基于FISM-MICMAC的装配式预制构件吊装安全风险因素研究

祝连波， 张烨盈， 林陵娜， 许小进， 石振群

(1. 苏州科技大学 土木工程学院， 江苏 苏州 215009； 2. 杭州涌都房地产开发有限公司， 浙江 杭州 311400)

根据住房和城乡建设部统计的2020年度全国装配式建筑发展情况显示，全国31个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团，新开工装配式建筑共计6.3亿m2，较2019年增长50%，占新建建筑面积的比例约为20.5%[1]。虽然装配式建筑在我国建筑市场逐年增长，但在装配式建筑施工过程中，由于对重型、超重型吊装设备的需求和使用，装配式现场吊装施工中频频发生安全事故，而装配式预制构件吊装作业是装配式建筑施工过程中的重大危险源。识别装配式预制构件吊装安全风险因素，研究安全风险因素之间的逻辑关系将为装配式预制构件吊装安全风险评价和控制提供基础。

目前，已有不少国内外学者对吊装安全风险进行了研究，成果颇丰。王军武等[2]从关联性视角出发对装配式建筑工程吊装事故的致因机理展开研究；李强年等[3]基于BIM+NB-IoT技术构建装配式建筑吊装安全风险管理系统，为装配式吊装安全风险智能化、信息化的管理方式提供理论框架；田学泽等[4]基于改进组合赋权 - 动态模糊理论模型准确评价了装配式建筑吊装施工安全风险等级并反应其变化趋势；李文龙等[5]在多个工程实例中运用结构熵权 - 可信性测度理论的装配式建筑吊装施工安全风险评估模型；刘名强等[6]基于相关向量机建立装配式建筑吊装安全预警模型，能够准确判断吊装作业安全状况，提高装配式建筑施工安全水平；Liu等[7]在数字孪生的基础上提出吊装安全风险管理框架，可实现吊装现场的可视化管理；Chang等[8]基于层次分析法构建施工安全风险评价模型，并结合实例对模型的可行性与有效性进行验证；Toole[9]主要聚焦吊装作业前的安全管理阶段，做到有备无患；Jespen[10]认为标准化说明书可以在一定程度上减少因操作失误造成的各种安全事故，并初步提出了四类基本吊装作业指令及指南。在风险间关系研究方面，模糊解释结构模型(Fuzzy Interpretive Structural Model,FISM)是一种常用于研究风险间关系的分析方法。彭军龙等[11]将FISM与网络层次分析模型相结合，建立了装配式建筑成本影响因素分析模型，将影响装配式建筑成本因素之间的内部逻辑关系用直观图的形式表示出来；张炜等[12]为准确分析重大工程项目社会稳定风险发生过程中风险因素间的相互影响，基于Fuzzy-ISM提出风险关系递阶模型；Su等[13]建立了混凝土梁桥劣化的模糊解释结构模型，便于对坍塌因素进行进一步分析，对桥梁生命周期各个阶段的参与者提出管理建议。

综上所述，虽然国内外学者对吊装安全风险进行了深入的研究，取得了丰硕成果，但是对装配式预制构件吊装安全风险因素的研究，还仅停留在识别和划分阶段，缺乏对安全风险因素的层次结构及相互之间作用关系的研究。因此本文为了识别装配式预制构件吊装安全风险因素并厘清各因素之间的逻辑关系，首先应用文献分析和专家访谈法，得到装配式预制构件吊装安全风险因素指标体系。为有效克服经典解释结构模型的主观性及随机性，将模糊数学与经典ISM模型相结合，在FISM的基础上构建装配式预制构件吊装安全风险因素多级递阶模型[14]。然后，运用交叉影响矩阵相乘(Matriximpacts Cross-Reference Multiplication Applied to a Classification,MICMAC)法，计算得出风险因素的驱动力和依赖性的大小并绘制风险因素驱动力 - 依赖性分布图，分析安全风险因素之间的作用机理。研究成果一方面为降低装配式预制构件吊装安全风险管理提供理论依据，另一方面为管理者从作用机理角度针对性地制定吊装安全管理措施提供参考。

