基于熵权物元法的装配式建筑施工安全风险评价研究

黄 歌 倪燕翎 蒋 丽

（湖北经济学院，湖北 武汉 430205）

0 引言

在当前环保限产、建设美丽中国、供给侧结构改革、长租公寓市场兴起等多主题发展背景下，装配式建筑具有建设周期短、机械程度高、人力成本低、现场管理优、生产效率高、节能环保好、资金周转快等特点，呈现蓬勃的发展态势，市场占有率稳步推进。2017年3月，住建部印发《“十三五”装配式建筑行动方案》提出，到2020年全国装配式建筑占新建建筑的比例达15%以上，同时划分“重点推进、积极推进、鼓励推进”3类地区，自上而下逐步推进，到2025年比例达到30%。据国家统计局公布数据显示，2017年我国建筑业总产值213954亿元，其中装配式建筑行业市场规模达5280亿元。据测算，2020年全国装配式建筑行业市场规模将达6982亿元，2025年将达14389亿元。装配式建筑的迅猛发展，将迎来建筑领域的重大变革。

目前，传统现浇结构的建筑工程施工安全评价及管理已趋成熟，由于装配式建筑在构件生产、物流运输、现场装配等方面与传统施工模式存在显著差异，不能直接适用原有的安全管理模式。因此，需结合装配式建筑特点，建立有针对性的、全面系统的施工安全风险评价模型，为企业制定施工安全管理方案提供参考依据。陈伟等[1]联合AHP和灰色聚类评价法，从事故产生机理出发，反演得出装配式建筑工程安全评价指标；张文佳等[2]根据五大安全生产要素PEOTM建立风险评估指标体系，采用可信度测度理论做出风险评价；常春光分别采用G1-物元分析法[3]，AHP-系统动力学法SD[4]，未确知测度理论[5]，二元决策图BDD结构[6]等进行了装配式建筑施工安全风险评价。

本文在总结前人相关研究成果的基础上，从5M1E六个方面建立评价指标体系。由于指标体系存在重要性程度不同，区别于其他学者，首先利用二项式系数法进行客观赋权，在此基础上，引入熵权理论进行指标权重的修正。然后利用物元可拓理论建立施工安全风险评价模型，并结合工程实例进行验证。

1 熵权物元法理论

1.1 熵权法理论

熵作为热力学的概念，最先由申农（C.E. Shannon）引入信息论。根据信息论基本原理，信息是系统有序程度的度量，而熵则是系统无序程度的度量，两者的绝对值相等但符号相反。熵权法是确定多指标决策问题中各指标权系数的一种方法，当某项指标值的变异程度越大，熵越小，该指标提供的信息量越大，在评价中的作用越大，则权重也越大；反之，则相反[7]。通过熵权赋值法，可以对主观评分进行客观的修正，使指标权重的确定更科学合理。

1.2 物元可拓理论

物元是描述基本事物的元，由事物、特征和量值3个基本要素构成。物元评价是研究解决不相容问题的方法，能将事物的量与质相结合，有效地将复杂问题中相互影响的因素划分出有序层次，在进行评价结果等级划分时具有独特优势，适用于多指标的复杂问题[8-9]。物元分析中可拓集合的基本思想与识别问题相一致，描述可拓集合的关联函数则使识别方法更为精细化。

因此，将熵权法与物元可拓方法相结合，能更有效地解决复杂系统的各层次、各阶段所产生的不相容矛盾，同时消除了评分中一定的主观性，采取创造性的决策技巧，抓住主要矛盾和关键性问题，从而实现全局性更客观、更科学合理的评价目的，具备与一般决策方法相比所无法比拟的优势，因此值得深入研究与探讨。

2 装配式建筑施工安全风险评价指标体系

2.1 装配式建筑施工安全风险评价指标体系的构建

装配式建筑施工安全风险因素涉及多个方面，结合现有的国内外关于装配式建筑施工安全风险研究文献及行业相关专业专家调研的基础上，根据指标体系建立原则，选取5M1E（人员Man；材料Material；机械Machine；方法Method；管理Management；环境Environment）6个方面建立评价指标体系，如下图。

图 装配式建筑施工安全风险评价指标体系Fig. Index system of safety risk assessment for Fabricated building construction

2.2 装配式建筑施工安全风险评价指标权重的确定

2.2.1 二项系数加权法客观赋权

指标权重的确定，大部分学者直接采用专家打分法、德尔菲法等，主观性较强，且忽视了各指标间本身存在着重要性优先排序，导致权重计算存在着一定的不合理性。在不征求专家意见的基础上，先进行客观赋权。假设已知n个指标重要性的优先序，采用对称的方式进行调整，使得中间位置的指标最重要，同时重要性分别向两边递减。

