基于熵权可拓理论的施工工种安全评价研究

张梦雨，杨高升

(河海大学 商学院，江苏 南京 211100)

据住建部统计，2018年1—11月期间，我国房屋市政工程建筑施工中，发生生产安全事故起数和死亡人数较2007年同期分别增加8.55%和6.24%[1]，其中高空坠落、坍塌、起重伤害、机械伤害和物体打击事故占比最高，建设施工安全形势严峻。二十世纪六七十年代，为降低建筑工程安全事故发生率，美国学者将安全评价技术引入建筑领域，成功将建筑安全平均事故率降低近50%[2]，成效显著，各国学者开始更加重视建筑施工领域安全评价方面的研究。相关研究主要从两大角度深入开展：①构建安全评价指标体系。如刘辉等[3]从人-机-环境系统角度，建立了施工现场安全状况标准化指标体系；戴坤阳等[4]基于4M1E法建立了评价指标体系，旨在实现对整个施工安全状态和等级的定量评价。②构建安全评价模型，从技术角度探究精确评价方法。由于建筑施工安全评价复杂性和不确定性的特征，国内外学者尝试研究有效技术和管理手段来控制风险，应用风险耦合理论、模糊理论、灰色聚类理论等方法[5-8]，进行建筑施工安全评价研究，分析施工风险来源和损害程度，为建立有效的施工安全评估模型奠定基础。研究显示，超过70%～90%的安全事故的发生与人的不安全行为直接相关。施工工人的安全行为受到个人特质与施工工种特性的双重影响，管理因素通过影响个人因素从而影响工人的安全行为[9]。王云飞等[10]研究发现不同工种的安全意识不同，建议有针对性地采取安全防范措施。

由此可知，不同工种具有不同的安全特性，其对工人的要求也有所差异。大多评价施工现场安全的研究中，施工工程被看作一个整体来研究其安全特性，而从“人机管环”方面分析各因素安全特征，考虑工种安全特性差异的文献较少。基于此，为实现精细化管理，将建筑工程的安全特性分解到不同的施工工种中，在施工前对各施工工种进行安全评价，为施工安全评价提供了新视角。

施工工种安全评价是一项具有多属性特征的工程决策问题，目前，为表征论域中的对象具有某种性质的程度，常用的方法主要包括模糊数学方法和可拓学方法。以熵权改进的可拓理论对施工工种进行安全评价，避免了原有评价方法的模糊性、片面性、数据的重复录入和人为干扰。可拓理论通过建立物元模型能够解决系统内部因素之间不相容且矛盾的问题，可拓理论充分考虑了评价对象、指标及指标值域之间的关系并将其结合处理，能够有效处理各指标间不相容、定性与定量共存问题。而熵权法作为客观的赋权方法，降低了主观因素的影响，利用熵权改进理论对施工工种安全进行物元可拓性评级，旨在为施工工种安全评价提供一种新的决策方法。

1 确定施工工种安全评价指标体系

事故原因综合理论指出：偶然事件触发社会、管理及生产危险因素进而导致事故的发生，人的不安全行为、物的不安全状态和环境的不安全条件是造成事故发生的直接原因，从而构成生产中的危险因素[11]，其模式图如图1所示。

结合事故原因综合理论，选取架子工、混凝土工、钢筋工、抹灰工、砌筑工、超重工、木工、电工和油漆工9种主要施工工种分析其人、物、环境的相关特征，从而研究影响各工种安全特征的因素。其中，架子工作为一类施工工种，相对于其他工种出现事故较多，其主要特征及其危险源如图2所示。

图1 综合理论事故模式图

图2 架子工特征及主要危险源

笔者在已有施工安全评价指标研究基础上，结合建筑施工现场实际情况以与对架子工特征与主要危险源分析，参考《施工企业安全生产评价标准》、《建筑施工安全检查标准》和《建设工程安全生产管理条例》可知，施工工种安全受到施工环境和施工技术两个因素的影响。其中施工环境包括工程地质条件和建筑物体量，施工技术主要包括施工方法、工程材料和机械设备。工种安全评价指标体系如图3所示。

