基于DEMATEL-ISM的高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險分析

黃建文，熊 鑫，陳 瑞，趙可欣，王 放，張迎鋒

(1.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學水電工程施工與管理湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學科技學院，湖北 宜昌 443002；4.中國葛洲壩集團股份有限公司白鶴灘施工局，四川 涼山 615400)

0 引 言

高拱壩施工周期長，施工進度直接影響工程的建設工期及防洪發電效益。由于施工過程中受人為因素、澆筑機械、質量要求、自然條件、施工組織等眾多因素的影響，各個因素之間相互作用且呈現出動態變化的特征，導致施工進度控制異常復雜[1]。尤其是在高拱壩混凝土初期澆筑階段(即基礎約束區施工)，該階段備倉、混凝土生產、運輸、卸料、澆筑等施工環節正處在磨合期，銜接度低，施工機械間的配合度不高，施工效率低下，加之混凝土基礎塊施工工序繁雜，單倉澆筑方量大，溫度控制等質量要求嚴格，導致施工進度極其復雜且不確定性強。因此，研究高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險對于提升進度管理水平具有重要意義。

目前，在水利水電工程施工進度風險研究方面，馬志峰[2]采用施工仿真方法分析了碾壓混凝土壩進度偏差和進度趨勢；鐘登華[3- 4]基于堆石壩施工過程監控數據，對影響施工進度的因素進行了識別；黃建文[5]、張社榮[6]基于系統動力學和貝葉斯理論對地下洞室施工進度風險管理和預測進行研究；劉金飛[7]采用仿真分析技術對影響白鶴灘拱壩施工進度的關鍵因素和部位進行了識別。以上研究為水利水電工程施工進度風險分析提供了豐富的解決方法，但是涉及高拱壩混凝土初期澆筑階段的施工進度風險研究較少，然而該階段的施工進度風險極其復雜且不確定性強。因此，本文以初期混凝土澆筑階段為研究對象，從備倉到混凝土運輸、澆筑的過程中，通過風險識別建立高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度影響因素指標體系，針對因素間復雜作用關系，結合DEMATEL和ISM構建施工進度風險分析模型，明確風險因素屬性，揭示各因素的作用程度，并成功識別出關鍵因素，探明復雜因素間內在聯系和層次結構，為高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度管理提供重要的理論支撐和決策參考。

1 高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度影響因素指標體系的建立

確定風險因素指標體系是分析高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險的前提和基礎。基于系統完整、層次分明、簡明科學的原則[8]，結合文獻[3,7,9-13]和實際工程中所面臨的風險因素，采用定性分析，確定對高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險有極大參考價值的關鍵因素。最后，按照風險發生的起源將關鍵風險因素從人、機、物、環境和管理因素五個風險維度進行歸類，建立高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險因素指標體系，具體如表1所示。

2 集成DEMATEL-ISM模型

2.1 模型介紹

決策試驗與評價實驗室(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)是通過目標因果關系圖和矩陣運算相結合用于解決復雜系統中多因素間相互影響程度的一種方法[14]。解釋結構模型(Interpretative Structural Modeling，ISM)是一種多層遞階結構模型，用于分析具有多種影響因素的復雜系統，幫助決策者明確各影響因素在系統中的地位[15]。高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度影響因素眾多、關系復雜，本文利用DEMATEL法在區分因素屬性、作用程度以及相互影響關系方面的優勢，并在此基礎上結合ISM對各影響因素進行層次劃分，使因素間相互作用路徑更加清晰，其具體步驟如圖1所示。

表1 風險指標體系

圖1 基于DEMATEI-ISM的高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險分析流程

2.2 DEMATEI-ISM法建模步驟

基于DEMATEI-ISM法的高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險分析建模步驟如下所示。

(1)確定高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險因素指標體系A={ai/i=1，2，…，15}。

(2)獲得初始直接影響矩陣B=[bij]15×15并構建風險因素因果關系圖。設定因素影響標度值0(無影響)、1(弱影響)、2(一般影響)、3(強影響)、4(很強影響)，根據行因素對列因素的影響程度進行打分(通常采用問卷調查的方式進行)，得到初始直接影響矩陣B，并利用系統動力學建立因果關系圖。

(3)初始直接影響矩陣規范化。初始直接影響矩陣B=[bij]15×15通過行歸一化得到標準化矩陣C=[cij]15×15，即

(1)

(4)計算綜合影響矩陣T=[tij]15×15。確定各個風險因素對高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險體系中最高水平因素的綜合影響，計算公式如下

(2)

式中，I為單位矩陣，由于Cij∈[0，1]，所以，當n→∞時，Cn-1→0，故有

T=C(I-C)-1

(3)

(5)計算因素的影響度ri和被影響度ej。ri越大表示因素ai對其他因素的作用程度越大；ej越大表示因素ai受其他因素的作用程度越大，計算公式如下

(4)

(5)

(6)計算因素中心度mi和原因度ni。mi表示因素ai在所有因素中的重要程度；ni的正負將因素劃分為兩種屬性因素，為正的因素為原因因素，為負的因素為結果因素，原因因素對其他因素產生影響，結果因素被其他因素影響。

mi=ri+ej，i=j

(6)

ni=ri-ej，i=j

(7)

