施工安全一直是亟需建筑业解决的重要问题之一，而加强设计工作在消除施工隐患方面的作用是改善该问题的一个途径。

Reason发现从概念时期项目就可能产生了影响施工安全的因素，部分在施工过程中恶化而最终导致事故，他认为设计阶段是预防和消除隐患的关键时期^[1]； Gambatese等通过设计实验分析出224个安全事故案例中的40%与设计有关，证实了设计与施工事故确实存在因果关系，指出处于建设周期上游的设计师、工程师有能力消除或减少安全隐患^{[2, 3]}。建筑设计是一项预见性的工作，不仅需要考虑建筑物使用中的安全性、稳定性，而且对建筑施工存在或可能发生问题的预见随着设计过程的进展而逐渐清晰和深化^[4]，因此 设计工作与施工工人的安全存在着直接或间接的联系，对保证建筑施工过程中的安全有着重要影响。

设计-施工安全理念(design for construction safety，DFCS)主张在设计阶段就开始考虑施工工人的安全，采取措施消除与设计方案有关的安全隐患，降低施工事故发生的可能。Behm通过统计分析来自OSHA(Occupational Safety and Health Administration)和NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Health)的450份案例报告，证实实施DFCS理念可以消除接近三分之一的事故隐患，并指出这其中的50%与其直接相关^{[5, 6, 7]}，而如何让设计师快速方便地检查隐患并改善设计是实施DFCS理念的关键。袁竞峰等将安全设计(design for safety)理念运用到地铁设计中，通过构建知识库以提高设计人员的安全设计能力，但对知识库的内容及组成缺少论证和研究^[8]； Kim将面向施工工人的设计建议进行结构化处理，利用模型检查软件完成对设计方案的检查^[9]； Choi把产品模型数据交互规范(standard for the exchange of product model data) 和可扩展标记语言(extensible markup language)格式文件联系起来，开发了规范自动检查系统来分享建筑图纸信息与文件信息^[10]。这些研究注重在设计人员安全知识提高或设计建议的集成，而在安全规则辅助设计方面考虑较少。

一些研究认为，可以依据设计规范这样的权威标准，全面检查设计方案各层次的安全因素，如洪亮指出建筑设计应完全依据国家规定制定的建筑安全规程和技术规范^[4]。国际规范委员会 (the International Code Council，ICC)也提出了基于对象技术和设计规范检测施工文件，识别出文件中存在的潜在错误^[10]。基于此，本文将探讨如何以设计规范为基础，实现对设计方案的不安全因素识别。通过对不安全因素进行分类，分析规范、设计与施工安全三者的关系，从而梳理出规范的安全条款，并建立基于某种逻辑关系的安全规则，阐述其应用机理，从而为采用某种信息技术自动检查设计方案提供数据基础，促进DFCS理念在施工安全领域的应用。

施工安全事故多发生在地基、主体结构和临时措施等区域，呈现为高处坠落、物体打击、坍塌(基坑坍塌、模板/脚手架坍塌)、触电、火灾等几种事故类型，而依据事故区域和类型，设计造成施工事故的不安全因素可分为以下3类：

1) 结构设计不安全因素。因设计者往往是按照专业设计规范进行设计工作，缺乏对施工过程情况的了解，对施工规范中的规定考虑不周，如施工活荷载，就可能出现施工过程超过使用标准，建筑结构设计不符合施工规范要求的情况。方东平等在结构试验的基础上证实，由于施工期结构面临使用阶段不会遇到的活荷载(例如振捣荷载、施工设备荷载)、偶然荷载等，结构失效概率会超过使用期，从而导致施工事故的发生^[11]。

2) 施工设备不安全因素。设计方案没有考虑临时设备(脚手架、塔吊等)的设计，出现非常规设计，导致临时设施存在安全隐患，进而在施工过程中出现事故，例如外形非常规设计，造成施工脚手架搭设困难，埋下事故隐患； 另外，脚手架、模板等 临时设施没有根据建筑结构设计完成合格的设计计 算，最终导致施工过程中坍塌。