图3 施工工种安全评价指标体系

(1)工程地质条件是指影响建筑施工的一切地质因素[12]。据住建部统计，2018年发生的安全较大事故中，土方坍塌事故的占比为22%。地质条件误判可能导致错误的施工计划，从而可能发生质量事故和重大安全事故。工程地质条件安全系数高的标准为土层稳定、地基承载力强、结构稳定性好、利于施工。

(2)建筑物体量是指建筑物的占地面积和高度。据住建部统计，2018年发生高处坠落事故占事故总数的48%。可见建筑物高度是影响施工安全的关键，由《建筑施工高处作业安全技术规范》可知，高层施工对工人在高处工作的能力提出更严格的要求，而建筑物的占地面积越大，对工作人员的安全防护要求越高，即建筑物越高，占地面积越大，施工安全性越低。

(3)工程施工方法具有类别多、技术难、技术标准高、适用条件复杂的特点，工序与工序间联系紧密，不同工作间有并联、串联等搭接关系。高效正确的施工方法是保障工程建设顺利进行的关键。

(4)在建筑施工过程中，工人工作运用的构造、循环、辅助性材料等均是工程实体的主要组成部分。生产过程中的原材料、半成品和储运过程中的物质均以气态、液态或固态形式存在。不同状态下的工程材料具有不同的物理性质、化学性质和危险特性，可能存在危害人体的物质，对施工人员的安全健康造成隐患，如对人的呼吸系统尤其是肺部造成损伤，引发胸痛、发烧等症状，严重的还会导致人体部分细胞癌变。同时，工程材料的体积与重量越大，对材料的摆放和应用要求越高，若处理不当极易发生物体打击等事故。

(5)依照全国统一编制规则，按性能可将施工机械机型划分为特型、大型(如塔式起重机、输送泵等)、中型(如砼搅拌机等)和小型(如电钻等)4类。部分设备若操作不当会对操作者产生较大的伤害，如钢筋工需要操作的机械本身就带有危险性，对工人要求较高，要求操作工人手脚灵活。

2 构建熵权可拓工种安全评价模型

依据建筑工程工种安全特征的不同表现，在上述研究的基础上，将工种安全性程度划分为高危险、一般危险和低危险3个等级，施工工种安全评价标准如表1所示。

可拓理论充分考虑了评价对象、指标及指标值域之间的关系并将其结合处理，可有效处理各指标间不相容以及定性与定量共存问题[13]。

表1 施工工种安全评价标准

2.1 确定经典域

根据施工现场安全检查和评估标准，将工种安全评价划分为3个等级，并采取五分制评分方法，各指标评价分数越高说明工种安全性越低，具体如表2所示。

表2 工种安全性评价指标分级表

根据设定的危险等级标准，施工工种安全评价记作事物N，其特征向量记作C，特征量值记作V，三者组成有序三元组工种安全物元，将施工工种安全划分为m个等级，则经典物元可表示为：

(1)

式中：N0j为工种安全等级；ck为工种安全等级N0j的特征；V0jk为等级j在第k个指标标准化后的值域，即各等级关于对应特征所取的数据范围；a0jk，b0jk分别为特征ck取值范围的上限与下限，其中j=1，2，…,m，k=1，2，…,n。

2.2 确定节域

依据各指标所对应的取值范围，确定施工工种安全的节域物元，即：

(2)

式中：Np为全体物元系统中工种安全等级；Vpk为特征ck的值域。

2.3 计算安全评价指标的关联度

关联度计算如式(3)所示。

(3)

2.4 运用熵权法计算指标权重

根据施工工种安全评价各指标的关联系数Djk(Vk)构建判断矩阵，将判断矩阵归一化后得到R=(rjk)m×n，其中j=1，2，…,m，k=1，2，…，n。得到各指标的均值后，计算信息熵如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

