基于組合賦權(quán)二維云模型的裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

楊元元，趙延龍，2

（1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

引言

近年來(lái)，我國(guó)大力推行建筑工業(yè)化，裝配式建筑以其生產(chǎn)高效、節(jié)能環(huán)保、縮短工期、利于冬季施工等特點(diǎn)，成為實(shí)施建筑工業(yè)化的主要舉措［1］。因其吊裝施工過(guò)程中預(yù)制構(gòu)件重量大、吊裝作業(yè)施工范圍跨度大，橫跨整個(gè)作業(yè)區(qū)域的人和物之上、吊裝作業(yè)條件復(fù)雜需要多個(gè)工種的配合等特點(diǎn)，使其風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多而難以控制致使安全事故頻發(fā)。故有必要對(duì)裝配式建筑吊裝施工安全性進(jìn)行研究，以降低其安全事故發(fā)生率與提高安全管理水平。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)裝配式建筑的安全性問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，并取得一定成果。Jolanta Tamo?aitiene［2］對(duì)預(yù)制裝配式住宅的吊裝施工環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析其影響安全的主要因素，并提出了相應(yīng)的對(duì)策；申玲等［3］對(duì)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)運(yùn)用云貝葉斯模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)裝配式建筑安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。陳偉等［4］利用物理-事理-人理（WSP）方法識(shí)別出影響裝配式建筑施工安全的關(guān)鍵載體，再以風(fēng)險(xiǎn)傳導(dǎo)路徑搜索到關(guān)鍵影響安全風(fēng)險(xiǎn)因素。徐向川等［5］在吊裝環(huán)節(jié)的危險(xiǎn)源辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，提出了在設(shè)備吊裝環(huán)節(jié)的控制措施及監(jiān)督要點(diǎn)；姜貝貝等［6］通過(guò)研發(fā)室內(nèi)受限空間大型快速吊裝施工技術(shù)，快速有效的解決了在建筑物內(nèi)部進(jìn)行大型構(gòu)件吊裝施工材料運(yùn)輸?shù)碾y題；李峰［7］研究了影響吊裝的安全因素及吊裝施工中可能的風(fēng)險(xiǎn)性，提出了對(duì)應(yīng)的預(yù)防安全事故的措施等。目前項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有模糊概率化的事故樹(shù)、AHP法［8］、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［9］、灰色熵權(quán)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)［10］、LEC法等，這些方法在風(fēng)險(xiǎn)管理層面已取得了相應(yīng)的成果，但在裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)上尚未形成完整的評(píng)價(jià)體系，又因選取的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)具有模糊性與隨機(jī)性的特征，故很多評(píng)價(jià)方法并不能真實(shí)可靠的反映實(shí)際工程存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。云模型可綜合解決因評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性與隨機(jī)性對(duì)構(gòu)件吊裝施工的安全性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)的影響。近年來(lái)，二維云模型已被應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面。徐長(zhǎng)寶等［11］將二維云模型用于預(yù)測(cè)繼電保護(hù)設(shè)備的故障率；姜增國(guó)等［12］、王景春等［13］將二維云模型應(yīng)用于橋梁施工與深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中；但目前已有研究成果并未對(duì)裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工安全范疇的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行相關(guān)研究。

筆者擬構(gòu)建基于二維云模型的裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，選取主客觀相結(jié)合的賦權(quán)法來(lái)確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重，再將組合權(quán)重與二維云模型相結(jié)合，進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，從而確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。以期更好地提高裝配式建筑構(gòu)件施工過(guò)程的安全管理水平。

1 組合賦權(quán)二維云模型理論

1.1 組合賦權(quán)

對(duì)于多指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法一般歸納為主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法兩大類(lèi)。其中主觀賦權(quán)法是根據(jù)決策者的主觀認(rèn)知來(lái)判定權(quán)重的一種方法，因其太過(guò)于依賴(lài)決策者的主觀意見(jiàn)而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果隨意性太強(qiáng)且難以克服，如G1法、G2法、德?tīng)柗品āHP法等。客觀賦權(quán)法是通過(guò)相應(yīng)的規(guī)則客觀計(jì)算得出指標(biāo)的權(quán)重，雖不受人為因素的干擾，但其評(píng)價(jià)結(jié)果有時(shí)偏離真實(shí)情況，如熵權(quán)法、主成分分析法、標(biāo)準(zhǔn)離差法等。總之，采用單一的賦權(quán)方法具有局限性，本文為兼顧主觀賦權(quán)法在指標(biāo)選取的優(yōu)勢(shì)與客觀賦權(quán)法在權(quán)重區(qū)分度的可靠性，故采用組合賦權(quán)法來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重。首先，選取改進(jìn)G2法確定主觀權(quán)重，G2法是一種能夠充分體現(xiàn)決策者主觀意愿和偏好的主觀賦權(quán)法。為降低決策者或?qū)＜业闹饔^影響和重要性系數(shù)的分配不合理問(wèn)題，本文采用基于變異系數(shù)的改進(jìn)G2賦權(quán)法［14］。然后，采用反熵權(quán)法確定客觀權(quán)重。熵權(quán)法是一種依賴(lài)指標(biāo)數(shù)據(jù)的客觀賦權(quán)法［15］。因熵權(quán)法在計(jì)算權(quán)重時(shí)靈敏度太強(qiáng)，容易造成一些指標(biāo)失效，為克服靈敏度高而導(dǎo)致的極端問(wèn)題，引入反熵權(quán)法［16］。最后，為優(yōu)化主客觀的組合權(quán)重，文中采用極小化組合權(quán)重與各基本權(quán)重之間的偏差的線(xiàn)性組合的方法。組合權(quán)重可表示為：

