基于熵權(quán)-未確知測度理論的裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估

李文龍，李慧民，孟 海 ,2 ，裴興旺

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055; 2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑工業(yè)化進(jìn)程在不斷推進(jìn)，各個地區(qū)的裝配式建筑得到了長足的發(fā)展.對于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)，具有良好的整體性能，但存在著施工工期長、費(fèi)工費(fèi)料、生產(chǎn)較難實現(xiàn)工業(yè)化、管理復(fù)雜等缺點.裝配式建筑的出現(xiàn)大力改善了這一狀況，裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的梁、板、柱乃至樓梯、陽臺等構(gòu)件均能在工廠進(jìn)行加工，實現(xiàn)完全的工業(yè)化生產(chǎn)，在施工現(xiàn)場進(jìn)行拼裝即可.

裝配式建筑實現(xiàn)了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、制造工業(yè)化、安裝機(jī)械化，具有建設(shè)速度快、施工時間短、節(jié)約勞動力、節(jié)約材料等優(yōu)點，能最大限度地滿足環(huán)保節(jié)能、綠色施工的要求.但裝配式建筑施工過程的安全風(fēng)險問題一直是建筑工業(yè)化進(jìn)程中的亟待解決的重點問題.目前，國內(nèi)專家學(xué)者對裝配式建筑安全管理等方面進(jìn)行了深入的研究，并取得了一系列的成果.吳鳳平[1]等深入分析混凝土裝配式住宅施工危險源及存在的安全問題，并提出一系列安全預(yù)防措施；黃桂林等[2]將可拓學(xué)理論運(yùn)用于裝配式住宅施工安全風(fēng)險評價中，以評價裝配式住宅施工過程中的安全風(fēng)險狀況；湯彥寧[3]通過運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)理論，對裝配式結(jié)構(gòu)住宅施工階段安全風(fēng)險進(jìn)行評價；李高鋒等[4]對裝配式住宅施工安全影響因素及相應(yīng)管理應(yīng)對措施進(jìn)行研究，并在工程實例中得以運(yùn)用；李穎等[5]在施工危險源分析的基礎(chǔ)上，對預(yù)制裝配式建筑施工的安全和質(zhì)量問題進(jìn)行分析和評估；劉迪等[6]深入研究了裝配式建筑施工各階段存在的安全風(fēng)險，并提出了影響裝配式建筑安全管理的因素和“人、機(jī)、料、法、環(huán)”5個方面的控制措施；陳偉等[7]聯(lián)合應(yīng)用層次分析法及灰色聚類評價方法，對裝配式建筑工程實際施工安全狀態(tài)進(jìn)行測評；羅杰等[8]通過從多個方面剖析裝配式建筑施工安全管理的關(guān)鍵問題，以指導(dǎo)安全生產(chǎn)管理工作；楊爽[9]在事故致因理論、危險源辨識理論分析的基礎(chǔ)上，研究了屬性數(shù)學(xué)在裝配式建筑施工安全評價中的應(yīng)用；田黎[10]運(yùn)用風(fēng)險矩陣的評估方法和管理策略，在各種風(fēng)險分析、識別、量測、評估的基礎(chǔ)上建立了系統(tǒng)的風(fēng)險管理體系；張文佳等[11]通過構(gòu)建基于結(jié)構(gòu)熵權(quán)-可信性測度理論的風(fēng)險性評估模型，以掌握當(dāng)前的不安全因素，從而展開安全預(yù)防及控制.上述學(xué)者雖然采用了不同方法對裝配式建筑施工安全風(fēng)險問題進(jìn)行了大量研究，但由于影響裝配式建筑的施工過程安全風(fēng)險的因素眾多，并且存在著諸多的復(fù)雜性和不確定性，裝配式建筑施工安全風(fēng)險的評估與管理還存在著不足，傳統(tǒng)的評估體系難以得到滿意的結(jié)果.

未確知信息及其數(shù)學(xué)處理理論是由我國學(xué)者王光遠(yuǎn)于1990年提出的一種新的不確定性信息理論[12].未確知測度理論能夠處理多因素的不確定信息，已在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得良好效果[13-16].基于此，本文構(gòu)建熵權(quán)-未確知測度理論的裝配式建筑施工過程安全風(fēng)險評估模型，以期為今后裝配式建筑施工過程安全風(fēng)險評估和管理提供了新的方法和思路.

