基于FTA-SPA-灰色聚类的装配式建筑施工安全测评

王志强，张樵民，王国强，李　健，崔金海

(1.青岛理工大学管理学院，山东 青岛 266520；2.中建八局第一建设有限公司，山东 济南 211100)

装配式建筑是由预制构件通过可靠的连接方式装配而成的结构，包括了预制混凝土结构、木结构、钢结构等形式。发展装配式建筑有利于提高生产效率、改善施工安全和工程质量，能极大地改变传统粗放建造模式下破坏环境、浪费资源、频发事故等现象，可谓是“一劳多得”。装配式建筑符合绿色建筑与节能建筑的要求，既是两者的结合升级，又是建设领域响应国家“供给侧结构性改革”、化解产能过剩的重要举措，还是培育新型产业、加快我国新型城镇化建设模式转变的重要途径，已得到国家和地方政府的重视和大力支持。2016年9月，国务院办公厅印发的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》中指出：“力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%”。 2016年10月，青岛市在印发的《关于进一步加强城市规划建设管理工作的意见》中指出：“到2020年，装配式建筑占新建建筑的比例要达到30%”。装配式建筑在我国的迅猛发展，必将掀起一场建筑领域的重大变革。

近年来在建筑领域，国内外学者[1-4]运用层次分析法(AHP)、模糊层次分析(FAHP)与模糊理论相结合的方法，对以现浇混凝土为代表的传统大型建筑工程的施工安全评价方法进行了研究，目前已趋于成熟。装配式建筑虽然在政府的大力支持下得到了迅猛发展，但是由于装配式建筑在构件生产、物流运输、现场施工等方面与传统现浇方式存在着显著差异，使得应用于传统施工模式的评价模型不再适用于装配式建筑。国外装配式建筑起源较早，发展与应用已相对趋于成熟，对其研究的内容主要集中在材料节能减排[5]、构件应力分析[6]等方面。但由于装配式建筑现场施工中安全事故频发，施工风险之间经常发生耦合，一定程度上阻碍了装配式建筑在我国的发展。严小丽等[7]研究认为人的不安全行为是导致事故发生的首要因素，并基于人因视角对建设项目施工安全的风险耦合机理进行了研究；李颖等[8]尝试将事故树分析法(FTA)应用于解决装配式建筑施工安全问题中，但因为缺少概率数值而只能进行定性分析；杨爽[9]从事故致因理论、危险源辨识理论分析出发，构建了基于属性数学的装配式建筑施工安全评价模型，但在应用理论对指标体系进行约简得到的结果可能不唯一，对评价结果的准确度有一定的影响；汤彦宁[10]从企业的立场将系统动力学理论应用于装配式结构住宅施工阶段的安全风险状况评价中，但由于对各变量之间的数量关系只是做了简单的评估工作，难以具有说服力；付杰等[11]运用灰色理论的评价方法构建了装配式建筑工程安全状态测评模型，但评价指标选取跨度过大。

综上所述，我国现阶段对现浇混凝土建筑的施工安全控制研究较多，对装配式建筑现场施工安全研究虽有涉及，但由于评价指标体系不适合或者模型的缺陷而难于对装配式建筑现场施工安全进行有效的评价。因此，探索一套指标相对健全、方法便捷的装配式建筑施工安全评价模型则成为本文研究的目标。为此，本文拟以装配式建筑现场施工安全为主题，首先从安全事故致因理论出发，结合事故树分析方法(FTA)，探寻影响装配式建筑施工安全的危险因子，并建立评价指标体系；然后运用集对理论(SPA)和灰色聚类分析方法，对装配式建筑施工安全进行整体评价，并从指标中筛选出对施工安全影响较大的危险因子作为控制对象；最后，以青岛市黄岛区万达小学为例，证明此种方法的可行性，并对影响装配式建筑施工安全的重要因素提出针对性的风险控制措施，以期为施工方的安全管理提供思路与借鉴。

1　装配式建筑施工安全的影响因素分析

装配式建筑施工流程大致可以分为四个部分：构件生产、构件运输、现场吊装、构件安装。与一般的住宅建筑相比，装配式建筑高空作业多、吊装作业量大、机械化程度高，对施工安全的影响因素难以把握，因而导致施工安全隐患较多。文敏等[12]通过项目的实地调查,将预制装配式住宅楼施工过程中的安全风险主要分为高空临边作业风险、构件吊装及安装风险、触电风险、高空坠落风险、构件装运卸载风险五类，见图1。由图1可见，装配式建筑的施工安全风险主要发生在构件吊装及安装过程中。

