基于FAHP的工程施工安全BIM應用效果評價

彭 來，崔 玉，李程程，李博勤

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

近年來，隨著信息化理念不斷普及和深入，BIM技術在建筑行業各領域中的應用受到眾多學者專家的普遍關注，其三維可視化、信息全面性和模擬優化性等特性得到業內人士的一致認可。隨著建筑規模不斷擴大，施工技術變得復雜，工程施工難度也隨之增加，施工安全問題日益凸顯，高空墜物(人)，物體打擊、結構坍塌等事故時常發生。為減少安全事故的發生，眾多專家學者陸續開展BIM技術應用于施工安全的相關研究，殷瑤[1]考慮施工過程中員工安全教育、施工場地布置、風險監控與預警和安全應急管理，構建基于BIM技術的建筑施工安全管理系統；王婷[2]研究基于BIM技術模板支撐體系坍塌事故及高處墜落事故的安全預警與管理系統，實現實時監測與預警；裴巧玲等[3]研究創建基于BIM的深基坑風險預警模型，辨析隱含的風險信息,預判可能發生的風險并制訂預防方案；劉芳等[4-5]研究基于Revit軟件二次開發，研制面向施工現場危險源安全管理插件，對施工現場的機械設備、危險物品和安全標識等方面實施信息化管理，并創新提出基于BIM技術施工安全檢查新模式，在實踐使用中取得良好應用效果；筆者團隊[6]結合BIM技術特點和工程實踐應用，提出基于BIM技術的橋梁施工安全監理策略，有效提升安全監理信息化管理水平。

施工安全的BIM應用在一定程度上有利于指導施工安全管理，促進安全管理信息化水平的有效提升[7]，但其應用效果評價目前還未有定性和定量探討。本文研究建筑施工安全BIM應用效果評價，圍繞施工安全管理組織保障、BIM建模質量、施工安全BIM應用和BIM安全教育與培訓4個維度構建工程施工安全BIM應用評價指標體系，采用模糊層次分析法綜合評價其應用效果，結合實際工程案例應用研究成果。結果表明，其操作簡單，評價客觀，具有良好的應用效果和推廣價值，可為信息技術背景下施工安全綜合評價提供方法參考和借鑒。

1 模糊層次分析法(FAHP)理論

模糊層次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，簡稱FAHP)是由美國運籌學T.L.Saaty教授于20世紀70年代提出的，是一種定性與定量結合的系統分析方法。該方法有效地將層次分析法和模糊綜合評價法有機結合[8]，并將人的主觀判斷過程數字化、程序化，具有系統、靈活、簡潔等優點，有利于決策者做出有效決策，同時還可以有效解決指標過于復雜而導致思維一致性難以保證的問題，用模糊數(Fuzzy Number)衡量元素之間的關系，能較好地保證評價結果的準確性和客觀性。

2 分析步驟

FAHP模糊層次分析法的本質就是把問題按層次分解多種要素，構成一個自下而上的層次遞階結構模型，然后定量分析各要素之間的重要度并優先排序，最后做出評價，其具體實施步驟如下[9]：

第一步：建立多層次遞階結構模型。深入研究問題，提煉問題內部存在各種要素，系統分析各種要素之間存在的因果關系，并圍繞這些要素，建立多層次遞階結構模型。

第二步：構建模糊判斷矩陣。兩兩比較上述分析出的各要素，根據標準評定尺度，確定其相對重要程度，構建模糊判斷矩陣，并判斷是否通過一致性檢驗。

第三步：計算相對重要度。計算矩陣特征權向量，確定評價等級集合，計算各要素的相對重要度。

第四步：綜合考慮評價意見。計算各要素隸屬度，對所得結果進行分析和優先排序，按最大隸屬度原則得出綜合評價結論。

3 工程概況

本研究案例選址為某市軌道交通X號線終點站，為地下兩層明挖島式站臺車站，內設2組風亭、3個出入口和1組冷卻塔。車站總長594.235 m，標準段總寬19.2 m，主體基坑深約18.2～20.7 m；車站頂板覆土厚約2.8 m，局部7～8 m；建筑面積近24 000 m2，土建造價約為3.1億元，BIM模型如圖1所示。本項目積極采用BIM技術服務施工管理，通過BIM技術實現工程施工可視化，有效促進項目質量、安全、進度、商務與資源等領域的信息化管理，提升施工管理效益。該項目積極采取校企合作方式，組建學生BIM團隊，創建BIM模型，完成三維場布、漫游模擬和管綜碰撞檢查等基礎應用，結合項目需求穩步推進BIM深度應用，為項目實施信息化管理提供技術支持；同時積極協助開展三維安全交底、BIM技術培訓等活動，有效促進工程建設的穩步推進。

圖1 某地鐵車站BIM模型東北向鳥瞰圖

4 基于FAHP的施工安全BIM應用效果評價模型

4.1 建立評價體系的遞階層次結構

建立3層16個指標的評價指標體系，分別是目標層(總指標)、準則層(一級指標)、方案層(二級指標)，具體如表1所示。得出評價指標集合如下：

Xi=[X1i,X2i,X3i,X4i]

式中：X1i——施工安全管理組織保障；

X2i——BIM建模質量；

X3i——施工安全BIM應用；

X4i——BIM安全教育與培訓。

二級指標構成的隸屬度矩陣：

X1i=[X11,X12,X13,X14]

式中：X11——安全管理制度；

X12——安全文件管理；

X13——安全設備管理；

X14——人才隊伍建設。

X2i=[X21,X22,X23,X24]

式中：X21——BIM模型構件完整性；

X22——BIM安全信息全面性；

X23——BIM模型數據維護與更新；

X24——BIM模型與現場的吻合度。

X3i=[X31,X32,X33,X34,X35]

