент трагедий является допустимым.

Интересно, что в некоторых случаях (при определении нагрузок на сооружение и свойств грунтов, выборе метода расчета) Еврокоды дают проектировщику и расчетчику определенную степень гибкости. Поэтому в практике проектирования конструкций инженерное суждение играет значительную роль. Но в то же время Еврокоды существенно ограничивают риск ошибочных суждений.

Процесс оценки и управления риском на различных стадиях проектирования и строительства

На рисунке приведена организация процесса управления риском. Прежде всего определяется совокупность всех задач, стоящих перед проектировщиками и строителями, как единая система и выявляются все угрозы. После этого оцениваются риски путем анализа вероятности или частоты их появления и производится анализ их последствий. Риск можно оценить количественно, используя разработанные методы, например QRA – метод количественной оценки риска.

Полученная величина риска должна быть оценена по критерию допустимости, который назначается в соответствии с принятой концепцией управления риском.

Можно выделить 4 уровня оценки и управления риском:

1. Глобальная оценка риска – исследование масштаба проблемы и анализ ее составляющих с целью формулировки и выработки политики и принципов управления риском.

2. Относительная оценка риска с целью определения приоритетов и дальнейших действий по отношению к имеющейся проблеме.

3. Оценка риска на конкретной площадке для выявления основных угроз, уровней риска и принятия решений по снижению степени риска до допустимого уровня.

4. Построение карт риска с целью зонирование угроз и осуществления планирования контроля над рисками в данном регионе.

Оценка риска на различных стадиях жизненного
цикла сооружений

Стадии жизненного цикла здания или сооружения могут быть описаны такой последовательностью: идея, планирование, проект, тендер, строительство, эксплуатация, реконструкция, списание. Эти стадии характеризуются различными величинами и характером риска [5].

Проект. Анализ риска чрезвычайно важен на стадии концептуального проектирования. В большинстве случаев безопасность обеспечивается нормативными моделями и коэффициентами, которые относятся к целым группам соответствующих конструкций. Для ответственных проектов безопасность может быть достигнута путем переработки норм в документы по применению проекта. В них учитываются необычные и случайные нагрузки: землетрясения, наводнения, сели, сильные ветра, пожары в тоннелях и т.д. Важно проводить детальный анализ таких нагрузок, чтобы оценить неопределенность, физические модели и их влияние на проект сооружения. Например, при проектировании больших мостов дополнительно учитывается риск ударов судов о мост, после чего уточняются проект сооружения и нагрузки на его структурные компоненты. При проектировании атомных реакторов электростанций учитывается риск удара от самолета.

Тендер. Для сложных тендеров выбор производится аналогично выбору модели риска на стадиях планирования и проектирования. На данном этапе оценивается ряд критериев: стоимость, вероятность выхода из рамок бюджета, график строительства, безопасность применяемых технологий, качество конечного продукта и т.д. В отечественной практике эти параметры учитывают не всегда должным образом. Часто в проектах заложены различные уровни безопасности для общества и строительных рабочих. Эти риски также следует учитывать в общей оценке.

Строительство. На этой стадии риски включают качество и стоимость строительства, безопасность строительных рабочих. Применяемые методы оценки риска и надежности тесно взаимосвязаны с контролем качества и производства работ на строительной площадке. Многие годы эти вопросы в России решали службы архстройнадзора, а также строительные лаборатории трестов и строительных управлений.

Эксплуатация. Решения, принимаемые на этой стадии, связаны с различными аспектами риска и безопасности. Здесь же происходит проверка правильности предположений, сделанных на стадиях планирования и проектирования. Для данной стадии разработаны различные нормы анализа риска, например европейский стандарт prEN 50126, в котором используется расчет RAMS (надежность, доступность, обслуживание и безопасность).

Аварии часто связаны с халатностью и ошибками людей. На стадии эксплуатации, как и на некоторых других, человеческий фактор имеет наибольшую важность. Поэтому на данной стадии первостепенное значение имеет учет возможных ошибок и влияния человеческого фактора.

