基于ISM的装配式建筑全过程质量影响因素分析

2021-12-29韩晏羽郭海滨张军丹赵冉冉

青岛理工大学学报 2021年6期

韩晏羽，郭海滨，2，*，张军丹，赵冉冉，刘雪

(1.青岛理工大学管理工程学院，青岛 266525；2.山东省高校智慧城市建设管理研究中心，青岛 266525)

装配式建筑是由预制零部件在工地装配而成的建筑。相对于传统建筑，装配式建筑本身具有绿色环保、节约资源、施工便捷等优点，但其建造过程中仍然会出现许多质量问题，比如图纸会审不到位、构配件质量不高、技术设备不完善等。另外，设计和施工方式的改变、预制构配件的运输、BIM和物联网新技术的应用等，也对确保装配式建筑的全过程质量提出了新的挑战。

近年来，许多国内外学者对装配式建筑的质量影响问题进行了相关的研究，其中代表性的成果有：齐宝库等从施工前、施工中和施工后对装配式建筑质量进行研究，利用模糊综合评估法对装配式建筑施工质量进行评估，为相关部门采取相应措施提供了一定参考[1]。曹江红等根据装配式建筑施工过程不同阶段质量要求的不同，提出了事前指导性质量管理、过程控制性质量管理和事后总结性质量管理，通过BIM技术的质量控制流程及管理措施，有效解决施工过程中的质量问题[2]。丁彦等系统分析了装配式建筑施工过程中存在的质量风险因素，并全面辨识装配式建筑的重点质量风险因素，从而提高装配式建筑质量的管控效果[3]。SHERYL等利用计算机技术对装配式建筑质量进行了研究，利用相关数据库建立了BIM模型，通过分阶段控制识别质量危险，从而提升装配式建筑的施工质量[4]。JABAR等将施工阶段质量影响因素分为前、中、后三个阶段，针对每个阶段的质量问题进行管理[5]。PIAZZA等指出管理人员、生产材料以及机械设备等方面存在的问题是影响装配式建筑施工质量的主要因素[6]。

上述研究成果表明相关专家对装配式建筑质量问题进行了一定的研究，但这些研究主要侧重于从装配式建筑施工的角度分析各个因素对装配式质量的影响，较少有针对全过程进行的研究。对此，本文识别装配式建筑全过程质量的主要影响因素，并基于此采用解释结构模型(ISM)方法加以研究，建立各因素之间的内在关联和多层次递阶结构模型，得出各因素对装配式建筑全过程质量的影响关系并结合MICMAC方法分析出其中的直接原因、间接原因和根本原因。

1 装配式建筑质量影响因素的识别

在研究建筑工程的质量影响因素时，影响因素的识别是非常重要的一步，影响因素的选择正确与否直接关系到分析结果是否真实反映了装配式建筑质量的实际现状，进而影响对策的提出。本文针对装配式建筑质量的影响因素在中国知网中以“装配式建筑质量”“建筑质量”“工程质量”等为检索条件进行检索。根据论文的研究深度和广度对论文进行选择，并在其中筛选了20个代表性强的影响因素，涵盖了装配式建筑的设计、构件制作、运输堆放和施工等各个阶段，如表1所示。

表1 装配式建筑质量影响因素

由于本文研究装配式建筑的全过程质量问题，而其前面阶段的质量对于后续阶段的质量形成具有不可忽视的影响，因此在表1的基础上，将设计成果质量和构件到场成品质量纳入到装配式建筑质量影响因素中。另外，BIM技术的推广应用和物联网技术在建筑领域的逐步引入，也必将对装配式建筑的质量产生重要的影响。因此，也将BIM技术和射频识别技术(RFID)[16]补充到质量影响因素中，如表2所示。

表2 装配式建筑质量影响因素增补

2 装配式建筑全过程质量影响因素ISM模型的构建

2.1 ISM模型定义

ISM(Interpretative Structural Modeling)又称解释结构模型，由美国华费尔特教授在1973 年提出，是将复杂系统分成几个子系统，利用人们的知识和实践经验及电子计算机的协助，构造一个多层递阶模型的过程[17]。

