裝配式建筑施工安全風險評估與控制的BN-MNA模型及應用

丁 垚， 王人龍， 李靈芝， 袁競峰， 申 玲

(1. 南京工業大學 土木工程學院， 江蘇 南京 211816； 2. 東南大學 土木工程學院， 江蘇 南京 211189)

2020年，我國新開工裝配式建筑共計6.3億m2，較2019年增長50%，約占新建建筑面積的20.5%，超額完成了《“十三五”裝配式建筑行動方案》制定的工作目標[1]。裝配式建筑摒棄傳統粗放落后的建筑生產方式，具有建造速度快、勞動效率高、生產成本低、綠色環保等優點[2～4]。裝配式建筑施工雖然以現場裝配為主，但在構件生產、構件運輸、構件吊裝、構件安裝等全過程都存在安全管控要點，施工安全風險因素更為復雜，這對建筑施工安全管理提出了新的挑戰[5,6]。如何系統、有效地對裝配式建筑施工安全風險進行評估與控制是亟需解決的難題。

裝配式建筑施工安全風險管理是一項由多主體構成的具有層次性的復雜系統問題[7,8]。近年來，學者們將多種方法應用于施工安全管理，主要包括基于指標體系的評價方法與復雜網絡分析方法等。例如李文龍等人提出了基于可信性測度理論和結構熵權法的施工安全風險客觀評估方法，并針對10個典型案例實證應用[9]。陳偉等聯合應用層次分析法(AHP)及灰色聚類評價方法，構建施工安全評價指標體系以實現對裝配式建筑施工安全的定性評估[10]。Li等[11]采用模糊綜合評價法建立綜合評價模型，并在層次分析法結果的基礎上，就主要影響因素提出裝配式建筑安全提升策略。以往研究表明基于指標體系的安全風險評價模型，能夠識別影響施工安全的關鍵因素，指出風險控制的方向，但無法厘清安全風險因素之間的作用機理，以致尚不能提出安全風險控制的精準對策與實施路徑[9～11]。為了進一步探求施工安全事故相關因素之間的關聯，薛楠楠等基于貝葉斯網絡實施診斷推理和敏感性分析，得到施工安全事故發生的最大可能性路徑和關鍵因素，為安全管控和事故預防提供依據[12]。Jin等[13]基于貝葉斯網絡進行敏感性分析和風險計算，得到裝配式施工安全風險評估中的重要風險因素并提出策略。姚浩等[14]針對安全風險演化過程構建網絡拓撲結構模型，提出基于系統模型推演的耦合安全風險評估方法。這些網絡分析方法雖然一定程度上分析了風險要素之間的關聯，但是仍不能映射施工安全管理這一系統的多主體特征與復雜關聯特性，無法將安全風險控制與責任主體精準匹配，對實際施工安全風險問題解決的作用有限[12～14]。

現有的裝配式建筑施工安全風險評價相關研究內容具有以下共性：(1)一般基于典型的安全系統構成要素(人、物、環境與管理)進行風險因素劃分;(2)較多考慮組織管理、操作行為等相關的直接安全風險源等，對技術工種、時間空間等關注較少[7～14]。基于此，本研究創新性地通過貝葉斯網絡(Bayesian Networks，BN)的原理將概率引入元網絡分析(Meta-network Analysis，MNA)模型中，綜合考慮風險因素之間的關聯關系、系統多主體以及風險事件發生概率等問題，構建BN-MNA模型，就裝配式建筑施工安全風險展開實證研究，并以“吊裝階段”為例，對裝配式建筑施工安全風險展開定量評估。最后，針對風險性較大風險源節點，從風險事件“正向傳遞”與“反向診斷”雙視角提出安全風險控制路徑，明確相關責任主體，實現了評估與控制一體化。

