基于物元可拓理論的建筑施工安全風(fēng)險評價

許蕓蕓

(唐山學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

0 引言

建筑行業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，改革開放40多年來為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。目前建筑行業(yè)仍處于較快發(fā)展進(jìn)程中，總體規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而近些年來建筑施工生產(chǎn)事故頻發(fā)，不僅造成了人員傷亡和財產(chǎn)損失，而且還對行業(yè)以及社會發(fā)展帶來了不良影響。建筑施工過程復(fù)雜，影響因素眾多，各系統(tǒng)立體交叉，且施工周期較長，其復(fù)雜性與多樣性決定了建筑施工是一個高危行業(yè)。因此有必要對影響施工安全的各類風(fēng)險因素進(jìn)行辨識與評價，以便采取相應(yīng)措施保證施工安全。

近些年來不少學(xué)者從不同角度對建筑施工過程中的風(fēng)險識別與評價方法進(jìn)行了研究。如Choudhry等[1]通過對建筑工地事故進(jìn)行調(diào)查分析，研究發(fā)現(xiàn)人的不安全行為以及施工環(huán)境存在的風(fēng)險是導(dǎo)致建筑施工過程事故發(fā)生的主要因素；施式亮等[2]研究了建筑施工過程中高處墜落事故的風(fēng)險評價指標(biāo)體系，分層確定了人員素質(zhì)、環(huán)境條件、生產(chǎn)設(shè)備、安全管理4個一類因素和23個二類因素，構(gòu)建了AHP-Fuzzy評價模型，并進(jìn)行應(yīng)用，證明了其可靠性與實用性；杜婷等[3]引入置信度參數(shù)對安全檢查評分進(jìn)行修正，運(yùn)用層次分析法并結(jié)合Matlab軟件確定評價指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建了建筑項目施工安全模糊綜合評價模型；黃雄飛等[4]建立了以安全制度管理、安全設(shè)備管理、安全技術(shù)管理、現(xiàn)場安全管理為準(zhǔn)則層的指標(biāo)體系，并通過G1賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建了建筑施工安全管理模糊綜合評價模型，證明了模糊綜合層次分析法對建筑施工安全評價的適用性；馮亞娟等[5]針對裝配式建筑施工過程的復(fù)雜性，聯(lián)合應(yīng)用熵權(quán)(EW)法和集對分析(SPA)法，構(gòu)建了基于EW-SPA的裝配式建筑施工安全評價模型。

綜上可以看出，各學(xué)者針對建筑施工安全風(fēng)險評價進(jìn)行了深入研究，但由于受風(fēng)險的復(fù)雜性與評價方法的主觀性影響，評價結(jié)果缺乏客觀性，準(zhǔn)確度也有待提高。物元可拓理論由我國蔡文[6]教授在1983年首次提出，并于1994年進(jìn)行了較為系統(tǒng)的描述，其主要任務(wù)是研究物元關(guān)系與可拓性，然后采用定性定量結(jié)合的方式提供決策依據(jù)。目前，關(guān)于物元可拓理論的研究已經(jīng)取得了不少成果[7-9]。本研究將物元可拓理論應(yīng)用于建筑施工安全風(fēng)險評價中，構(gòu)建適用于建筑施工安全風(fēng)險的評價指標(biāo)體系，并選用操作簡便、客觀性良好的G1法確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建G1法-物元可拓理論綜合評價模型，對建筑施工安全進(jìn)行定性定量的風(fēng)險評價，以提高建筑施工過程的安全性。

1 建筑施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系

為建立科學(xué)、系統(tǒng)的建筑施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系，通過查閱資料，分析建筑施工事故的影響因素，在初步篩選指標(biāo)后，結(jié)合專家訪談，設(shè)計構(gòu)建了多因素的建筑施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系，見表1。指標(biāo)體系中歸納了包括人員因素、技術(shù)因素、設(shè)備與材料因素、環(huán)境因素、管理因素5個一級指標(biāo)，之后進(jìn)一步對一級指標(biāo)進(jìn)行細(xì)致劃分，歸納了15個二級指標(biāo)，指標(biāo)涵蓋較為全面，具有可操作性。