2.2 因素间影响关系的确定

影响因素之间不是孤立存在的，它们之间总会存在着直接和间接的关联。建立装配式建筑质量影响因素的ISM模型，首先需要确定因素之间的影响关系。本文主要通过问卷调查的形式收集影响因素资料的信息，用专家打分的方法对各个因素进行关联程度的分析。调查问卷主要由2个方面构成：①对被调查者身份的认知，主要包括受教育的程度、工作岗位、工作经验等等；②了解被调查者对装配式建筑全过程质量影响因素间关联关系的认知，采用0—1打分法实现。当0—1矩阵中的数值为1时，说明该得分对应的行因素对列因素有影响，为0时表示行因素对列因素没有影响。

本次调查共收集125份有效问卷。选择被调查者时主要考虑在装配式建筑质量方面有一定经验、熟悉当下的政策和市场情况的相关人员，如表3所示。

表3 被调查者情况

2.3 ISM模型符号概念

1) 邻接矩阵：用符号A表示，将各个因素之间的关系转化为矩阵的形式，表示不同元素两两之间的关系。邻接矩阵A的元素aij定义为

(1)

即根据问卷调查得出装配式建筑质量各影响因素之间的关联关系，如矩阵A所示。

2) 可达矩阵：用符号M表示，它表示从系统的一个要素到另一个要素是否存在连接的路径。把邻接矩阵A和单位矩阵I相加并进行布尔运算，得到的矩阵M满足M=(A+I)k=(A+I)k+1时，称M为可达矩阵，其元素用mij表示，k为次幂。通过Matlab2014a由邻接矩阵A计算得到的可达矩阵M为

3) 可达集：用符号R(Vi)表示，指在矩阵M中，因素Vi所对应的行中，mij=1的列所对应的元素的集合，即R(Vi)={Vj∈V|mij=1}，其中V表示所有节点的集合。

4) 先行集：用符号Q(Vi)表示，指在矩阵M中，因素Vi所对应的列中，mji=1的行所对应元素的集合，即Q(Vi)={Vj∈V|mji=1}。

5) 共同集合：用符号T(Vi)表示，是指可达集和先行集的交集，T(Vi)=R(Vi)∩Q(Vi)。通过可达集、先行集及共同集合的定义对可达矩阵M进行划分，如表4所示。

表4 装配式建筑因素级别划分

2.4 级间分解及模型建立

经过邻接矩阵和可达矩阵计算后，表示出了装配式建筑质量因素之间的直接或间接影响关系，但尚未实现层级的划分，没有反映出各因素所处的不同级别。为此，可以根据T(Vi)=R(Vi)∩Q(Vi)=R(Vi)公式先得出最上层的因素，从可达矩阵M去除最上层的因素得到可达矩阵M1，按照同样的方法筛选次上层因素，以此类推对各因素进行层级划分。由此分析得到V13，V14是可达矩阵M第一次筛选得出的最上层因素，然后基于可达矩阵M1可以再次筛选出次上层的因素，并可以据此推算出上述装配式建筑全过程质量因素共分为了5个等级：第一层级(V13，V14)，第二层级(V12，V15，V16，V17，V18，V19，V20，V22)，第三层级(V4，V8，V9，V10，V11)，第四层级(V3，V5，V6，V7，V21)，第五层级(V1，V2，V23，V24)。

根据该层级的划分，可建立ISM解释结构模型，如图1所示(图中十字交叉位置均为过桥)。

图1 装配式建筑质量影响因素的解释结构模型

3 基于MICMAC的影响因素分析

3.1 MICMAC定义

交叉影响矩阵相乘法(MICMAC法)是由DUPERRIN和GODET提出的用来分析系统中因素之间相互关系、相互作用的一种方法，常用来识别系统中具有高度动力性和高度依赖性的变量，核心功能是用交叉影响矩阵相乘对系统的元素进行分类。

3.2 MICMAC分析

MICMAC的结果可称为驱动力-依赖性矩阵，通过坐标轴形象来表示，横轴代表依赖性，纵轴代表驱动力。各因素的依赖性和驱动力可由可达矩阵M计算，如表5所示。依赖性为可达矩阵中每个因素对应列为“1”的总和；驱动力为可达矩阵中每个因素所对应行为“1”的总和。根据因素驱动力和依赖性最大数值的二分之一来确定象限的分界线位置[18]，然后根据所有要素对应交点的所在象限位置分为4个集群：Ⅰ自治集群、Ⅱ依赖集群、Ⅲ联动集群、Ⅳ独立集群，如图2所示。

