基于模糊TOPSIS法的裝配式混凝土建筑在不同預(yù)制率范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)分析

陳劍 代本明 鄭嬌君

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266000；2.碧桂園集團(tuán)魯東區(qū)域，山東 青島 266110；3.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266000)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)各級(jí)政府出臺(tái)了多項(xiàng)有關(guān)裝配式建筑的相關(guān)政策，這些舉措說(shuō)明了裝配式建筑將是我國(guó)建筑發(fā)展的未來(lái)，也將是我國(guó)驅(qū)動(dòng)建筑企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新動(dòng)力。相比于傳統(tǒng)建筑，預(yù)制裝配式建筑進(jìn)行了五大變革，即從手工到機(jī)械，從工地到工廠，從施工到總裝，從農(nóng)民工到產(chǎn)業(yè)工人，從技術(shù)工人到操作工人。而預(yù)制率是衡量裝配式建筑主體結(jié)構(gòu)和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用預(yù)制構(gòu)件的比率，只有最大限度地采用預(yù)制構(gòu)件，才能充分體現(xiàn)裝配式建筑的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在不同的預(yù)制率范圍下，我國(guó)現(xiàn)行的裝配式建筑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)多樣化，功能現(xiàn)代化，制造工廠化，時(shí)間最優(yōu)化，技術(shù)可持續(xù)化。

然而，裝配式建筑在生產(chǎn)建造的過(guò)程中，仍然會(huì)面臨眾多風(fēng)險(xiǎn)，這無(wú)疑將會(huì)阻礙裝配式建筑的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)裝配式建筑預(yù)制率方面的研究較少，對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的涉及更是為數(shù)不多。齊寶庫(kù)等[1]運(yùn)用熵權(quán)法研究了裝配式建筑在決策、設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)和運(yùn)輸、施工、運(yùn)營(yíng)5個(gè)階段的27項(xiàng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)。常春光等[2]運(yùn)用LEC法對(duì)裝配式建筑施工安全存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了量化計(jì)算，評(píng)價(jià)出用電處理不到位、起重機(jī)選擇不到位、防護(hù)措施不完善屬于三級(jí)重要風(fēng)險(xiǎn)。李朔等[3]運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)沈陽(yáng)市裝配式建筑發(fā)展的制約因素進(jìn)行了排序，認(rèn)為技術(shù)因素對(duì)沈陽(yáng)市裝配式建筑發(fā)展影響最大，其次是材料自身因素，政策法規(guī)因素影響最小。戴超辰等[4]運(yùn)用SWOT分析，指出生產(chǎn)成本高、施工難度大、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)缺失是阻礙裝配式建筑發(fā)展的三個(gè)主要因素。桑培東等[5]運(yùn)用結(jié)構(gòu)方程模型研究了裝配式建筑在開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中所存在的風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重由大到小依次為技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)和政策風(fēng)險(xiǎn)。

縱觀整個(gè)研究過(guò)程可以看出，大多數(shù)研究主要停留在探討裝配式建筑整體所面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素問(wèn)題，并未將裝配式建筑的預(yù)制率問(wèn)題考慮進(jìn)去。本文擬從預(yù)制率的角度出發(fā)，以裝配式混凝土建筑為研究對(duì)象，采用模糊TOPSIS法對(duì)裝配式混凝土建筑在不同預(yù)制率范圍內(nèi)的主要風(fēng)險(xiǎn)因素影響大小進(jìn)行排序，從而為保障裝配式建筑的健康發(fā)展提供一定參考。

1 裝配式混凝土建筑的主要風(fēng)險(xiǎn)分析

通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)，從宏觀層面上選取了裝配式混凝土建筑在生產(chǎn)建造過(guò)程中與預(yù)制率息息相關(guān)的五類風(fēng)險(xiǎn)因素。

1.1 成本風(fēng)險(xiǎn)

預(yù)制率不同，裝配式混凝土建筑所產(chǎn)生的造價(jià)成本增量是不同的。上?；菽螱-C2-2地塊項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)表明，預(yù)制率每提高10%，住宅建筑的主體結(jié)構(gòu)單位造價(jià)將提高5%～10%[6]。在上海城建集團(tuán)某個(gè)框架剪力墻體系的項(xiàng)目中，當(dāng)預(yù)制率達(dá)到50%～70%時(shí)，成本增加約700～1000元/m2[7]。呂青[8]提到，混凝土預(yù)制率在60%以上的建筑，每平方米造價(jià)將提高25%～30%。因此，裝配式混凝土建筑的預(yù)制率不同，成本增量也隨之變化，這給企業(yè)帶來(lái)不同程度的風(fēng)險(xiǎn)影響。

1.2 質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

預(yù)制構(gòu)件一般包括預(yù)制剪力墻板、預(yù)制外墻板、預(yù)制內(nèi)隔墻板、預(yù)制框架柱、預(yù)制構(gòu)造柱、預(yù)制框架梁、預(yù)制次梁、預(yù)制梯梁、預(yù)制樓板、平臺(tái)板、空調(diào)板、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)、預(yù)制凸窗、預(yù)制隔墻等。裝配式混凝土建筑的預(yù)制率不同，對(duì)以上不同數(shù)量和不同部位的預(yù)制構(gòu)件的需求不同，最終體現(xiàn)在裝配式混凝土建筑上就是整體質(zhì)量的不同。