3) 施工构件防护不安全因素。施工现场因素(包括洞口、临边等)防护不符合规范要求，防护措施不到位，无法得到保证工人作业平面的安全，例如边长在1.5 m以上的洞口四周未设防护栏杆，导致工人作业时坠落。

通过分析以上3种不安全因素发现，如果设计工程师考虑施工过程的要求，提前识别设计方案的安全隐患，就可以减少第一、二类设计不安全因素； 而在设计方案的基础上，提前考虑施工现场因素(洞口、临边等)，可以全面的加强施工防护，进而消除第三类不安全因素。

施工事故出现在施工现场，表面上是由于施工管理不当所致，而建筑施工是对建筑设计工作的具体化，设计工作作为工程安全组织施工的依据，需要全面详细地安排和部署建筑施工。因此可以认为施工事故在一定程度上是由设计方案的不足导致，而设计师在进行设计工作时，需要不断参考相应规范而保证设计质量符合标准。规范是由专业人士编纂为人们阅读和应用的推理和解释，是专业人士积累的知识，各专业设计人员遵守规范意味着采用有效的专家意见和行业经验来确保工作质量，因此设计与规范存在着必然的关系。这些规范中的许多条款都直接或间接与施工安全相关， 《建筑施工高处作业安全技术规范》^[12]指出，短边大于2.5 cm且小于25 cm的洞口需要盖板盖没，以避免造成高空坠物。 可见规范中包含安全方面的规定，又因为设计工作对施工安全存在影响，因此设计、规范与施工安全彼此紧密相关，在整个建筑寿命周期中一脉相承，如图 1所示。既然这3类不安全因素都与设计、规范相联系，而规范是以条文的形式出现的，每个条文可以视作对建筑设计的一个约束和限制。 因此提取与设计相关的规范中的条款，并判断是否与安全相关，根据其数据特点梳理出其中的逻辑关系，从而识别这些条款中存在的规则定律，进而构成了安全规则的数据基础。 因此本文认为通过将现有与安全相关的规范进行整理构建合理的逻辑关系，也就是说每条规则是对各类规范的具体条款公式化，将重新梳理后的规范编译成数据化语言。

图 1 设计、安全规范与施工事故关系图

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既然3类不安全因素都与设计规范相联系，而规范是以条文的形式出现的，每个条文可以视作对建筑设计的一个约束和限制。 因此可以根据彼此间的逻辑关系，将规范中影响安全并具有某种相同属性的规则条款进行编辑，从而把规则的范畴重新划分形成安全规则体系， 就可为设计师识别安全隐患提供依据，进而改善施工安全。此体系的作用一是通过对比规则检查设计方案，识别出设计方案中的不安全因素，进而修改完善； 二是根据规则的约束条件，帮助工程师对相应构件进行防护，进而统计防护工具数量、成本等信息。

安全规则体系是将每一条规则梳理后并数据化的数据库，该体系根据事故类型分成若干模块，每个模块将赋予规范条文属性和特征值并分类储存，从而可以根据事故主体的不同属性获取相应的安全规则。实现这个目标需要先将设计规范进行分类，根据不同的事故类型梳理出对应的安全规定属性； 然后确定每条规定中的事故主体和关键词之间的逻辑关系，形成规则集，最后将这些逻辑关系进行编码，以便规则的查询。

以中国当前颁布的设计规范为例，结构专业的设计规范包括《建筑结构荷载规范》^[13]、《建筑结构可靠度设计统一标准》^[14]等，施工安全规范包括《建筑施工高处作业安全技术规范》^[12]等，根据内容将规范分为建筑设计规范、结构设计规范和施工安全规范。而建筑设计规范、结构设计规范、施工技术规范中与施工安全的相关内容分别可分为防护、设计计算和设计验算这3类安全规则。体系的每个模块包含事故主体、关键词、约束条件、安全规则、规范处理措施等几个单元，关键词和约束条件主要用于区分同一事故主体中的次主体，而每条规则是将对应的规范条款公式化，如图 2所示。

