施工现场台风风险系统动力学的预测管控体系

邹丰秋， 王晨

(华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 361021)

近年来，在以全球变暖为主要特征的气候变化背景下，极端气象灾害的发生频次和破坏程度明显上升.台风是影响沿海地区最严重的一种灾害性天气系统，它的主要危害是风力极大、影响范围广、持续时间长，并常伴有大暴雨和特大暴雨.建筑工程由于投资规模、建设规模庞大，社会效益和经济效益显著，对台风等灾害性天气的影响亦更加敏感[1]，导致建筑工程在施工阶段面临风险更为复杂.因此，构建施工现场台风风险预测管控体系，以提升施工现场的防范台风风险水平，保证建筑工程的安全具有重要的意义.目前，关于台风对建筑工程的安全影响的研究主要集中在建筑物的灾后评估.如Zhou等[2]对多级飓风后破坏后的住宅建筑进行损伤评估;Arroyo等[3]重点研究了台风对建筑物的造成的损失及如何进行建筑物损伤恢复；林江豪等[4]建立了台风灾害经济损失评估模型；何原荣等[5]以“莫兰蒂”台风为例，基于激光点云获取与分析建筑灾损的三维信息以定量量测台风造成的损失.综上所述，当前学者们主要关注台风后建筑工程的损失，而对台风前的风险预测及实施灾前风险控制的研究较为鲜见.

本文选取台风环境下影响施工现场安全的因素，建立风险评价指标体系，确定台风环境下影响施工现场安全的关键因素，提出在台风前采取有针对性的风险控制措施.

1 施工现场台风风险体系

由于施工现场人员多、物料杂，在台风环境下施工现场情况复杂且危险性极高，风险因素多种多样.通过研究大量建设项目的防范台风专项方案并结合行业标准JGJ/T429-2018 《建筑施工易发事故防治安全标准》，以及参考《厦门市加强建筑工地重大风险管控遏制重特大生产安全事故整体方案》等相关建筑安全条例法规，将台风环境下施工现场风险因素分为5类.

1) 人员风险.人员因素是指由于人主观能动性所引起的风险，包括建设项目中高层领导、施工现场管理人员的管理能力，以及一线施工人员的台风应急能力与意识.

2) 管理风险.管理因素指建设项目的管理水平对施工现场的影响，如台风应急知识是否普及管理措施是否到位，施工现场是否有防台风专项方案.

3) 施工工艺风险.施工工艺风险因素重点关注了脚手架工程、边坡基坑支护等在台风环境下易发生安全事故的部位，以及其对施工现场安全的影响.

4) 材料设备风险.材料设备风险主要指施工现场的材料、大型机械在台风环境下发生的不安全事故造成施工现场的风险.

5) 环境风险.环境风险因素则是关注台风本身，如台风的等级，台风的登陆地是否与施工现场在同一地点、带来的降雨量等不可抗力风险因素对施工现场安全的影响.

基于上述分析，建立了由5个一级风险因素，20个二级风险指标构成的台风环境下施工现场风险体系，如图1所示.

图1 台风环境下施工现场风险体系Fig.1 Construction site risk system under typhoon environment

2 AHP-熵权法计算组合权重

2.1 数据来源及分析

根据构建的施工现场台风风险体系，采用专家打分法及问卷调查法收集数据.专家打分法选取的10位专家均具有5 a以上建筑工程从业经验，且指导过或参与过施工现场台风防范工作;专家对象涵盖了建设单位、施工单位、高等院校等科研单位、监理单位.

问卷调查是研究台风环境下各风险因素对施工现场安全的影响程度.为保证数据的有效性，问卷发放区域选择在沿海台风易发地区，结合线上和线下对建筑从业人员进行问卷发放.线下发放地区为福建省厦门市，线上问卷发放地区涵盖福建省福州市、泉州市、厦门市和广东省湛江市，共发放问卷156份，筛除对台风环境下施工现场风险完全不了解的选项，得到121份有效问卷，有效问卷回收率为77.6%.数据来源及对象分布情况，如表1所示.表1中：设计单位中的专家来自科研单位.

表1 数据来源及对象分布情况Tab.1 Data source and object distribution %

问卷设计包括两个部分:1) 调查填表人基本信息，如从事专业领域、年龄、职称,以及从事本专业年限;2) 在施工现场台风风险体系的基础上,对5个一级因素和20个二级因素的风险程度采用李克特7级量表进行打分，分值从1～7分别代表台风环境下该因素从小到大的风险程度.

2.2 AHP确定的风险指标权重

层次分析法(AHP)是一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化，定性与定量相结合的决策分析方法[6].该方法是先建立层级结构的评价体系，通过Santy 1-9标度法，构造指标层两两比较判断矩阵，并保证判断矩阵通过一致性检验，最后得到指标主观权重[7].