1.3 進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)

裝配式混凝土建筑的預(yù)制率越低，建筑竣工的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)也就會(huì)越大。預(yù)制率越高，則說(shuō)明所需要的預(yù)制構(gòu)件的用量較多，現(xiàn)澆部分的工作量就會(huì)較少，后期的建造進(jìn)度也會(huì)較快。國(guó)內(nèi)企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)表明，預(yù)制率在60%以上的裝配式混凝土建筑施工，每一標(biāo)準(zhǔn)層只需6d至8d，而且水電安裝與主體裝修可以同步進(jìn)行。整體交付時(shí)間一般比傳統(tǒng)施工要快30%～50%。因此，進(jìn)度因素會(huì)隨著預(yù)制率的不同，給裝配式混凝土建筑帶來(lái)程度不同的風(fēng)險(xiǎn)影響。

1.4 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

現(xiàn)階段裝配式節(jié)點(diǎn)連接方法因施工方法不同，分為濕連接、干連接兩種。濕連接目前所采用的方法較多，包括普通后澆整體式連接、普通現(xiàn)澆連接、漿錨連接、灌漿拼裝等；干連接常用的方法主要有機(jī)械套筒連接、焊接連接、螺栓連接、預(yù)應(yīng)力壓接以及牛腿連接等[5]。在不同的預(yù)制率范圍下，裝配式混凝土建筑所匹配的技術(shù)連接方法會(huì)不同，從而會(huì)帶來(lái)不同程度的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

1.5 安全風(fēng)險(xiǎn)

裝配式混凝土建筑在低預(yù)制率下會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，在高預(yù)制率下會(huì)面臨構(gòu)件運(yùn)輸、堆放、吊裝、臨時(shí)支撐固定等安全風(fēng)險(xiǎn)。不過(guò)在高預(yù)制率下，裝配式混凝土建筑的現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少，機(jī)械吊裝施工效率高，施工人員的數(shù)量因此大大減少，施工人員所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)也大大降低。

結(jié)合以上分析，本文主要探討這五類風(fēng)險(xiǎn)因素在不同預(yù)制率范圍內(nèi)的影響大小，構(gòu)建模糊TOPSIS綜合評(píng)價(jià)模型，以期為裝配式混凝土建筑的風(fēng)險(xiǎn)管理提供更加合理的依據(jù)。

2 模糊TOPSIS法綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)[9]是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)不確定因素進(jìn)行模糊處理，從而判斷各種不確定因素在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的作用；TOPSIS法[10]是一種逼近于理想解的排序法，對(duì)樣本因素進(jìn)行相對(duì)優(yōu)劣的排序，從而判斷出各類因素的重要程度。以層次分析法為基礎(chǔ)，構(gòu)建模糊TOPSIS法評(píng)價(jià)模型，相比于傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，它能夠更準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)估，對(duì)不同預(yù)制率下的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序，為確定裝配式混凝土建筑建造過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)因素的確定性和不確定性提供一定的新思路。

2.1 指標(biāo)權(quán)重確定

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)階段的裝配式混凝土建筑的預(yù)制率情況，以及各地區(qū)發(fā)布的預(yù)制率要求，本文將裝配式混凝土建筑的預(yù)制率劃分為三個(gè)范圍。預(yù)制率在10%～40%為低預(yù)制率范圍，40%～65%為中等預(yù)制率范圍，65%～90%為高預(yù)制率范圍。本文采用層次分析法確定各類風(fēng)險(xiǎn)因素在不同預(yù)制率范圍下對(duì)裝配式混凝土建筑影響程度的權(quán)重，經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)和專家調(diào)查并運(yùn)用MATLAB 7.0軟件，計(jì)算確定各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重

2.2 模糊TOPSIS法評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2.1 確定指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)集

確定因素集U={u1，u2，u3，u4，u5}={成本風(fēng)險(xiǎn)，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)，安全風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)}。假設(shè)對(duì)因素集中各個(gè)因子的評(píng)價(jià)分為影響程度很大、影響程度較大、一般、較小、很小五個(gè)等級(jí)，則評(píng)語(yǔ)集V={v1，v2，v3，v4，v5}={很大，較大，一般，較小，很小}。

2.2.2 建立加權(quán)規(guī)范化模糊矩陣

(1)根據(jù)評(píng)語(yǔ)集，構(gòu)建初始模糊矩陣。評(píng)判指標(biāo)xij表示第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的第j個(gè)評(píng)判指標(biāo)，其中，i∈[1,m],j∈[1,n],初始模糊矩陣表示為

(1)

(2)對(duì)式(1)初始模糊矩陣進(jìn)行規(guī)范化。規(guī)范化模糊矩陣[11]Z={zij},則

(2)

(3)構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化模糊矩陣R={rij}。利用層次分析法計(jì)算得到權(quán)重為

ω=(ω1,ω2，…，ωn)T

則

rij=ωj·zij(i=1,2，…，m；j=1,2，…，n)