Реконструкция. В отличие от стадии проектирования дополнительная стоимость по повышению безопасности на стадии реконструкции довольно велика. Поэтому в каждом случае реконструкции необходимы применение детальных физических моделей и прямая оценка надежности. Большое значение имеет применение вероятностных методов расчета с использованием оценки экспертов, истории проекта и результатов мониторинга и наблюдений. Во многих случаях при реконструкции можно добиться большой экономии средств, проводя научные исследования по обеспечению надежности сооружения. Использование геотехнического численного моделирования рядом проектных фирм России можно оценивать как положительную и важную тенденцию.

Списание и разборка сооружения. Вопросы жизненного цикла сооружения, в том числе и его списания, необходимо рассматривать уже на стадиях планирования и проектирования. Структура и методология оценки решений по вопросам списания сооружений принципиально не отличается от структуры принятия решений по вопросам строительства.

Методы расчета надежности сооружений

При расчете рисков и обеспечения безопасности сооружений используются детерминистические и вероятностные методы.

Детерминистические методы основаны на проектировании с использованием определенных величин коэффициентов надежности. В этих методах вводятся некоторые допущения по отношению к переменным прочности (x₁, ……x_n) и нагрузки (y₁, ……y_m). При этом определенный запас между расчетной прочностью R и нагрузкой S создается общим коэффициентом надежности g₀. В формульном виде это условие записывается как:

Коэффициенты надежности в какой-степени отражают неполное знание реальной геотехнической ситуации, а их величина зависит от опыта, накопленного при проектировании и эксплуатации сооружений. Коэффициенты надежности помогают проектировщику в экспертной оценке ситуации, однако они ни прямо, ни косвенно не учитывают аварии и ущерб, связанный с ими.

Будучи пригодным для решения большинства стандартных задач, детерминистический подход имеет свои ограничения. Принятие больших величин коэффициентов надежности вызывает удорожание строительства и часто не позволяют реализовать прогрессивное и красивое проектное решение. Необходимо соблюсти баланс между степенью консерватизма и неопределенностями, которые нужно учесть. Например, слишком консервативный подход при строительстве на слабых грунтах не даст возможности применить новые разработки. С другой стороны, отсутствие надлежащей оценки опасностей, связанных со строительством на слабых грунтах, может возникнуть очень неприятные последствия.

Вероятностные методы являются более прогрессивными, в них безопасность сооружения оценивается в терминах возможности разрушения P_f, например, 1:2000, 1:10000 и т. д. При этом принимается допущение о потенциальных отклонениях величины различных параметров. Параметры рассматриваются как стохастические переменные.

Вероятностные методы расчета делятся на методы с использованием так называемых уровней I, II и III [8].

Метод с использованием уровня I рекомендован Еврокодами. В нем применяется серия частных коэффициентов надежности, на которые делятся или умножаются переменные, в результате чего получаются так называемые проектные значения.

Сооружение должно отвечать следующему обобщенному требованию:

где R_d и S_d – проектные значения прочности и нагрузки.

Существует также полный метод расчета с использованием уровня I. Этот метод приведен в ISO/DIS 2394 «Основные принципы надежности сооружений», нем используются все сочетания нагрузок и частных коэффициенты надежности для отдельных видов сооружений. В результате этого полный метод является более точным, чем нормативный.

При методах расчета с использованием уровней 2 и 3 требование к надежности сооружения выражается в терминах вероятности разрушения или аварии:

где P_fo– приемлемая вероятность аварии; Z – функция надежности.

Методы расчета с применением уровней 2 и 3 реализуются при помощи программных комплексов, использующих, например, метод конечных элементов. Эти методы используются в основном при расчете сложных сооружений.