图1　装配式建筑施工安全事故类别统计图Fig.1　　　　Category of safety accidents of prefabricated building construction

此外，在大量阅读与装配式建筑施工安全相关文献的基础上，本文对我国2015—2016年房屋市政工程生产安全事故类型进行了统计(见图2)，从中遴选出了发生概率较大的4类安全事故，分别为高处坠落事故、物体打击事故、起重伤害事故、坍塌事故；同时，考虑到装配式建筑构件安装对机械化、电气化程度的要求较高，故将“机械伤害”事故也列入其内。

图2　　　　我国2015—2016年房屋市政工程生产安全事故 类型统计图Fig.2　　　　Statistics of China’s safety accident types in muni- cipal engineering production in 2015—2016

2　装配式建筑施工安全测评与控制理论分析

2. 1　事故树分析法

事故树分析(Fault Tree Analysis，FTA)，又称故障树分析，是美国贝尔实验室的Watson等提出和发展起来的一门定量与定性分析相结合的方法[13]。FTA法因其科学的分析和便捷的计算而被我国广泛应用于矿山、船舶、城市交通等复杂系统工程的安全问题分析。由于装配式建筑在我国刚刚发展起来，缺少大量的实际统计数据，因此运用规范完整的FTA法对装配式建筑施工风险进行分析在短时间内难以实施。但是，FTA法在定性分析中，既可以对已发生的事故进行追溯，探究事故发生的原因，也可以对即将展开的工程进行危险因素分析预测，为制定专项安全施工方案和安全技术措施提供重要的参考依据，以防范事故的发生。

2. 2　集对分析法

集对分析(Set Pair Analysis，SPA)，是用联系度将问题的不确定性转换成具体的数学问题，统一处理模糊性、随机性等问题的系统理论和方法[14]。与模糊理论、数理统计等方法相比，集对分析法在处理不确定因素问题上因其清晰地反映了研究对象集对之间的同异反联系，而广泛应用于城市生态、经济的评价中，若将其应用于装配式建筑施工安全评价中，则可大大减少专家的主观随意性。集对分析的联系度可表示为

μ=a+bi+cj

(1)

式中：μ表示联系度；a表示同一度,b表示差异度,c表示对立度,且a、b、c∈[0,1]，满足归一性a+b+c=1；i表示不确定性系数，且i∈[-1,1];i的取值影响(制约于)a、b、c的取值，是事件问题中的核心问题[14];j表示对立系数，恒取值-1，以表示a、c的对立性[15]。

2. 3　灰色聚类分析

灰色聚类分析理论来自于灰色系统理论[16]，而中心点三角白化权函数是在端点三角白化权函数基础上改进而来的[17]，它以某灰类程度最大的点为该灰类的中心点，辅以左延拓值和右延拓值来测度白化权函数，不存在两个灰类交叉的现象。根据灰类划分最大原则可评价装配式建筑施工的安全状态，并可通过危险因子识别与分析，对危险因子风险系数进行排序，进而提出相应的安全防范措施。

3　基于FTA-SPA-灰色聚类分析的装配式建筑施工安全评价模型的建立

3. 1　事故树分析(FTA)过程

本文运用FTA法，建立了装配式建筑施工安全的事故树，详见图3。

图3　装配式建筑施工安全的事故树Fig.3　Fault Tree of safety accidents in prefabricated building construction注：X1—作业人员技术水平及安全意识;X2—施工组织设计与管理人员安排;X3—安全施工方案;X4—现场安全文明施工;X5—吊装现场安全防护与检查;X6—吊装现场自然环境;X7—安装现场气候状况;X8—安装现场防护与检查;X9—施工机具设备及附属用品选用;X10—吊点的确定;X11—承载力校验;X12—构件临时固定、支撑;X13—起重机具选用;X14—起重机具安装与试吊;X15—塔吊顶升与附着;X16—塔吊交叉干扰碰撞;X17—构件精度与强度;X18—构件定位与复核;X19—构件节点连接强度

