基于灰色故障樹的裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險

劉 凱，丁曉欣，劉春偉，王 鑫，侍 文

(1. 吉林建筑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，吉林 長春 130118；2. 吉林工商學(xué)院 工商管理學(xué)院，吉林 長春 130507；3.吉林建筑科技學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130114)

隨著我國建筑行業(yè)發(fā)展形式發(fā)生轉(zhuǎn)變，裝配式建筑因其在節(jié)能環(huán)保、施工快捷、成本可控、安全耐久等方面突出的特點(diǎn)在全國范圍內(nèi)得到廣泛推廣[1]。裝配式建筑雖具有綠色施工、環(huán)保高效的特點(diǎn)，但是因為采用預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行組裝建設(shè)，需要滿足標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化、模塊化的要求，達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)部品、構(gòu)件交換通用、構(gòu)件尺寸協(xié)調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)，由此則會加大設(shè)計的風(fēng)險[2]。目前我國對于裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險的研究還處于探索階段，關(guān)于裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險的研究相對較少，為了保證裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的順利推進(jìn)，裝配式建筑的風(fēng)險管理尤為重要。

作為項目全生命周期前期準(zhǔn)備工作的重要一環(huán)，充分識別項目設(shè)計風(fēng)險有利于對設(shè)計風(fēng)險影響因素進(jìn)行客觀評價和實施有效管理，實現(xiàn)對建筑工程項目增值的核心目的。國內(nèi)外學(xué)者針對裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險研究提出了許多不同的觀點(diǎn)。Yuan等[3]將設(shè)計-生產(chǎn)-裝配(Design for Manufacture and Assembly，DFMA)引入BIM參數(shù)化模型，通過深化設(shè)計團(tuán)隊進(jìn)行裝配式建筑深化正向設(shè)計，并對相關(guān)案例設(shè)計管理進(jìn)行分析，以減少裝配式建筑設(shè)計帶來的風(fēng)險影響。Naranje等[4]對裝配式建筑設(shè)計的時間效率和規(guī)劃控制進(jìn)行了詳細(xì)研究；并提出利用RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行跟蹤、射頻識別、施工現(xiàn)場安裝等技術(shù)研發(fā)；能夠很大程度上節(jié)省裝配式建筑設(shè)計時間并降低成本，并利用管理信息系統(tǒng)可靠地降低裝配式建筑在設(shè)計過程中的風(fēng)險概率。He Qiang[5]提出利用BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計中進(jìn)行系統(tǒng)化、信息化管理，以求全面地規(guī)避可能出現(xiàn)的風(fēng)險事件。Sun Qianqian[6]對裝配式建筑設(shè)計的節(jié)能、環(huán)保等方面進(jìn)行分析，提出了“模塊化單元”的概念以便減小裝配式建筑在后期運(yùn)營維護(hù)管理方面的風(fēng)險損失。Anonymous[7]對裝配式木結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的工藝效率、內(nèi)外部環(huán)境、投資回報率、材料利用效率等方面進(jìn)行探討，從設(shè)計到施工進(jìn)行全方位的風(fēng)險識別，以便更好地服務(wù)于業(yè)主，滿足建筑功能需求。Wesz等[8]利用ETO(Engineer-To-Order)模型對裝配式建筑在規(guī)劃、結(jié)構(gòu)、工廠預(yù)制和現(xiàn)場組裝進(jìn)行模擬，以規(guī)范性設(shè)計為準(zhǔn)則在裝配式建筑設(shè)計團(tuán)隊中實施，鼓勵協(xié)作規(guī)劃，創(chuàng)造不同專業(yè)間相互學(xué)習(xí)的機(jī)會，提高流程透明度，并根據(jù)項目狀態(tài)靈活調(diào)整；引入解耦點(diǎn)設(shè)計概念，并提出Last Flanner系統(tǒng)新指標(biāo)，利用可視化管理減少裝配式建筑設(shè)計在規(guī)劃和質(zhì)量控制方面的潛在風(fēng)險。趙輝[9]根據(jù)裝配式建筑的特點(diǎn)，對裝配式建筑設(shè)計中的體系和要點(diǎn)進(jìn)行分析，以望改善施工現(xiàn)場組裝過程中的風(fēng)險。馬立等[10]以實際工程項目為例，詳細(xì)闡述了裝配式建筑設(shè)計過程中的構(gòu)建拆分等不合理現(xiàn)象，并基于開放建筑理論、模度理論對裝配式建筑縱向、橫向設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。郭子豪等[11]針對裝配式建筑外墻保溫設(shè)計進(jìn)行探討，保證寒冷地區(qū)裝配式建筑的使用要求，總結(jié)了對于寒冷地區(qū)保溫系統(tǒng)的設(shè)計方案。吳成龍等[12]對預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)的最新研究進(jìn)展情況進(jìn)行了闡述，提出一種新型模塊化的預(yù)制裝配式框架節(jié)點(diǎn)，能夠滿足節(jié)點(diǎn)內(nèi)力傳遞合理、受力機(jī)理明確的抗震設(shè)計原則。丁曉欣等[13,14]為解決裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件在運(yùn)輸?shù)跹b中存在的風(fēng)險問題，提出了優(yōu)化吊裝的措施以及吊點(diǎn)設(shè)置位置，為裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件吊裝風(fēng)險控制提供了參考價值。 田東等[15]根據(jù)全生命周期理論對裝配式混凝土建筑設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)性分析，提出構(gòu)建BIM(Building Information Modeling)族庫的原則分析產(chǎn)業(yè)鏈中設(shè)計、施工、生產(chǎn)、安裝等環(huán)節(jié)對預(yù)制構(gòu)件設(shè)計的影響權(quán)重，并提出了基于BIM技術(shù)的裝配式建筑深化設(shè)計的方法。

