基于FTA-SPA-灰色聚類的裝配式建筑施工安全測評

王志強，張樵民，王國強，李　健，崔金海

(1.青島理工大學管理學院，山東 青島 266520；2.中建八局第一建設有限公司，山東 濟南 211100)

裝配式建筑是由預制構件通過可靠的連接方式裝配而成的結構，包括了預制混凝土結構、木結構、鋼結構等形式。發展裝配式建筑有利于提高生產效率、改善施工安全和工程質量，能極大地改變傳統粗放建造模式下破壞環境、浪費資源、頻發事故等現象，可謂是“一勞多得”。裝配式建筑符合綠色建筑與節能建筑的要求，既是兩者的結合升級，又是建設領域響應國家“供給側結構性改革”、化解產能過剩的重要舉措，還是培育新型產業、加快我國新型城鎮化建設模式轉變的重要途徑，已得到國家和地方政府的重視和大力支持。2016年9月，國務院辦公廳印發的《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》中指出：“力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%”。 2016年10月，青島市在印發的《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的意見》中指出：“到2020年，裝配式建筑占新建建筑的比例要達到30%”。裝配式建筑在我國的迅猛發展，必將掀起一場建筑領域的重大變革。

近年來在建筑領域，國內外學者[1-4]運用層次分析法(AHP)、模糊層次分析(FAHP)與模糊理論相結合的方法，對以現澆混凝土為代表的傳統大型建筑工程的施工安全評價方法進行了研究，目前已趨于成熟。裝配式建筑雖然在政府的大力支持下得到了迅猛發展，但是由于裝配式建筑在構件生產、物流運輸、現場施工等方面與傳統現澆方式存在著顯著差異，使得應用于傳統施工模式的評價模型不再適用于裝配式建筑。國外裝配式建筑起源較早，發展與應用已相對趨于成熟，對其研究的內容主要集中在材料節能減排[5]、構件應力分析[6]等方面。但由于裝配式建筑現場施工中安全事故頻發，施工風險之間經常發生耦合，一定程度上阻礙了裝配式建筑在我國的發展。嚴小麗等[7]研究認為人的不安全行為是導致事故發生的首要因素，并基于人因視角對建設項目施工安全的風險耦合機理進行了研究；李穎等[8]嘗試將事故樹分析法(FTA)應用于解決裝配式建筑施工安全問題中，但因為缺少概率數值而只能進行定性分析；楊爽[9]從事故致因理論、危險源辨識理論分析出發，構建了基于屬性數學的裝配式建筑施工安全評價模型，但在應用理論對指標體系進行約簡得到的結果可能不唯一，對評價結果的準確度有一定的影響；湯彥寧[10]從企業的立場將系統動力學理論應用于裝配式結構住宅施工階段的安全風險狀況評價中，但由于對各變量之間的數量關系只是做了簡單的評估工作，難以具有說服力；付杰等[11]運用灰色理論的評價方法構建了裝配式建筑工程安全狀態測評模型，但評價指標選取跨度過大。

綜上所述，我國現階段對現澆混凝土建筑的施工安全控制研究較多，對裝配式建筑現場施工安全研究雖有涉及，但由于評價指標體系不適合或者模型的缺陷而難于對裝配式建筑現場施工安全進行有效的評價。因此，探索一套指標相對健全、方法便捷的裝配式建筑施工安全評價模型則成為本文研究的目標。為此，本文擬以裝配式建筑現場施工安全為主題，首先從安全事故致因理論出發，結合事故樹分析方法(FTA)，探尋影響裝配式建筑施工安全的危險因子，并建立評價指標體系；然后運用集對理論(SPA)和灰色聚類分析方法，對裝配式建筑施工安全進行整體評價，并從指標中篩選出對施工安全影響較大的危險因子作為控制對象；最后，以青島市黃島區萬達小學為例，證明此種方法的可行性，并對影響裝配式建筑施工安全的重要因素提出針對性的風險控制措施，以期為施工方的安全管理提供思路與借鑒。

1　裝配式建筑施工安全的影響因素分析

裝配式建筑施工流程大致可以分為四個部分：構件生產、構件運輸、現場吊裝、構件安裝。與一般的住宅建筑相比，裝配式建筑高空作業多、吊裝作業量大、機械化程度高，對施工安全的影響因素難以把握，因而導致施工安全隱患較多。文敏等[12]通過項目的實地調查,將預制裝配式住宅樓施工過程中的安全風險主要分為高空臨邊作業風險、構件吊裝及安裝風險、觸電風險、高空墜落風險、構件裝運卸載風險五類，見圖1。由圖1可見，裝配式建筑的施工安全風險主要發生在構件吊裝及安裝過程中。

圖1　裝配式建筑施工安全事故類別統計圖Fig.1　　　　Category of safety accidents of prefabricated building construction

