基于ISM和ANP的装配式建筑施工进度影响因素研究

高魁

(合肥工业大学 管理学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

建筑产业化是对建筑行业传统生产管理方式的全面升级。它运用绿色发展的理念，提高建筑工程生产效率、效益和产品质量，具有节约能源、资源、减少污染、施工速度快等诸多优点。产业化首先应打好标准化、信息化、机械化、集成化和一体化的基础。而做好这些基础的关键就是发展装配式建筑。但是由于装配式建筑生产的不连续性、信息碎片化、互操作性差与缺乏时时信息的可用性[1]，对装配式建筑的进度管理困难。党的十八大以来，国家为推动装配式建筑的全面发展做出了巨大努力。因此，装配式建筑在市场份额中的比例会加大，有必要对影响装配式建筑施工进度的影响因素深入研究。

国外学者主要从优化生产流程、减少制约因素、应用先进技术等方面改善进度管理。例如：Arashpoura[2]等将时间和成本纳入到培训工人具有多项技能的资源规划中，研究如何提高多项技能资源配置的成本效率；Khalili[3]等利用混合整数线性规划优化模型研究构件生产厂如何通过提高资源的整合利用效率进而增加生产能力和降低构件生产的总成本；Hyounseok[4]等开发出基于BIM的CAD设计系统具有模糊理论分析与遗传学算法分析的功能，旨在降低工作之间的重叠；Salama[5]从资源的最优化配置角度出发，建立了关于混凝土体积、起重机成本、构件运距等五项指标来实现装配式建筑资源配置的最优选择；Hwang[6]采用问卷调查与案例实证的方法提取制约新加坡装配式建筑发展的前五大因素，并给出相应的解决办法。

国内的一些学者也在积极地开展关于改善装配式建筑施工进度的研究。赵平等[7]采取差分粒子群算法(DEPSO)，增强混合算法的求解能力，在施工工序的基础上对装配式建筑的工期进行优化；陈伟等[8]从装配式建筑不同的阶段协调有序进展为目的，建立了缓冲计划，构建了鲁棒性指标，通过实例分析出了不同的缓冲计划对质量和进度的影响情况；张爱琳[9]从新技术利用的角度，结合BIM与3D预测施工进度偏差，并将施工偏差数据输入到MATLAB灰色预测模型中分析，为装配式建筑进度管理提供了新的思路；Wang[10]等从制约装配式建筑进度的关键因素构件的准时交付为切入点，采用遗传学算法对多条生产线与调度问题展开研究，通过不同场景的模拟结果表明可以降低构件调度成本并促进构件及时交付；Li[11]以无线射频技术和BIM作为解决进度延误的手段，监督生产，运输、装配三部分进展，降低进度风险发生的概率；Luo[12]等采用社会网络分析的方法研究香港预制房屋供应链面临的风险，研究结果有利于从业人员更有效的采取措施。

上述研究为改善装配式建筑进度管理提供了宝贵的建议。已有的研究未对进度影响因素的层次结构与相互关联性进行研究。因此，本文首先以文献梳理和专家访谈识别主要影响因素，在此基础上，基于问卷调查的方式获取了有效的数据，构建了解释结构模型(ISM)，对各因素之间的关联关系进行剖析，这只是逻辑上的影响关系，并不能反映出影响因素的影响力大小，所以，再将ISM得到的结果作为输入，运用网络层次分析法(ANP)对各因素的权重大小进行计算排序，以便找到影响装配式建筑进度主要的因素，帮助企业提高进度管理效率。

1 装配式建筑影响因素指标体系

本文首先通过文献梳理的方法确定装配式建筑进度的影响因素。通过对SCIE和EI数据库输入以下组合词汇：prefacritated construction modular construction、offsite construction、prefabricated house、industrialized building systems(IBS)、Modern Methods of Construction、Modern Construction Building 等与 schedule management、duration extension、duration delay、schedule risk 等进行检索。时间跨度为1999-2019年，梳理出与装配式建筑进度有关的论文32篇。为了充分反映出设计、制造、运输、装配全过程施工进度管控的流程，采取在不同文献中出现两次以上的原则。初步选取能影响装配式建筑进度的因素22个，后与5位在装配式建筑领域经验丰富的人员进行面对面交流。其所在单位包括高等院校、施工单位、建筑设计院等。经保留、舍弃、修改、补充四个环节、两轮讨论，最终确定出15个ISM分析研究对象，具体如表1所示。

2 数据来源

根据安徽省政府办公厅发布的《关于大力发展装配式建筑的通知》设置的目标，明确提出到2025年力争装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。截止2019年6月份，安徽省共有23个项目通过装配式示范项目审核，示范面积达407.56万m2。安徽省装配式建筑的政策环境和发展成熟度满足调查的要求，因此选取安徽省作为研究调查的地区。调研的对象是在安徽省内一些从事装配式建筑的企业：中建四局第六建筑工程有限公司、合肥宝业西伟德集团、安徽地平线建筑设计事务所有限公司、远大住工集团安徽公司以及高等院校从事装配式建筑相关工作5年以上15名人员，保证受访者对装配式建筑有较深入的了解。

