基于優化AHP與物元可拓模型的高層建筑施工安全風險評價

謝尊賢， 徐 寶a， 駱信慧a， 姚 聰b

(1. 西安建筑科技大學 a. 管理學院； b. 公共管理學院； c. 高教研究所, 陜西 西安 710055)

隨著我國城鎮化建設步伐的不斷加快，以及經濟發展的轉型和人口結構的變化[1]，城市土地資源變得越來越稀缺，高層、超高層建筑在各個城市的建設必不可少。但高層建筑在施工上具有高(樓層多而高，高處作業多)、長(工期緊周期長，跨越四季)、深(基礎深，基坑支護和地基處理復雜)、大(工程量大，工序多，立體交叉作業多，垂直運輸量大，配合復雜，施工準備工作量大)等顯著特點，其施工安全問題突出，慘重的人員傷害甚至死亡事故頻發。只有注重施工過程中的安全管理，辨識高層建筑施工過程中可能出現的重大危險源[2]，通過系統評價高層建筑施工的安全性，才能在建筑施工安全風險管理中做到防微杜漸，防患于未然，從而預防安全事故的發生。

建筑施工安全事故具有很大的偶然性和隨機性，如何防范施工事故的發生，確保建筑施工安全的問題，一直以來是學者研究的熱點。雖然學者們在高層建筑施工項目的安全風險評價上已有一定的研究，如：Ng等[3]提出了一個安全績效評估體系，用來控制和監測施工企業的安全行為；田瓊[4]結合 “根地·中山城” 工程項目實際情況建立指標體系，運用模糊層次分析法對其進行了安全評價；齊錫晶等[5]根據我國相關標準選取了16項安全風險因素，運用粗糙集理論進行了安全評價。但學者們目前就高層建筑施工安全風險評價研究的文獻尚少。由于物元可拓模型[6～9]是定性與定量相結合的方法，可以將諸多因素的評價最終轉化為單目標的決策，評價結果客觀，避免了主觀性，已被廣泛成功應用于多個領域的安全評估。物元可拓模型權重的客觀準確性對評價結果影響很大。層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是客觀確定權重的常用方法之一，為使確定的指標權重客觀準確，通常采取由若干評價專家組成專家組的方式確定權重，其核心是判斷矩陣的構造及其特征向量的一致性檢驗，在應用中判斷矩陣一般是采取由評價專家組共同商定或由專家組各成員獨立構造后再求相應元素平均值的方式構造，但無論采用何種方式，若所構造的判斷矩陣通不過一致性檢驗，則要重新構造，不便之處不言而喻。但在既有研究文獻中，對于以此方式確定權重的表述，一般只有結果而無計算過程，究竟是如何確定的權重，不得而知，讀者往往會產生不必要的疑慮和困惑。基于此，為提高AHP確定權重的科學性和客觀性，本文優化AHP的權重計算方法，并將其與物元可拓模型有機結合構建高層建筑施工安全風險評價的優化AHP-物元可拓模型，進行高層建筑施工安全風險評價，提出相應安全管理措施，對于指導高層建筑安全施工，防范并減少施工安全事故的發生及AHP的廣泛應用具有重要意義。

1 高層建筑施工安全風險評價指標體系構建及等級劃分

1.1 施工安全風險評價指標體系構建

高層建筑施工安全風險評價指標體系構建是一項復雜的系統工程，本文本著科學、客觀和系統的原則，結合高層建筑施工的特點，參考《建筑施工現場安全檢查標準》、JGJ 592019《建筑施工安全檢查標準》、《工程建設標準強制性條文》(房屋建筑部分)、GB 50352-2005《民用建筑設計通則》等文獻資料，根據事故致因理論分析高層建筑施工安全事故的成因，并咨詢聽取專家意見，運用DEMATEL(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)方法分析遴選，從“人員 - 設備 - 環境 - 管理 - 技術”角度著手，系統構建了由人員因素、設施設備因素、環境因素、管理因素、方案及技術因素5個一級指標和施工安全管理崗位設置與專業人員配備等25個二級指標構成的高層建筑施工安全風險評價指標體系，見表1。

表1 高層建筑施工安全風險評價指標體系及某案例計算值

續表1

1.2 高層建筑施工安全風險等級劃分

根據國家規定的《建筑施工現場安全檢查標準》、JGJ 592019《建筑施工安全檢查標準》，以及施工安全檢查經驗，并征求相關專家意見，將建筑施工的安全風險等級劃分為安全、較安全、不安全、嚴重不安全4個等級，以U={u1,u2,u3,u4}表示高層建筑施工安全風險等級域，見表2。