1 BN-MNA模型

BN-MNA模型的核心是MNA模型。MNA是一種能夠處理大規模、多維度、多關系、多主體的復雜系統內部關聯關系的新興網絡分析方法[15～17]。Pestov認為社會、組織等任何現實系統都可以使用MNA方法進行建模[18]。已有多位學者將MNA模型分別用于項目風險評估[19]、施工安全事故致因分析[20]和風險控制[21]等研究。而BN則是一種模擬人類推理過程中因果關系的不確定性處理模型[22]。基于BN的建模原理，將概率引入MNA模型建立的BN-MNA模型可在進一步厘清復雜系統中各異質與同質要素之間的復雜關聯關系的基礎上，將系統演化過程中的不確定性問題轉化為可量化的概率問題，滿足裝配式建筑施工安全系統中多主體參與的復雜建模需求，實現安全風險評估與控制的一體化目標。

BN-MNA模型的建模與應用流程如圖1所示。

圖1 建筑施工安全風險評估與控制BN-MNA模型

根據裝配式建筑施工安全風險演化的特點，應用BN-MNA模型進行裝配式建筑施工安全風險評估與控制，詳細步驟如下：

Step 1：建筑施工安全風險系統構建

采用工作分解結構法，基于典型的安全系統構成要素，從系統結構、關聯關系與目標三個維度，將建筑施工安全風險要素進行解構[23]。并將解構所得要素重組為結構化的建筑施工安全風險系統[24]。

Step 2：裝配式建筑施工安全風險元網絡的構建。

基于建筑施工安全風險系統，識別擬建元網絡的關鍵節點，并結合專家訪談確定節點間的關聯關系，并根據不同節點間的關聯關系建立不同的裝配式建筑施工安全風險關聯矩陣。在關聯矩陣中，“1”代表所在行對應的要素與所在列對應的要素有單向關聯關系，反之“0”代表沒有關聯關系。將所有的關聯矩陣導入ORA軟件轉換為由多個子網絡組成的元網絡。

Step 3：裝配式建筑施工安全風險評估

(1)計算元網絡中風險源交互子網絡中各節點的原因度和接近中心性，以表征風險源的重要度。原因度代表一個節點在整個有向網絡中所起到的作用，接近中心性則代表一個節點在控制網絡中與其他節點之間進行交互的能力[25,26]。

節點i的原因度Ri計算公式見式(1)：

(1)

式中：n為網絡中的總節點數;Outdegreei，Indegreei分別為節點i的出度和入度。如果Ri>0，則節點i為原因型節點；反之，則節點i為結果型節點。

節點i接近中心性Ci計算公式見式(2)：

(2)

式中：n為網絡中的節點數；k為網絡中任意一個非節點i的節點；d(i,k)是節點i和節點k之間的最短距離。

(2)使用GeNIe2.1軟件分階段構建與元網絡同構的貝葉斯網絡，通過數據采集、離散化處理和概率修正，確定各根節點的先驗概率、子節點與父節點的鏈接概率和各節點的條件概率。

其中節點i的先驗概率計算見式(3)：

(3)

式中：P為概率；Y表示與Xi關聯的上級節點。

P(Xi=Y|R=Y)的值越大，表示該風險源成為事故致因的可能性越大。

(3)將概率計算結果與施工安全風險源重要度計算結果相結合，計算裝配式建筑安全風險評估值。

節點i對應的風險評估值Di計算公式如下(4)：

(4)

Step 4：裝配式建筑施工安全風險控制。

最后模擬特定風險源的發生，輸出相關施工安全風險控制回路，識別關鍵風險源、相關工種和管理責任單位，進行預防式關聯事件控制。同時運行GeNIe2.1軟件，對關鍵風險源進行后驗概率推演，實現施工安全風險的反向診斷控制。

2 裝配式建筑施工安全風險系統

在裝配式建筑施工安全風險評估與控制的過程中，人、組織、事件等眾多因素之間存在著不可忽視的關聯關系。本文采用工作分解結構法，從預制構件施工流程的角度，將裝配式建筑施工安全風險按構件生產階段、運輸與存放階段、吊裝階段和安裝階段進行解構。以能量意外釋放理論為依據，將解構所獲得的零散的、非結構化的信息重組為系統的、結構化的建筑施工安全風險系統，概念圖如圖2所示。