当n=2k时，排序为f1＜f3＜…＜f2k-1＜f2k＞f2k-2＞…＞f4＞f2；

当n=2k+1时，排序为f1＜f3＜…＜f2k-1＜f2k+1＞f2k＞…＞f4＞f2；

式中：

fj—根据对称方式调整后的排序第j的指标，j=1，2，…，n。

令二项展开式的各项系数作为此n个指标相应的权系数，由于存在下式：

因此，当n=2k时，n个指标相应的权系数分别为[10]：

当n=2k+1时，n个指标相应的权系数分别为：

式中：

0＜wj＜1，j=1,2,…,n，wj=1。指标数越多，二项式系数越趋向于正态分布，与实际情况越相符。根据指标的重要性优先排序，首先采用客观赋权，然后结合不同的工程实际，进行有针对性的修正，有利于指标权重的合理确定。

2.2.2 熵权法修正指标权重

（1）利用专家打分法建立特征值矩阵A。

在指标体系中，下层指标相对于上层指标而言，本层次各指标因素间存在相对重要性程度，衡量时常用“不重要”、“较不重要”、“一般重要”、“较重要”、“非常重要”5个等级。若需要更高精度，则在两相邻判断间再做比较，总共9个标度。分别用fj表示，j=1,2,…,n（n=5或n=9）。请行业内5-20名专家针对特定工程进行指标体系的重要性程度评价，根据专家打分结果，汇总统计得到特征值矩阵A。

（2）归一化建立优属度矩阵R。

根据特征值矩阵A=(aij)m×n，（i=1,2,…,m；j=1,2,…,n），按照式（4）进行归一化，得到优属度矩阵R=(rij)m×n。

（3）计算客观赋权法下的初始权重λi。

由于fi指标存在重要性优先排序，因此不同指标在分析权重时，需综合分析。由于n=5或n=9，因此采用式（3）给出的权重值进行客观赋权。初始权重计算见式（5）所示。

（4）计算评价指标的熵Ei。

优属度矩阵R中，若存在rij=0，则1nrij没有意义。为了使1nrij有意义，且不悖于熵的含义，对rij按式（6）进行修正[11]。

修正后按下式计算熵：

（5）计算评价指标的熵权Xi。

当决策者没有明显偏好时的熵权Xi为：

（6）熵权修正最终指标权重λ'i。

3 装配式建筑施工安全风险物元评价模型

事物、特征和量值作为物元的3个基本要素，给定事物的名称N及特征C的量值V，采用三元组R=（N,C,V）作为描述事物的基本单元。如果事物N有多个特征并且以n个特征相应的量值C1，C2，…，Cn和相应的量值V1，V2，…，Vn来描述，则可以表示为：

3.1 装配式建筑施工安全风险物元评价步骤

（1）确定经典域物元Rj。

经典域物元Rj可表示为：

式中：

Nj（j=1,2,…,m）—标准事物所划分的j个施工安全评价等级；

Ci（i=1,2,…,n）—相应施工安全风险评价等级的特征（评价指标）；区间Vji=[aji，bji]为Nj关于Ci所规定的量值范围，即施工安全风险评价等级关于对应评价指标所取的数据范围，就是经典域。

（2）确定节域物元Rp。

节域物元Rp可表示为：

式中：

Np—施工安全风险评价等级的全体，区间Vpn=[api，bpi]为Np关于Ci（i=1,2,…,n）所规定的量值范围，即节域。根据定义，有Vj Vp。

（3）计算关联函数Kj（vi）。

关联函数表示当物元的量值取为实轴上的一点时，物元符合所要求的取值范围的程度。采用距的概念可以较好地解决实际数据落在等级标准区间中的位置问题，进而用于衡量待评价对象p的各项指标对于设定的各评价等级的隶属程度。关联函数的计算公式如下：

式中：

vi到经典域区间Vji即[aji，bji]的距ρ（vi，Vji）和vi到节域区间Vpi即[api，bpi]的距ρ（vi，Vpi）计算公式见式（11）和式（12）所示：

（ 4） 计算综合关联度Kj（ p）。

根据熵权法修正后的最终指标权重λ'i，确定待评价对象p对于各等级j的综合关联度Kj（p）。

3.2 装配式建筑施工安全风险等级评定

根据最大隶属度原则，Kj=max（Kj（p）），（j=1,2,…,m），则可判定待评价的装配式建筑施工安全风险等级为第j级。其中综合关联度的数值可定量反映评价对象的所属评价等级的程度：

当0≤Kj（p）≤1时，表示评价对象符合评价标准的要求。

当-1≤Kj（p）＜0时，表示评价对象不符合某级评价标准的要求，但具备转化为符合标准的条件，如调整权重和参数等，值越小越容易转化。

当Kj（p）＜-1时，表示评价对象不符合某级评价标准的要求，而且不具备转化为符合标准的条件。

4 实例分析

4.1 工程概况

以S30集体宿舍楼建筑工程为例，该工程由湖南的远大可建科技有限公司建设，建筑面积54000m2，共30层，建筑总高度为99.9m，设计有710个房间。该装配式建筑采用斜撑节点加强型钢框架体系，装配过程实现全栓连接，在保证强度的前提下达到易安装、易拆卸、易维护的目的，主体工程施工仅12天完成。