表2 安全等級及對應分值

2 高層建筑施工安全風險物元多級可拓評價模型構建

2.1 物元構建及其經典域、節域、待評價物元確定

(1)構建物元

記以事物N、特征名稱c和相應的量值v構成的有序三元組r=[N,c,v]為描述事物N的基本元(一維物元)，其中由c和v構成的二元組[c,v]為事物N的特征元。令R=[N,C,V]表示事物N具有多個特征元的多維參變量物元，其中特征C={c1,c2,…,cm}(m為N的特征數)，對應的量值V={v1,v2,…,vm}。

本文以高層建筑施工安全風險程度為事物N構建多維物元：R=[N,C,V]，C為高層建筑施工安全風險評價的指標集，V為C的量值。

(2)確定經典域Rg

令Rg為物元R的經典域，即：

(1)

式中：Ug為高層建筑施工安全風險等級域U中g安全級別(g=1,2,…,l)；Vg為評價指標集C關于安全等級Ug的量值范圍；agi,bgi分別為指標ci在g安全等級的下限值和上限值。

(3)確定節域Ru

令Ru為物元R的節域，即：

(2)

式中：Vu為評價指標集C關于安全等級域U的量值范圍；aui，bui分別表示指標ci在全部安全等級的下限值和上限值。

(4)確定待評價物元Ri

Ri為物元R的待評物元，即：

(3)

式中：ci為高層建筑施工安全風險程度的第i個待評價一級指標；Ci={ci1,ci2,…,cin}為ci的二級評價指標集，其中cij為ci的第j個二級待評價指標；vij為專家對于cij的評價賦值，Vi為專家對ci各二級評價指標評價賦值的集合。

2.2 AHP應用優化與指標權重確定

本文優化AHP計算評價指標權重的基本原理為：由專家組各成員獨自構造評價指標判斷矩陣并采用求根法求出其特征向量，再對其進行一致性檢驗，由此評判各專家在判斷指標重要性時是否前后矛盾；凡通過一致性檢驗的專家所構造判斷矩陣的特征向量即為其對各評價指標所賦的有效權重向量；對所有通過一致性檢驗的專家所賦的有效權重按指標分別進行算術平均后，即可得出專家組確定的各評價指標權重。

(1)構造判斷矩陣與確定特征向量

1)構造判斷矩陣A

專家組成員根據表3所示AHP的國際通用標度表取值，各自獨立對高層建筑施工安全風險因素進行兩兩對比，分別構造判斷矩陣A。

表3 AHP標度

A=(aij)mn

(4)

式中：aij為專家對指標因素i與j的對比結果。

2)將判斷矩陣A按行求積后再求根得到向量V：

(5)

3)將向量V=[v1,v2,…,vm]T歸一化處理得到判斷矩陣A的特征向量W：

(6)

(2)對判斷矩陣A進行一致性檢驗

1)計算判斷矩陣A的最大特征值λmax：

(7)

式中：(AW)i為向量AW的第i個元素。

2)計算判斷矩陣A的一致性指標CI：

(8)

3)計算隨機一致性比率CR，并判斷矩陣A的一致性。

(9)

式中：RI為平均隨機一致性指標，見表4。

表4 平均隨機一致性指標

若一致性比率CR小于0.1，則通過一致性檢驗，否則不然。

(3)確定評價指標權重

凡通過一致性檢驗者即為對評價指標有效賦權的專家，其所構造的判斷矩陣A的特征向量W=[w1,w2,…,wm]為其對評價指標所賦的有效權重向量，而未通過一致性檢驗者為對評價指標無效賦權的專家。按評價指標分別計算出專家組中各有效賦權專家對相應指標所賦有效權重的算術平均值，即為專家組對各評價指標所賦的權重。

2.3 高層建筑施工安全風險多級可拓評價

(1)一級評價

1)計算二級評價指標關聯度。關聯度表示待評物元與經典域的貼近度，引入經典數學中距的概念，建立高層建筑施工安全風險評價的二級待評價指標cij關于施工安全風險等級Ug的關聯函數，即可計算出一級指標ci的第j個二級指標關于安全風險等級Ug(g=1,2,…,l)的關聯度Kg(cij)。

(10)

式中：ρ(vij,Vg)，ρ(vij,Vu)分別為vij到Vg，Vu的距，即：

若某二級指標為《建筑施工安全檢查標準》規定的保證項目，且在評價時被評價專家一票否決，即賦以0分，則其關于各等級的關聯度均為-1，超出了關聯度的臨界值，為存在有不允許的極端安全風險，應立即停工整改，無需繼續進行評價工作。