2.5 确定施工工种安全等级

计算建筑施工工种安全物元N关于等级j的关联度,即：

(6)

Kj=max{Kj(N)}

(7)

由式(7)可判定施工工种安全物元N所属的安全等级。

3 案例应用

3.1 确定评价标准

以某学生食堂为案例，选择施工工种中的架子工种为分析对象，进行安全等级评价。该工程为学生公寓配套食堂，可满足4 000人就餐，地上建筑5层，1～3层为学生餐厅，4层为西餐厅和自助餐厅，5层为多功能餐厅和独立包间。依据施工工种安全评价标准，结合架子工种的实际情况，确定架子工安全评价标准如表3所示。

3.2 熵权可拓架子工安全等级评价

3.2.1 指标值的标准化处理

邀请有现场施工经验的专家，通过分析工程勘察报告、设计报告等，充分了解案例工程中架子工工种的工程地质条件、建筑物体量、施工方法、工程材料和机械设备的实际情况，并依据架子工工种安全评价标准、工种安全性评价指标分级表对各指标安全情况进行评分，并进行标准化处理，原始数据及标准化处理结果如表4所示。

3.2.2 架子工工种安全经典域

各项指标经典域分别由3个安全性等级的值域构成,由式(1)得架子工工种安全经典域为：

(8)

3.2.3 架子工工种安全的节域

依据各指标所对应的取值范围，由式(2)得该工程架子工工种安全的节域物元为：

表3 架子工安全评价标准

表4 原始数据及标准化处理结果

(9)

3.2.4 评价指标关联系数的计算

由式(3)可得架子工各项安全评价指标的关联度，如表5所示。

3.2.5 各指标权重系数的计算

由式(4)和式(5)可得架子工各项安全评价指标的权重为w=(w1，w2，w3，w4，w5)=(0.112 8，0.134 2，0.293 3，0.231 7，0.228 0)。

表5 架子工安全评价各指标与安全等级关联度

3.2.6 架子工安全评价综合加权关联度的计算

由式(6)计算架子工安全评价指标的综合加权关联度，结果如表6所示。

表6 架子工安全评价综合加权关联度

3.2.7 架子工工种安全等级的确定

由式(7)可知，架子工工种的综合加权关联度的最大值为0.138，对应安全等级为一般危险的经典域，故该工程架子工施工工种的安全等级为一般危险，评价结果如表7所示。由表7可知案例工程中的架子工综合安全评价等级为一般危险，5项指标中，施工方法为高危险，工程地质条件为低危险，建筑物体量、工程材料、机械设备均为一般危险。故对于该案例工程架子工，应加大架子工工人的施工方法掌握情况的监督力度，降低对其工程地质条件相关能力的要求，实现精细化管理。

表7 架子工工种安全评价结果

4 结论

施工工种安全评价是一项具有多属性特征的工程决策问题，将建筑工程的安全特性分解到各个施工工种中，考虑一线施工工种的安全性，分别从工程地质条件、建筑物体量、施工方法、工程材料和机械设备5个方面进行分析。确定施工工种安全评价标准，应用可拓理论来处理各指标之间的关系，解决了各指标间相互依存又相互矛盾的关系，构建熵权可拓施工工种安全评价模型，并进行安全等级评价，找出施工工种的最大危险点，从而进行针对性安全管理，提高安全管理效率。在未来的研究中，一方面，可对多项工程的各个工种都进行研究，通过大数据分析，设计一套安全评价标准模型数据库，应用于不同规模建筑中施工工种的安全评价。另一方面，可以加入人员因素，考虑工人安全行为与施工工种的安全匹配关系，研究如何为不同安全特征的施工工种匹配相应安全行为的施工工人，实现双向匹配的最优效果，为精细化施工管理研究提供借鉴。