上述文獻(xiàn)利用不同的技術(shù)手段對裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險管理提供了解決策略，但是研究仍存在以下不足之處：

(1)在研究領(lǐng)域方面，國外專家[4～6]主要是針對設(shè)計、生產(chǎn)、吊裝、運(yùn)輸、組裝等一個方面或者一段過程進(jìn)行分析其風(fēng)險，未從裝配式建筑項目的系統(tǒng)性出發(fā)，全方位地探究在設(shè)計過程中對后期的影響。依據(jù)概念性設(shè)計對裝配式建筑進(jìn)行定性、宏觀方面的研究。國內(nèi)專家[9～11]僅對預(yù)制構(gòu)件拆分、吊裝過程進(jìn)行研究，未考慮到預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場施工、后期運(yùn)維以及外部環(huán)境的影響。

(2)在研究思路方面，國內(nèi)外專家[7,8,14,15]僅對設(shè)計這一階段進(jìn)行規(guī)范討論，未從裝配式建筑全生命周期出發(fā)，結(jié)合構(gòu)件拆分、工廠預(yù)制、施工現(xiàn)場組裝、后期運(yùn)維在其設(shè)計階段對整個項目的影響。為此，本文提出基于灰色故障樹模型對裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險進(jìn)行系統(tǒng)性分析，通過結(jié)合文獻(xiàn)資料綜述、裝配式建筑發(fā)展報告、項目部開展的裝配式建筑存在問題進(jìn)行風(fēng)險識別和歸納。在裝配式建筑設(shè)計全生命周期管理中提煉出內(nèi)部風(fēng)險事件13個，外部設(shè)計風(fēng)險2個，構(gòu)建了故障樹模型。其次通過與資深裝配式建筑設(shè)計、管理專家溝通協(xié)商，確立了各基本事件的發(fā)生概率；并利用層次分析法確立設(shè)計人員在對待不同基本事件風(fēng)險的權(quán)重，根據(jù)現(xiàn)代建筑全壽命周期的特點(diǎn)結(jié)合定性分析與定量計算確立裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險管理的要點(diǎn)。通過利用灰色模型故障樹對裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險進(jìn)行評估，篩選對于設(shè)計風(fēng)險產(chǎn)生的基本事件。通過確定基本事件關(guān)聯(lián)度的大小，確定在設(shè)計階段需要重視的基本事件及其主要風(fēng)險影響事件，為裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險控制提供了切實可行的解決思路。