式中，α、β為最優(yōu)組合系數(shù)，分別代表了主觀、客觀權(quán)重的加權(quán)系數(shù)。構(gòu)建如下的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型［17］

將β用1－α表示，帶入模型后，解得α=0.5，β=0.5。因此，最優(yōu)的組合權(quán)重為

1.2 二維云模型

云模型是由李德毅教授在深入研究概率統(tǒng)計(jì)和模糊理論的基礎(chǔ)上提出的一種關(guān)于定性和定量之間相互轉(zhuǎn)化的模型，充分考慮到了事物之間的隨機(jī)性和模糊性。云的數(shù)字特征用于描述云的形態(tài)分布，從而反應(yīng)出相應(yīng)概念的數(shù)學(xué)特性。云的數(shù)字特征包括期望Ex、熵En和超熵He，3個(gè)參數(shù)共同決定了云圖的分布。其中期望Ex是反映論域空間的中心值，在云圖上的表征為最高點(diǎn)，故而是最能夠表示定性概念的點(diǎn)；熵En是反映一個(gè)定性概念可被度量范圍，在云模型中表征為云滴離散程度，同時(shí)又反映著云形的“跨度”；超熵He是反映熵的不確定性，即熵的熵，用于表征論域空間代表該語(yǔ)言值的所有點(diǎn)的不確定度的凝聚性，反映為云形的厚度。二維云模型通過(guò)兩組定性概念的數(shù)字特征（EX，En，He）來(lái)構(gòu)建模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：G代表具有正態(tài)分布特征的二維隨機(jī)函數(shù)，Ex和Enx為期望值，E y和En y為標(biāo)準(zhǔn)差，ui為二維云的隸屬函數(shù)，稱(chēng)符合上式的云滴dr op（Xi，yi，ui）組成的云模型為二維正態(tài)云模型［18－19］。對(duì)于吊裝施工風(fēng)險(xiǎn)的安全性具有隨機(jī)性與模糊性的特征，難以直接進(jìn)行定量研究，故本文選取二維云模型使得指標(biāo)定性與定量相關(guān)聯(lián)，并通過(guò)二維云圖形象表征出來(lái)。

2 裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系的建立

（1）本文遵循科學(xué)性、合理性與完整性等原則，依據(jù)《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》等國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分析了既有研究成果：2015－2018年全國(guó)建筑安全事故統(tǒng)計(jì)資料等，結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)及工程現(xiàn)場(chǎng)的吊裝方案、吊裝作業(yè)實(shí)際情況等，從人、物、技術(shù)方案、環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)管理5個(gè)方面對(duì)引發(fā)裝配式吊裝施工安全事故的成因進(jìn)行總結(jié)，如表1所示，再通過(guò)總結(jié)的誘因確定其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 裝配式建筑吊裝施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1 Safety risk assessment index system for hoisting construction of prefabricated building

表1 吊裝施工安全事故誘因總結(jié)Table 1 Summary of incentives for safety accidents in hoisting construction

（2）風(fēng)險(xiǎn)云。文中邀請(qǐng)了6位經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)家，對(duì)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)的發(fā)生后果及概率大小進(jìn)行打分并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)云。概率和后果風(fēng)險(xiǎn)云指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：E X為樣本期望；q為樣本數(shù)量；XK為第k位專(zhuān)家的打分值；En為熵；He為超熵；S2為樣本方差。

（3）標(biāo)準(zhǔn)云。參照《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)與概率等級(jí)將區(qū)間［0，10］劃分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)，如表2所示。二維云模型的轉(zhuǎn)化方式將指標(biāo)由定性轉(zhuǎn)化為定量，標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征公式如下：

表2 標(biāo)準(zhǔn)云風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)數(shù)字特征指標(biāo)Table 2 Standard cloud risk rating digital characteristic metrics

式中：Ex為標(biāo)準(zhǔn)云的期望；En為標(biāo)準(zhǔn)云的熵；Sjmin為第j個(gè)區(qū)間的最小值；Sjmax為第j個(gè)區(qū)間的最大值；He為標(biāo)準(zhǔn)云的超熵。

