基于模糊數學的地鐵建設項目施工風險評價
——以F市某地鐵項目為例

楊 蘇，霍巧芬

(安徽建筑大學 a.經濟與管理學院；b.安徽省建筑經濟與房地產管理研究中心，合肥 230000)

0 引言

城市地鐵大多在地下運行，可以有效減少地面擁堵，因此近年來在我國大城市地鐵得到了迅猛發展。城市地鐵一般位于城市人口密集區，具有工程結構復雜、施工難度系數大以及潛在風險種類多等特點[1]。在施工過程中，若風險控制環節做得不到位，就會帶來很多的安全問題。近年來全國各地地鐵建設施工過程中事故頻發，造成了不可挽回的損失，并在社會上產生了惡劣的影響，因此對地鐵施工進行風險管理和控制是非常必要和緊迫的。

地下結構風險研究是從20世紀50年代末開始的，直到70年代后才取得重大突破。美國的Einstein H.H.[2]最先提出了地下隧道工程風險分析的特點和所遵循的理念。Duddeck H.[3]在風險評估方面提出了多項意見，其中涵蓋對國際隧道工程協會就合同風險分擔的建議。Smith R.J.[4]在分析了地下工程中的內在風險之后，提出了風險分配的理念和原則，并且在此基礎上提出了一套具有8個階段的風險分配流程。Choi H.H.[5]等人在分析了地鐵建設項目的風險評估方法之后，提出了一套標準化的風險評價程序。相較于國外，我國在風險管理領域的研究起步較晚，于20世紀中期才開始進行。1987年，清華大學郭仲偉教授編著的《風險分析與決策》一書出版，標志著我國風險管理研究進入了新紀元，自此越來越多的專家學者開始重視這個研究領域，風險管理逐漸成為我國學術界的重點研究對象。

本文以F市某地鐵項目為評價對象，列舉出對整個工程項目可能造成影響的各類風險因素，構建地鐵建設項目施工風險評價指標體系，利用OWA算法[6-8]確定指標體系中各級指標的權重，結合模糊集合計算數學期望值[9-10]，根據期望值的大小來評定地鐵施工風險等級，并將此作為地鐵建設項目施工風險管理的理論依據，提出相應的風險管理控制措施。

1 地鐵施工風險評價指標體系

1.1 風險評價指標選定原則

地鐵建設項目施工風險評價指標選定應遵循如下原則[11]：(1)典型性原則。要保證評價指標具有一定的典型代表性，地鐵施工的風險因素多、雜，這些因素不可能全部列舉出來，所以評價指標要盡可能選取具有代表性的風險指標。(2)綜合性原則。選擇的評價指標要盡可能體現綜合性，需全面深入了解整個地鐵工程建設項目，以求所選的指標能全面綜合地反映整體項目工程的風險特征要求。(3)定性指標與定量指標相結合的原則。選取指標時還要考慮所選定的指標是否能夠量化處理，以便于進行數學計算和分析。

1.2 風險評價指標體系的確立

通過文獻研究法[12-14]，總結出歷年在我國各地發生的地鐵施工事故中環境因素、施工管理、施工技術、施工人員是主要的施工風險類型，因此，將這4個施工風險類型作為一級指標，并細分為15個風險因素，作為二級指標，建立地鐵建設項目施工風險評價指標體系，如表1所示。

表1 地鐵建設項目施工風險評價指標體系

1.3 風險因素分析

1.3.1 環境因素

外界環境處于不確定的動態變化之中，所以其對地鐵施工造成的影響是不確定的。常見的環境因素主要包括：地質條件，如地質災害以及巖土體情況不穩定等；地下管線，如燃氣、污水管線較多、分布錯綜復雜等；氣候條件，如遇風力過大或降雨量過多等惡劣天氣；施工現場環境，如照明不良、現場安全防護不達標、設備器材擺放雜亂無章等；周邊建筑環境，如地鐵臨近建筑物地基、臨近江河道路橋梁等。