圖2 裝配式建筑施工安全風險系統

(1)系統構成子系統維度：本文將建筑施工安全風險系統劃分為三大內部子系統(風險源子系統、工種子系統和管理責任子系統)和外部環境(時間和空間)。危險源子系統是指導致安全風險的狀態因素的集合，是風險評估與風險控制的對象，風險源的識別與風險源子系統的建立將直接關系到安全風險評估與控制的效果，因此風險源子系統是安全風險系統的基礎核心。工種子系統是具有專業技能的施工人員的集合，工種既是安全風險產生的誘因，又是安全風險發生的直接被傷害對象，是裝配式建筑施工安全風險控制的主導性支撐系統。管理責任子系統是安全事故的直接責任對象。管理責任單位是安全風險控制的決策核心，也是事故追責的對象，明確安全事故的管理責任是裝配式建筑施工安全風險有效控制的重要前提。時間和空間環境分別對應裝配式建筑施工階段和作業空間，是裝配式建筑施工安全風險控制的主要依據。

(2)系統關聯關系維度：關聯是施工安全風險系統的子系統之間通過某一介質所建立的特定風險關系，如管理責任 - 工種關聯。內部系統不斷地與外部環境進行物質、能量和信息傳遞，形成某種協同效應，進而獲得系統在特定施工階段、施工作業空間下的安全風險作用結構，塑造建筑施工安全風險系統模型可描述系統受到風險沖擊后在內外環境下的運作機理。

(3)系統目標維度: 根據系統安全風險內涵，以建筑施工安全風險評估與控制為目標，構建系統運行體系框架。

3 裝配式建筑施工安全風險元網絡的構建

根據裝配式建筑施工安全風險系統，依據相關技術規范、政府文件和相關文獻[9,27～29]，并結合裝配式建筑施工現場的考察和專家訪談記錄，共識別出28個風險源(R)、12個工種(A)、3個管理責任單位(O)、4個施工階段(P)和4個施工作業空間(S)。將上述要素轉化為元網絡節點，網絡節點代碼及其含義見表1。

表1 裝配式建筑施工網絡節點代碼及其含義

續表1

本文根據已建立的建筑施工安全風險系統、工地調研等，初步梳理各節點對應實體之間的關聯關系，并通過專家訪談法進一步對其修正。專家訪談對象包括6名具有博士學位的相關領域的高校教授，5位具有五年以上相關經驗的裝配式建筑生產單位負責人以及6位具有五年以上裝配式建筑施工經驗的項目經理共17位專家。訪談的主要內容是對數據進行輔助修正。最終將已確認的節點及關聯關系轉換為關聯矩陣，并用ORA軟件構建裝配式建筑施工安全風險元網絡模型，見圖3。

圖3 裝配式建筑施工安全風險元網絡

在元網絡模型中，不同類型節點之間存在著不同意義的關聯關系。本文構建的裝配式建筑施工安全風險評估與控制元網絡模型由九個子網絡構成，分別映射風險源、工種、管理責任單位、施工階段和施工作業空間之間的九種關聯關系，見表2與圖4。

表2 節點及網絡類型

圖4 裝配式建筑施工安全風險元網絡的子網絡

其中，RR網絡為單模單向風險源交互網絡，表示風險源之間可能存在的傳遞關聯，即某個風險源的產生可能導致其他風險源的產生。RA網絡，為雙模單向風險源 - 工種危險傳遞網絡，其現實意義是風險源對各類工種產生的直接安全隱患，為施工安全風險控制的目的之一。AR網絡，為雙模單向工種 - 風險源因果網絡，代表工種的違規操作或操作失誤與風險源產生之間可能存在的因果關系，是施工安全事故追責的重要依據。AA網絡，為單模單向工種交互網絡，代表工種之間的協同關系。RO網絡，為雙模單向風險源 - 責任單位交互網絡，其意義是風險源與其所屬管理責任單位的匹配，是實現安全事故預警與追責的重要依據。AO網絡，為雙模單向工種 - 責任單位交互網絡，表示工種與所屬管理責任單位的對應關系，是工種違規操作或操作失誤導致風險實際追責的參考。RP網絡與RS網絡，分別為雙模單向風險源的時間與空間定位網絡，代表風險源與所在施工階段、施工作業空間的映射關系，是排查風險源的首要參考范圍。 AS網絡，為雙模單向工種的空間定位網絡，代表各工種與作業時空的對應關系，是在系統中對工種進行空間定位的依據。