根据已建立的层级评价体系(图1)，对各个风险因素进行成对比较.通过10个专家打分比较的算术平均数构造1个一级风险因素判断矩阵，5个二级风险因素判断矩阵，然后进行一致性检验.求得各个风险因素的权重，如表2所示.

表2 AHP风险因素权重计算结果Tab.2 Calculation result of AHP risk factor weight

续表Continue table

2.3 熵权法计算权重

熵是系统无序程度的一个度量，熵权反映各指标对决策评价提供有用信息量的大小.如果一个指标的信息熵小、熵权大，该指标提供信息量越大，在综合评价中所起的作用越大，权重就越高[8].根据问卷调查所得数据构造判断矩阵，由121份有效问卷和20个风险指标标形成原始矩阵Rm,n.即

上式中：rm,n为第n个指标下第m份问卷的评价值.

表3 AHP-熵权法组合权重计算结果Tab.3 Calculation result of AHP-entropy weight method combined weight

2.4 组合权重的计算

为避免单一的赋权方法受自身局限性影响，使得结果产生偏倚，在权重的确定过程中采用组合赋权法[9].即将AHP与熵权法进行组合，主客观评价互相修正权重，使得各个风险指标的权重更为可靠[10].加法合成法、乘法合成法、级差最大化组合赋权法和基于客观修正主观的组合赋权方法是典型的主客观组合赋权方法[11].文中采用乘法合成法进行组合权重赋值，通过将层次分析法和熵权法线性加权来确定组合权重,不仅注重基于评审专家经验估计的主观权重,而且还重视反映评标指标信息量大小的客观权重,增加了评标的客观性与科学性[12].

利用乘法合成法确定第j项风险指标的组合权重，是将熵权法权重ωj与AHP所得权重γj相乘,然后除以两种方法所得权重的乘积的和，即

根据上式所得风险指标的组合权重，如表3所示.

AHP-熵权法组合权重的计算结果显示:人员因素、材料设备因素、环境因素、管理因素、施工工艺因素的对施工现场风险影响的组合权重依次为0.22，0.16，0.10，0.28，0.24.其中，管理因素对台风环境下施工现场的风险影响最大，其次是人员因素.在二级风险因素中，施工现场一线人员台风应急能力与意识B13的风险权重为0.098 7，脚手架工程B51的风险权重为0.096 3，对施工现场风险影响较大.根据权重分析得出管理因素是台风环境下影响施工现场安全的关键因素.

3 施工现场台风风险SD模型

台风环境下,施工现场的风险不是单个风险因素作用形成的，而是各个风险因素相互作用的结果.在研施工现场的风险时，用系统动力学(SD)模型确定各个风险因素边界，研究各个风险因素之间的联系，揭示风险之间的关联性及互相影响机制，探究其共同作用对施工现场风险水平的影响.

3.1 因果回路分析

因果回路图是表示系统反馈的重要工具，可以迅速表达关于系统动态形成原因的假说.一张因果回路图包含多个变量，变量之间由标出因果关系的箭头所连接，每条因果链都具有极性.当因果链为正(+)时，意味着如果原因增加，结果要高于它原来所能达到的程度；而当因果链为负(-)时，意味着如果原因增加，结果要低于它原来所能达到的程度[13].针对台风环境下施工现场风险因素之间相互作用的关系，建立施工现场风险因素因果回路图，如图2所示.

图2 施工现场风险因素的因果回路图Fig.2 Causal circuit diagram of risk factors at construction site

研究风险因素之间相互影响的机制，对人员、环境、材料设备、管理、施工工艺风险因素进行反馈回路分析，共得到13条反馈回路.其中，人员风险、材料设备风险、管理风险、施工工艺风险分别形成4，2,5,2条反馈回路，而环境风险只对其他风险有影响，不在反馈回路中.

3.2 存量流量图仿真分析

因果关系图是对系统反馈结构的描述，不能反映不同性质变量间的区别[14].因此，为了进一步分析各个风险因素之间的关系，需要在此基础上构建存量流量图模型，建立变量之间的数学关系.为了区别不同类型的变量，引入常量、辅助变量、速率变量和水平变量，并建立变量之间的方程，画出存量流量图，如图3所示.图3可以进行台风环境下施工现场的风险水平分析，清楚地刻画在台风环境下施工现场各个风险要素之间的反馈过程.