此外，在大量閱讀與裝配式建筑施工安全相關文獻的基礎上，本文對我國2015—2016年房屋市政工程生產安全事故類型進行了統計(見圖2)，從中遴選出了發生概率較大的4類安全事故，分別為高處墜落事故、物體打擊事故、起重傷害事故、坍塌事故；同時，考慮到裝配式建筑構件安裝對機械化、電氣化程度的要求較高，故將“機械傷害”事故也列入其內。

圖2　　　　我國2015—2016年房屋市政工程生產安全事故 類型統計圖Fig.2　　　　Statistics of China’s safety accident types in muni- cipal engineering production in 2015—2016

2　裝配式建筑施工安全測評與控制理論分析

2. 1　事故樹分析法

事故樹分析(Fault Tree Analysis，FTA)，又稱故障樹分析，是美國貝爾實驗室的Watson等提出和發展起來的一門定量與定性分析相結合的方法[13]。FTA法因其科學的分析和便捷的計算而被我國廣泛應用于礦山、船舶、城市交通等復雜系統工程的安全問題分析。由于裝配式建筑在我國剛剛發展起來，缺少大量的實際統計數據，因此運用規范完整的FTA法對裝配式建筑施工風險進行分析在短時間內難以實施。但是，FTA法在定性分析中，既可以對已發生的事故進行追溯，探究事故發生的原因，也可以對即將展開的工程進行危險因素分析預測，為制定專項安全施工方案和安全技術措施提供重要的參考依據，以防范事故的發生。

2. 2　集對分析法

集對分析(Set Pair Analysis，SPA)，是用聯系度將問題的不確定性轉換成具體的數學問題，統一處理模糊性、隨機性等問題的系統理論和方法[14]。與模糊理論、數理統計等方法相比，集對分析法在處理不確定因素問題上因其清晰地反映了研究對象集對之間的同異反聯系，而廣泛應用于城市生態、經濟的評價中，若將其應用于裝配式建筑施工安全評價中，則可大大減少專家的主觀隨意性。集對分析的聯系度可表示為

μ=a+bi+cj

(1)

式中：μ表示聯系度；a表示同一度,b表示差異度,c表示對立度,且a、b、c∈[0,1]，滿足歸一性a+b+c=1；i表示不確定性系數，且i∈[-1,1];i的取值影響(制約于)a、b、c的取值，是事件問題中的核心問題[14];j表示對立系數，恒取值-1，以表示a、c的對立性[15]。

2. 3　灰色聚類分析

灰色聚類分析理論來自于灰色系統理論[16]，而中心點三角白化權函數是在端點三角白化權函數基礎上改進而來的[17]，它以某灰類程度最大的點為該灰類的中心點，輔以左延拓值和右延拓值來測度白化權函數，不存在兩個灰類交叉的現象。根據灰類劃分最大原則可評價裝配式建筑施工的安全狀態，并可通過危險因子識別與分析，對危險因子風險系數進行排序，進而提出相應的安全防范措施。

3　基于FTA-SPA-灰色聚類分析的裝配式建筑施工安全評價模型的建立

3. 1　事故樹分析(FTA)過程

本文運用FTA法，建立了裝配式建筑施工安全的事故樹，詳見圖3。

圖3　裝配式建筑施工安全的事故樹Fig.3　Fault Tree of safety accidents in prefabricated building construction注：X1—作業人員技術水平及安全意識;X2—施工組織設計與管理人員安排;X3—安全施工方案;X4—現場安全文明施工;X5—吊裝現場安全防護與檢查;X6—吊裝現場自然環境;X7—安裝現場氣候狀況;X8—安裝現場防護與檢查;X9—施工機具設備及附屬用品選用;X10—吊點的確定;X11—承載力校驗;X12—構件臨時固定、支撐;X13—起重機具選用;X14—起重機具安裝與試吊;X15—塔吊頂升與附著;X16—塔吊交叉干擾碰撞;X17—構件精度與強度;X18—構件定位與復核;X19—構件節點連接強度

3. 2　集對分析(SPA)過程

3.2.1建立裝配式建筑施工安全評價指標體系

裝配式建筑的PC構件多在構件廠提前完成，在施工工序上做了重大調整，因此在準則層的確定上主要參照了施工流程，即施工準備、吊裝作業、構件安裝。而指標層則是參照了傳統建筑施工安全影響因素“4M1E”，同時結合裝配式建筑施工的特點，最終將事故樹中的基本事件劃分為19個指標層。人員因素貫穿于裝配式建筑現場施工的始終，是施工安全控制的主要目標，而“作業人員技術水平及安全意識”是“吊裝作業”和“構件安裝”過程中重要的影響因素，因此將這一指標放在準則層“施工準備”中可避免重復計算。基本事件與目標層、準則層、指標層的對應關系見表1。

