基于改进组合赋权 - 动态模糊理论的装配式建筑吊装施工安全风险评价

2021-07-07田学泽胡庆国何忠明

土木工程与管理学报 2021年3期

田学泽，胡庆国，何忠明

(长沙理工大学 a. 交通基础设施智慧建造与运维管理湖南省高校重点实验室；b. 交通运输工程学院，湖南长沙 410114)

近年来随着“新型建筑工业化”主题的持续升温与国家对装配式建筑的大力扶持，国内装配式建筑得到了快速发展。根据2017年住房和城乡建设部颁布的GB/T 51129-2017《装配式建筑评价标准》[1]，其对装配式建筑的定义为：由预制部品部件在工地装配而成的建筑。作为一种新型建筑形式，装配式建筑不仅有利于缓解建筑业所面临的资源与环境危机，还在建筑业实现转型与可持续化发展方面发挥着重要作用。但由于其吊装施工过程具有吊装构件质量大且形状不规则、吊装强度大以及空间作业可视性差等特点，致使其施工安全事故频发。因此，有必要对装配式建筑吊装施工安全风险进行研究，以降低其安全事故发生率与提高安全管理水平。

目前，国内外专家及学者在装配式建筑吊装施工安全方面已有部分研究成果。汤彦宁[2]首次运用系统动力学方法对装配式住宅建筑吊装作业与PC(Precast Concrete)构件安装等风险系统进行了研究，并指出采用信息技术系统可有效控制风险；Tamošaitiené等[3]指出在装配式住宅建筑施工过程中采用风险监控系统并配合合理的风险管理计划，可及时发现风险隐患与降低风险事故发生的概率；Francisco等[4]对装配式住宅建筑吊装施工过程进行风险评价，得出了PC构件吊装环节可能出现的事故类型，并给出了预防措施；刘名强等[5]采用基于RVM(Relevance Vector Machine)构建的装配式建筑吊装作业安全预警模型，实现了较SVM(Support Vector Machine)与BP(Back Propagation)神经网络等机器学习法而言更高的判定率，为吊装作业安全状态的判定提供了新思路；申玲等[6]采用云贝叶斯网络模型对装配式住宅构件吊装安全风险进行评价，获得了比传统贝叶斯模型更精确的评价结果，且平均相对误差在5%以内；李文龙等[7]围绕装配式建筑吊装施工安全风险评价指标与模型进行研究，提出了结构熵权耦合可信性测度理论的模型，为客观评价与有效控制吊装施工安全风险提供了新思路。

总体来看，上述方法多为静态的评价方法，且在处理评价过程模糊性与随机性方面存在不足。考虑到动态模糊理论可有效克服评价的模糊性和随机性，并能直观反映各评价指标及总体风险的动态变化趋势[8]。因此，本文将动态模糊理论引入装配式建筑吊装施工安全风险研究；此外，为消除主客观因素对评价指标权重的影响，本文采用改进层次分析法耦合熵权法的改进组合赋权法来计算最优指标权重，以提高评价结果的精度。最终构建基于改进组合赋权-动态模糊理论的装配式建筑吊装施工安全风险评价模型，该方法不仅可弥补装配式建筑吊装施工安全风险评价的空缺，还能为类似工程风险评价提出参考。

1 理论基础

动态模糊理论是对李凡长教授所提出的动态模糊集理论的一种延伸，其本质是一种采用动态变量、动态模糊集(DFS,Dynamic Fuzzy Sets)与动态模糊逻辑等模糊数学知识，结合动态模糊变换原理与最大隶属度原则的综合评价方法[9]，在处理具有动态变化、边界模糊以及不易量化等特征数据时具有先天优势。

2 装配式建筑吊装施工安全风险评价模型构建

风险评价模型的构建是决定其风险评价结果好坏的关键环节，本文装配式建筑吊装施工安全风险评价模型主要从识别并建立风险评价指标体系、划分风险等级并获得指标量值域、采用改进组合赋权法计算最优指标权重以及详细阐述基于改进组合赋权-动态模糊理论的装配式建筑吊装施工安全风险评价步骤等四个部分构建。

2.1 评价指标体系的建立

为使评价指标体系符合装配式建筑吊装施工的特点，且满足客观而科学的原则。本文在分析现有研究成果[11～13]与2015―2018年全国建筑安全事故统计资料[14]的基础上，结合专家意见及自身工程实践经验，参考GB/T 51129-2017《装配式建筑评价标准》、GB/T 51231-2016《装配式混凝土建筑技术标准》与JGJ 59-2011《建筑施工安全检查标准》等国家技术标准，建立装配式建筑吊装施工安全风险评价指标体系，如表1所示。

表1 装配式建筑吊装施工安全风险评价指标体系

2.2 装配式建筑吊装施工安全风险等级的划分

表2 装配式建筑吊装施工安全风险等级标准

2.3 改进组合赋权法确定最优指标权重

考虑到评价指标权重会直接影响评价结果的准确度，因此本文在综合考量各个评价指标的前提下，运用经改进的3标度层次分析法获取评价指标的主观权重，采用熵权法获取评价指标的客观权重。最后，将主客观权重进行线性加权耦合后获取评价指标的最优权重。