（4）綜合風(fēng)險(xiǎn)云。由2級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)云矩陣和權(quán)重矩陣共同計(jì)算1級(jí)風(fēng)險(xiǎn)云數(shù)字特征，再由1級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)云和權(quán)重矩陣推算出綜合風(fēng)險(xiǎn)云，具體計(jì)算公式如下：

式中：Ex′，En′和He′為綜合風(fēng)險(xiǎn)云的期望值、熵和超熵。

（5）綜合評(píng)價(jià)云圖。文中應(yīng)用Matlab編程模擬正向云發(fā)生器生成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)云圖。

2.2 相近度

在評(píng)價(jià)云圖上直接觀察難以確定相近的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，可應(yīng)用相近度計(jì)算方法來(lái)區(qū)別相似性，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的相近度公式如下：

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

某裝配式住宅項(xiàng)目位于甘肅省蘭州新區(qū)，總建筑面積為326 900 m2，結(jié)構(gòu)形式為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式技術(shù)，構(gòu)件預(yù)制率約30%，裝配率高達(dá)60%。

3.2 分析過(guò)程

將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)自上而下從5個(gè)1級(jí)指標(biāo)及17個(gè)2級(jí)指標(biāo)進(jìn)行量化分析。邀請(qǐng)6位經(jīng)驗(yàn)豐富的行業(yè)專(zhuān)家依次對(duì)該裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中各個(gè)因素的安全事故后果及發(fā)生概率的等級(jí)進(jìn)行打分，如表3所示。應(yīng)用式（1）～式（3）求得最終權(quán)重，如表4所示。應(yīng)用式（5）確定風(fēng)險(xiǎn)云數(shù)字特征，式（6）求得標(biāo)準(zhǔn)云數(shù)字特征，式（8）得出綜合風(fēng)險(xiǎn)云數(shù)字特征，結(jié)果見(jiàn)表5。

表3 后果等級(jí)和概率等級(jí)分值Table 3 Scores of consequence and probability rating

表4 各級(jí)指標(biāo)加權(quán)后權(quán)重Table 4 Weighted weights for each rating of indexes

表5 后果等級(jí)和概率等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)云數(shù)字特征Table 5 Digital characteristics of consequence and probability rating

續(xù)表4

3.3 分析結(jié)果

由圖2可知，該裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工安全綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)。由圖3可知，人和物風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)介于Ⅲ～Ⅳ級(jí)之間，經(jīng)相近度計(jì)算可得風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接近Ⅲ級(jí)；技術(shù)方案風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)略小于Ⅲ級(jí)；環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)介于Ⅱ～Ⅲ級(jí)之間，經(jīng)相似度公式計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)；現(xiàn)場(chǎng)管理的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接近Ⅱ級(jí)。圖4為二維云分析結(jié)果，經(jīng)相似度計(jì)算得出，U11與U21風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接近Ⅳ級(jí)；U32風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)；U41的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)介于Ⅱ～Ⅲ級(jí)之間；U51風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接近Ⅱ級(jí)。需要針對(duì)較高的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)采取相關(guān)措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 綜合風(fēng)險(xiǎn)云Fig.2 Comperhensive risk cloud

圖3 1級(jí)風(fēng)險(xiǎn)云U1，U2，U3，U4和U5Fig.3 First level risk cloud of U1，U2，U3，U4 and U5

圖4 2級(jí)風(fēng)險(xiǎn)云U11，U21，U32，U41和U51Fig.4 Second level risk cloud of U11，U21，U32，U41 and U51

結(jié)合實(shí)際工程，分析得出當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)≤Ⅲ級(jí)，此時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)在可接受范圍。針對(duì)U11，對(duì)工人進(jìn)行正規(guī)的崗前培訓(xùn)，開(kāi)展技能競(jìng)賽；針對(duì)U21，從生產(chǎn)、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝和堆放這4個(gè)過(guò)程重點(diǎn)把控。整改后，得到U11和U21風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)明顯降低，如圖5所示。

圖5 整改后2級(jí)風(fēng)險(xiǎn)云U11，U21，U32，U41和U51Fig.5 After rectification，level 2 risk clouds U11，U21，U32，U41 and U51

4 結(jié)論

（1）通過(guò)應(yīng)用二維云模型的正向云發(fā)生器輸出云圖，得出構(gòu)件吊裝施工過(guò)程5個(gè)1級(jí)指標(biāo)和17個(gè)2級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

（2）通過(guò)改進(jìn)主客觀賦權(quán)法并進(jìn)行線(xiàn)性最優(yōu)組合來(lái)確定的最終權(quán)重，不僅對(duì)主、客觀單一賦權(quán)法揚(yáng)長(zhǎng)避短，還通過(guò)優(yōu)化模型使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加趨近于實(shí)際項(xiàng)目狀況。

（3）基于組合賦權(quán)二維云模型對(duì)蘭州某裝配式工程項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際相契合，因此說(shuō)本研究所采用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有效可行，在實(shí)際工程中可借鑒使用。