图2 驱动力-依赖性矩阵

表5 质量影响因素数值

3.3 MICMAC解析

1) 自治集群Ⅰ：驱动力和依赖性都相对较弱。影响因素有V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9，V10，V11，V12，V15，V16，V17，V18，V19，V20，处于ISM模型中间层级，既在一定程度上依赖于底层因素的驱动，也会对上层因素产生一定的驱动影响，是对装配式建筑的全过程质量具有间接影响的因素。

2) 依赖集群Ⅱ：驱动力弱，依赖性强。影响因素有V13，V14，V22，处于ISM模型的第一、二层级，主要表现其他下层因素作用的结果，会对装配式建筑全过程质量产生直接的影响。

3) 联动集群Ⅲ：驱动力和依赖性都很强。以上所分析的影响因素中没有属于这个类型的。

4) 独立集群Ⅳ：驱动力很强，依赖性很弱。影响因素有V1，V2，V21，V23，V24，处于ISM模型的第五、第四层级，基本不依赖于其他的因素，但是对上层的各因素具有很强的驱动力，对装配式建筑的全过程质量具有根本影响。

4 装配式建筑质量影响因素分析

根据图1的解释结构模型和图2的驱动力-依赖性矩阵，可以进一步将影响装配式建筑全过程质量的因素分为直接原因、间接原因和根本原因。

1) 影响装配式建筑全过程质量的直接原因，主要存在于施工作业阶段。预制构件连接可靠性、吊装位置准确性等因素处于解释结构模型第一层级，属于驱动力-依赖性矩阵的依赖集群，依赖性强，驱动力弱，易受其他因素的影响。这需要施工人员及设计人员精确落实吊装位置，确保构件连接可靠，从全过程的实现阶段保障装配式建筑的质量。

2) 影响装配式建筑全过程质量的间接原因，主要存在于构件制作、运输、施工准备等阶段。吊装方案、作业环境、施工质量控制标准、安装工艺、图纸会审等处于解释结构模型第二层级。构件堆放合理性、运输路线的合理性、运输及起重机械参数性能、预制构件出厂成品质量等处于解释结构模型的第三层级。构件制作原材料质量、制作人员能力与素质、制作设备与检测工具、构件制作质量标准等处于解释结构模型的第四层级。第二、三、四层级的因素属于驱动力-依赖性矩阵的自治集群，驱动力和依赖性较弱。其中预制构件出厂成品质量驱动力弱，依赖性强，属于连接纽带因素。吊装方案的可行性影响吊装位置的准确性。施工现场的作业环境、质量控制标准和安装工艺等共同影响着吊装位置的准确性和构件连接的可靠性。图纸会审过程决定了图纸信息传达的准确性，是影响建造过程质量的重要环节。在构配件运输和吊装过程中，要确保构配件的稳固性，构配件的堆放要合理，避免化学腐蚀和物理晾晒，堆放时受力要合理，避免上层构件对下层构件形成额外作用力。防止配件质量的损坏，从而影响整体的质量。构件制作原材料质量、制作人员能力与素质、制作设备与检测工具、构件制作质量标准等直接影响预制构件出厂成品质量，从而间接影响装配式建筑的质量。这要求各部门的人员协同管理，保证构件制作、运输、施工准备等阶段各项工作的顺利进行，从全过程的中间阶段保证装配式建筑的质量。

3) 影响装配式建筑全过程质量的根本原因，主要存在于设计阶段。设计人员能力与素质、设计标准规范、射频识别技术(RFID)、BIM技术处于解释结构模型的最底层，驱动力强，依赖性弱，属于系统中的关键因素，具有统筹全局的作用。这就要求设计单位和设计人员应以设计高质量的装配式建筑成果为目标，严格遵守设计标准规范，积极应用先进信息技术来促进优秀设计成果的产出，从全过程的初始阶段保证装配式建筑的质量。