表1 建筑施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系

根據(jù)建筑施工領(lǐng)域法律法規(guī)，對建筑施工過程風(fēng)險等級進(jìn)行分級，共分為4級，依次為低風(fēng)險、中等風(fēng)險、高風(fēng)險、極大風(fēng)險，表示方式對應(yīng)為U={U1，U2，U3，U4}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}，具體風(fēng)險等級劃分見表2。

表2 風(fēng)險等級劃分

2 G1法-物元可拓理論綜合評價模型

2.1 物元可拓理論模型的建立

物元是描述事物的有序三元組，用R=(N，C，V)表示，其中N是事物名稱，C是事物特征，V是事物特征的量值。

2.1.1 經(jīng)典域與節(jié)域

(1)

式中，Nj表示待評對象的第j等級；Ci表示待評對象的特征指標(biāo)；Vji表示各指標(biāo)的量值范圍，即經(jīng)典域；aji表示對應(yīng)指標(biāo)特征的下限取值，bji表示上限取值。

(2)

式中，Np表示全部風(fēng)險等級；Vpi表示Np對Ci的量值范圍，即節(jié)域；api表示對應(yīng)指標(biāo)特征在全體等級的下限取值，bpi表示上限取值。

2.1.2 待評物元

(3)

式中，N0為待評物元；Ci表示待評物元的特征指標(biāo)；Vi表示各指標(biāo)的實際量值。

2.1.3 G1法確定權(quán)重

對于多指標(biāo)的綜合評價，目前應(yīng)用較為廣泛的是AHP法。然而AHP法卻存在一些不足，例如實際操作復(fù)雜、在研究多指標(biāo)問題時可能無法滿足一致性檢驗等。G1法是東北大學(xué)郭亞軍[10]教授基于AHP法改良提出的，它通過確定指標(biāo)序關(guān)系并對其進(jìn)行重要度賦值，確定權(quán)重。G1法的優(yōu)點主要在于計算量較AHP法大大減少，并且無須構(gòu)建判斷矩陣和進(jìn)行一致性檢驗，可操作性高。

2.1.3.1 確定序關(guān)系

若評價指標(biāo)Xi在某評價準(zhǔn)則下判定的重要程度大于(或不小于)Xj，則記Xi>Xj。

若評價指標(biāo)X1，X2，…Xm相對于某評價準(zhǔn)則的重要程度具有以下關(guān)系式，

Xi>Xj>…>Xk，i，j，…，k=1，2，…，m。

(4)

則稱評價指標(biāo)之間按“>”確定了序關(guān)系。

對于評價指標(biāo)集{X1，X2，…Xm}，可按以下步驟建立序關(guān)系。

在評價指標(biāo)集中選出認(rèn)為最重要的一個指標(biāo)，記為Xi；在剩余的m-1個指標(biāo)中選出最重要的一個指標(biāo)，記為Xj；依此方法，在余下的m-(k-1)個指標(biāo)中選出最重要的一個指標(biāo)，記為Xn；將最終剩余的指標(biāo)記為Xk。通過該步驟可確定一個唯一的序關(guān)系。

2.1.3.2 確定鄰近指標(biāo)間的重要度

關(guān)于鄰近指標(biāo)間的重要度之比rk可以表示為：

rk=ωk-1/ωk，k=m，m-1，…，3，2。

(5)

式中，ωk為第k個指標(biāo)的權(quán)重。

應(yīng)用此式可以依次得出按序關(guān)系排列的各指標(biāo)間的相對重要度。rk的取值參照表3。

表3 指標(biāo)相對重要度

2.1.3.3 計算權(quán)重系數(shù)

由表3和式(5)可得：

rk-1≥rk，k=m，m-1，…，3，2。

(6)

(7)

ωk-1=rkωk，k=m，m-1，…，3，2。

(8)

2.1.4 計算關(guān)聯(lián)度

引入經(jīng)典數(shù)學(xué)中距的概念來定義點與區(qū)間的關(guān)系，構(gòu)建關(guān)聯(lián)度函數(shù)，計算指標(biāo)關(guān)于各級風(fēng)險的關(guān)聯(lián)度Kj(vi)。設(shè)x0為實數(shù)域內(nèi)任一點，x(a，b)為實數(shù)域內(nèi)任一開、閉區(qū)間，則x0與區(qū)間x(a，b)的距可表達(dá)為：