(2)二級評價

1)計算一級評價指標關聯度。高層建筑施工安全風險一級評價指標ci對各安全風險等級的關聯度矩陣K(ci)由其各二級評價指標的權重向量Wi與二級評價指標對各安全風險等級的關聯度矩陣K(cij)相乘而得。即：

K(ci)=WiK(cij)=(wij)(kg(cij))

=(wi1,wi2,…,win)·

=(kg(ci))

(11)

(3)三級評價

1)計算高層建筑施工安全綜合關聯度。高層建筑施工關于各安全風險等級的綜合關聯度K(c)由其各一級指標的權重向量W=(wi)與各一級指標對各安全風險等級的關聯度矩陣K(ci)相乘確定。即：

K(c)=WK(ci)=(wi)(kg(ci))

=[w1,w2,…,wm]·

=(kg(c))

(12)

3 實證分析研究

以西安某高層建筑施工為例，應用本文構建的高層建筑施工安全風險評價指標體系和模型對該工程施工安全風險進行評價。邀請施工安全管理專家共10人，對高層建筑施工安全風險評價指標體系中各指標的實際安全狀況采用10分制進行匿名量化賦分，并按指標分別求出的算數平均值，即為各二級評價指標的專家賦值，見表1。

3.1 經典域、節域及待評價物元確定

(1)確定經典域Rg

依據本文所建立的高層建筑施工安全風險等級域U和式(1)確定各等級的經典域Rg分別為：

(2)確定節域Ru

由式(2)確定節域Ru為：

(3)確定待評物元Ri

3.2 評價指標權重計算

(1)一級評價指標權重計算

由受邀的10位專家各自獨立根據表3和式(4)對各一級風險指標進行兩兩比對，各自獨立構造其判斷矩陣從而求出高層建筑施工安全風險一級評價指標的權重。以專家1為例介紹專家賦權方法如下：

1)構造判斷矩陣及確定其特征向量

①構造一級評價指標的判斷矩陣A。該專家根據表3和式(4)所構造的判斷矩陣A為：

②將判斷矩陣A按行求積后再求根得到矩陣V。V=[3.4375 1.6438 1.0456 0.6683 0.2532]T。

③將向量V歸一化處理得到判斷矩陣A的特征向量W。W=[0.4877 0.2333 0.1483 0.0948 0.0359]T。

2)對判斷矩陣A的一致性檢驗與權重確定

①計算A的最大特征值λmax：

由式(7)計算出判斷矩陣A的最大特征值：

③計算隨機一致性比率CR。由表4可查知隨機一致性指標RI=1.12。由式(9)可求得：

因CR=0.0369<0.1，則專家1所構造的判斷矩陣A通過一致性檢驗。

3)確定評價指標權重

因專家1所構造的判斷矩陣A通過了一致性檢驗，故其對評價指標的賦權為有效賦權，其所構造的判斷矩陣的特征向量W為其對該高層建筑施工安全風險一級評價指標所賦的權重，即：w11=0.4877，w12=0.2333，w13=0.1483，w14=0.0948，w15=0.0359。

同理，可計算出專家組中其他專家成員所構造判斷矩陣的特征向量，其中所構造的判斷矩陣通過一致性檢驗的專家有7位，其對各一級安全評價指標所賦權重見表5。

表5 各有效賦權專家所確定的權重

對上述7位專家所賦權重按指標分別算術平均，則可得出專家組對該高層建筑施工安全風險一級評價指標的權重為：w1=0.4329，w2=0.2777，w3=0.1449，w4=0.0793，w5=0.0651。

(2)二級評價指標權重計算

同理，由受邀的10位專家各自對該高層建筑施工安全風險評價的人員因素、設施設備因素、環境因素、方案及技術因素、管理因素等一級指標的各二級評價指標分別獨立構造判斷矩陣，并通過計算可得出各二級評價指標的權重見表1。

3.3 該高層建筑施工安全風險多級可拓評價

(1)一級評價

依次類推，可計算出c11關于其他各風險等級的關聯度為：K2(c11)=-0.1296，K3(c11)=0.1750，K4(c11)=-0.4125。

同理，可計算出其它各二級指標關于各安全風險等級的關聯度值，見表1。

(2)二級評價

以一級指標c1為例，介紹一級指標關聯度計算方法。由式(11)確定其關于各風險等級的關聯度值為：K(c1)=W1K(c1j)=(w1j)(kg(c1j))=[-0.2700 0.1720 -0.1604 -0.5802]。