图3 施工现场风险因素的存量流量图Fig.3 Stock flow diagram of risk factors at construction site

在存量流量图中，有些变量的值是可以通过历史资料查阅到的而有些是无法确定的.为了使结果具有可比性和保持结果的一致性，对常量的初始值进行统一赋值，赋值时所有的值均在一范围内，表示此因素发生的概率[15].文中对各个变量的研究统一采取无量纲的形式，对收回的问卷数据进行合理的估计得到相应数量级的初始风险值，确定各个变量取值的方式，如表4所示.

表4 变量取值及其表达式Tab.4 Variable value and its expression

续表Continue table

台风登陆一般在24 h内发布预警信号，并对登陆地及其周围地区产生对影响[16].因此，存量流量模型中研究24 h内施工现场风险的变化，仿真分析得出在多种因素共同作用下台风环境中施工现场综合风险水平，如图4所示.图4中：D为风险值.

由分析可得，环境风险没有进入风险回路，故只研究其他4种风险因素的风险变化，如图5所示.图5中：D为风险值.由图5可知：各个因素的风险值在24 h内变化从大到小,依次为管理因素、施工工艺因素、人员因素、材料设备风险.

图4 台风环境下施工现场综合风险水平 图5 施工现场单因素风险值变化分析Fig.4 Comprehensive risk level of construction Fig.5 Analysis of single factor risk site under typhoon environment value change in construction site

4 风险控制策略

4.1 风险控制的时间

台风预警信号划分为4级，以蓝色、黄色、橙色和红色表示，时间上分别代表24 h内、24 h内、12 h内和6 h内台风周围地区可能或者已经受台风影响.根据台风预警的时间节点，划分施工现场采取风险控制的时间，比较在受台风影响前24 h内、12 h内、6 h内开始采取风险控制措施施工现场风险值的变化;控制措施采用单脉冲函数量化，如24 h内采取风险控制措施为PULSE (0，1)，其中“0”表示在一开始就进行风险控制，“1”表示采取风险控制措施的时间为1 h.由此可以得出不同时间节点开始采取风险控制的效果，如图6所示.图6中：D为风险值.

从图6可知：在发布台风预警一开始就采取风险控制，可以有效降低施工现场台风风险值.即在第8个小时的时候，施工现场风险值为0，达到理想水平；在12 h内采取风险控制措施比在6 h内采取控制措施的效果更好.

4.2 风险控制的措施

从存量流量模型仿真分析及表3组合权重分析可得:风险值变化从大到小为管理因素、施工工艺因素、人员因素、材料设备因素、环境因素,组合权重依次为0.283 7，0.240 5，0.219 3，0.155 8，0.100 7，其中,管理因素的权重最大，在台风环境下对施工现场的风险影响最大.

在台风前有效地控制管理因素凤险，有如下3个需要注意的方面.1)要加强一线施工人员的安全教育与培训，普及防台风的安全知识，加强一线施工人员对台风风险的重视，保障自身的安全.2) 在施工现场要提前做好台风应急预案，落实台风应急预案，做好应急准备.3) 沿海台风频发地区在台风前应进行台风应急知识的宣传和普及，有助于施工现场人员在发布台风预警信号时快速科学的做好应急措施.

风险控制措施采用单脉冲函数，其风险控制措施效果对比，如图7所示.图7中：D为风险值.从图7可知：在台风前进行风险管控时，重点关注管理风险的控制可以有效降低施工现场台风风险水平.

图6 不同时间采取风险控制措施效果对比 图7 单因素风险控制措施效果对比 Fig.6 Comparison of risk control Fig.7 Comparison of the effects of measures taken at different times single factor risk control measures

5 结论

1) 建立了施工现场台风风险预测管控体系，分析风险因素的权重得出关键风险，验证了台风前对关键风险进行控制可以明显降低施工现场风险水平.该方案有助于沿海地区在台风前施工现场做好台风防范工作，也为其他类型风险进行预测管控提供参考.

2) 文中建立了由5个一级指标、20个二级指标构成的风险评价体系.AHP-熵两种主客观方法相结合求权重，得出管理因素对施工现场台风险影响最大:一线施工人员的安全教育与培训、台风应急预案、台风应急知识的宣传和普及是在台风前施工现场风险管控的重点.

3) 建立SD模型可以预测风险值的变化规律，可知施工现场风险值在24 h内随着时间变化呈指数型增长.这可为施工现场管理人员了解台风风险变化规律，开展台风防范措施提供参考.

4) 通过SD仿真模拟施工现场开始采取台风风险控制措施的时间，以及采取的措施对风险值的影响，证明了在24 h内实施控制措施的时间越早，风险值越低；在台风前进行风险管控重点关注管理风险，可以有效降低施工现场风险水平.这有助于施工现场管理人员关注台风预警信号，及时采取更具针对性的风险防范措施.