基于熵權(quán)可拓理論的施工工種安全評價研究

張夢雨，楊高升

(河海大學(xué) 商學(xué)院，江蘇 南京 211100)

據(jù)住建部統(tǒng)計，2018年1—11月期間，我國房屋市政工程建筑施工中，發(fā)生生產(chǎn)安全事故起數(shù)和死亡人數(shù)較2007年同期分別增加8.55%和6.24%[1]，其中高空墜落、坍塌、起重傷害、機(jī)械傷害和物體打擊事故占比最高，建設(shè)施工安全形勢嚴(yán)峻。二十世紀(jì)六七十年代，為降低建筑工程安全事故發(fā)生率，美國學(xué)者將安全評價技術(shù)引入建筑領(lǐng)域，成功將建筑安全平均事故率降低近50%[2]，成效顯著，各國學(xué)者開始更加重視建筑施工領(lǐng)域安全評價方面的研究。相關(guān)研究主要從兩大角度深入開展：①構(gòu)建安全評價指標(biāo)體系。如劉輝等[3]從人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)角度，建立了施工現(xiàn)場安全狀況標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)體系；戴坤陽等[4]基于4M1E法建立了評價指標(biāo)體系，旨在實(shí)現(xiàn)對整個施工安全狀態(tài)和等級的定量評價。②構(gòu)建安全評價模型，從技術(shù)角度探究精確評價方法。由于建筑施工安全評價復(fù)雜性和不確定性的特征，國內(nèi)外學(xué)者嘗試研究有效技術(shù)和管理手段來控制風(fēng)險，應(yīng)用風(fēng)險耦合理論、模糊理論、灰色聚類理論等方法[5-8]，進(jìn)行建筑施工安全評價研究，分析施工風(fēng)險來源和損害程度，為建立有效的施工安全評估模型奠定基礎(chǔ)。研究顯示，超過70%～90%的安全事故的發(fā)生與人的不安全行為直接相關(guān)。施工工人的安全行為受到個人特質(zhì)與施工工種特性的雙重影響，管理因素通過影響個人因素從而影響工人的安全行為[9]。王云飛等[10]研究發(fā)現(xiàn)不同工種的安全意識不同，建議有針對性地采取安全防范措施。

由此可知，不同工種具有不同的安全特性，其對工人的要求也有所差異。大多評價施工現(xiàn)場安全的研究中，施工工程被看作一個整體來研究其安全特性，而從“人機(jī)管環(huán)”方面分析各因素安全特征，考慮工種安全特性差異的文獻(xiàn)較少?；诖耍瑸閷?shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，將建筑工程的安全特性分解到不同的施工工種中，在施工前對各施工工種進(jìn)行安全評價，為施工安全評價提供了新視角。

施工工種安全評價是一項(xiàng)具有多屬性特征的工程決策問題，目前，為表征論域中的對象具有某種性質(zhì)的程度，常用的方法主要包括模糊數(shù)學(xué)方法和可拓學(xué)方法。以熵權(quán)改進(jìn)的可拓理論對施工工種進(jìn)行安全評價，避免了原有評價方法的模糊性、片面性、數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入和人為干擾?？赏乩碚撏ㄟ^建立物元模型能夠解決系統(tǒng)內(nèi)部因素之間不相容且矛盾的問題，可拓理論充分考慮了評價對象、指標(biāo)及指標(biāo)值域之間的關(guān)系并將其結(jié)合處理，能夠有效處理各指標(biāo)間不相容、定性與定量共存問題。而熵權(quán)法作為客觀的賦權(quán)方法，降低了主觀因素的影響，利用熵權(quán)改進(jìn)理論對施工工種安全進(jìn)行物元可拓性評級，旨在為施工工種安全評價提供一種新的決策方法。

1 確定施工工種安全評價指標(biāo)體系

事故原因綜合理論指出：偶然事件觸發(fā)社會、管理及生產(chǎn)危險因素進(jìn)而導(dǎo)致事故的發(fā)生，人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)和環(huán)境的不安全條件是造成事故發(fā)生的直接原因，從而構(gòu)成生產(chǎn)中的危險因素[11]，其模式圖如圖1所示。

結(jié)合事故原因綜合理論，選取架子工、混凝土工、鋼筋工、抹灰工、砌筑工、超重工、木工、電工和油漆工9種主要施工工種分析其人、物、環(huán)境的相關(guān)特征，從而研究影響各工種安全特征的因素。其中，架子工作為一類施工工種，相對于其他工種出現(xiàn)事故較多，其主要特征及其危險源如圖2所示。

