基于模糊TOPSIS法的裝配式混凝土建筑在不同預制率范圍內的風險分析

陳劍 代本明 鄭嬌君

(1.山東科技大學，山東 青島 266000；2.碧桂園集團魯東區域，山東 青島 266110；3.中國海洋大學，山東 青島 266000)

0 引言

近年來，我國各級政府出臺了多項有關裝配式建筑的相關政策，這些舉措說明了裝配式建筑將是我國建筑發展的未來，也將是我國驅動建筑企業轉型升級的新動力。相比于傳統建筑，預制裝配式建筑進行了五大變革，即從手工到機械，從工地到工廠，從施工到總裝，從農民工到產業工人，從技術工人到操作工人。而預制率是衡量裝配式建筑主體結構和外圍護結構采用預制構件的比率，只有最大限度地采用預制構件，才能充分體現裝配式建筑的特點和優勢。在不同的預制率范圍下，我國現行的裝配式建筑已經實現了設計多樣化，功能現代化，制造工廠化，時間最優化，技術可持續化。

然而，裝配式建筑在生產建造的過程中，仍然會面臨眾多風險，這無疑將會阻礙裝配式建筑的發展。目前，國內學者對裝配式建筑預制率方面的研究較少，對相關風險問題的涉及更是為數不多。齊寶庫等[1]運用熵權法研究了裝配式建筑在決策、設計、構件生產和運輸、施工、運營5個階段的27項關鍵風險。常春光等[2]運用LEC法對裝配式建筑施工安全存在的風險進行了量化計算，評價出用電處理不到位、起重機選擇不到位、防護措施不完善屬于三級重要風險。李朔等[3]運用模糊綜合評價法對沈陽市裝配式建筑發展的制約因素進行了排序，認為技術因素對沈陽市裝配式建筑發展影響最大，其次是材料自身因素，政策法規因素影響最小。戴超辰等[4]運用SWOT分析，指出生產成本高、施工難度大、統一標準缺失是阻礙裝配式建筑發展的三個主要因素。桑培東等[5]運用結構方程模型研究了裝配式建筑在開發建設過程中所存在的風險，風險權重由大到小依次為技術風險、管理風險、經濟風險和政策風險。

縱觀整個研究過程可以看出，大多數研究主要停留在探討裝配式建筑整體所面臨的風險因素問題，并未將裝配式建筑的預制率問題考慮進去。本文擬從預制率的角度出發，以裝配式混凝土建筑為研究對象，采用模糊TOPSIS法對裝配式混凝土建筑在不同預制率范圍內的主要風險因素影響大小進行排序，從而為保障裝配式建筑的健康發展提供一定參考。

1 裝配式混凝土建筑的主要風險分析

通過查閱大量文獻，從宏觀層面上選取了裝配式混凝土建筑在生產建造過程中與預制率息息相關的五類風險因素。

1.1 成本風險

預制率不同，裝配式混凝土建筑所產生的造價成本增量是不同的。上海惠南G-C2-2地塊項目的經驗表明，預制率每提高10%，住宅建筑的主體結構單位造價將提高5%～10%[6]。在上海城建集團某個框架剪力墻體系的項目中，當預制率達到50%～70%時，成本增加約700～1000元/m2[7]。呂青[8]提到，混凝土預制率在60%以上的建筑，每平方米造價將提高25%～30%。因此，裝配式混凝土建筑的預制率不同，成本增量也隨之變化，這給企業帶來不同程度的風險影響。

1.2 質量風險

預制構件一般包括預制剪力墻板、預制外墻板、預制內隔墻板、預制框架柱、預制構造柱、預制框架梁、預制次梁、預制梯梁、預制樓板、平臺板、空調板、預制樓梯、預制陽臺、預制凸窗、預制隔墻等。裝配式混凝土建筑的預制率不同，對以上不同數量和不同部位的預制構件的需求不同，最終體現在裝配式混凝土建筑上就是整體質量的不同。