表1　基本事件與評價指標體系的對應關系Table 1　　　　Relationship between the basic events and the evaluation index system

3.2.2構造比較矩陣

(2)

3.2.3確定聯系度矩陣

對評價對象進行評價時，考慮到專家組的意見存在截然相反的可能性不大，在不考慮集合“對立性聯系”的情況下，可采用μ=a+bi的同異模型。當然，意見相左的情況也可能存在，此時需要對專家評價矩陣進行一致度檢驗[18]，若結果具有很高的一致度，則可以認為不存在截然相反的意見；否則就需要邀請專家對指標重新進行比較[19]。利用聯系度的矩陣形式建立描述指標相對重要性的聯系度模型，即：

μij=Aij+Biji

(3)

其中：

式中：Aij表示同一性矩陣;Bij表示差異性矩陣;r=1,2,…,R;i,j=1,2,…,n。

3.2.4同異反聯系矩陣一致化

使用相容矩陣法對同異反聯系矩陣μ進行一致性處理，得到相容矩陣D=(dij)n×n，其中：

(4)

且dii=1,dij=1/dji,dij=dikdkj

3.2.5計算指標權重wi

采用下式計算指標權重wi:

(5)

3. 3　灰色聚類分析過程

3.3.1劃分灰類

灰類劃分的詳細程度可由評價指標的復雜程度來決定。假設要將評估對象劃分為s個灰類，據此將二級指標的取值范圍也相應地劃分為s個灰類。根據需要，這里將裝配式建筑現場施工安全劃分為極不安全、不安全、安全、非常安全4個灰類，相應的量化值采取十分制，詳見表1。

表2　灰類劃分與取值范圍Table 2　　　　Classification of grey categories and range of values

3.3.2計算指標的中心點三角白化權函數

圖4　基于中心點的三角白化權函數示意圖Fig.4　　　　Schematic diagram of triangle whiten weight function based on the center point

(6)

(7)

(8)

3.3.3計算綜合聚類系數

(9)

式中：ηj為指標層j指標的權重。

3.3.4計算綜合評價系數

裝配式建筑施工安全綜合評價系數τk的計算公式為

(10)

式中：ηj為準則層j指標的權重。

3.3.5危險因子識別

(11)

3.3.6應對措施

根據危險因子系數的大小，將對應的危險因子進行排序，從事故樹中找出其可能引起的相應安全事故，并有針對性地提出應對措施，以防范安全事故的發生。

3. 4　裝配式建筑施工安全評價流程

綜上分析可見，將事故樹分析法(FTA)與集對分析法(SPA)相結合，一方面彌補了事故樹方法由于發生概率缺失而無法準確確定各基本事件影響度的缺陷，保證指標的系統性，另一方面用集對分析法(SPA)確定指標權重，大大減少了專家的主觀意見差異性，提高了結果的精確性。因此，本文建立了基于FTA-SPA-灰色聚類分析的裝配式建筑措施施工安全評價流程，詳見圖5。

圖5　裝配式建筑措施施工安全評價流程Fig.5　　　　Flow chart of safety evaluation of prefabricated building construction

4　基于FTA-SPA-灰色聚類分析的裝配式建筑施工安全測評與控制模型的實例應用

4. 1　實例概況

青島萬達游艇產業園48班小學位于青島市黃島經濟開發區西海岸最東端， 是青島市第一個裝配式公共建筑，該建筑項目包括綜合教學樓和體育館，以連廊連接，其中綜合教學樓面積為20 084.61 m2，體育館地上面積為5 328.1 m2，地下面積為2 063.7 m2,總面積為27 863.62 m2,小學用地面積為36 721.50 m2，總工期為300 d。該裝配式建筑教學樓主次梁、樓板、梯板均采用預制構件，總體預制率為34%、裝配率為43%。

4. 2　基于FTA法構建評價指標體系

根據表1構建青島市萬達小學裝配式建筑施工安全評價指標體系。

4. 3　基于SPA法確定指標權重

最終可得到比較矩陣集M為

M=(M(1),M(2),M(3),M(4),M(5))

由公式(3),可分別得到同一性矩陣Aij和差異性矩陣Bij:

考慮到專家的認識差異性較小，可以取i為0.5[20]，則同異反聯系矩陣μ′為

對同異反聯系矩陣μ′進行一致化后，得到的相容矩陣D(dij)5×5為

D(dij)5×5=

由公式(5)，可計算得到準則層A1的權重集w1為

w1=(w11,w12,w13,w14,w15)T=(0.180 7,0.284 1,0.217 1,0.156 0,0.162 1)T

同樣，可求得準則層A2、A3的權重集w2、w3以及目標層A的權重集w如下：

w2=(w21,w22,w23,w24,w25,w26,w27)T=(0.118 2,0.131 2,0.157 3,0.129 7,0.125 4,0.136 2,0.105 6,0.096 4)T

w3=(w31,w32,w33,w34,w35,w36)T=(0.170 7,0.171 3,0.167 1,0.166 2,0.152 3,0.172 1)T

w=(w1,w2,w3)T=(0.361 3,0.304 1,0.334 6)T

4. 4　灰色聚類分析

本次邀請上述5位相關專家采用十分制對準則層指標進行評分，取5位專家的平均數為標準值，計算白化權函數值，其計算結果見表3。

表3　萬達小學裝配式建筑項目灰色聚類測評表Table 3　　　　Grey clustering evaluation form of the prefabricated building project of Wanda elementary school

注：“○”表示無數據。

由公式(9)，可求出A1、A2、A3的白化權函數值，并得到綜合聚類系數集為

σ=(σ1,σ2,σ3,σ4)T

由公式(10)，可求出萬達小學裝配式建筑施工安全綜合評價系數集τ為

τ=(τ1,τ2,τ3,τ4)=(0.049 7,0.348 3,0.459 3,0.044 5)

根據灰類劃分最大原則，萬達小學裝配式建筑工程項目施工安全評價的結果屬于”安全”灰類。

4. 5　危險因子識別

根據公式(11)，將計算得到的指標危險因子系數按從大到小進行排列，見表4。

表4　指標危險因子系數表Table 4　Risk factor coefficients of the indicators

4. 6　安全防范措施

由表4可見，作業人員技術水平及安全意識、吊點的確定、構件節點連接強度在相應的準則層中的危險因子系數最大，對于準則層的安全影響最大，因此今后要做好以下三個方面的安全防范工作。

(1) 提高作業人員技術水平及安全意識。人是所有安全活動的中心，并且工人的整體水平決定了我國建筑工業化的水平。目前，我國裝配式建筑的施工還是沿用傳統的現澆模式進行，大多數項目還處于邊摸索邊施工的境遇，一定程度上阻滯了我國裝配式建筑的發展，因此加強企業內部工人相關技術技能、安全培訓教育已刻不容緩。目前裝配式建筑采用了更多的”四新”技術，將這些新型技術納入特殊工種范疇，也不失為一種方法。除此之外，還要加強安全監督，嚴格執行持證上崗制度，加強操作技術培訓，重視安全技術交底，通過多種措施提高施工人員的安全意識和技術水平。

(2) 創新吊裝工藝。吊點的確定與吊具密不可分。為了保證吊裝的安全，吊裝的數量和位置應經計算確定，且應保證吊具的連接可靠。對于一般預制梁、板多采用HPB235級及以上鋼筋制作的吊環，但對于一些大噸位的預制外墻、樓梯，如果采用傳統的吊運建筑材料的方式起吊，則可能會導致吊點破壞、構件斷裂，造成重大安全生產事故。大型構件、薄壁構件或者不規則構件吊裝時，使用分配梁或分配桁架類吊具，則降低了構件變形和損傷的概率[21]，專用吊架、新型接駁器、磁性固定裝置、夾具的研發與創新也都大大提高了其安全系數。因此，吊裝工藝的不斷創新是裝配式建筑施工安全保障的重要舉措。

(3) 深化節點設計。預制構件的節點連接部分關系到裝配式建筑的整體安全。節點連接主要包含兩個層面：①預埋鋼筋套筒連接；②后澆混凝土連接。在后澆混凝土連接施工前，必須要確保鋼筋連接強度并保持節點的清潔，而在其施工時，還要確?；炷粱旌狭系馁|量及密實度。

綜上可見，建筑企業要以大中專院校為依托，走一條產、學、研相結合的道路，大力推廣BIM、RFID(射頻識別)、大數據、智能化等技術在施工安全中的應用，通過BIM技術進行施工模擬和碰撞，提前發現并消除安裝工作中的安全隱患，同時還要通過施工技術與信息化技術的交互融合，實現施工方案的深化與施工技術的規范化。

5　結論與建議

(1) 基于FTA-SPA-灰色聚類分析建立了裝配式建筑施工安全測評模型，通過在青島萬達小學的實例應用，驗證了該模型的可行性。

(2) 結合同異反聯系矩陣，將所求集對勢數值與集對勢表相比較分析，可預測項目的安全發展態勢，這也將是未來的研究方向。

(3) 通過對危險因子系數的計算與分析，結果表明作業人員技術水平及安全意識是裝配式建筑施工安全的主要影響因素，同時也是裝配式建筑行業亟待解決的問題，具有現實意義。

(4) 本文在構造判斷矩陣和對指標進行專家打分時，主要依據專家的理論知識和實踐經驗，其數值在一定程度上會受到主觀影響，這將是今后的研究方向。

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