圖1 綜合理論事故模式圖

圖2 架子工特征及主要危險源

筆者在已有施工安全評價指標(biāo)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑施工現(xiàn)場實(shí)際情況以與對架子工特征與主要危險源分析，參考《施工企業(yè)安全生產(chǎn)評價標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》和《建設(shè)工程安全生產(chǎn)管理?xiàng)l例》可知，施工工種安全受到施工環(huán)境和施工技術(shù)兩個因素的影響。其中施工環(huán)境包括工程地質(zhì)條件和建筑物體量，施工技術(shù)主要包括施工方法、工程材料和機(jī)械設(shè)備。工種安全評價指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 施工工種安全評價指標(biāo)體系

(1)工程地質(zhì)條件是指影響建筑施工的一切地質(zhì)因素[12]。據(jù)住建部統(tǒng)計，2018年發(fā)生的安全較大事故中，土方坍塌事故的占比為22%。地質(zhì)條件誤判可能導(dǎo)致錯誤的施工計劃，從而可能發(fā)生質(zhì)量事故和重大安全事故。工程地質(zhì)條件安全系數(shù)高的標(biāo)準(zhǔn)為土層穩(wěn)定、地基承載力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、利于施工。

(2)建筑物體量是指建筑物的占地面積和高度。據(jù)住建部統(tǒng)計，2018年發(fā)生高處墜落事故占事故總數(shù)的48%?？梢娊ㄖ锔叨仁怯绊懯┕ぐ踩年P(guān)鍵，由《建筑施工高處作業(yè)安全技術(shù)規(guī)范》可知，高層施工對工人在高處工作的能力提出更嚴(yán)格的要求，而建筑物的占地面積越大，對工作人員的安全防護(hù)要求越高，即建筑物越高，占地面積越大，施工安全性越低。

(3)工程施工方法具有類別多、技術(shù)難、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、適用條件復(fù)雜的特點(diǎn)，工序與工序間聯(lián)系緊密，不同工作間有并聯(lián)、串聯(lián)等搭接關(guān)系。高效正確的施工方法是保障工程建設(shè)順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

(4)在建筑施工過程中，工人工作運(yùn)用的構(gòu)造、循環(huán)、輔助性材料等均是工程實(shí)體的主要組成部分。生產(chǎn)過程中的原材料、半成品和儲運(yùn)過程中的物質(zhì)均以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)形式存在。不同狀態(tài)下的工程材料具有不同的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和危險特性，可能存在危害人體的物質(zhì)，對施工人員的安全健康造成隱患，如對人的呼吸系統(tǒng)尤其是肺部造成損傷，引發(fā)胸痛、發(fā)燒等癥狀，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致人體部分細(xì)胞癌變。同時，工程材料的體積與重量越大，對材料的擺放和應(yīng)用要求越高，若處理不當(dāng)極易發(fā)生物體打擊等事故。

(5)依照全國統(tǒng)一編制規(guī)則，按性能可將施工機(jī)械機(jī)型劃分為特型、大型(如塔式起重機(jī)、輸送泵等)、中型(如砼攪拌機(jī)等)和小型(如電鉆等)4類。部分設(shè)備若操作不當(dāng)會對操作者產(chǎn)生較大的傷害，如鋼筋工需要操作的機(jī)械本身就帶有危險性，對工人要求較高，要求操作工人手腳靈活。

2 構(gòu)建熵權(quán)可拓工種安全評價模型

依據(jù)建筑工程工種安全特征的不同表現(xiàn)，在上述研究的基礎(chǔ)上，將工種安全性程度劃分為高危險、一般危險和低危險3個等級，施工工種安全評價標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

可拓理論充分考慮了評價對象、指標(biāo)及指標(biāo)值域之間的關(guān)系并將其結(jié)合處理，可有效處理各指標(biāo)間不相容以及定性與定量共存問題[13]。

表1 施工工種安全評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 確定經(jīng)典域

根據(jù)施工現(xiàn)場安全檢查和評估標(biāo)準(zhǔn)，將工種安全評價劃分為3個等級，并采取五分制評分方法，各指標(biāo)評價分?jǐn)?shù)越高說明工種安全性越低，具體如表2所示。

表2 工種安全性評價指標(biāo)分級表

根據(jù)設(shè)定的危險等級標(biāo)準(zhǔn)，施工工種安全評價記作事物N，其特征向量記作C，特征量值記作V，三者組成有序三元組工種安全物元，將施工工種安全劃分為m個等級，則經(jīng)典物元可表示為：

(1)

式中：N0j為工種安全等級；ck為工種安全等級N0j的特征；V0jk為等級j在第k個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值域，即各等級關(guān)于對應(yīng)特征所取的數(shù)據(jù)范圍；a0jk，b0jk分別為特征ck取值范圍的上限與下限，其中j=1，2，…,m，k=1，2，…,n。

2.2 確定節(jié)域

依據(jù)各指標(biāo)所對應(yīng)的取值范圍，確定施工工種安全的節(jié)域物元，即：

(2)

式中：Np為全體物元系統(tǒng)中工種安全等級；Vpk為特征ck的值域。

2.3 計算安全評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)度計算如式(3)所示。

(3)