表1 装配式建筑进度影响因素

采取访谈调查的方式。访谈的内容共包含两个部分，一是被调查对象的信息：包括从事装配式建筑工作年限、学历，单位、职务。汇总如表2所示；二是对影响因素的关系进行判断。通过对访谈结果的整理与分析，得到影响因素关联关系。

3 构建装配式建筑进度影响因素ISM模型

3.1 解释结构模型

装配式建筑进度影响因素是一个复杂的系统，影响因素众多，结构关系复杂，不易量化，并且进度影响因素之间相互影响、相互关联。解释结构模型技术(Interactive Structure Modeling)是美国的John Warfield[22]教授首先提出，对社会的经济问题进行定性分析。它通过结构分析将复杂系统分解为关系明确的多层次结构形式。描述系统构中元素组和元素之间的影响关系。因此，将ISM模型引用到装配式建筑进度管理研究当中，利用该模型分析装配式建筑进度管理影响因素之间的关联关系。

表2 调查对象基本信息汇总

装配式建筑进度影响因素ISM模型中对已确定的影响因素建立邻接矩阵，首先通过矩阵的运算并对得到可达矩阵进行区域划分得到结构模型，然后通过对要素和关系的修正，最后重复上述步骤，最终得到装配式建筑进度ISM模型。具体的实施步骤如图1。

3.2 模型建立

3.2.1 建立邻接矩阵

将装配式建筑进度作为一个系统，它包含了Si(i=1,2,…,15)等15个组成因素，在此基础上构(i,j=1,2,…,15)，同时各要素对自身的影响记为1。专家根据工作经验为影响因素打分，采取一票否决制，只要任何一个专家认为二者没有关系，便认为两个因素之间没有关系，在总结专家意见之后建立的邻接矩阵A。

3.2.2 建立可达矩阵

可达矩阵M=[mij]，是反映系统要素间通过一定路径可以到达的程度的矩阵。

依据布尔代数法则对上述邻接矩阵A进行演算，将矩阵(A+I)自乘，若对于某个r满足：

(A+I)≠(A+I)2≠n≠(A+I)r+1=n=(A+I)n，则称M=(A+I)r为可达矩阵。利用Matlab7.0软件经上述步骤计算结果如下：

图1 装配式建筑进度影响因素ISM模型流程图

3.2.3 可达矩阵区域划分

对已得到的可达矩阵M中每个要素找出其可达集R(Si)，先行集A(Si)和共同集C(Si)，进而找出其起始集B(S)，然后从起始集B(S)入手进行区域划分，进而分析每个影响因素的层级关系，如表3所示。其中划分的原理是，对于起始集合B(S)中任意两个要素bu，bv，若R(bu)∩R(bv)≠ ∅，则bu，bv属于同一区域；若R(bu)∩R(bv)= ∅，则bu，bv属于不同区域。

3.2.4 解释结构模型

根据级位划分，可知装配式建筑进度影响因素模型共分为四层级，依次为：H1={S3,S9,S11,S12}；H2={S1,S4,S6,S7,S15}；H3={S2,S5,S13,S14}；H5={S8,S10}。经过整理可得到装配式建筑进度影响因素的ISM模型，如图2所示。

表3 第一级可达矩阵元素之间的关系集合

由图2可知装配式建筑进度影响因素是一个四级递阶结构的复杂系统，这四个层级反映了装配式建筑进度影响因素之间的关系，结合装配式建筑进度管理的实际情况分析如下：

(1)表层影响因素。包括构件的延迟交付、质量检验复杂、起重机故障、起重机数量不足。这四个因素是影响装配式建筑进度的直接原因。其中第二层级的五个影响因素均通过构件延迟交付影响装配式建筑进度。起重机故障和起重机数量不足存在强连接关系。其余三个层级均通过影响表层影响因素而作用于装配式建筑进度。

(2)中间动力影响因素。中间动力影响因素为第二、第三层，包括设计变更、构件返工、运输距离远、场地空间不足、恶劣天气、缺乏设计经验、节点施工困难、构件连接复杂、物流信息差距九个影响因素。节点施工困难和构件连接复杂均作用于质量检验复杂和设计变更，进而影响装配式建筑进度。物流信息差距直接影响场地空间不足。中间层的影响因素通过表层的影响因素的制约作用来对装配式建筑进度产生影响。