1.3 進度風險

裝配式混凝土建筑的預制率越低，建筑竣工的時間就會越長，風險也就會越大。預制率越高，則說明所需要的預制構件的用量較多，現澆部分的工作量就會較少，后期的建造進度也會較快。國內企業的經驗表明，預制率在60%以上的裝配式混凝土建筑施工，每一標準層只需6d至8d，而且水電安裝與主體裝修可以同步進行。整體交付時間一般比傳統施工要快30%～50%。因此，進度因素會隨著預制率的不同，給裝配式混凝土建筑帶來程度不同的風險影響。

1.4 技術風險

現階段裝配式節點連接方法因施工方法不同，分為濕連接、干連接兩種。濕連接目前所采用的方法較多，包括普通后澆整體式連接、普通現澆連接、漿錨連接、灌漿拼裝等；干連接常用的方法主要有機械套筒連接、焊接連接、螺栓連接、預應力壓接以及牛腿連接等[5]。在不同的預制率范圍下，裝配式混凝土建筑所匹配的技術連接方法會不同，從而會帶來不同程度的風險問題。

1.5 安全風險

裝配式混凝土建筑在低預制率下會出現傳統施工現場作業所面臨的安全風險問題，在高預制率下會面臨構件運輸、堆放、吊裝、臨時支撐固定等安全風險。不過在高預制率下，裝配式混凝土建筑的現場濕作業少，機械吊裝施工效率高，施工人員的數量因此大大減少，施工人員所面臨的安全風險也大大降低。

結合以上分析，本文主要探討這五類風險因素在不同預制率范圍內的影響大小，構建模糊TOPSIS綜合評價模型，以期為裝配式混凝土建筑的風險管理提供更加合理的依據。

2 模糊TOPSIS法綜合評價

模糊綜合評價[9]是以模糊數學為基礎，對不確定因素進行模糊處理，從而判斷各種不確定因素在風險評估中的作用；TOPSIS法[10]是一種逼近于理想解的排序法，對樣本因素進行相對優劣的排序，從而判斷出各類因素的重要程度。以層次分析法為基礎，構建模糊TOPSIS法評價模型，相比于傳統的模糊綜合評價模型，它能夠更準確地對風險因素進行評估，對不同預制率下的風險因素進行排序，為確定裝配式混凝土建筑建造過程中風險因素的確定性和不確定性提供一定的新思路。

2.1 指標權重確定

根據我國現階段的裝配式混凝土建筑的預制率情況，以及各地區發布的預制率要求，本文將裝配式混凝土建筑的預制率劃分為三個范圍。預制率在10%～40%為低預制率范圍，40%～65%為中等預制率范圍，65%～90%為高預制率范圍。本文采用層次分析法確定各類風險因素在不同預制率范圍下對裝配式混凝土建筑影響程度的權重，經查閱大量文獻和專家調查并運用MATLAB 7.0軟件，計算確定各風險因素的權重見表1。

表1 風險因素權重

2.2 模糊TOPSIS法評價指標

2.2.1 確定指標的模糊評價集

確定因素集U={u1，u2，u3，u4，u5}={成本風險，質量風險，進度風險，安全風險，技術風險}。假設對因素集中各個因子的評價分為影響程度很大、影響程度較大、一般、較小、很小五個等級，則評語集V={v1，v2，v3，v4，v5}={很大，較大，一般，較小，很小}。

2.2.2 建立加權規范化模糊矩陣

(1)根據評語集，構建初始模糊矩陣。評判指標xij表示第i個風險因素的第j個評判指標，其中，i∈[1,m],j∈[1,n],初始模糊矩陣表示為

(1)

(2)對式(1)初始模糊矩陣進行規范化。規范化模糊矩陣[11]Z={zij},則

(2)

