基于模糊集與DS證據(jù)理論的裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王 迪，申建紅，賈格淋，朱 琛

(青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院,山東 青島 266520)

裝配式建筑是將建筑的部分構(gòu)件在工廠預(yù)制后，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行吊裝和連接而成的建筑。與傳統(tǒng)建筑相比，因其具有節(jié)能環(huán)保、節(jié)約人力、縮短工期、提高工程質(zhì)量和施工效率等優(yōu)點(diǎn)得到國家和各級(jí)政府的鼓勵(lì)和扶持，裝配式建筑得到迅速發(fā)展。然而，由于裝配式建筑施工的特殊性，施工風(fēng)險(xiǎn)因素復(fù)雜性和不確定性加大，給現(xiàn)場施工安全管理帶來新的挑戰(zhàn)。

隨著裝配式建筑的快速發(fā)展，不少學(xué)者已經(jīng)針對現(xiàn)場施工問題進(jìn)行了研究。王志強(qiáng)等[1]運(yùn)用事故樹分析法對事故及原因進(jìn)行分析，利用集對分析法進(jìn)行賦權(quán)以及用灰色聚類法評(píng)估識(shí)別裝配式施工過程中的危險(xiǎn)因子，提出相應(yīng)的安全防范措施。李皓燃等[2]引入SEM模型篩選關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素，并提出潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，確定各個(gè)施工階段風(fēng)險(xiǎn)因素間的關(guān)聯(lián)性。李文龍等[3]提出將可信性測度理論運(yùn)用到裝配式建筑安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，建立相應(yīng)指標(biāo)量值域、結(jié)構(gòu)熵權(quán)和可信性測度理論的評(píng)估模型，計(jì)算過程簡潔有效，提供了一個(gè)新的研究方向。李英攀等[4]考慮到評(píng)價(jià)的主觀性與隨機(jī)性，運(yùn)用云模型的方式處理專家打分，評(píng)價(jià)安全績效的等級(jí)，使得結(jié)果更加客觀與準(zhǔn)確。瞿富強(qiáng)等[5]根據(jù)現(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系存在不全面、代表性不強(qiáng)等問題，提出用模糊綜合評(píng)判法對裝配式構(gòu)件質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。王越等[6]在模糊理論基礎(chǔ)上，提出TFAHP評(píng)價(jià)模型，對構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。馬輝等[7]歸納安全事故原因?yàn)檐壽E交叉，以單元空間為對象，構(gòu)建空間單元安全監(jiān)測與預(yù)警模型。王靈智等[8]引入組合賦權(quán)和可變模糊集理論相結(jié)合的方法，采用博弈論的思想進(jìn)行最優(yōu)組合，對裝配式建筑施工安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。楊斯玲等[9]認(rèn)為裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一個(gè)多屬性決策問題，因此，提出用結(jié)構(gòu)熵權(quán)的方式將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u(píng)價(jià)，結(jié)合改進(jìn)證據(jù)理論進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為裝配式建筑施工安全提供參考。

在風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)中，因?qū)＜业木吐毥?jīng)歷與風(fēng)險(xiǎn)處理態(tài)度不同，有較強(qiáng)的不確定性和主觀性，證據(jù)理論可以很好地降低主觀差異過大的影響，較好地處理不確定性信息。因此，文中采用模糊集及隸屬度函數(shù)對專家的安全風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)進(jìn)行定量化，再運(yùn)用改進(jìn)后的DS證據(jù)理論將計(jì)算權(quán)重后的數(shù)據(jù)融合，使得結(jié)果有較好的可信性，為風(fēng)險(xiǎn)的消弭提供有效的依據(jù)。

1 施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

裝配式建筑施工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑相比，裝配式建筑施工可以劃分成構(gòu)件運(yùn)輸、構(gòu)件存放、構(gòu)件吊裝、構(gòu)件保養(yǎng)維護(hù)等階段，相應(yīng)地?fù)碛懈鼜?fù)雜、更頻繁的節(jié)點(diǎn)，具有裝配精度高、施工平面部署難度大、施工進(jìn)度控制嚴(yán)格等一系列挑戰(zhàn)。無處不在的制約因素以及流程增多，使得相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)問題凸顯。