(3)深层导向影响因素。包括缺乏安装经验和管理水平有限。这两个因素是制约装配式建筑进度的根本原因。缺乏安装经验的工人对装配式建筑施工流程、技术工艺不了解导致进度缓慢并且易出错。此外现场管理水平有限也会导致资源供应不平衡、施工方案不合理、对外对接不顺畅一系列问题。这两个影响因素的不确定较大，较难把控。深层导向影响因素通过逐层级作用影响到装配式建筑的进度。

4 影响因素的重要性分析

由前文建立的装配式建筑进度影响因素ISM模型可知，元素集内部及元素集之间是相互作用、相互依存的关系。网络层次分析法(ANP)是在AHP基础考虑了元素之间相互影响的发展而成。更符合实际决策情况。因此ANP比AHP更适合于装配式建筑进度影响因素研究。另外，Super Decisions软件(简称SD软件)的应用，使该方法的应用成为现实。

4.1 建立ANP模型

网络层次分析法(Analytic Network Process)是T.L.Saaty教授于1996年在AHP基础上提出的一种研究具有依赖性和反馈性的网络决策方法[23]。其指标赋权的流程如图3所示。

图2 装配式建筑进度影响因素ISM模型

图3 ANP指标赋权流程

装配式建筑进度影响因素的ANP模型包括控制层和网络层两大部分。其中控制层指的就是装配式建筑进度影响因素。网络层包括设计阶段、制造阶段、装配阶段、运输阶段。基于装配式建筑进度ISM模型结构图，分析各影响元素组之间的关系和元素组内部因素之间的关系，绘制出装配式建筑进度影响因素ANP模型，如图4所示。

图4 装配式建筑进度影响因素的ANP模型

4.2 计算影响权重

4.2.1 构造判断矩阵

由装配式建筑的ANP模型可以看出，控制层元素只有一个，设为P1，网络层有四个元素分别设为S1，S2，S3，S4。每个元素组Si(i=1,2,3,4)中包含的元素为Si1，Si2，n，Sin(i=1,2,3,4)。以P1为准则，Sik(k=1,2,…,N)为次准则，将Si中的N个元素对其元素Sik的影响力的大小进行优势度比较，获得判断矩阵。

4.2.2 构造超矩阵

求解判断矩阵的特征向量并进行归一化处理，得到超矩阵的子块Wij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)，最终得到超矩阵W。

4.2.3 构造加权超矩阵

以P1为准则，Si(i=1,2,3,4)为次准则，Si(i=1,2,3,4)为次准则，按照九标度法对其他元素组进行成对比较构造判断矩阵。将判断矩阵的归一化特征向量进行组合加权矩阵A。权重超矩阵可表示为：W=AW。

4.2.4 构造极限超矩阵

用ωˉij表示上述加权矩阵中的元素，它反映了元素i与元素j之间的一次优势度。若Ws：Ws=存在时，Ws的第j列表示控制元素P1为准则的情况下，网络层中每个元素对应元素j的极限相对排序向量。

4.2.5 求解各权重指标的权重值

指标权重的求解涉及到复杂的矩阵运算，手工算较为困难，利用Super Decisions易求出各指标权重及排序如表4所示。

表4 影响因素权重及排序表

4.3 结果分析

根据表4影响因素权重排序可以看出，影响装配式建筑进度的主要因素为：构件延迟交付、缺乏安装经验、起重机数量不足、构件返工、缺乏设计经验等。影响这些主要因素的原因归纳为以下几点：

(1)构件生产厂未能优化资源配置，改进生产工艺，部品部件加工过程效率低下；

(2)装配式建筑的从业人员大多从传统建筑行业转来，这就导致相关人员认识不全面、技术不熟练、工作效率低下且易出现错误，例如构件尺寸偏差、管线土建之间的碰撞；

(3)构件的运输涉及到复杂的调度优化决策，这方面做得不够，会表现为，构件无法按规定时间运输到位；

(4)工序复杂施工困难，表现为构件连接复杂，节点施工困难。综上影响装配式建筑进度的因素众多，但只要抓住关键的几个因素就能对提高装配式建筑进度管理起到很大作用。同时政府应尽快推进基础工作的建设、完善装配式建筑技术规范、健全相关的配套政策、提高从业人员的知识技能等影响装配式建筑生产效率的重要工作。

5 结语

本文从装配式建筑生产的全过程四个阶段出发构建了影响进度的主要因素的指标体系。首先利用ISM模型分析出了装配式建筑进度影响因素体系中15个影响因素之间的层级关系。从表层影响因素、中间层影响因素、深层影响因素三个方面进行剖析，然后在基于ISM模型的基础上建立装配式建筑进度影响因素的ANP模型，在ANP模型的基础上，对影响因素进行赋予权重并排序，找出影响装配式建筑进度的主要影响因素。根据ANP模型排序结果归纳了影响因素的原因。对装配式建筑的进度管理有一定的参考价值。