1 灰色故障樹模型建立

故障樹[16～18](Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是基于系統(tǒng)性思維利用邏輯判斷的方法對系統(tǒng)可能發(fā)生的風(fēng)險事故進(jìn)行預(yù)測。頂事件是在故障樹模型中由不同基本事件共同作用而發(fā)生的事件，將裝配式建筑設(shè)計方案中可能發(fā)生的事故作為頂事件，記為“T”。任何系統(tǒng)產(chǎn)生變化的原因都是由于系統(tǒng)內(nèi)外部影響因素支配，而在裝配式建筑設(shè)計方案中，產(chǎn)生設(shè)計事故可能是由設(shè)計本身造成的，也有可能是設(shè)計所處的外部環(huán)境引起的，將這兩個方面作為故障樹的主要模塊記為M1，M2。設(shè)計風(fēng)險基本事件根據(jù)吉林省裝配式建筑發(fā)展報告、國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理數(shù)據(jù)、住建部2018年全國裝配式建筑市場研究報告、國內(nèi)外專家的研究成果[4,7,8,10,12,19]，并結(jié)合北京裝配式建筑設(shè)計研究院2018年鼎湖莊項目實際過程[20]對裝配式建筑設(shè)計過程中的風(fēng)險事件進(jìn)行識別、歸納，確立裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險內(nèi)外部基本事件。其中基本事件類型如表1所示，設(shè)計風(fēng)險內(nèi)部原因如表2所示。

表1 基本事件的類型

表2 設(shè)計風(fēng)險內(nèi)部原因

根據(jù)裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險中出現(xiàn)的基本事件，考慮到系統(tǒng)的內(nèi)外因素，建立裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險故障樹模型如圖1所示。

圖1 裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險故障樹

2 裝配式設(shè)計風(fēng)險故障樹分析

2.1 基本事件與設(shè)計風(fēng)險的關(guān)聯(lián)度確定

因為在整個裝配式設(shè)計風(fēng)險故障樹中，若構(gòu)成系統(tǒng)的基本事件一個或者多個發(fā)生時，那么設(shè)計風(fēng)險頂事件就必然發(fā)生，由發(fā)生的基本事件組成的集合則稱為割集[28]。消除任意個數(shù)基本事件后，頂事件卻不發(fā)生，則此類割集被稱為最小割集。在裝配式設(shè)計風(fēng)險故障樹模型中，假設(shè)設(shè)計故障樹中共有n個基本事件，其中最小割集的個數(shù)為m，任意最小割集Li表示由ni個基本事件組成的第i個數(shù)據(jù)，根據(jù)裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險的基本事件建立特征矩陣XL：

(1)

根據(jù)每個基本事件的貢獻(xiàn)度不同，建立待檢模式向量XT：

XT={XT(1)，XT(2)，XT(3)，…，XT(n)}

(2)

將典型故障特征矩陣XL與待檢模式向量XT進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計算。在得出的關(guān)聯(lián)度中，首先根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行排序，關(guān)聯(lián)度較大的基本事件就是需要在裝配式建筑設(shè)計中高度注意風(fēng)險。

2.2 裝配式建筑設(shè)計故障樹求解

2.2.1 確定基本事件發(fā)生概率

對于基本事件發(fā)生概率的確定，可以采用專家?guī)鞂υ斐裳b配式建筑設(shè)計風(fēng)險的基本事件概率Pi進(jìn)行評測，根據(jù)Pi=0.5(ai+bi)(i=1,2,…,15；ai，bi分別為專家進(jìn)行打分的最高值和最低值)，計算基本事件的概率，基本事件的概率如表3所示。