(3)

2.2.3 確定正理想解和負(fù)理想解

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，J1為效益型指標(biāo)集；J2為成本型指標(biāo)集。

2.2.4 計(jì)算每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素到正、負(fù)理想點(diǎn)的距離

(8)

(9)

2.2.5 計(jì)算指標(biāo)的貼近度

(10)

根據(jù)貼近度的最大原則，可以對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

青島某公館項(xiàng)目在建13棟裝配式住宅，選取預(yù)制率不同的AZ建筑、JL建筑和BF建筑作為樣本進(jìn)行實(shí)證分析。AZ建筑：預(yù)制部分采用預(yù)制外墻板和預(yù)制樓梯，其余部分為現(xiàn)澆，預(yù)制率約為31.5%；JL建筑：預(yù)制部分采用預(yù)制外墻板、預(yù)制內(nèi)墻、部分疊合樓板和預(yù)制樓梯，預(yù)制率約為55%；BF建筑：預(yù)制部分采用預(yù)制外墻板、預(yù)制內(nèi)墻、預(yù)制剪力墻、疊合樓板、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)，預(yù)制率約為72%。

3.2 模糊TOPSIS法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)

在實(shí)地調(diào)研的過(guò)程中，遴選自從事裝配式建筑工程的實(shí)際管理及研究工作的8位專家對(duì)樣本建筑在建設(shè)過(guò)程中的各類風(fēng)險(xiǎn)因素影響大小進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。專家組成員由2位相關(guān)領(lǐng)域的高校專家和6位現(xiàn)場(chǎng)高級(jí)管理者組成。對(duì)每一個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)打分后進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，并歸一化處理，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)打分匯總

根據(jù)式(2)將矩陣X進(jìn)行規(guī)范化處理得到矩陣Z，AZ建筑的預(yù)制率是31.5%，屬于15%～40%范圍內(nèi)，所以對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)權(quán)重為

ω1=(0.153 6,0.191 4,0.333 2,0.069 3)

JL建筑對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)權(quán)重為

ω2=(0.316 6,0.335 4,0.088 8,0.181 9,0.077 3)

BF建筑對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)權(quán)重為

ω3=(0.446 3,0.297 3,0.038 3,0.077 3,0.140 8)

再根據(jù)式(3)，構(gòu)造出加權(quán)模糊矩陣R，即

根據(jù)式(4)～式(7)計(jì)算五個(gè)指標(biāo)的正負(fù)理想解，見(jiàn)表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的正負(fù)理想解

由式(8)和式(9)計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)到正負(fù)理想解的距離，再由式(10)計(jì)算相應(yīng)的貼近度，見(jiàn)表4。

表4 模糊TOPSIS評(píng)價(jià)結(jié)果

4 對(duì)策建議

(1)裝配式混凝土建筑在低預(yù)制率范圍內(nèi)，進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)對(duì)其影響較大。因此，施工企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)BIM技術(shù)的研究和學(xué)習(xí)，加快裝配式建筑模型的試制過(guò)程，將BIM技術(shù)與RFID技術(shù)結(jié)合，改善預(yù)制構(gòu)件庫(kù)存和現(xiàn)場(chǎng)管理，提高現(xiàn)場(chǎng)施工管理效率，縮短工期，降低風(fēng)險(xiǎn)。

(2)裝配式混凝土建筑在中等預(yù)制率范圍內(nèi)，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)對(duì)其影響較大。因此，要建立完善的質(zhì)量監(jiān)督機(jī)制，對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行全過(guò)程檢查，減少設(shè)計(jì)階段對(duì)預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷。加強(qiáng)對(duì)施工人員的培訓(xùn)，從而規(guī)范施工人員的施工工藝和施工流程，降低預(yù)制構(gòu)件在施工過(guò)程中的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

(3)在較高的預(yù)制率范圍內(nèi)，成本風(fēng)險(xiǎn)對(duì)裝配式混凝土建筑的影響非常大。因此，政府應(yīng)當(dāng)加大對(duì)裝配式建筑的扶持力度，出臺(tái)一些優(yōu)惠政策和降稅措施，對(duì)預(yù)制率符合一定要求的項(xiàng)目進(jìn)行面積補(bǔ)貼政策；制定并完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)大預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)規(guī)模以減少單個(gè)構(gòu)件的生產(chǎn)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

本文將模糊數(shù)學(xué)理論和TOPSIS法結(jié)合，能夠有效評(píng)價(jià)裝配式混凝土建筑在不同預(yù)制率范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)影響大小，該方法是科學(xué)、合理的，且能夠?yàn)楹笃谘b配式混凝土建筑的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供一定的參考。通過(guò)對(duì)裝配式混凝土建筑在建造過(guò)程中的各類風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)估，建筑企業(yè)可以預(yù)判預(yù)制率不同的裝配式建筑所產(chǎn)生的不同類風(fēng)險(xiǎn)因素，進(jìn)而提早預(yù)防和控制，盡可能降低企業(yè)損失，同時(shí)也可為我國(guó)建筑企業(yè)響應(yīng)國(guó)家號(hào)召實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化注入新動(dòng)力。