通過對多處現(xiàn)場施工安全調(diào)研，基于4M1E理論，著重從人為風(fēng)險(xiǎn)因素、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)因素、物料和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素、管理風(fēng)險(xiǎn)因素、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素5個(gè)方面建立裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)資料的查閱以及相關(guān)裝配式建筑的施工技術(shù)與規(guī)范的歸納，分析常見的施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素，整理相關(guān)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素

2 施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)模型

2.1 基于C-OWA算子賦權(quán)

有序加權(quán)平均(OWA)是一種對原始數(shù)據(jù)打亂、從大到小重新排序進(jìn)行加權(quán)集成的方法，其權(quán)重只與相應(yīng)的算子位置有關(guān)。Yager教授[10]在原有基礎(chǔ)上提出一種連續(xù)區(qū)間數(shù)據(jù)OWA，稱為C-OWA，該算子通過對區(qū)間數(shù)中的每一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，處理后的數(shù)據(jù)使得兩端影響較大值的干擾被減弱，降低主觀判斷對結(jié)果的影響，使得結(jié)果更加具有客觀有效性。

具體步驟如下[11-13]：

1)指標(biāo)Ai的決策數(shù)據(jù)集為(ai1,ai2,…,ain)，依據(jù)從大到小的原則重新排序，并且以新的數(shù)列形式進(jìn)行重新編號(hào)，假定為bi，即(bi1,bi2,…,bin)。

2)利用組合數(shù)的計(jì)算方法計(jì)算新的數(shù)列bi的權(quán)重，計(jì)算方式為

(1)

3)利用ω對數(shù)據(jù)Ai進(jìn)行賦權(quán)處理，可得一個(gè)絕對權(quán)重值

(2)

4)計(jì)算一級(jí)指標(biāo)Ai的相對權(quán)重ωi

(3)

2.2 基于模糊集理論的指標(biāo)隸屬度矩陣

2.2.1 模糊集理論

因在傳統(tǒng)決策中所有不確定決策問題模型都是隨機(jī)模型，且假定前提條件為不確定事件都是隨機(jī)因素影響的結(jié)果，人的主觀判斷的局限性以及對事物的認(rèn)識(shí)不足，所以常常無法給出準(zhǔn)確的概率分布。針對此問題，1965年美國加利福尼亞學(xué)者Zadeh等[14]提出一種描述模糊現(xiàn)象的方法—模糊集合論。這種方法運(yùn)用數(shù)字的方式表達(dá)主觀判斷的不確定性，將待考察的事物及反映它的模糊概念轉(zhuǎn)變成模糊集合，建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)，通過模糊集合的有關(guān)定義和計(jì)算規(guī)則，對模糊對象進(jìn)行分析。其中，隸屬度是模糊應(yīng)用的基礎(chǔ)，用以表示不確定事物中滿足模糊概念的程度[15]。

2.2.2 構(gòu)造隸屬度矩陣

通過高斯隸屬度函數(shù)，計(jì)算得到各個(gè)指標(biāo)隸屬于不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，定義5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的函數(shù)中心點(diǎn)μ=(0,0.25,0.5,0.75,1)，則隸屬度函數(shù)為

(4)

根據(jù)式(4)構(gòu)造隸屬度矩陣，一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)Ai有n個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則

式中：Ai表示第i個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)；aij表示第i個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的第j個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)時(shí)，邀請專家對各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)所對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)代入，構(gòu)造隸屬度矩陣，文中評(píng)語集采取5個(gè)等級(jí)，分別為很低(VL)、低(L)、中(M)、高(H)、很高(VH)，并定義其量化值U=(0.1，0.3，0.5，0.7，0.9)。

2.3 基于改進(jìn)證據(jù)理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3.1 證據(jù)理論