1.3.2 施工人員

施工人員是工程項目的實施者，在施工過程中起著至關重要的作用。常見的施工人員風險因素主要包括工作態度、安全意識、工作技能，比如施工人員注意力不集中、酒后作業、存在僥幸心理冒險作業、精神狀態不佳、安全意識薄弱、缺乏應變能力、不遵守安全操作、無證上崗、技術不熟練、經驗不足、操作失誤等。

1.3.3 施工管理

常見的施工管理風險因素包括安全管理制度、施工組織、管理人員能力、安全檢查及監測，比如存在安全管理制度不合理、安全責任情況落實不到位、施工組織混亂、管理人員能力低下、現場沒有有效進行檢查及監督、作業人員施工質量與安全檢查不到位等方面的風險。

1.3.4 施工技術

常見的施工技術風險主要包括降排水情況、爆破、支護等，比如，防排水工藝質量沒有保障，導致發生滲水事件；地鐵隧道爆破導致周邊近建筑物裂開或損毀；支護措施不到位發生塌方等。

2 地鐵建設項目施工風險評價模型

2.1 風險評價指標權重的確定

權重的確定是決策過程中重要的環節之一，目前關于權重確定的方法有很多，常用的賦權方法有層次分析法(AHP)、專家打分法、二項系數法以及熵權法等，但此類方法的評價結果往往具有較強的主觀隨意性。Yager提出的OWA算子賦權方法(次序權重平均法)是一種可以動態選擇決策風險的方法，它的顯著特點是首先對所給的數據信息按照從大到小的順序進行重新排序，然后再對新的數據序列進行集結，可以結合準則權重和次序權重來進行綜合評價。本文采用OWA法來確定F市某地鐵項目施工風險評價指標的權重。

2.1.1 決策數據集結

以向量的形式表示評價指標所給出的決策數據，并記向量a=(a1，a2，…，an)，對向量a的分量重新排列，按從大到小的順序得到向量b=(b1，b2，…，bn)。

2.1.2 權重向量的確定

對向量b的每一個分量進行賦權，運用組合數的方法進行計算，向量b的權重向量記為?=(?1，?2，…，?n)，其中，第j個分量為：

(1)

通過權重向量?對向量b加權，求出評價指標的絕對權重值wi：

(2)

其中，?∈[0，1]，j=1，2，…，n。

計算評價指標的實際權重值wj：

(3)

2.2 模糊集合與數學期望值

2.2.1 評估因素集的建立

評估因素集向量B=[B1，B2，…，Bn]T，其中，Bi=[bi1，bi2，…，bij]T(i，j=1，2，…，n)。

2.2.2 評估等級的確定

依據風險評價體系中定性和定量因素的性質，綜合考慮后確定風險評估等級。將其劃分為5個等級，即[v1，v2)[v2，v3)[v3，v4)[v4，v5)[v5，0)，分別代表高、較高、中等、較低、低5個風險等級。

2.2.3 模糊集合的獲取

采用專家打分法獲取模糊集合。依據上述地鐵施工風險評價指標體系制定風險評價表，發放給F市某地鐵項目的專家以及技術骨干。專家們根據對該建設項目施工風險的了解和以往經驗對各指標的風險程度進行打分(總分記為10分)。設評估對象為二級指標中的要素Cij(i，j=1，2，…，n)，評估集中第k(k∈[1，N])個元素的隸屬度為rijk，由此可以構建由二級指標單因素組成的模糊集矩陣Aijk。

2.2.4 數學期望值的計算

數學期望計算公式為：

Ei=(aij1v1+aij2v2+…+aijkvk)/N，

(4)