4 基于BN-MNA的裝配式建筑施工安全風險評估

4.1 裝配式建筑施工安全風險源重要度計算

根據式(1)(2)，計算RR網絡(風險源交互網絡)中的28個風險源節點的原因度和接近中心性，結果如圖5。結合RP網絡(風險源時間定位網絡)和RS網絡(風險源空間定位網絡)可知，裝配式建筑施工安全的風險主要存在于P2(構件運輸與存放)和P3(構件吊裝)兩個階段。裝配式建筑施工過程中垂直運輸設備的作業較為頻繁，裝配式施工過程中的風險將以預制構件作為風險載體進行傳導，這就使得作為P2(構件運輸與存放)和P3(構件吊裝)的交集空間S4(構件堆放空間)成為了重要安全控制區域。利用原因度和接近中心性表征RR網絡中的風險源重要度，充分考慮了風險源在網絡中的因果屬性和交互屬性，為實現施工安全風險的全過程評估與控制提供依據。

2.3 高等數學的內容主要是微積分學，對學生來說，數學概念很抽象，比如數列極限的“ε-N”定義，函數極限的“ε-δ”定義等，數學定理的證明邏輯推理很嚴密，翻轉課堂的課前學習環節如果沒有教師的及時有效地引導，僅憑觀看視頻，不易準確把握視頻中的重難點，甚至不能聽懂授課內容，使學習效果不佳。

圖5 風險源重要度

根據計算結果(圖5)，R10(風險源預制構件堆放區未采取隔離措施)、R12(預制構件放置不安全)、R14(起重機械操作失誤)、R16(吊具與吊點鏈接不到位)，是裝配式建筑施工過程中的關鍵風險源節點。 R10的原因度和接近中心性較大，說明其在裝配式建筑施工安全風險交互傳導中起著關鍵作用。R16的原因度較小，該因素受其他因素影響較大，而該節點的接近中心性較大，可以在一定程度上反映出該節點是構件吊裝階段及其以前階段各種風險源所產生的共同結果。R12和R14的接近中心性較大，說明這兩個風險源在裝配式建筑施工風險傳導過程中所占的比重更大，需要更多的關注。

4.2 裝配式建筑施工安全風險評估

由于篇幅原因，本文僅展示構件吊裝階段(P3)的安全風險評估過程。使用GeNIe2.1軟件構建與裝配式建筑施工安全風險元網絡同構的貝葉斯網絡，如圖6。貝葉斯網絡中每個節點對應元網絡中的風險源節點，節點中的關聯關系代表著元網絡中的風險源交互關系，“Y”對應該節點對應的風險源發生，“N”對應該節點對應的風險源不發生，后面是概率值。

圖6 P3階段安全風險元網絡同構貝葉斯網絡模型

為揭示裝配式建筑施工安全事故的普遍性規律，本文通過文獻檢索與互聯網搜集的方式盡可能廣泛地搜集裝配式建筑施工安全事故案例。最終從國家應急管理部，各省市應急管理廳、住建部等網站整理得到2019—2020年部分裝配式建筑生產安全事故調查報告共計107份，統計的安全事故占比如圖7所示。

圖7 2019—2020年部分裝配式建筑生產安全事故統計

通過對事故報告進行統計分析，運行公式(3)計算并結合專家訪談進行數據修正，最終確定P3(構件吊裝)階段各根節點的先驗概率(如表3)、子節點與父節點的連接概率和各節點的條件概率，表4為節點R18(起吊范圍內有障礙物)的條件概率示例。