表3 基本事件的概率

2.2.2AHP權(quán)重

在關(guān)于裝配式設(shè)計人員的基本事件中，根據(jù)AHP權(quán)重構(gòu)造判斷矩陣如下：

U′為九階正反矩陣，經(jīng)過計算得出的最大特征值λmax=9.327，相應(yīng)的特征向量歸一化處理得：W=(0.317161474,0.233829026,0.172095682,0.126378821,0.084921850,0.065613147,0.045383299,0.030445171,0.020521136)。

對應(yīng)隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.46，一致性指標(biāo)CI=(λmax-9)/(9-1)=0.0408809，一致性比率指標(biāo)CR=CI/RI=0.0324452<0.1。數(shù)據(jù)判斷結(jié)果為可以接受，可作為權(quán)重向量。

在灰色理論中結(jié)構(gòu)函數(shù)φ(x)可以表示為：

φ(x)=x1+x2+x3+…xn

(3)

裝配式建筑設(shè)計故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

φ(x)=A1+A2=(B1+B2+B3+B4)+(X14+X15)

(4)

式中：Ai為內(nèi)外部基本事件的概率值；Bi,Xi分別為內(nèi)外部基本事件對應(yīng)的風(fēng)險概率值。

在裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險故障樹模型中，假設(shè)最小割集可以由任意一個基本事件單獨(dú)構(gòu)成。在構(gòu)建的特征矩陣中，將發(fā)生的基本事件在最小割集里的值設(shè)為“1”，并且將其余沒有發(fā)生的基本事件的值設(shè)為“0”，那么單位矩陣可以表示為：

XL=I

(5)

2.2.3 待檢模式向量求解

根據(jù)上文限定的條件在裝配式設(shè)計風(fēng)險故障樹中的任意基本事件均可以作為最小割集，任意基本事件發(fā)生的概率相互獨(dú)立，互不影響。模型中頂事件的發(fā)生概率可以求得：

(6)

當(dāng)存在基本事件發(fā)生個數(shù)m≥1時，就需要評價任意基本事件對于整個系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度，任意基本事件的貢獻(xiàn)度Ij為：

(7)

對裝配式建筑設(shè)計故障樹基本事件的貢獻(xiàn)度Ij的求解如表4所示。

表4 任意基本事件貢獻(xiàn)度

對XT進(jìn)行歸一化處理得：XT=(1,0.461538462,1,0.692307692,0.846153846,0.615384615,0.846153846,0.769230769,0.923076923,0.615384615,0.923076923,0.846153846,0.538461538, 0.846153846)

2.2.4 計算兩極差

根據(jù)序列差得出最大差Δmax和最小差Δmin：Δmax=1；Δmin=0。

2.2.5 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

在ρ=0.5時，關(guān)聯(lián)系數(shù)εij(K)為：

εij(K)=(Δmin+ρΔmax)/(Δij(K)+ρΔmax)

(8)

式中：Δij(K)為風(fēng)險因素K的序列差值。

2.2.6 計算關(guān)聯(lián)度

根據(jù)下式計算基本事件的關(guān)聯(lián)度rij：

(9)

式中：εij(L)為基本事件特征矩陣XL中序列差計算的關(guān)聯(lián)系數(shù)值。

并對關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行排序。根據(jù)計算結(jié)果可以推斷出在裝配式建筑設(shè)計中X1(設(shè)計經(jīng)驗不足)、X3(預(yù)制率、裝配率計算不明)、X10(節(jié)點(diǎn)性能)是需要高度重視的問題。

3 裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險管理的建議

(1)依托于大數(shù)據(jù)平臺。針對設(shè)計經(jīng)驗不足、預(yù)制率和裝配率計算不明等問題，需要設(shè)計人員加強(qiáng)自身理論和實踐的完善，在實際工程中提升自身業(yè)務(wù)素質(zhì)。國內(nèi)的裝配式建筑發(fā)展如火如荼，仍有許多沒有完善的地方?？梢越梃b國外裝配式建筑相對成熟的技術(shù)和管理方法，總結(jié)國內(nèi)先進(jìn)企業(yè)的成功案例并將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理。可以通過建立的大數(shù)據(jù)快速了解已完工程與目前設(shè)計的異同，縮短設(shè)計時間，節(jié)約成本。要根據(jù)具體問題具體分析的原則，充分了解項目的具體情況，可以借鑒經(jīng)驗，但不要盲目套用。