3. 2　集对分析(SPA)过程

3.2.1建立装配式建筑施工安全评价指标体系

装配式建筑的PC构件多在构件厂提前完成，在施工工序上做了重大调整，因此在准则层的确定上主要参照了施工流程，即施工准备、吊装作业、构件安装。而指标层则是参照了传统建筑施工安全影响因素“4M1E”，同时结合装配式建筑施工的特点，最终将事故树中的基本事件划分为19个指标层。人员因素贯穿于装配式建筑现场施工的始终，是施工安全控制的主要目标，而“作业人员技术水平及安全意识”是“吊装作业”和“构件安装”过程中重要的影响因素，因此将这一指标放在准则层“施工准备”中可避免重复计算。基本事件与目标层、准则层、指标层的对应关系见表1。

表1　基本事件与评价指标体系的对应关系Table 1　　　　Relationship between the basic events and the evaluation index system

3.2.2构造比较矩阵

(2)

3.2.3确定联系度矩阵

对评价对象进行评价时，考虑到专家组的意见存在截然相反的可能性不大，在不考虑集合“对立性联系”的情况下，可采用μ=a+bi的同异模型。当然，意见相左的情况也可能存在，此时需要对专家评价矩阵进行一致度检验[18]，若结果具有很高的一致度，则可以认为不存在截然相反的意见；否则就需要邀请专家对指标重新进行比较[19]。利用联系度的矩阵形式建立描述指标相对重要性的联系度模型，即：

μij=Aij+Biji

(3)

其中：

式中：Aij表示同一性矩阵;Bij表示差异性矩阵;r=1,2,…,R;i,j=1,2,…,n。

3.2.4同异反联系矩阵一致化

使用相容矩阵法对同异反联系矩阵μ进行一致性处理，得到相容矩阵D=(dij)n×n，其中：

(4)

且dii=1,dij=1/dji,dij=dikdkj

3.2.5计算指标权重wi

采用下式计算指标权重wi:

(5)

3. 3　灰色聚类分析过程

3.3.1划分灰类

灰类划分的详细程度可由评价指标的复杂程度来决定。假设要将评估对象划分为s个灰类，据此将二级指标的取值范围也相应地划分为s个灰类。根据需要，这里将装配式建筑现场施工安全划分为极不安全、不安全、安全、非常安全4个灰类，相应的量化值采取十分制，详见表1。

表2　灰类划分与取值范围Table 2　　　　Classification of grey categories and range of values

3.3.2计算指标的中心点三角白化权函数

图4　基于中心点的三角白化权函数示意图Fig.4　　　　Schematic diagram of triangle whiten weight function based on the center point

(6)

(7)

(8)

3.3.3计算综合聚类系数

(9)

式中：ηj为指标层j指标的权重。

3.3.4计算综合评价系数

装配式建筑施工安全综合评价系数τk的计算公式为

(10)

式中：ηj为准则层j指标的权重。

3.3.5危险因子识别

(11)

3.3.6应对措施

根据危险因子系数的大小，将对应的危险因子进行排序，从事故树中找出其可能引起的相应安全事故，并有针对性地提出应对措施，以防范安全事故的发生。

3. 4　装配式建筑施工安全评价流程

综上分析可见，将事故树分析法(FTA)与集对分析法(SPA)相结合，一方面弥补了事故树方法由于发生概率缺失而无法准确确定各基本事件影响度的缺陷，保证指标的系统性，另一方面用集对分析法(SPA)确定指标权重，大大减少了专家的主观意见差异性，提高了结果的精确性。因此，本文建立了基于FTA-SPA-灰色聚类分析的装配式建筑措施施工安全评价流程，详见图5。

图5　装配式建筑措施施工安全评价流程Fig.5　　　　Flow chart of safety evaluation of prefabricated building construction

4　基于FTA-SPA-灰色聚类分析的装配式建筑施工安全测评与控制模型的实例应用

4. 1　实例概况

青岛万达游艇产业园48班小学位于青岛市黄岛经济开发区西海岸最东端， 是青岛市第一个装配式公共建筑，该建筑项目包括综合教学楼和体育馆，以连廊连接，其中综合教学楼面积为20 084.61 m2，体育馆地上面积为5 328.1 m2，地下面积为2 063.7 m2,总面积为27 863.62 m2,小学用地面积为36 721.50 m2，总工期为300 d。该装配式建筑教学楼主次梁、楼板、梯板均采用预制构件，总体预制率为34%、装配率为43%。