(7)計算整體影響矩陣H=[hij]15×15。考慮DEMATEL法得到綜合影響矩陣T的因素自身影響計算整體影響矩陣H=I+T。

(8)選取合理閾值λ和計算可達矩陣F=[fij]15×15。引入閾值λ是為了去掉系統中影響程度較小的值，使得系統層次劃分更加清晰和直觀。

(8)

式中，λ∈[0，1]；fij為節點i到節點j的關聯值，fij=1表示節點i與節點j相關聯。

(9)劃分因素層級。對可達矩陣F進行式(9)的計算可以得到各因素的可達集合S(ai)、前因集合Q(ai)、最高級要素集合L(ai)，在得到3個集合的基礎上，驗證S(ai)=S(ai)∩Q(ai)是否成立，若成立劃去因素ai所對應的行和列。重復以上步驟，直到所有的因素被劃掉為止。

(9)

(10)構建多層遞階結構模型。首先，根據步驟(6)計算的中心度和原因度，繪制出各因素的原因結果圖，并在此基礎上根據步驟(9)的層次結構分析結果并結合因果關系圖中的相互作用路徑構建多層遞階結構模型。

3 實例分析

3.1 工程概況

我國西南地區某混凝土高拱壩壩高289 m，壩頂高程834m，混凝土澆筑方量約803萬m3。大壩壩頂弧長約709 m，分30條橫縫，共31個壩段，部分壩段的基礎約束區劃分見表2。該高拱壩所在地區為干熱河谷，冬季干燥、風速大，夏季氣溫高、多雨，施工環境惡劣。基礎約束區的施工過程中，單倉澆筑方量大、纜機運行效率低、各施工工序間相互干擾。

表2 壩段基礎約束區劃分

3.2 集成DEMATEL-ISM計算過程

通過初始直接影響矩陣B=[bij]15×15，運用系統動力學建立風險因素因果關系圖，可直觀反映出各風險因素間相互影響關系和作用路徑。高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險因果關系如圖2所示。

在標準化影響矩陣C的基礎上利用MATLAB軟件計算可得綜合影響矩陣T，如下所示。對綜合影響矩陣T進行步驟(5)、(6)的計算，計算結果見表3。

圖2 高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險因素因果關系

表3 各因素DEMATEL分析結果

選取合理的閾值λ是構建可達矩陣F的關鍵，本文在高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險分析中對λ的取值進行多次檢驗，最后得出當λ=0.05時，因素間的邏輯關系及因素等級更加清晰明了，其對應的可達矩陣F如下所示。

在得出可達矩陣F的基礎上，根據步驟(8)對可達矩陣F進行層次化處理，計算出可達集合S(ai)、前因集合Q(ai)、最高級要素集合L(ai)；再根據步驟(9)依次得出層次劃分結果，即L1={a4，a7}；L2={a9，a12，a13，a14}；L3={a8，a11，a15}；L4={a3，a6}；L5={a2，a5}；L6={a1，a10}。

綜上，在計算出的各因素DEMATEL分析結果中，可構建以中心度為橫坐標，原因度為縱坐標的高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度因素的原因結果圖，如圖3所示。在此基礎上，根據因素的層級劃分結果，構建反映各層級間影響因素作用途徑的多層遞階結構模型，如圖4所示。

圖3 高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度因素原因結果

圖4 高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度因素多層遞階結構模型

3.3 模型結果分析

(1)從圖3可知：高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度影響因素主要分布在第Ⅱ和第Ⅳ象限。第Ⅱ象限的因素中心度較低、原因度較高，屬于易影響其他因素的“起源型”因素。按照因素的原因度排名，排名第一、第二且中心度靠前的因素是操作技能水平a13和機械故障a23，這兩個因素是引起施工進度風險比較關鍵的原因因素。第Ⅳ象限的因素中心度較高、原因度較低，屬于易受其他因素影響的“結果型”因素。按照因素原因度的絕對值(即被影響度)排名，排名第一、第二且中心度靠前的是混凝土的生產及運輸a31和纜機運行效率a21，這兩個因素是直接導致施工進度風險的結果因素。

(2)由圖4可知：各因素被劃分為6個層級，位于第1層級的因素稱為直接影響因素；第2、3、4、5層級的因素稱為過渡影響因素；第6層級的因素稱為基礎影響因素。通過各層級因素間的作用路徑，可知身體狀況、氣候因素(大風、暴雨、高溫等)通過中間層級過渡影響因素的傳導作用，多種途徑影響到頂層直接影響因素，從而導致高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險的發生，其中一條重要的途徑是“身體狀況→工作態度→操作技能水平→機械故障→施工現場安全管理→混凝土的生產及運輸”。

4 結 論

本文在構建高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險因素指標體系的基礎上，將集成DEMATEL-ISM方法應用到高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險分析中，識別出7個原因因素，8個結果因素。其中，人員身體狀況和氣候因素是最本質的原因因素，位于多層遞階結構模型最底層，容易被忽略；操作技能水平和機械故障是最關鍵的原因因素，處于多層遞階結構圖模型承上啟下的中間層，對其他因素的影響程度大且與其他因素作用關系密切；混凝土的生產及運輸和纜機運行效率是最直接的結果因素，位于多層遞階結構模型最頂層，受其他因素影響顯著，對高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險有直接影響。

基于DEMATEL-ISM的高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險分析模型計算簡便，實用性強，解決了復雜因素間相互作用程度定量計算的問題，并可清晰得出關鍵因素所處層級和作用路徑，為高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進度風險分析提供了一種新的解決思路。