基于相互作用矩阵的被动式建筑施工安全评价

王志强，辛晓斌，刘 硕

(青岛理工大学 管理工程学院，山东 青岛 266520)

1 引言

随着社会建筑业的不断发展，“可持续性”逐渐成为一个最有意义的理念。在此背景下，德国菲斯特教授于1998年提出的“被动式建筑”，很快在西方国家推广开来，到现在已经遍及全球。被动式建筑舒适度高并且以超低能耗实现保湿、保温、隔音、隔热等功能特性，是顺应时代潮流的所有建筑新理论的综合。[1]与传统建筑的施工相比，被动式建筑的精细化施工不仅降低了建筑自身能耗,还增加了建筑的使用寿命。在施工过程中，被动式建筑在门窗安装、围护结构、气密性和保温系统等方面与传统现浇建筑存在显著差异。复杂的施工技术和工艺给被动式建筑施工安全管理带来大量不确定性因素，使安全隐患变得繁杂。同时，我国被动式建筑的发展与世界先进水平之间的差距明显，施工条件与作业人员素质对满足被动式建筑施工阶段工艺复杂、技术复杂的安全要求存在很大的提升空间，容易发生安全事故。因此，建立科学的评价体系准确地对被动式建筑施工阶段安全风险进行评价研究具有一定的必要性。

在被动式建筑评价方面，国内外学者对建筑性能和成本控制方面的研究相对成熟。Liang Xinxin(2017)等对传统住宅与被动式住宅进行了建筑性能监测比较以及评估研究[2]，Proietti(2013)等人对被动式房屋进行了全生命周期评估，考虑了所有的生命周期过程[3]，宋琪(2015)使用了层次分析法对指标进行赋权，然后运用模糊综合评价法对被动式建筑性能进行评价分析[4]，李强年(2018)等利用模糊综合评判法建立被动式建筑评价模型[5]，李辉山(2019)等运用AHP方法与可拓物元评价模型对被动式建筑全生命周期成本控制进行综合评价[6]。在施工安全评价研究方面，Amiri(2017)将识别出的安全影响因子添加到安全评价方法中，利用模糊评价模型对工程施工安全问题进行了分析[7]，Clyde(2016)利用系统动力学和VENSIM软件识别出装配式建筑的施工安全风险因子[8]，冯亚娟(2019)运用了熵权法和集对分析法对装配式建筑施工安全进行评价分析[9]，陈茸等(2020)通过改进的CUOWGA算子和建筑施工安全灰色聚类评价模型对案例进行分析[10]。

但是，当今国内外学者对被动式建筑施工安全评价的研究未几，并且针对多风险因素交互耦合作用条件下的评价研究主要集中于地铁[11]、煤矿[12-13]和工程场址[14]等领域，很少有关于被动式建筑施工安全领域的探索。鉴于此，本文根据被动式建筑的相关文献和有关标准建立了评价指标体系，在分析风险因素耦合作用的基础上，利用相互作用矩阵方法对案例进行评价分析，以期对被动式建筑施工安全防范提供借鉴与思路。

2 多维轨迹风险交叉耦合作用理论分析

在施工进程中，被动式建筑的串联性比传统建筑烦琐。不少传统现浇建筑的工序、节点和工法可以进行简易处置，但在被动式建筑中这些并不能掉以轻心，有的反而需要更加注意。被动式建筑的工序、工艺以及专业器材的操作，对施工现场及作业人员来说是极大的考验，安全风险因素隐蔽且复杂，容易发生安全隐患。

运用安全事故致因理论可以对被动式建筑施工安全进行客观分析，但是传统意义上的安全事故致因理论往往局限于单个风险因素的作用。而在现场作业中，多因素交叉耦合作用下可能会形成一连串较大的风险隐患。因此，本文基于被动式建筑施工安全风险因素的复杂性，综合考虑了人为因素、物的因素、管理因素、环境因素四大维度。同时，在借鉴风险交叉耦合理论的基础上，建立了多维轨迹风险交叉耦合作用模型，如图1所示。