2.4 運(yùn)用熵權(quán)法計算指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)施工工種安全評價各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)Djk(Vk)構(gòu)建判斷矩陣，將判斷矩陣歸一化后得到R=(rjk)m×n，其中j=1，2，…,m，k=1，2，…，n。得到各指標(biāo)的均值后，計算信息熵如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

2.5 確定施工工種安全等級

計算建筑施工工種安全物元N關(guān)于等級j的關(guān)聯(lián)度,即：

(6)

Kj=max{Kj(N)}

(7)

由式(7)可判定施工工種安全物元N所屬的安全等級。

3 案例應(yīng)用

3.1 確定評價標(biāo)準(zhǔn)

以某學(xué)生食堂為案例，選擇施工工種中的架子工種為分析對象，進(jìn)行安全等級評價。該工程為學(xué)生公寓配套食堂，可滿足4 000人就餐，地上建筑5層，1～3層為學(xué)生餐廳，4層為西餐廳和自助餐廳，5層為多功能餐廳和獨(dú)立包間。依據(jù)施工工種安全評價標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合架子工種的實(shí)際情況，確定架子工安全評價標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

3.2 熵權(quán)可拓架子工安全等級評價

3.2.1 指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)化處理

邀請有現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)的專家，通過分析工程勘察報告、設(shè)計報告等，充分了解案例工程中架子工工種的工程地質(zhì)條件、建筑物體量、施工方法、工程材料和機(jī)械設(shè)備的實(shí)際情況，并依據(jù)架子工工種安全評價標(biāo)準(zhǔn)、工種安全性評價指標(biāo)分級表對各指標(biāo)安全情況進(jìn)行評分，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，原始數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果如表4所示。

3.2.2 架子工工種安全經(jīng)典域

各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)典域分別由3個安全性等級的值域構(gòu)成,由式(1)得架子工工種安全經(jīng)典域?yàn)椋?/p>

(8)

3.2.3 架子工工種安全的節(jié)域

依據(jù)各指標(biāo)所對應(yīng)的取值范圍，由式(2)得該工程架子工工種安全的節(jié)域物元為：

表3 架子工安全評價標(biāo)準(zhǔn)

表4 原始數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

(9)

3.2.4 評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算

由式(3)可得架子工各項(xiàng)安全評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，如表5所示。

3.2.5 各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的計算

由式(4)和式(5)可得架子工各項(xiàng)安全評價指標(biāo)的權(quán)重為w=(w1，w2，w3，w4，w5)=(0.112 8，0.134 2，0.293 3，0.231 7，0.228 0)。

表5 架子工安全評價各指標(biāo)與安全等級關(guān)聯(lián)度

3.2.6 架子工安全評價綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度的計算

由式(6)計算架子工安全評價指標(biāo)的綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表6所示。

表6 架子工安全評價綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度

3.2.7 架子工工種安全等級的確定

由式(7)可知，架子工工種的綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度的最大值為0.138，對應(yīng)安全等級為一般危險的經(jīng)典域，故該工程架子工施工工種的安全等級為一般危險，評價結(jié)果如表7所示。由表7可知案例工程中的架子工綜合安全評價等級為一般危險，5項(xiàng)指標(biāo)中，施工方法為高危險，工程地質(zhì)條件為低危險，建筑物體量、工程材料、機(jī)械設(shè)備均為一般危險。故對于該案例工程架子工，應(yīng)加大架子工工人的施工方法掌握情況的監(jiān)督力度，降低對其工程地質(zhì)條件相關(guān)能力的要求，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

表7 架子工工種安全評價結(jié)果

4 結(jié)論

施工工種安全評價是一項(xiàng)具有多屬性特征的工程決策問題，將建筑工程的安全特性分解到各個施工工種中，考慮一線施工工種的安全性，分別從工程地質(zhì)條件、建筑物體量、施工方法、工程材料和機(jī)械設(shè)備5個方面進(jìn)行分析。確定施工工種安全評價標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用可拓理論來處理各指標(biāo)之間的關(guān)系，解決了各指標(biāo)間相互依存又相互矛盾的關(guān)系，構(gòu)建熵權(quán)可拓施工工種安全評價模型，并進(jìn)行安全等級評價，找出施工工種的最大危險點(diǎn)，從而進(jìn)行針對性安全管理，提高安全管理效率。在未來的研究中，一方面，可對多項(xiàng)工程的各個工種都進(jìn)行研究，通過大數(shù)據(jù)分析，設(shè)計一套安全評價標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用于不同規(guī)模建筑中施工工種的安全評價。另一方面，可以加入人員因素，考慮工人安全行為與施工工種的安全匹配關(guān)系，研究如何為不同安全特征的施工工種匹配相應(yīng)安全行為的施工工人，實(shí)現(xiàn)雙向匹配的最優(yōu)效果，為精細(xì)化施工管理研究提供借鑒。