(3)構造加權規范化模糊矩陣R={rij}。利用層次分析法計算得到權重為

ω=(ω1,ω2，…，ωn)T

則

rij=ωj·zij(i=1,2，…，m；j=1,2，…，n)

(3)

2.2.3 確定正理想解和負理想解

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，J1為效益型指標集；J2為成本型指標集。

2.2.4 計算每個風險因素到正、負理想點的距離

(8)

(9)

2.2.5 計算指標的貼近度

(10)

根據貼近度的最大原則，可以對各個風險因素進行排序。

3 實例應用

3.1 項目概況

青島某公館項目在建13棟裝配式住宅，選取預制率不同的AZ建筑、JL建筑和BF建筑作為樣本進行實證分析。AZ建筑：預制部分采用預制外墻板和預制樓梯，其余部分為現澆，預制率約為31.5%；JL建筑：預制部分采用預制外墻板、預制內墻、部分疊合樓板和預制樓梯，預制率約為55%；BF建筑：預制部分采用預制外墻板、預制內墻、預制剪力墻、疊合樓板、預制樓梯、預制陽臺，預制率約為72%。

3.2 模糊TOPSIS法計算評價指標

在實地調研的過程中，遴選自從事裝配式建筑工程的實際管理及研究工作的8位專家對樣本建筑在建設過程中的各類風險因素影響大小進行評價打分。專家組成員由2位相關領域的高校專家和6位現場高級管理者組成。對每一個指標評價打分后進行匯總統計，并歸一化處理，結果見表2。

表2 評價指標打分匯總

根據式(2)將矩陣X進行規范化處理得到矩陣Z，AZ建筑的預制率是31.5%，屬于15%～40%范圍內，所以對應的各指標權重為

ω1=(0.153 6,0.191 4,0.333 2,0.069 3)

JL建筑對應的各指標權重為

ω2=(0.316 6,0.335 4,0.088 8,0.181 9,0.077 3)

BF建筑對應的各指標權重為

ω3=(0.446 3,0.297 3,0.038 3,0.077 3,0.140 8)

再根據式(3)，構造出加權模糊矩陣R，即

根據式(4)～式(7)計算五個指標的正負理想解，見表3。

表3 評價指標的正負理想解

由式(8)和式(9)計算各個評價指標到正負理想解的距離，再由式(10)計算相應的貼近度，見表4。

表4 模糊TOPSIS評價結果

4 對策建議

(1)裝配式混凝土建筑在低預制率范圍內，進度風險對其影響較大。因此，施工企業應當加強對BIM技術的研究和學習，加快裝配式建筑模型的試制過程，將BIM技術與RFID技術結合，改善預制構件庫存和現場管理，提高現場施工管理效率，縮短工期，降低風險。

(2)裝配式混凝土建筑在中等預制率范圍內，質量風險對其影響較大。因此，要建立完善的質量監督機制，對預制構件進行全過程檢查，減少設計階段對預制構件產生的質量缺陷。加強對施工人員的培訓，從而規范施工人員的施工工藝和施工流程，降低預制構件在施工過程中的質量風險。

(3)在較高的預制率范圍內，成本風險對裝配式混凝土建筑的影響非常大。因此，政府應當加大對裝配式建筑的扶持力度，出臺一些優惠政策和降稅措施，對預制率符合一定要求的項目進行面積補貼政策；制定并完善相關標準，擴大預制構件的生產規模以減少單個構件的生產成本。

5 結語

本文將模糊數學理論和TOPSIS法結合，能夠有效評價裝配式混凝土建筑在不同預制率范圍內的風險影響大小，該方法是科學、合理的，且能夠為后期裝配式混凝土建筑的風險評價提供一定的參考。通過對裝配式混凝土建筑在建造過程中的各類風險因素評估，建筑企業可以預判預制率不同的裝配式建筑所產生的不同類風險因素，進而提早預防和控制，盡可能降低企業損失，同時也可為我國建筑企業響應國家號召實現建筑工業化注入新動力。