其中aijk是對Cij給出評價結果(vs)的專家人數，N為專家總人數。

根據公式(4)得到Ci的相應分向量為：

E=[E1，E2，…，Ei]T。

3 實證分析

邀請5位專家采用十分制對F市某地鐵項目各級指標進行權重評分，運用OWA算法進行計算，求得各級指標的權重，并結合模糊集合計算數學期望值，求得綜合風險評價結果。

3.1 OWA法確定權重

因篇幅所限，以一級指標為例，5位相關專家采用十分制打分，如表2所示。

表2 權重評分決策數據

以指標B1的權重計算為例，首先對決策數據按照從大到小的順序進行排序得到(9，9，9，8.5，8.5)。評價者的個數n=5，則由公式(1)求得賦權向量?j=(0.06，0.25，0.38，0.25，0.06)，則B1的權重為：

同理可計算出w2至w4，依次為8.25，9.44，8.91。

各二級指標權重向量的計算與一級指標的計算過程相同，計算結果如下：

3.2 模糊理論結合數學期望進行風險評價

利用該建設項目風險評價二級指標的權重和期望值來計算一級指標的期望值，在模糊集矩陣中將二級指標的評估值劃分為5個等級，令v1，v2，v3，v4，v5分別為10，8，6，4，2，則[10，8)[8，6)[6，4)[4，2)[2，0)分別表示高風險、較高風險、中等風險、較低風險、低風險。選取20名專家對各二級指標進行評估，結果如表3所示。

表3 F市某地鐵項目施工風險評價結果

經公式(4)計算，F市某地鐵項目施工風險總數學期望值為6.17，根據風險劃分標準可知該項目處于“較高風險”級別，對此，施工管理人員要及時制定改進措施來防范風險的發生。將風險指標按數學期望值由高到低排序，排在前兩位的定為主要風險因素，則F市某地鐵項目施工一級風險指標中主要風險因素為環境因素和施工技術，其中，地質條件和周邊建筑環境是環境因素二級指標中的主要風險因素，支護和降排水情況是施工技術二級指標中的主要風險因素。

3.3 地鐵建設項目施工主要風險因素控制措施

針對F市某地鐵項目施工過程中地質條件、周邊建筑環境、降排水情況、支護4個主要風險因素應加以重點防范，制定詳細的控制措施。

地質條件措施：在進行地鐵基坑開挖工程時，不僅應注意基坑側壁的巖土材料復雜性，而且對其他各種偶然因素的作用也要進行全過程動態監測。基坑在支護時應針對其特性采用“短開挖、快封閉、強措施、防滲入、留基土”施工方法，盡可能地減少膨脹土的危害。

周邊建筑環境措施：在基坑開挖的過程中，應運用土的時空效應原理，即在基坑內土方開挖后，利用土體變形在時間上和空間上的滯后性，及時架設支撐和預加軸力來平衡圍護內外土的壓力差，防止圍護變形和周邊建筑物沉降，以保障周圍建筑物的安全，同時也要保障市政管線設施的正常使用。

支護措施：基坑支護施工管理是一項復雜而且重要的管理工作，首先要加強對施工人員的管理，嚴格按照施工工藝順序及技術要求進行施工，在基坑開挖的過程中，要及時進行動態監測來獲得支護結構和土體變化的動態，以便及時調整施工方案。

降排水情況措施：及時記錄氣候條件，防止下雨天雨水浸入，定期進行水位觀察，加強對基坑周圍地表沉降以及建筑物的位移監測，實施信息化施工管理，及時上報監測數據，嚴格控制降水對基坑的影響。

4 結語

在構建地鐵施工項目風險評價模型分析地鐵施工的風險時，專家給出的決策數據極端值可能會對風險因素權重的確定帶來不利影響，利用OWA算法可以在一定范圍內削弱這種影響，使確定的指標權重相對合理。地鐵施工風險的各評價指標多具有一定的模糊性，基于模糊數學的地鐵施工風險評價能夠對地鐵施工風險進行量化，得到具體的地鐵施工風險數學期望值，按照此值的大小可以判斷風險的高低，從而及時采取有效預防措施來控制風險事故的發生。本研究采用的方法對地鐵施工風險評價具有一定的參考價值。