(9)

關(guān)聯(lián)度表達(dá)式為：

(10)

式中，Kj(vi)表示第i個指標(biāo)關(guān)于第j風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度；ρ(vi，Vij)為待評物元量值與經(jīng)典域的距離；ρ(vi，Vpj)為待評物元量值與節(jié)域的距離。

2.2 風(fēng)險等級的確定

各等級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度與其權(quán)重的乘積之和視為加權(quán)關(guān)聯(lián)度，代表不同層次指標(biāo)在各風(fēng)險等級下的綜合關(guān)聯(lián)度，計算公式為：

(11)

式中，ωi為評價指標(biāo)權(quán)重。

根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，若Kj0=max{Kj(N0)}，則確定待評對象的風(fēng)險等級為j0級。

3 實證研究

以河北省某建筑工程項目為例，運(yùn)用本文構(gòu)建的建筑施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系與G1法-物元可拓理論綜合評價模型進(jìn)行風(fēng)險分析。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，邀請專家對評價指標(biāo)體系的各指標(biāo)實際狀況進(jìn)行打分，并取平均值，滿分為100分。一級、二級各指標(biāo)得分情況見表4。

表4 建筑施工安全風(fēng)險指標(biāo)得分情況及權(quán)重

3.1 確定經(jīng)典域、節(jié)域與待評物元

根據(jù)表2對風(fēng)險等級的劃分，確定經(jīng)典域、節(jié)域與待評物元。下面以人員因素為例進(jìn)行介紹。

經(jīng)典域如下：

(12)

(13)

(14)

(15)

節(jié)域如下：

(16)

待評物元如下：

(17)

3.2 G1法計算指標(biāo)權(quán)重

結(jié)合資料與現(xiàn)場實際，對一級指標(biāo)進(jìn)行排序，得到其重要性排序，從大到小依次為人員因素、技術(shù)因素、設(shè)備與材料因素、管理因素、環(huán)境因素，記為X1，X2，X3，X4，X5。

對一級指標(biāo)排序后，請專家根據(jù)表3對各鄰近指標(biāo)間的重要程度進(jìn)行賦值，并取平均值，得到一級指標(biāo)間的重要程度，對應(yīng)的r={1.3，1.2，1.1，1.3}。依此類推，得到各二級指標(biāo)間的重要程度。

根據(jù)式(7)、式(8)計算一、二級指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表4。

3.3 計算關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式(10)和式(11)計算指標(biāo)風(fēng)險關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表5和表6。

表5 二級指標(biāo)風(fēng)險關(guān)聯(lián)度

表6 一級指標(biāo)風(fēng)險關(guān)聯(lián)度

3.4 確定風(fēng)險等級

計算總目標(biāo)關(guān)于各等級的關(guān)聯(lián)度，分別得到：K1=-0.212，K2=0.048，K3=0.004，K4=-0.492。

由于max{Kj(N0)}=K2=0.048，因此可以得出結(jié)論：該建筑項目施工風(fēng)險等級為Ⅱ級，與實際情況相符。在影響建筑施工安全的因素中，設(shè)備可靠性、設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)、材料質(zhì)量、材料運(yùn)輸與堆放、施工現(xiàn)場環(huán)境各指標(biāo)因素危險性較大，需要加強(qiáng)管理。

4 結(jié)論

(1)本文通過文獻(xiàn)研究與專家論證，構(gòu)建了多因素的建筑施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系，其中包括5個一級指標(biāo)和15個二級指標(biāo)。

(2)將物元可拓理論應(yīng)用于建筑施工安全風(fēng)險評價中，構(gòu)建了G1法-物元可拓理論綜合評價模型，進(jìn)行科學(xué)賦權(quán)與風(fēng)險等級計算，最終得出的評價結(jié)果與實際情況相符，這表明該方法具有一定的可靠性，可為相關(guān)工程安全評價提供參考。