地铁作为一种便捷、经济、绿色、高效的公共交通工具,在各大城市的交通体系发展战略中占有着重要的地位。发展地铁已经成为优化城市布局、降低环境污染、缓解交通拥堵等城市病的重要手段。然而,地铁是一个极其复杂的巨系统,其构成的子系统多、系统间相互关联关系复杂,给地铁工程的建设与运营安全管理带来了极大的挑战,地铁建设阶段、运营阶段安全事故频频见诸报端,给国民经济发展、人民生命财产造成了巨大的损失。为了降低地铁工程生命期安全风险,现有研究主要在建设阶段、运营阶段分别开展了安全管理工作。然而,传统分阶段的安全管理模式忽略了地铁生命期各个阶段之间的影响,尤其是忽略了设计作为龙头对建设、运营阶段的影响。因此,本文基于生命期安全管理的视角,对设计导致的地铁工程生命期安全风险进行研究,探索在设计阶段开展面向安全的设计(Design for Safety,DFS)对降低生命期安全风险的影响。论文通过理论研究和实证分析,构建了设计导致的地铁工程生命期安全风险的识别与评估方法,为设计阶段开展DFS提供了依据。(1)在查阅和综述国内外现有相关文献和分析大量地铁生命期安全事故案例的基础上,论文研究了地铁工程设计阶段开展安全风险管理的现状、存在的不足,界定了研究对象,定义了DFS理论的概念和内涵,明确了论文研究的框架和技术路线。同时,论文对地铁工程历史案例以及地铁物理系统网络进行了分析,证明设计阶段对生命期安全风险有重大影响,并揭示了设计导致的地铁工程全生命期安全风险机理。其中案例研究表明生命期安全事故案例中53.4%的事故是由于设计阶段缺乏对生命期安全的考虑而导致的。其中设计导致施工阶段的安全事故占施工阶段案例总数的36.1%,对运营阶段安全风险影响占运营阶段安全事故总数的69.9%。(2)通过对地铁设计方案和设计过程的研究,论文对地铁设计方案进行解构,识别出构成地铁设计方案的要素。同时,分析了当前设计阶段安全管理的现状,对涉及的设计安全知识如法律法规,设计标准、规范以及安全事故案例等显性与隐性的安全知识进行梳理,挖掘开展设计安全管理工作的依据、方法和措施。利用本体理论构建了设计方案DFS本体,实现了设计安全知识统一、系统的表示。最后,论文介绍了DFS知识库的构建方法和搜集、分析、存储、查询等基本功能。(3)提出了集成BIM与DFS知识库的设计导致生命期安全风险的智能识别方法。论文通过对设计方案的研究,采用BIM软件Revit的二次开发技术,将设计方案中影响生命期安全风险的信息按照构建的DFS本体结构集成到构建的BIM模型中。通过将BIM软件导出的设计信息与设计安全知识库中的安全知识进行智能匹配,实现设计方案中安全风险的智能识别。(4)构建了基于模糊认知图(Fuzzy Cognitive Map,FCM)的地铁工程设计方案安全风险评估模型。论文介绍了FCM方法的概念和发展历程、FCM的数学模型、模型构建方法、推理机制。总结出FCM方法应用在地铁工程设计方案安全风险评估中具有直观性、叠加性、拓展性、反馈性等优点。根据设计导致生命期安全风险的机理,论文构建了基于聚合FCM的地铁工程设计方案安全风险评估模型,确定了模型概念节点和节点间因果强度关系,并确定了概念节点与节点间因果强度关系的初始值的确定方法。最后,为了提高模型的客观性和稳定性,利用非线性Hebbian学习模型(Nonelinear Hebbian Learning,NHL)方法对FCM评估模型进行修正。(5)论文选取南京地铁某工程盾构始发设计方案作为案例研究对象,对论文提出的理论方法进行了案例研究。通过对该案例设计方案的梳理,进一步证实了设计工作对生命期安全风险的影响,并采用BIM和DFS安全知识库技术识别出盾构始发设计方案中两处安全风险较高的设计因素,分别为盾构始发反力架抗扭能力不足以及盾构吊装过程中起重机臂半径内高处坠物的安全风险。根据构建的FCM评估模型,邀请专家对该盾构始发设计方案进行评价。利用模糊集理论对专家打分进行处理后得到符合FCM评估模型的初始数值,最终运用NHL方法对评估模型进行了修正并得到评估结果。结果显示设计方案中对人员配置、施工工法、施工机械、临时措施相关的设计对生命期安全风险影响最高,而该案例中施工材料、永久设备、现场环境以及结构形式对生命期安全风险的影响较小。论文最后给出了DFS应用指导要点。