2.3.1 熵权法计算客观权重

熵权法(Entropy Weight Method，EWM)是一种根据待求解问题中各评价指标的原始数据所携带的有效信息来确定各指标权重的客观权重计算方法[16]。通常情况下，信息熵越小，则信息的效用值越大，也即表示评价指标的权重越大。

设第m个一级评价指标共有n个二级评价指标，ei为第i个指标的信息熵，则ei为：

(1)

第i个指标的熵权Fi为：

(2)

式中：gi为指标i的差异系数，gi=1-ei。

2.3.2 基于改进组合赋权法的最优指标权重计算

设Ei为由改进层次分析法求得的指标i的主观权重(因篇幅有限，其具体计算过程可参考文献[17])，则指标i的最优权重wi为：

wi=αEi+βFi

(3)

式中：α，β分别为主客观权重的偏好系数。通常情况下，α与β分别取0.6和0.4[18]。

2.4 基于改进组合赋权-动态模糊理论评价模型构建

2.4.1 建立动态模糊评价矩阵

首先，设X个专家对第i个一级评价指标的第j个二级评价指标的动态模糊评价值向量为：

(4)

其次，将第i个一级评价指标的二级评价指标权重向量wi=(wi1,wi2,…,win)与Hij相乘，即可获得所有专家关于第m个一级评价指标的评价向量：

(5)

最后根据式(5)可求得所有一级评价指标的评价向量，进而获得动态模糊评价矩阵：

(6)

2.4.2 计算动态模糊评价结果

将动态模糊评价矩阵与一级评价指标的权重相乘，即可获得动态模糊评价结果矩阵R：

(7)

从而可得到动态模糊评价结果：

(8)

3 工程实例分析

本文以黄石市某装配式住宅建筑为样本进行实例分析，该项目总建筑面积为72.8万m2，由26栋高层住宅及其配套附属设施组成，结构类型为预制混凝土装配式结构，装配率高达53.09%。采用五点李克特量表制作调查问卷后，向吊装现场施工作业人员、吊装施工指挥人员及装配式建筑方面的专家等人共发放电子问卷与纸质问卷计113份(其中，47人来自施工单位，均参加过一个装配式建筑的施工；16人来自工程咨询单位，在建筑咨询方面有1年以上工作经验；26人来自预制构件生产单位，从事预制构件生产工作2年及以上；24人来自科研院校，在装配式建筑科研或教学领域有3年及以上经验)。剔除具有关键信息缺失与答卷不规范等特征的问卷后，共收回有效问卷78份，有效率为69.03%。运用商业软件SPSS 26.0对其进行信度检验，检验结果显示：Cronbach’s α系数为0.895，检验合格，数据信度满足要求。对有效问卷数据进行分析处理后，采用式(1)～(3)计算最优指标权重；然后，依据式(4)～(8)和动态模糊理论，运用MATLAB 2016a软件计算各级评价指标动态模糊评价值，并判定各风险因素及项目整体的风险等级与其发展的趋势，结果如表3～5所示。

由表3～5可知：

表3 各级评价指标最优权重及动态模糊评价等级得分

表4 二级评价指标动态模糊评价结果

续表4

表5 一级评价指标动态模糊评价结果

(2)从局部来看，在人员风险中，除现场安全员配备数量风险等级为中等且具有升高的趋势外，其它二级评价指标风险等级基本为较低且具有下降的趋势；在设备风险中，所有二级评价指标风险等级皆为较低，但除吊装设备位置设置的合理性具有风险等级升高的趋势外，其它二级评价指标风险皆具有风险等级降低的趋势；在构件风险中，除预制构件间拼接牢固度的风险等级为中等且具有风险等级上升趋势外，其余二级评价指标风险等级皆为较低或低，且风险等级变化趋势皆为降低；在管理风险中，除施工安全教育及培训合格度与吊装施工现场多方协调度的风险等级为较低，且风险等级具有下降趋势外，其余二级评价指标风险等级均为中等，且具有风险等级升高的趋势；在环境风险中，除吊装现场可视性状况风险等级为中等且具有升高的趋势外，其它二级评价指标风险等级皆为较低且具有降低的趋势。

根据现场实地调研结果可知，该项目吊装施工技术方案可行、吊装设备的适用性、运行状态及设备完好度皆为良好，吊装设备操作人员与现场构件组装人员技术熟练，构件质量与吊点强度合格，吊点位置设置合理，施工安全教育及培训合格，总体风险等级较低，与评价结果一致。但需要对施工现场安全员配备数量、吊装设备设置位置、吊装现场可视性情况与预制构件间拼接牢固度等引起重视，必要时集中人力、物力及财力加以预防与改善。