В этом отношении несомненный интерес представляет методика численного расчета надежности зданий и сооружений DARS, разработанная в Техническом университете города Дельфт (Голландия) [9]. Методика основана на построении так называемой поверхности отклика, которая используется для оценки надежности сооружения. Эта оценка производится при помощи метода направленного тестирования, позволяющего оценить вероятность разрушения основных узлов конструкции. Совместное использование поверхности отклика и метода направленного тестирования дает возможность при относительно небольших затратах машинного времени и ресурсов провести вероятностный расчет надежности весьма сложных инженерных сооружений в пространственной постановке.

Метод количественной оценки риска (QRA) активно развивается в западной геотехнике. Особенно большие успехи в использовании КОР достигнуты при оценке надежности откосов, свайных фундаментов и дамб [1, 10].

Метод QRA пытается ответить на следующие вопросы:

1. Что может вызвать ущерб (определение угроз).

2. Как часто могут происходить аварии (оценка частоты нежелательного события).

3. Что и в какой степени может нарушиться в результате аварии (оценка последствий события).

4. Какова возможность возникновения аварии (количественная оценка риска).

5. Каково наше отношение к возможной аварии (оценка допустимости риска).

6. Что следует сделать (управление риском).

Для ответа на каждый из этих вопросов разработаны соответствующие инструменты анализа риска. Так, для определения причин и частоты возможных аварий строится дерево ошибок, в котором выстраивается логическая цепочка событий, могущих привести к фатальным последствиям, для оценки последствий аварий применяются вероятностные модели событий и т. д.

Заключение

Методы оценки и управления риском дополняют традиционные методы расчета сооружений, принятые в геотехнике. Это дает возможность представить развитие проблемы, оценить ее масштабы и последствия и принять необходимые меры для ее исключения. Процесс оценки надежности сооружений напоминает инженерам-геотехникам, что одна из задач геотехники заключается в управлении риском и непредвиденными обстоятельствами [1].

У прочитавших данный обзор вполне резонно возникает вопрос, достаточно традиционный для России: «Что делать?» Применительно к геотехническим аспектам предложить следующие пути:

1. Российские, достаточно прогрессивные для своего времени, нормативные документы по геотехническому проектированию и строительству при их переработке по основным критериям необходимо приблизить к требованиям европейских норм. При этом в полной мере должны учитываться региональные особенности и использоваться отечественные научные достижения.

2. Современная механика грунтов дает широкий диапазон методов прогноза возможных и, как правило, неблагоприятных изменений свойств грунтов при строительстве и последующей эксплуатации зданий и сооружений. Это позволяет более обоснованно оценить степень риска на стадии проектирования [11, 12, 13, 14].

3. Представляется, что механика грунтов на современном этапе должна стать надежной информационной основой для обязательного численного моделирования всех этапов строительства, реконструкции и последующей эксплуатации. Это сведет до минимума элементы риска, так как моделирование на современном уровне развития вычислительной техники позволяет рассматривать самые неблагоприятные стечения обстоятельств. На этапах строительства и последующей эксплуатации зданий должен соблюдаться установленный расчетом регламент и в случае необходимости приниматься меры по стабилизации положения с минимально возможными затратами сил и средств.

В заключение приведем слова Фрэнсиса Бэкона, которые были процитированы на XII Дунайско-Европейской конференции на сессии, посвященной оценке риска [10]:

«Тот, кто начинает с уверенности, кончает сомнениями, но тот, кто готов начать с сомнений, закончит уверенностью»

Среднее количество подвергаемых угрозе людей	Экономические последствия
	Легкие	Средние	Тяжелые
Низкое (<0,1)	10^-3	10^-4	10^-5
Среднее	10^-4	10^-5	10^-6
Высокое (>10)	10^-5	10^-6	10^-7

N5, 2002

ОЦЕНКА РИСКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

УЛИЦКИЙ В.М., ЛИСЮК М.Б.

N5, 2002

ОЦЕНКА РИСКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

УЛИЦКИЙ В.М., ЛИСЮК М.Б.

ОЦЕНКА РИСКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