20世紀(jì)60年代Dempster[16]首次提出一種不確定的推理方法，利用上下限概率的定義來解決集值的映射問題，隨后他的學(xué)生Shafer[17]對證據(jù)理論進(jìn)一步完善，引入信任函數(shù)的概念，依靠證據(jù)的不斷積累縮小假設(shè)集，建立一套基于“證據(jù)”延伸到“組合”的數(shù)學(xué)方法來處理不確定性問題。

2.3.2 基本概念

在證據(jù)理論中，對于識(shí)別框架Θ中的某個(gè)假設(shè)A，Bel(A)表示所有真屬于A的假設(shè)的mass函數(shù)，Pl(A)表示所有與A有交集且不為空的假設(shè)B的mass函數(shù)，根據(jù)基本概率分配(BPA)分別計(jì)算出關(guān)于該假設(shè)的信任函數(shù)Bel(A)和似然函數(shù)Pl(A),組成信任區(qū)間[Bel(A),Pl(A)]，用以表示對某個(gè)假設(shè)的確認(rèn)程度。

在識(shí)別框架Θ上的基于BPAm的信任函數(shù)定義為

(5)

在識(shí)別框架Θ上的基于BPAm的似然函數(shù)定義為

(6)

2.3.3 Dempster合成規(guī)則

前文所述都是基于一個(gè)主體對一個(gè)識(shí)別框架的判斷，而Dempster合成規(guī)則才是用來將多個(gè)個(gè)體判斷結(jié)果相融合分析的關(guān)鍵步驟，基于此法則，將多個(gè)個(gè)體的證據(jù)m1,m2,…,mn相互融合，得

水樣的主要測定項(xiàng)目為COD、pH、水溫，其中COD測定方法參照《水質(zhì) 化學(xué)需氧量快速消解分光光度法（HJ/T399-2007）》，pH測定方法參照《水質(zhì)pH值的測定 玻璃電極法（GB/T6920-1986）》。

(7)

式中：K為歸一化常數(shù)，代表多個(gè)獨(dú)立證據(jù)m1,m2,…,mn的沖突程度，K的計(jì)算方式為

如果K值較大，證明證據(jù)間沖突較大，使用傳統(tǒng)證據(jù)理論融合會(huì)產(chǎn)生有悖于實(shí)際問題的結(jié)果，可能使得某一個(gè)因素被忽略，進(jìn)而影響決策判斷。為了最小化該誤差產(chǎn)生的影響，文中引入一種改進(jìn)的證據(jù)理論計(jì)算方式，將沖突較高的證據(jù)進(jìn)行修正后再進(jìn)行融合，以提高結(jié)果的可信性。

2.3.4 改進(jìn)DS證據(jù)理論合成規(guī)則

(8)

最后，將合成后的二級(jí)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)Aij根據(jù)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，再對融合后的一級(jí)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)Ai合成，表示為

(9)

式中：ni為指標(biāo)Ai所包含二級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

3 實(shí)例分析

文中選取QD市萬科新都會(huì)(原翡翠之光)一期裝配式項(xiàng)目為樣本進(jìn)行實(shí)例分析，位于QD市吳江路777號(hào)，其總建筑面積為159 305 m2，該項(xiàng)目主要包括兩棟預(yù)制裝配率為54.15%的23層裝配式住宅和4棟預(yù)制裝配率約為35%的32～34層超高層建筑。本項(xiàng)目周邊地勢復(fù)雜、周邊環(huán)境要求較高，現(xiàn)邀請專家對該施工項(xiàng)目進(jìn)行施工安全評(píng)價(jià)，以確定施工中影響因素較高的安全風(fēng)險(xiǎn)因素。

3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

首先邀請6位評(píng)委對施工安全風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行打分。為了使數(shù)據(jù)精確與規(guī)范化，將分?jǐn)?shù)的值域限定在0～5分之內(nèi)且為0.5的倍數(shù)，分值越高代表其重要性程度越高，其中,一級(jí)指標(biāo)具體結(jié)果見表1。