同理，可分別計算出其它各一級指標關于各安全風險等級的關聯度值為：

K(c2)=[-0.3293 0.0364 0.0112 -0.4944]，

K(c3)=[-0.3165 0.1040 -0.0429 -0.5215]，

K(c4)=[-0.3359 -0.0126 0.0187 -0.4900]，

K(c5)=[-0.2652 0.1627 -0.1626 -0.5813]。

(3)三級評價

根據式(12)確定該高層建筑施工安全風險針對各安全風險等級的綜合關聯度值為：K(c)=WK(ci)=(wi)(kg(ci))=[-0.2981 0.1092 -0.0816 -0.5407]。

3.4 評價結果分析及其整改建議措施

經評價得出該高層建筑施工的總體安全風險為2級，即屬于“較安全”，但存在一定安全隱患。具體由二級評價結果來看，在5個一級評價指標中除方案及技術因素所處的安全風險等級為3級(不安全)外，其余各一級指標所處的安全風險等級均為2級(較安全)，這表明各一級評價指標均存在一定安全隱患。再由一級評價結果來看，除人員因素中的施工安全管理崗位設置與專業人員配備、作業人員的遵規守紀和特種作業人員持證上崗，設施設備風險因素中的“四口”等高處防護及隔離措施，環境因素中的作業環境情況，方案及技術因素中的起重吊裝設備使用和高大模板工程與基坑支護等專項施工，以及管理因素中的施工安全管理制度和施工安全事故應急預案與演練等二級安全評價指標的安全風險等級為3級(不安全)外，其余各二級安全評價指標的安全風險等級為2級(較安全)。

根據評價結果及針對上述分析結果，為確保該工程項目的施工安全，做到防微杜漸，防患于未然，建議該高層建筑施工項目，在全面做好安全風險整改的同時，著重做好下述整改工作：(1)在人員因素方面，要加強施工安全管理人員配備并提升專業能力，加強對作業人員的遵規守紀教育，杜絕特種作業人員無證上崗情況的發生；(2)在設施設備風險因素方面，要嚴格做好“四口”等高處防護及隔離工作, 尤其是“四口”“五臨邊”的防護及其防護設施的制作必須按照規范要求實施，不應流于形式；(3)在環境因素方面，要進一步加大作業環境治理工作，對施工照明、臨時設施標準化和職業衛生管控等諸多方面加強巡查，制定安全檢查制度，將不定期檢查、周檢和月檢相結合，及時公布檢查結果和對不合理現象進行更改；(4)在方案及技術因素方面，要指派專人監守崗位并監護，禁止非作業人員入內，在吊裝現場設置安全警戒標志，在進行高大模板專項施工時須重視施工現場扣件和腳手架鋼管的安全使用，應重視模板支撐體系搭設的構造要求；(5)在管理因素方面，要進一步完善施工安全管理制度并嚴格貫徹執行，進一步完善施工安全事故應急預案，并加強應急演練工作。

4 結 論

(1)本文結合高層建筑施工實際情況，從人員、設備、環境、技術及管理角度著手，系統構建了由人員因素、設施設備因素、環境因素、方案及技術因素、管理因素5個一級指標和施工安全管理崗位設置與專業人員配備等25個二級指標構成的高層建筑施工安全風險評價指標體系。

(2)優化了AHP應用于權重計算的方法并與物元可拓模型有機結合，構建了高層建筑施工安全風險評價的優化AHP - 物元可拓模型。

(3)運用該指標體系和模型對西安某高層建筑施工工程項目安全風險評價的案例進行了實證研究，所得安全風險等級為2級(較安全)，與實際狀況相符，驗證了該指標體系和模型的可靠性和適用性。

(4)通過多級可拓評價為該高層建筑施工工程項目針對性地提出了進一步加強施工安全工作的整改建議措施。

(5)提出了將AHP應用于客觀計算評價指標權重的優化方法，為AHP應用于計算評價指標權重提供了一種新的視角和手段：由專家組各成員獨自構造評價指標判斷矩陣，求出其特征向量，并對其進行一致性檢驗，由此評判各專家在判斷指標重要性時是否前后矛盾；凡通過一致性檢驗的專家所構造判斷矩陣的特征向量即為其對各評價指標所賦的有效權重向量；對所有通過一致性檢驗的專家所賦的有效權重按指標分別進行算術平均后，即可得出專家組確定的各評價指標權重。