表3 P3階段根節點的先驗概率

表4 子節點R18的條件概率

綜合考慮風險源的發生概率、原因度、接近中心性，繪制風險源危險性三維示意圖，如圖8。根據式(4)計算各個風險源的風險評估值，其計算結果與排序如表5所示。

圖8 風險源危險性三維示意圖

表5 風險評估值與排序

根據風險值評估結果可知，R16(吊具與吊點連接不到位)是構件吊裝階段施工風險控制的首要重點。

5 基于BN-MNA的裝配式建筑施工安全風險控制

5.1 裝配式建筑施工安全風險關聯事件控制

本文以R16(吊具與吊點連接不到位)為例進行施工安全風險關聯分析，其他安全風險源的控制方法類同。運行ORA軟件，輸出與R16相關的BN-MNA風險關聯控制路徑，如圖9。

圖9 R16相關的BN-MNA風險控制路徑

分析該路徑可知，導致R16的風險關聯事件主要有兩種：一是在P1(構件生產)和P2(構件運輸與存放)階段由于R1(生產單位未對出廠構件進行檢查)、R3(吊點設計不合理或生產過程出現較大偏差導致吊點位置偏差較大)或R4(吊點被污染，導致吊釘不能擰緊到位)導致的構件質量問題；二是在P3(構件吊裝)階段由于工種的失誤、違規操作等導致R5(施工單位未對進場的預制構件進行檢查驗收)、R12(預制構件放置不安全)或R15(起吊疊合板時未使用專用安全吊具)。因此，為了實現對R16的風險控制，首先可以從構件設計生產、質量檢驗、運輸存放等關聯事件進行監控，確保預制構件的質量；其次，加強對A1(構件裝配工)和A2(吊裝人員)的安全教育與培訓、安全交底落實，以避免失誤、違規操作帶來不必要的安全風險。

5.2 裝配式建筑施工安全風險反向診斷控制

在裝配式建筑施工安全風險控制的BN-MNA模型中，安全風險評估與關聯事件分析可以作為施工安全風險事前控制的依據。除此之外，還可以通過反向推理進行安全風險診斷，進而實現風險溯源控制。本文以R16(吊具與吊點連接不到位)作為反向診斷示例，運行GeNIe2.1軟件，將R16發生概率設定為100%，輸出風險后驗概率如圖10。

圖10 P3階段R16發生的診斷推理結果示例

當R16發生時，R4(吊點被污染，導致吊釘不能擰緊到位)和R14(吊具與吊點連接不到位)發生的概率相對最高，分別為30.30%，22.12%，應是R16發生后的重點檢查對象，并應對相關風險負責人A1(構件裝配工)、A2(吊裝人員)和A6(施工安全員)和O1(施工單位)等相關管理責任單位進行預警、教育、追責有效阻止風險的進一步傳遞。

6 結 論

(1)本文創新性的提出了可以應用于裝配式建筑施工安全風險評估與控制的BN-MNA模型。該模型滿足裝配式建筑施工安全復雜性和系統性建模需求，可以在厘清該復雜系統中風險源、工種、時間、空間和管理責任單位等各要素之間的復雜關聯關系的基礎上，將系統演化過程中的不確定性問題轉化為可量化的概率問題。

(2)本文采用工作分解結構法，基于典型的安全系統構成要素，綜合考慮裝配式建筑施工安全風險系統內部風險源子系統、工種子系統和管理責任子系統和外部時空環境之間的關聯關系與運作機理，并以施工安全風險評估與控制為系統目標，構建了裝配式建筑施工安全風險系統，為BN-MNA模型建立搭建了基礎框架。

(3)本文以P3(構件吊裝階段)為例開展BN-MNA實證，并結合各風險源發生的概率，通過計算風險評估值對各風險源進行定量評估。最后以R16(吊具與吊點連接不到位)為例，應用BN-MNA實現了裝配式建筑安全控制的雙重目標。一方面，依據風險評估結果，確定安全風險的首要控制節點，輸出其相關控制路徑與相關工種、管理責任單位、時空等要素，實現對裝配式建筑施工安全風險的事前精準控制。另一方面，對已經發生的安全風險事故通過概率推演進行反向診斷，可以及時且有針對性地進行預警和追責，以防止安全風險的進一步傳遞擴散。