式中：X31——三維場布；

X32——漫游模擬；

X33——碰撞檢查；

X34——疏散模擬；

X35——應急預案。

X4i=[X41,X42,X43]

式中：X41——BIM安全教育；

X42——BIM安全交底；

X43——BIM技能培訓。

表1 工程施工安全BIM應用效果評價指標體系表

4.2 構造比較判斷矩陣和一致性檢驗

分析準則層對目標層的影響，圍繞兩者之間相對重要程度(見表2)，采用德爾菲法，邀請經驗豐富的專家學者給出判斷矩陣，對準則層中的4個一級指標，即施工安全管理組織保障、施工安全BIM建模質量、施工安全BIM應用和施工安全BIM教育與培訓的內容進行評判，可近似得到以下一級指標系數矩陣X：

表2 相對重要程度Xij取值情況表

通過Matlab軟件求一級指標系數矩陣X的最大特征值λ=4.021 1，對該矩陣進行一致性檢驗，采用T.L.Saaty一致性指標CI=(λ-n)/(n-1)=0.007 0，其中n=4，根據Saaty的隨機一致性指標(見表3)，得RI=0.90，一致性比例CR=CI/RI=0.007 0/0.90=0.007 8<0.1，即通過了一致性檢驗；然后經過Matlab軟件的歸一化處理，得到標準化準則層特征權向量：W=(0.081 3,0.154 4,0.288 4,0.475 8)，即當前專家對隸屬于方案層的4個一級指標的重視程度分別是0.081 3、0.154 4、0.288 4、0.475 8。

表3 T.L.Saaty的隨機一致性指標RI取值表

4.3 計算方案層特征權向量

采用前文相同方法對施工安全管理組織保障、BIM建模質量、施工安全BIM應用和BIM安全教育與培訓等二級指標進行專家評判，得出二級指標系數矩陣Xi：

分別計算其方案層的特征權向量得：

W1=(0.138 4,0.156 3,0.258 9,0.446 4)；

W2=(0.176 9,0.139 8,0.264 4,0.419 0)；

W3=(0.091 8,0.106 0,0.175 9,0.250 5,0.375 8)；

W4=(0.548 5,0.240 9,0.210 6)。

且均通過一致性檢驗。

4.4 確定評價等級集合

在施工安全BIM應用效果評價指標體系中，將每個二級指標的評價設置為優秀、良好、合格和不合格4個等級，建立評價等級集合：

Vi=[V1,V2,V3,V4]

式中：V1——優秀；

V2——良好；

V3——合格；

V4——不合格。

4.5 計算應用效果評價

同樣另邀請5名專家，圍繞指標描述和項目BIM應用資料(文本、視頻、圖片、模型文件和應用展示文件等)，對施工安全BIM應用效果評價的各指標進行綜合評價，經統計，其結果如表4所示。

表4 施工安全BIM應用效果評價結果表

由表4可知，綜合考慮專家評價結果，用整體結果除以5作為隸屬度，得Ri的單因素評價矩陣：

通過以下公式計算各個模糊關系子矩陣：

Q1=W1R1=(0.317 0,0.548 2,0.134 8,0)；

Q2=W2R2=(0.311 7,0.382 5,0.305 8,0)；

Q3=W3R3=(0.166 3,0.343 6,0.490 1,0)；

Q4=W4R4=(0.206 1,0.509 7,0.284 2,0)。

由各個模糊關系子矩陣得出模糊關系總矩陣:

最后將前文計算出來的一級指標系數矩陣W=(0.081 3,0.154 4,0.288 4,0.475 8)與評價矩陣R進行模糊變換得到模糊評判集S=WR=(0.220 1,0.445 2,0.334 8,0)。

按最大隸屬度原則得出綜合結論，即M=max(S)=0.445 2，為第二個指標值最大，得出該項目施工安全，BIM應用效果評價等級為良好。

5 結語

本文研究施工安全BIM應用效果評價，圍繞施工安全組織保障、BIM建模、BIM應用、BIM安全教育與BIM培訓等模塊構建3層16個指標評價體系，采用模糊層次分析法(FAHP)進行綜合評價，通過具體的工程實例應用其研究成果。結果表明，其操作便捷，評價客觀，具有良好的應用效果和推廣價值，可為信息技術背景下施工安全綜合評價提供參考和借鑒。另外，結合專家評判結果得出以下幾點結論和建議，以期促進提升工程施工安全信息化管理水平：

(1)BIM安全教育與培訓占比極大，加強施工安全教育，積極開展基于BIM技術的三維安全交底和BIM技能培訓有利于顯著提升施工安全管理信息化水平，提高施工安全管理效率。

(2)BIM模型維護和更新、BIM模型與施工現場的吻合度受到專家們的普遍重視，BIM模型的信息全面性對于安全管理而言處于次要地位。建議分階段建模，創建BIM模型過程中積極對比實際施工現場的差異，實時更新，確保虛擬模型與實際建筑高度匹配。

(3)重視施工安全BIM應用，特別是BIM疏散模擬和應急預案對實際施工安全具有重要指導意義。其中，應急預案要與相關應用模擬密切關聯，充分結合施工現場制定，考慮周全，積極開展實際演練，全員參與，進一步增強施工人員安全意識和責任，從根源上樹立安全第一思維，從而有效減少安全事故的發生。

(4)人才隊伍建設是組織保障中的重要組成部分，積極培養信息化人才，組建BIM團隊，提升團隊信息化水平和安全責任意識有助于提升施工安全管理質量，為企業高質量發展奠定雄厚的人才基礎。