1 预制构件吊装安全风险因素识别

目前，在装配式预制构件吊装安全风险因素的研究方面，有许多学者已经对其进行了划分和选取。首先，通过CNKI和万方等论文数据库对“装配式建筑吊装安全风险”、“装配式建筑预制构件吊装”等关键词进行检索，从检索出的文献中选择15篇具有代表性的文献进行分析，综合考虑装配式预制构件吊装作业特征并根据“4M1E”原理，从人的风险、构件风险、机械设备风险、管理风险及环境风险五个方面着手，初步得到23个装配式预制构件吊装安全风险因素。然后，在分析文献资料的基础上，邀请了15位经验丰富的专家(均有5年以上的施工经验并且均与研究团队合作关系密切)，通过邮件、电话、访谈的方式进行深入访谈，专家对装配式预制构件吊装安全风险因素进行优化。最后，从23个安全风险因素中剔除“预制构件之间连接的牢固程度”，将“吊装作业现场监督巡逻情况”并入“吊装作业现场工作人员值勤情况”，将“施工现场能见度”并入“吊装作业的天气状况”，最终梳理出20个装配式预制构件吊装安全风险因素，并得出装配式预制构件吊装安全风险因素指标体系，如表1所示。

表1 装配式预制构件吊装安全风险因素指标体系

2 预制构件吊装安全风险因素的FISM模型构建

FISM模型是将经典ISM模型进行模糊化处理，它能将因素之间简单的0-1关系转化为二元模糊关系，建立更切合实际的邻接矩阵，更精确地反映出系统内各因素间的复杂关系[15]。因此，本文运用模糊关系处理分析了预制构件吊装安全风险因素间的内在联系。首先建立装配式预制构件吊装安全风险因素的模糊邻接关系矩阵，计算可达矩阵，再分解可达矩阵，形成层次清晰的装配式预制构件吊装安全风险的多级递阶结构模型[16]。

2.1 构建模糊邻接矩阵

在风险识别的基础上建立模糊邻接关系矩阵，用于判断安全风险因素之间相互作用的强度。本文将装配式预制构件吊装安全风险因素相互作用关系划分为5个等级，并基于此构件模糊邻接矩阵A。假设风险因素二元模糊关系矩阵A=(aij)n×n，aij为风险因素Ri对Rj的影响关系，则定义为：

为确保数据的合理性和准确性，邀请20位经验丰富的项目管理专家或相关研究人员对表1的20个风险因素进行评分，取算数平均值以体现装配式预制构件吊装安全风险影响因素两两之间的影响程度大小，得到模糊邻接关系矩阵A，如表2所示。

表2 模糊邻接关系矩阵A

2.2 模糊关联强度矩阵建立

选取隶属度函数，建立装配式预制构件吊装安全风险因素的模糊关联强度矩阵B=(bij)n×n。

(1)

式中：aij为因素i对因素j的模糊关联强度；ai为模糊邻接矩阵A第i行的和；aj为模糊邻接矩阵A第j列的和；i,j=1,2,…,n。由此可建立模糊关联强度矩阵B。

2.3 确定阈值λ

模糊关联强度矩阵中的各个元素必须先抽象成0-1关系，否则不能直接确定元素间的可达关系。其方法是选取一个阈值λ，使得

(2)

风险因素间关系的复杂程度直接受到λ的影响，进而影响风险因素之间的层级划分。当λ取值较小时，风险因素较弱的模糊关系会被反映出来；当λ取值较大时，风险因素间的强关系会被反映出来。因此，为了能准确反映出不同因素之间的合理关系，λ的取值既不能太大，也不能太小。经反复测算，当λ取值为0.11时，模型能反映出较强的风险关联程度，此时得到邻接关系矩阵C。

2.4 计算可达矩阵

基于系统工程理论，将邻接矩阵C与单位矩阵I相加，当满足式(3)时，矩阵M即为可达矩阵。在邻接关系矩阵的基础上，借助MATLAB软件计算出可达矩阵M，结果如表3所示。

表3 模糊可达矩阵M

M(C+I)k+1=(C+I)k≠(C+I)k-1

(3)