图1 被动式建筑施工安全多维轨迹风险交叉耦合致因模型

从图1中可以看出，物的问题、人为缺陷、脆弱环境以及管理失效都会导致安全事故的发生。单一的风险因素在超越自身风险极限后，能直接酿成安全事件的发生。但是一些未达到自身风险阈值的因素会与其他风险因素之间引起耦合反应，诱发风险极值的降低而引起事故的发生。如项目对从业人员的技能培训与安全教育投入不足时，会导致作业人员技术水平低和安全意识薄弱，最终引起安全事故的发生。因此，利用科学的方法去分析被动式建筑各施工安全风险因素以及多因素间的作用具有必要性。

3 被动式建筑施工安全评价模型

3.1 构建被动式建筑施工安全评价指标体系

被动式建筑在施工过程中牵连到多部位、多工种，并且作为我国新兴事物，相关的实验数据寥寥无几，短时间内对其风险因素进行定量解析难度较大。本文在参考以往的文献后，根据被动式房屋的施工特性和业内有关的技术标准[15]，利用风险分解结构(RBS)方法，从安全事故致因角度出发，筛选出管理因素和环境因素。在对青岛中德生态园实地调查和与之合作项目的研究中，筛选出人为因素和物的因素。按照评价指标建立的原则，从以上四大维度中筛选出16个主要影响因子作为二级指标，建立起科学的、完整的施工安全评价指标体系，详细见图2。

图2 被动式建筑施工安全评价指标体系

3.2 相互作用矩阵

相互作用矩阵方法在考虑每个被动式建筑施工安全风险因素对整个系统产生影响的同时，综合酌量了安全风险因子之间交互耦合反应下对整个施工安全的影响。此方法的运用可能会对被动式建筑施工安全的探究达到一个可观的效果。

运用相互作用矩阵方法，最先是筛选影响被动式建筑施工安全的主要因素，明确风险影响因子。其次把这些影响要素作为评价指标进行定量分析，构建被动式建筑施工安全多因子交互作用矩阵，对施工安全程度展开定量探究。建立相互作用矩阵时，把每个风险影响因子对施工安全影响程度的数值安放在矩阵的主对角线上。把多因素间的耦合反应关系布置在非对角线的位置上，数值的高低呈现出多因子间耦合反应对施工安全的影响程度。具体的矩阵如下：

矩阵P中，Xi表示被动式建筑施工安全影响因子Fi；Xij表示施工安全影响因子Fi对影响因子Fj的影响程度；n表示施工安全影响因子的个数。之后，可以通过以下公式进一步计算出被动式建筑施工过程中安全影响因子Fi(i,j=1,2,…,n)的权重Ki。

(1)

其中，

(2)

(3)

公式中，Ci为被动式建筑施工安全影响因子Fi对其他因子的影响程度总和，数值为Xi所在行之和；Ei为被动式建筑施工安全影响因子Fi受其他因子的作用程度总和，数值为Xi所在列之和。然后再根据下式求得被动式建筑施工安全风险程度。

(4)

式中，SD是评价被动式建筑施工风险的一个无量纲数，称为被动式建筑施工安全评价系数。Vi=Pi/4，Pi为因子 所对应的评分(0～4)，Vi为风险因子Fi参数的值。

3.3 风险衡量

要对被动式建筑施工安全风险进行定量描述，首先建立相互作用矩阵，利用(1)～(4)公式得出风险评价系数SD。在借鉴相关领域文献[16]和《建筑施工安全检查标准》[17]的基础上，按照SD数值大小划分为表1所示的4个层级。如果工程项目属于Ⅰ类低风险状态，不用采取必要措施进行防治。若工程项目是第Ⅱ类中等风险状态，应采用必要程序进行监控施工。如果达到了Ⅲ类高风险状态，应马上采取有效措施进行限期整改。如果该施工工程属于IV类极高风险状态，应立即采取紧急措施对风险隐患进行排查和消除。