4.2 装配式建筑施工安全风险评价指标权重的计算

指标体系的重要性程度等级分为“不重要”、“较不重要”、“一般重要”、“较重要”、“非常重要”5个，分别用f1、f2、f3、f4、f5表示。聘请行业内9名专家针对该工程进行指标体系的重要性程度评价，采用专家打分法，根据上文计算思路，简化计算步骤，汇总该装配式建筑工程施工安全风险评价指标权重的计算结果，见表1。

表1 装配式建筑施工安全风险评价指标权重计算汇总表Tab.1 Calculation summary of weights for safety risk assessment of fabricated building construction

4.3 装配式建筑施工安全风险物元评价

借鉴传统施工安全风险等级划分的研究成果，装配式建筑施工安全风险由低到高划分等级为5级，j=5，见表2。

根据装配式建筑施工安全风险物元评价步骤，邀请9名装配式建筑领域的专家及相关技术管理人员，根据他们的知识积累和工作经验，对该工程施工安全风险指标体系中的各指标进行打分，取算数平均值作为待评价物元的量值vi，同时结合表1计算得出的各指标综合权重，待评价物元对各安全风险等级的关联度计算结果，见表3。

4.4 装配式建筑施工安全风险评价结果分析

根据表3计算的结果，可得出以下结论：

（1）该装配式建筑施工安全各风险等级评定值为：K1（p）= 0.563，K2（p）= 0.132，K3（p）= 0.006，K4（p）= 0.661，K5（p）= 0.939。因此Kj=max（Kj(p)）=0.132，该装配式建筑施工安全风险等级评定为Ⅱ级，属于较低风险。

表2 装配式建筑施工安全风险等级划分表Tab.2 Safety risk rating for fabricated building construction

表3 待评价物元关联度计算结果汇总表Tab.3 Summary of calculation results of matter element to be evaluated

（2）影响装配式建筑施工安全风险的6大因素中，风险等级评定为Ⅲ级，属于一般风险的因素按风险等级从大到小排列依次为：人员、方法、材料；风险等级评定为Ⅱ级，属于较低风险的因素按风险等级从大到小排列依次为：机械、环境、管理。因此，在施工中应针对性地采取风险控制措施，进一步降低安全事故发生率。

①人员安全风险。影响因素排序依次为：安全意识薄弱、人工操作失误、高强度疲劳作业、违规违章操作。传统的整体现浇建筑施工的工人，已难适应装配式建筑施工的要求，因此对工人开展相关的技术技能、安全教育培训是十分必要的。目前对工人的培训，主要由施工企业自身在组织内进行，培训目标和成果参差不齐。应尽快推进装配式建筑工程师职业资格培训，在组织理论、实操考试的基础上，对考试合格的工人颁发上岗证。

②方法安全风险。影响因素排序依次为：防护措施不到位、拼装技术不过关、吊装定点不准确、技术方案存缺陷。预制构件吊装是装配式建筑施工的关键环节，为了防止登高作业事故和临边作业事故的发生，应在临边搭设定型化工具式防护栏杆或采用外挂脚手架。同时，由于预制构件本身尺寸的特殊性，长度与宽度远大于厚度，正立放置稳定性较差，因此为避免发生倾覆的现象，应采用带侧向护栏或其他固定措施的专用运输架进行运输。

③材料安全风险。影响因素排序依次为：原材料质量不合格、运输堆放不妥当、检验检测不合规、材料使用不得当。施工现场必须设置预制构件存放堆场，场地以塔式起重机能一次起吊到位为优，尽量避免场地内的二次倒运。

④机械、环境、管理安全风险。影响因素主要为：机械违规操作、施工环境不良、管理制度不明确等。起重机械是预制构配件运输中的主要机械之一，若机械性能出现问题，可能会导致构配件在吊运时滞留空中，造成巨大的安全隐患。同时如果设备长期超负载运行，则可能被预制构件压垮，出现折臂或倒塌等的严重后果。选择平整且有足够地基承载力的场地进行施工安排，同时运用BIM和RFID技术[12]进行施工全过程管理，建立动态管理机制，提升施工管理水平，减少安全事故的发生。

5 结论

本文在文献梳理和专家调研的基础上，构建了装配式建筑施工安全风险的5M1E评价指标体系，在利用二项式系数法客观赋权的基础上，引入熵权理论进行指标权重的修正。采用物元可拓理论建立物元评价模型，用以评价装配式建筑施工安全风险等级评价，具可行性和易操作性。同时，通过评价能科学合理地分析施工过程中引发施工安全风险的重要因素和一般因素，以及各因素中的核心环节和薄弱环节，采取相应的风险应对措施，降低安全事故发生概率，理论性和实践性较强。但是，熵权物元法在运用中如何构建更合理的评价指标体系、关联函数的计算优化，仍值得进一步的探索，使其更符合工程实际情况。