式中：k为可达矩阵的结束次幂。

2.5 FISM模型构建及风险层级划分

风险层级划分，即将各风险因素划分为不同层级。首先根据可达矩阵M确定可达集P(Ri)和先行集Q(Ri)，可达集是M中该因素所在行元素为“1”的对应列的集合，先行集是M中该因素所在列元素为“1”的对应行的集合，共同集C(Ri)为可达集与先行集的交集[17]。找出M中不影响其他因素而只受其他因素影响的因素，即符合P(Ri)=P(Ri)∩Q(Ri)=C(Ri)条件，并将其抽取，然后将该因素所在的行与列删除。依此规则逐层抽取，直至完成风险因素层级结构划分[18]，划分结果如表4所示。

基于上述分析，装配式预制构件吊装安全风险因素共分为6级，分别为L1={R3，R6，R8，R10，R11，R14，R17，R19}；L2={R1，R7，R9，R12，R13，R15，R16}；L3={R2}；L4={R4}；L5={R5，R18}；L6={R20}。根据表4划分的层级结构，结合可达矩阵M中各风险因素间的相互关系，对关联因素进行连线，构建出装配式预制构件吊装安全风险因素FISM模型，如图1所示。

图1 装配式预制构件吊装安全风险FISM模型

表4 预制构架吊装安全风险因素划分

按照各风险因素在FISM模型中所处的位置可将它们分为3个层级，L1为表层，L2，L3，L4，L5为中间层，L6为深层。不同层级代表对装配式预制构件吊装安全风险有不同的影响程度。越高层级的风险因素对装配式预制构件吊装安全风险的影响越直接[19]。

(1)位于深层的“现场安全管理人员配备的完善程度”是影响其他层级风险因素的根本原因，应在装配式预制构件吊装过程中给予首要关注[20]。

(2)位于中间层的11个风险因素会直接或间接地对表层或深层的风险因素造成影响，且风险因素之间关系复杂。因此，中间层的风险因素是风险管理的重点和难点，应得到充分的重视。

(3)位于表层的8个风险因素对装配式预制构件吊装有直接影响，通常需要通过解决中间层及深层风险因素的问题以使表层风险因素产生的问题得到最终解决。

3 预制构件吊装安全风险MICMAC分析

通过使用FISM方法，已对预制构件吊装过程中安全风险影响因素间的层级结构关系进行了分析。为了使各因素之间的逻辑性及作用机理更加清晰明确，使用MICMAC方法对各安全风险因素的驱动力和依赖性进行分析，以便对装配式预制构件吊装安全风险的管理提出更有针对性的建议。

3.1 MICMAC法

利用MICMAC方法，对可达矩阵M中各风险因素所在的行和列分别求和，得出风险因素的驱动力和依赖性的大小，据此将风险因素分为自治簇、独立簇、联系簇及依赖簇，并绘制风险因素象限划分图[21]。一般地，依赖性的大小表示该风险因素受到其他风险因素影响的程度，依赖性越大说明其他风险因素所产生的的各种改变更容易对该风险因素造成影响；驱动力的大小表示该风险因素对其他风险因素造成影响的程度，驱动力越大说明该风险因素所产生的的各种改变更容易对其他风险因素造成影响[7]。根据模糊可达矩阵M计算得出驱动力和依赖性的大小，如表5所示。

表5 各风险因素驱动力及依赖性程度大小

再依据计算结果对20个风险因素进行分类，结果如图2所示。其中风险因素R1，R6，R7，R8，R9，R10，R11，R12，R13，R15，R17属于自治簇，该类风险因素依赖性及驱动力均较弱；风险因素R3，R14，R16，R19属于依赖簇，该类风险因素依赖性较强，驱动力较弱；风险因素R2，R4，R5，R18，R20属于独立簇，该类风险因素依赖性较弱，驱动力较强。

图2 风险因素驱动力 - 依赖性分布

3.2 FISM-MICMAC结果分析

由图2可知，装配式预制构件吊装安全风险因素主要分布于自治簇Ⅰ、独立簇Ⅱ及依赖簇Ⅳ，未有风险因素出现在联系簇Ⅲ中。通过综合分析装配式预制构件吊装安全风险因素FISM-MICMAC模型可知：