4. 2　基于FTA法构建评价指标体系

根据表1构建青岛市万达小学装配式建筑施工安全评价指标体系。

4. 3　基于SPA法确定指标权重

最终可得到比较矩阵集M为

M=(M(1),M(2),M(3),M(4),M(5))

由公式(3),可分别得到同一性矩阵Aij和差异性矩阵Bij:

考虑到专家的认识差异性较小，可以取i为0.5[20]，则同异反联系矩阵μ′为

对同异反联系矩阵μ′进行一致化后，得到的相容矩阵D(dij)5×5为

D(dij)5×5=

由公式(5)，可计算得到准则层A1的权重集w1为

w1=(w11,w12,w13,w14,w15)T=(0.180 7,0.284 1,0.217 1,0.156 0,0.162 1)T

同样，可求得准则层A2、A3的权重集w2、w3以及目标层A的权重集w如下：

w2=(w21,w22,w23,w24,w25,w26,w27)T=(0.118 2,0.131 2,0.157 3,0.129 7,0.125 4,0.136 2,0.105 6,0.096 4)T

w3=(w31,w32,w33,w34,w35,w36)T=(0.170 7,0.171 3,0.167 1,0.166 2,0.152 3,0.172 1)T

w=(w1,w2,w3)T=(0.361 3,0.304 1,0.334 6)T

4. 4　灰色聚类分析

本次邀请上述5位相关专家采用十分制对准则层指标进行评分，取5位专家的平均数为标准值，计算白化权函数值，其计算结果见表3。

表3　万达小学装配式建筑项目灰色聚类测评表Table 3　　　　Grey clustering evaluation form of the prefabricated building project of Wanda elementary school

注：“○”表示无数据。

由公式(9)，可求出A1、A2、A3的白化权函数值，并得到综合聚类系数集为

σ=(σ1,σ2,σ3,σ4)T

由公式(10)，可求出万达小学装配式建筑施工安全综合评价系数集τ为

τ=(τ1,τ2,τ3,τ4)=(0.049 7,0.348 3,0.459 3,0.044 5)

根据灰类划分最大原则，万达小学装配式建筑工程项目施工安全评价的结果属于”安全”灰类。

4. 5　危险因子识别

根据公式(11)，将计算得到的指标危险因子系数按从大到小进行排列，见表4。

表4　指标危险因子系数表Table 4　Risk factor coefficients of the indicators

4. 6　安全防范措施

由表4可见，作业人员技术水平及安全意识、吊点的确定、构件节点连接强度在相应的准则层中的危险因子系数最大，对于准则层的安全影响最大，因此今后要做好以下三个方面的安全防范工作。

(1) 提高作业人员技术水平及安全意识。人是所有安全活动的中心，并且工人的整体水平决定了我国建筑工业化的水平。目前，我国装配式建筑的施工还是沿用传统的现浇模式进行，大多数项目还处于边摸索边施工的境遇，一定程度上阻滞了我国装配式建筑的发展，因此加强企业内部工人相关技术技能、安全培训教育已刻不容缓。目前装配式建筑采用了更多的”四新”技术，将这些新型技术纳入特殊工种范畴，也不失为一种方法。除此之外，还要加强安全监督，严格执行持证上岗制度，加强操作技术培训，重视安全技术交底，通过多种措施提高施工人员的安全意识和技术水平。

(2) 创新吊装工艺。吊点的确定与吊具密不可分。为了保证吊装的安全，吊装的数量和位置应经计算确定，且应保证吊具的连接可靠。对于一般预制梁、板多采用HPB235级及以上钢筋制作的吊环，但对于一些大吨位的预制外墙、楼梯，如果采用传统的吊运建筑材料的方式起吊，则可能会导致吊点破坏、构件断裂，造成重大安全生产事故。大型构件、薄壁构件或者不规则构件吊装时，使用分配梁或分配桁架类吊具，则降低了构件变形和损伤的概率[21]，专用吊架、新型接驳器、磁性固定装置、夹具的研发与创新也都大大提高了其安全系数。因此，吊装工艺的不断创新是装配式建筑施工安全保障的重要举措。

(3) 深化节点设计。预制构件的节点连接部分关系到装配式建筑的整体安全。节点连接主要包含两个层面：①预埋钢筋套筒连接；②后浇混凝土连接。在后浇混凝土连接施工前，必须要确保钢筋连接强度并保持节点的清洁，而在其施工时，还要确保混凝土混合料的质量及密实度。