(2)保證協(xié)同設(shè)計。裝配式建筑設(shè)計應(yīng)注意系統(tǒng)性思維，對于設(shè)計初期應(yīng)組織各專業(yè)交底，確保設(shè)計方案的銜接。結(jié)構(gòu)方案應(yīng)注意平面規(guī)則、管線避開邊緣構(gòu)件，同時考慮到構(gòu)件吊裝能力，充分考慮各方的功能要求，注意與業(yè)主、施工單位、構(gòu)件生產(chǎn)廠家、供貨方的相互聯(lián)系以及相互作用?？煽康貙崿F(xiàn)全壽命周期項目管理的目的。

(3) 假定預(yù)制構(gòu)件的構(gòu)造與計算定向符合。對于特殊構(gòu)件，避免約束邊緣構(gòu)件連接不當(dāng)，豎向荷載傳遞連續(xù)問題，強(qiáng)約束帶來整體剛度變化。設(shè)計單位在設(shè)計過程中應(yīng)建立逆向思維，首先考慮各方利益最大化，預(yù)制構(gòu)件制作質(zhì)量可靠且成本較低，接下來結(jié)構(gòu)方案技術(shù)可行，同時滿足各專業(yè)相關(guān)技術(shù)條件，最后設(shè)計相對完善的建筑方案。

(4)深化設(shè)計階段考慮施工技術(shù)參數(shù)，根據(jù)實際施工技術(shù)水平選擇合理的結(jié)構(gòu)深化設(shè)計方案。還需注意構(gòu)件編碼、制作、脫模、運(yùn)輸、存放、吊裝、臨時支護(hù)、施工技術(shù)要求等實際需要。

(5)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)位置設(shè)計控制。裝配式建筑的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量以及縫隙處理一直是困擾其發(fā)展的難點(diǎn)，可以采用節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計。預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)及縫隙處理參照現(xiàn)澆建筑節(jié)點(diǎn)性能設(shè)計，建成等效節(jié)點(diǎn)形式。多采用干式連接形式從而縮短工期，提高效率。 在處理柔性連接問題時，可采用延性桿和延性阻尼器連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計，保證其延性性能和耗能能力。

4 結(jié) 語

(1)本文采用利用灰色模型故障樹對裝配式建筑設(shè)計風(fēng)險進(jìn)行評估，篩選對于設(shè)計風(fēng)險產(chǎn)生的基本事件。通過確定基本事件關(guān)聯(lián)度的大小，確定在設(shè)計階段需要重視的基本事件，對基本事件的關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行排序，判斷在裝配式設(shè)計中設(shè)計經(jīng)驗不足、預(yù)制率和裝配率計算不明、節(jié)點(diǎn)性能是需要高度重視的問題。采取有效措施進(jìn)行風(fēng)險規(guī)避，確保裝配式建筑設(shè)計的順利進(jìn)行，達(dá)到對于傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的目的。

(2)對裝配式建筑事前風(fēng)險管理是保證住宅產(chǎn)業(yè)化的前提。明確系統(tǒng)集成原則，滿足標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應(yīng)用，以達(dá)到滿足適用性能、環(huán)境性能、經(jīng)濟(jì)性能、安全性能、耐久性能等要求。本文的研究成果為裝配式建筑設(shè)計單位的風(fēng)險管理提供了新思路，從裝配式建筑設(shè)計的系統(tǒng)性出發(fā)確立了主要風(fēng)險基本事件，以及需要重視的風(fēng)險事件，解決了裝配式建筑設(shè)計過程中單一性、片面性的設(shè)計理念，可為加快裝配式建筑工業(yè)化進(jìn)程提供指導(dǎo)。