表1 风险评价系数划分

4 实例研究

4.1 工程概况

青岛西海岸新区中德应用技术学校位于中德生态园团结路以南、昆仑山路以西，总建筑面积8万多平方米。其中学校的6号和7号宿舍楼为被动式超低能耗居住建筑示范区，是按照被动式建筑标准来进行设计的，同时获得了德国PHI认证。两座宿舍楼的施工建设在外围护结构、选材、热桥处理、气密性、保温性等节点和细节进行了严密设计与控制。本文借此宿舍楼为例，利用上述方法对其施工安全进行评价研究，并确立了图1所示的指标体系。

4.2 确定矩阵元素

为了能够对每个风险因素和多因素耦合作用下对施工安全的影响进行定量描述，通过专家半定量取值的方法将安全影响因素间的作用程度进行了划分。通过影响程度，区分为0、1、2、3、4五个等级，详见表2。

表2 相互作用矩阵的专家半定量取值法

根据上述的相互作用矩阵方法，通过对青岛中德生态园的专家们进行问卷调查和专家打分，对16个被动式建筑施工安全风险影响因子进行风险赋值，并把多因子耦合作用的影响值分别填入相互作用矩阵中对应的位置，构建如下矩阵P：

4.3 计算结果与分析

得出矩阵P后，利用上述公式(1)～(3)计算得到该项目16个施工安全风险影响因子的权重Ki，如表3所示。

表3

从表3中可以看出，对被动式建筑项目施工安全影响较大的因素包括管理因素(技能培训与安全教育、安全制度与责任体系)、环境因素(现场施工作业环境)和人为因素(作业人员安全意识)。所以在以后的施工过程中应加强以上几方面的风险防范。但是，其他施工安全风险因子的权重数值相差并不大，也不能有所懈怠。

最后通过公式(4)计算得出该建筑项目施工安全评价系数SD=34.52%。根据表1知，该项目施工安全已经达到中风险状态，应采取必要的监控措施，完善安全管理体系，使施工规范化。经过实地的调研，上述的分析结果跟实际情况较为吻合。

4.4 对策建议

本文根据上述的结果分析和实地调查研究，提出以下预防措施。

(1) 增强现场人员的专业水平和安全意识。对被动式建筑的施工安全来说，人为风险因素相当敏感，作业人员的整体水平对施工安全至关重要。由于被动式建筑在我国推行不久，应通过专业的培训和教育来提高作业人员的专业水平和安全意识，确保作业人员的安全水平。

(2)提升施工现场的安全管理。加强对现场施工作业的动态监控，完善安全制度与责任体系，对人、物采取得当的安全监督，定期排查安全隐患。及时组织对现场人员进行技能与安全方面的集训，提高综合水准。此外，被动式建筑施工中对材料和设备的要求具有一定的特殊性，应对材料和设备实施严格把控。

(3)加强现场施工作业环境管理。现场施工作业环境是安全事故多发的隐蔽地带，应对施工现场的物料、设备进行合理化安置与分配，同时确保作业场地的面积和有序性，为现场人员提供一个适宜的工作环境，从而使发生安全事故的可能性下降。

5 结论

(1) 通过构建被动式建筑施工安全风险交叉耦合作用模型，可直观地发现，单个风险因素与不同因素之间存在耦合反应以及它们之间交互影响的形态。

(2)构建的相互作用矩阵方法，综合考虑了被动式建筑施工安全因素之间的相互作用对系统的影响。在实际案例的应用中，验证了该方法的可行性，在被动式建筑施工安全评价研究中达到了一个可观的效果。

(3)本文引入案例，发现了对被动式建筑施工安全影响大的风险因素，并对相应的风险预防给出了一些建议，这对实际施工中的安全防范具有借鉴意义。不过本文在等级划分和专家打分环节存在主观影响，这将是今后的研究方向。