图 2 安全规则体系框架

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事故主体与规范可能是一对多的关系，而每条规则可能来自多条规范条款，如竖向洞口的防护规则来自于《建筑施工高处作业安全技术规范》^[12]和《建筑施工安全技术统一规范》^[15]。以落地洞口的高空防护为例，根据《建筑施工高处作业安全技术规范》^[12]的第3.2.2条，需要采取措施是设置防护门或防护栏杆，并下设挡脚板，此时的规则编码为A1010100123022。而且规则数据不仅包含几何形状描述的视觉数据，如材质、构造、尺寸、荷载等，还包含大量非几何数据，如材料强度、性能、计算公式等。因此需要对筛选出来的规范进行编码，进而可以与相应约束条件下的关键词一一对应，使设计师能通过编码字典找到对应的规范，对比设计方案与其是否匹配。通过判断防护、设计计算、设计验算，进而消除众多事故主体的不安全因素。 每条安全规则根据其结构形成唯一的编码，其中编码编号代表了参数的独特性。由于构件种类繁多，每类构件数量不一，而每条规则是将多条规范条款信息提取并处理后形成的单一的、能被快速提取的规律，涵盖一类构件或多类构件，数量相对来说要少得多，因此构件ID与安全规则可能是多对一的关系。 在识别不安全因素的过程中，需要记录与规则相冲突的构件信息，例如位置坐标、施工时间点，如表 1所示。

在本规则体系的基础上，设计师需要提前赋予每个构件相应的直接参数和间接参数，直接参数是设计方案中不需任何计算或处理就可以使用的参数，如机械设备产生的活荷载、各洞口的尺寸，间接参数则是依据相应的直接参数经过一定的处理或运算获得的参数，例如荷载组合、极限荷载值、荷载效应运算公式。设置包含事故类型、事故主体、关键词等信息的构件ID，通过构件的ID与体系中的安全规则匹配，进而识别设计构件的不安全因素，记录位置、施工时间点等参数，最后依据安全规则编码获取相应规范，帮助设计师进行变更设计，存储防护措施，如图 3所示。

图 3 安全规则与构件作用关系图

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在应用过程中，根据事故主体、关键词、约束条件查询字典获得体系规则编码，先对比直接参数初步识别第三类不安全因素，以需要防护的事故主体为对象，如空口、临边等，记录事故主体的位置和施工时间点，然后将获取的直接参数在按照规范既有的规则获得间接参数(如荷载效应组合)，然后通过安全规则检查不同构件的参数，对超出安全范围的构件进行警报，进而记录处理等信息，如图 4所示。

图 4 安全规则工作流图

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为进一步实现面向施工安全的设计(DFCS)理念，本文将设计影响施工安全的不安全因素分为3类，即结构设计、施工设备、构件防护等不安全因素，并基于对规范、设计与施工安全之间联系的分析，提出以安全规范条款作为安全规则的数据构建基础； 基于3种不安全因素的特点，梳理了设计规范中与安全相关的条款，建立了相应的逻辑关系与安全规则； 根据参数的不同属性，提出了安全规则的应用机理。安全规则作为设计-安全理论工具的数据基础，可以将设计方与施工安全联系起来，并且将规范中的自然语言转换成能被计算机读取的语言，进而能被当前先进的信息技术支持，可以减少实施消耗的时间。

同时，本研究在安全规则的应用实践方面还存在不足，这也是未来的主要方向，即完善能够覆盖3种不安全因素的安全规则体系，然后在安全规则体系支持下实现不安全因素的自动检测，以提高面向施工安全的设计效率以及施工安全水平。

致谢 特别感谢清华大学(土水学院)-广联达BIM联合研究中心的资助与支持。