(1)位于自治簇Ⅰ的风险因素有R1，R6，R7，R8，R9，R10，R11，R12，R13，R15，R17，大部分位于FISM模型中间层的上部，对表层和深层风险因素具有承上启下的作用且风险因素之间的关系较为复杂[22]。因此，该类风险因素应得到充分的重视，通过有效治理从而减少装配式预制构件吊装安全事故的发生。

(2)位于独立簇Ⅱ的风险因素有R2，R4，R5，R18，R20，位于FISM模型的深层及中间层的下部，其驱动力较高，依赖性较低，通常对其他风险因素产生影响，包含根本因素及对其他因素有较大影响的间接因素。其中现场安全管理人员配备的完善程度R20是影响装配式预制构件吊装安全的根本因素，具有最强的驱动力，对该因素给予重点管控能够在一定程度上有效减少表层及中间层风险因素的发生[23]。

(3)位于依赖簇Ⅳ的风险因素有R3，R14，R16，R19，位于FISM模型的上层，其驱动力较低，依赖性较高。该类风险因素产生的概率与其他风险因素是否得到有效控制密切相关，包含直接因素及受其他因素影响较大的间接因素。吊装视野的开阔程度R14依赖性最强，且受到吊装作业空间大小、吊装作业交叉程度及吊装作业天气状况等因素的直接影响，而这些因素又受到吊装设备位置选择的合理性、吊装设备操作人员安全意识等因素的间接影响。因此，保证吊装过程中视野开阔是预制构件吊装安全管理的关键。

3.3 预制构件吊装安全风险管理对策建议

基于对FISM-MICMAC模型的分析，装配式预制构件吊装安全风险因素之间存在一定的逻辑关系,可对装配式吊装作业阶段风险管控提出建议。

(1)吊装设备操作人员及吊装现场安全管理人员必须持证上岗，并定期进行安全教育培训，增强安全意识，减少不安全行为的发生。在预制构件吊装作业前及作业过程中，应定期检查吊装设备、吊装用具的完好程度及吊装设备的运行状况，确保预制构件与吊装设备之间连接牢固，预防因预制构件脱落、吊装设备运行不正常造成的安全事故。在吊装作业进行前应确认天气状况，天气恶劣不得吊装。在进行高空交叉作业时，应做好交叉作业人员的协调与联系，明确应采取的防范措施与配合要求。

(2)相关监管部门应加强预制构件吊装现场的监督管理及安全检查力度，完善安全生产管理制度，一旦发现潜在危险应要求及时整改，提高安全管理及风险防控水平，消除安全隐患。

4 结 论

本文结合装配式预制构件吊装作业的特征，根据“4M1E”原理，并通过文献分析法和专家访谈识别出20个装配式预制构件吊装安全风险因素。为了克服专家打分时的主观性和随意性，将模糊数学与经典ISM模型相结合，利用FISM模型及MATLAB软件，构建了装配式预制构件吊装安全风险因素的层级结构模型，依此绘制了6级递阶有向图。并通过MICMAC法对各风险因素的驱动力和依赖性进行分析，进一步探究各风险因素间的逻辑性和作用关系。

研究结果表明：现场安全管理人员配备的完善程度R20是装配式预制构件安全风险产生的根本因素，有较强的驱动力，对其他风险因素影响较强，应作为首要风险因素进行优先、重点治理。吊装设备操作人员精神状态R3、预制构件加工质量R6、预制构件与吊装设备之间连接的牢固程度R8、吊装设备的完好程度R10、吊装设备运行状态R11、吊装作业视野的开阔程度R14、安全生产管理制度完善程度R17、安全用具使用规范程度R19为直接影响因素，并受其他风险因素影响较大，有较强的依赖性，在装配式预制构件吊装作业过程中应作为安全风险事件发生前兆的重点监控对象，也是进行风险预警的重要指标。未来的研究可以通过定量的方法，更深层次地对安全风险因素之间存在内在联系的影响程度进行探索。