運(yùn)用C-OWA算子對一級(jí)指標(biāo)A1,A2,A3,A4,A5賦權(quán)，權(quán)重為ω=(0.222 96,0.208 24,0.192 79,0.222 96,0.153 05)。

同理對二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，ω1=(0.171 19,0.256 78,0.095 76,0.255 08,0.221 19)，ω2=(0.278 66,0.396 23,0325.11)，ω3=(0.206 82,0.280 53,0.229 92,0.282 73)，ω4=(0.277 46,0.354 05,0.368 50)，ω5=(0.372 09,0.418 60,0.209 30)。

表1 一級(jí)指標(biāo)打分結(jié)果

3.2 風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

為了對該項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，邀請3位從事建筑行業(yè)5 a以上的專家，分別對二級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。詳細(xì)結(jié)果見表2。

表2 3位專家打分結(jié)果

將表2數(shù)據(jù)分別代入隸屬度矩陣中，并進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見表3—6。

表3 專家1隸屬度矩陣

表4 專家2隸屬度矩陣

表5 專家3隸屬度矩陣

改進(jìn)DS證據(jù)理論合成后的結(jié)果見表6。

表6 DS證據(jù)理論合成結(jié)果

利用表6中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，結(jié)合上文計(jì)算的二級(jí)權(quán)重融合成相應(yīng)的一級(jí)指標(biāo)，最后根據(jù)一級(jí)權(quán)重融合成最終結(jié)果，見表7。

表7 融合數(shù)據(jù)

對表7合成后的數(shù)據(jù)排序：0.390 478>0.318 471>0.196 817>0.055 874>0.038 36，從排序結(jié)果可以判斷出該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高的概率最大。為了使該分析結(jié)果更加可靠，通過深入調(diào)研，主要原因是該項(xiàng)目地段拆遷進(jìn)度緩慢，不同地段不同樓棟施工進(jìn)度差別巨大，地質(zhì)條件復(fù)雜，同時(shí)現(xiàn)場多方介入，協(xié)調(diào)較為混亂，勞務(wù)更換頻繁，管理較為困難，存在較多的施工安全隱患，因此，需要采取必要的預(yù)防措施和計(jì)劃來緩解施工安全事故的發(fā)生。

為了使得各一級(jí)指標(biāo)影響等級(jí)更加明顯，更加便于逐一施工安全管理，文中進(jìn)一步利用評(píng)語集的量化值U進(jìn)行驗(yàn)證：

R1=0.565 84,R2=0.593 22,R3=0.564 22,R4=0.611 76,R5=0.332 39，排序后結(jié)果為R4>R2>R1>R3>R5，可以得出結(jié)論：管理因素和技術(shù)因素的影響占據(jù)更大比重，與此項(xiàng)目在實(shí)際中所遇到的困難較為符合，可以進(jìn)一步證明模型的適用性。

4 結(jié) 論

1)專家打分具有較強(qiáng)的不確定性與主觀性，因此，引入模糊集隸屬度函數(shù)構(gòu)造矩陣與改進(jìn)DS證據(jù)理論相結(jié)合的方式，以期減少主觀因素和背離實(shí)際情況數(shù)據(jù)對結(jié)果的判斷，使得結(jié)果更加客觀現(xiàn)實(shí)。

2)裝配式本身具有復(fù)雜的施工工藝，且影響因素貫穿裝配式建筑的全過程，諸多的不確定因素會(huì)影響結(jié)果的判斷，因此，建立改進(jìn)DS證據(jù)理論模型進(jìn)行實(shí)例分析，證明該模型能夠有效地判斷裝配式建筑施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)問題。

3)多方參與下的主體結(jié)構(gòu)、裝飾裝修和機(jī)電設(shè)備協(xié)同穿插施工所帶來的施工安全風(fēng)險(xiǎn)問題更加復(fù)雜，這也是后續(xù)深入研究的方向。