综上可见，建筑企业要以大中专院校为依托，走一条产、学、研相结合的道路，大力推广BIM、RFID(射频识别)、大数据、智能化等技术在施工安全中的应用，通过BIM技术进行施工模拟和碰撞，提前发现并消除安装工作中的安全隐患，同时还要通过施工技术与信息化技术的交互融合，实现施工方案的深化与施工技术的规范化。

5　结论与建议

(1) 基于FTA-SPA-灰色聚类分析建立了装配式建筑施工安全测评模型，通过在青岛万达小学的实例应用，验证了该模型的可行性。

(2) 结合同异反联系矩阵，将所求集对势数值与集对势表相比较分析，可预测项目的安全发展态势，这也将是未来的研究方向。

(3) 通过对危险因子系数的计算与分析，结果表明作业人员技术水平及安全意识是装配式建筑施工安全的主要影响因素，同时也是装配式建筑行业亟待解决的问题，具有现实意义。

(4) 本文在构造判断矩阵和对指标进行专家打分时，主要依据专家的理论知识和实践经验，其数值在一定程度上会受到主观影响，这将是今后的研究方向。

参考文献：

[1] 黄世国.建筑施工现场安全综合评价体系研究[D].重庆:重庆大学,2007.

[2] 何衍兴,王琴,蒋瑛.模糊综合评价在建筑施工安全评价中的应用[J].安全与环境工程,2011,18(5):107-110.

[3] Shin D W,Shin Y,Kim G H.Comparison of risk assessment for a nuclear power plant construction project based on analytic hierarchy process and fuzzy analytic hierarchy process[J].JournalofBuildingConstructionandPlanningResearch,2016,4(3):157-171.

[4] Majumder D,Debnath J,Biswas A.Risk analysis in construction sites using fuzzy reasoning and fuzzy analytic hierarchy process[J].ProcediaTechnology,2013,10:604-614.

[5] Premrov M,Žegarac Leskovar V.Timber-GlassPrefabricatedBuildings[M].London:Energy-Efficient Timber-Glass Houses,2013:117-178.

[6] Khaloo A R,Parastesh H.Cyclic loading of ductile precast concrete beam-column connection[J].ACIStructuralJournal,2003,100(3):291-296.

[7] 严小丽,胡兴俊,王银志.建设项目施工安全风险耦合及其应对——基于人因视角[J].安全与环境工程,2016,23(6):106-113.

[8] 李颖,李峰,邹宇,等.预制装配式混凝土建筑施工安全和质量评估[J].建筑技术,2016,47(4):305-309.

[9] 杨爽.装配式建筑施工安全评价体系研究[D].沈阳：沈阳建筑大学,2016.

[10]汤彦宁.基于系统动力学的装配式住宅施工安全风险研究[D].西安：西安建筑科技大学,2015.

[11]陈伟,付杰,熊付刚，等.装配式建筑工程施工安全灰色聚类测评模型[J].中国安全科学学报,2016,26(11):70-75.

[12]文敏,王辉,吴凤平.预制装配式住宅楼施工安全风险管理探讨[J].四川建材,2015(5):262-264.

[13]卜全民,王涌涛,汪德爟.事故树分析法的应用研究[J].西南石油大学学报(自然科学版),2007,29(4):141-144，200.

[14]朱兵,王文圣,王红芳,等.集对分析中差异不确定系数i的探讨[J].四川大学学报(工程科学版),2008,40(1):5-9.

[15]赵克勤.集对分析及其初步应用[M].杭州:浙江科技出版社,2000.

[16]邓聚龙.灰理论基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2002.

[17]刘思峰,谢乃明.基于改进三角白化权函数的灰评估新方法[J].系统工程学报,2011,26(2):244-250.

[18]蔡垚,刘正江,吴兆麟.综合安全评估危险识别中专家意见一致度分析[J].大连海事大学学报,2007,33(S1):113-115.

[19]文洁.集对分析法在工程造价风险评估中的应用研究[D].长沙：湖南大学,2013.

[20]吴建军,蔡垚,刘正江.综合安全评估中指标权重的集对分析[J].中国航海,2010,33(3):60-63.

[21]中国建筑标准设计研究院有限公司.装配式混凝土建筑技术标准:GB/T 51231—2016[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.