1 基于熵權(quán)-未確知測度理論

設(shè)評估對象X={X1,X2,…,Xn}，評估指標(biāo)集I={I1,I2,…,Im}；若xij表示第i個評估對象Xi關(guān)于第j個評估指標(biāo)Ij的測量值，則有m維向量Xi={Xi1,Xi2,…,Xim}.設(shè)評估等級空間C={C1,C2,…,Cp}，第k個評估等級Ck為xij的等級值；設(shè)第k級比第k+1級安全風(fēng)險高，記為Ck>Ck+1若C1>C2>…>Cp，或C1

1.1 確定單指標(biāo)未確知測度矩陣

若μijk=μ(xij∈Ck)表示測量值xij屬于第k個評估等級Ck的程度，且μ滿足：

0≤μ(xij∈Ck)≤1
(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;k=1,2,…,p)

(1)

μ(xij∈U)=1
(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(2)

(3)

稱式(1)為“非負(fù)有界性”，式(2)為“歸一性”，式(3)為“可加性”.滿足式(1)～式(3)的μ稱為未確知測度，簡稱測度.

構(gòu)造單指標(biāo)測度函數(shù)μ(xij∈Ck)(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;k=1,2,…,p)求出評估對象Xi的各個指標(biāo)測度值μijk，則稱(μijk)m×p為單指標(biāo)測度評估矩陣，即

(4)

1.2 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

若在n個評估對象m個評估指標(biāo)評估中，有p個評估等級，則第j個評估指標(biāo)的熵Hj為

(5)

第j個評估指標(biāo)的偏差度dj=1-Hj，第j個評估指標(biāo)的熵權(quán)wj為

(6)

1.3 確定多指標(biāo)未確知測度矩陣

(7)

1.4 置信度識別準(zhǔn)則

為了得出最終評估結(jié)果，引入置信度識別準(zhǔn)則.設(shè)λ為置信度(λ≥0.5，通常取λ=0.6或0. 7)，若C1>C2>L>Cp，且令

(8)

則認(rèn)為評估對象的風(fēng)險性等級為Cp0.

2 裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系的建立

根據(jù)常見的施工安全風(fēng)險因素，并結(jié)合裝配式建筑施工的特點，在廣泛調(diào)研和文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上，將影響施工安全風(fēng)險的因素分為五大類：人為風(fēng)險因素，技術(shù)風(fēng)險因素，物料、設(shè)備風(fēng)險因素，管理風(fēng)險因素，環(huán)境風(fēng)險因素，將上述五大類因素進(jìn)行深入分析、篩選得到次級因素.

人為風(fēng)險因素：人是施工過程的直接參與者，作業(yè)人員的身體與心理狀況、專業(yè)技術(shù)水平以及安全意識會對施工安全風(fēng)險起著決定性的作用，因此發(fā)揮人的主導(dǎo)作用，提高人的活動能力，才能保證裝配式建筑的施工安全.

技術(shù)風(fēng)險因素：在裝配式建筑施工中，施工技術(shù)與工藝與一般施工技術(shù)有很大差別，包括PC構(gòu)件安裝、吊裝作業(yè)等都會存在極大地安全隱患，必須嚴(yán)把安全關(guān).

物料、設(shè)備風(fēng)險因素：物料設(shè)備對施工安全的影響主要體現(xiàn)在作業(yè)區(qū)域內(nèi)PC構(gòu)件的運(yùn)輸及堆放是否合理，機(jī)械設(shè)備是否定期檢驗及臨時支撐的防護(hù)情況等.

管理風(fēng)險因素：安全管理涉及的因素很多，包括建立健全安全生產(chǎn)責(zé)任制、監(jiān)督使用安全防護(hù)措施、定期進(jìn)行安全檢查和安全隱患排查等，科學(xué)的安全管理也是保證裝配式建筑施工安全的重要環(huán)節(jié).

環(huán)境風(fēng)險因素：施工現(xiàn)場環(huán)境也會對裝配式建筑施工安全產(chǎn)生一定程度的影響，包括氣候條件文明施工情況及安全防護(hù)狀況等.

基于影響裝配式建筑施工安全的因素，建立裝配式建筑施工過程安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系，一級指標(biāo)即人為風(fēng)險因素(I1)、技術(shù)風(fēng)險因素(I2)、物料、設(shè)備風(fēng)險因素(I3)、管理風(fēng)險因素(I4)、環(huán)境風(fēng)險因素(I5)，由一級指標(biāo)經(jīng)過細(xì)化、分析、整合，選取作業(yè)人員技術(shù)水平(I11)、作業(yè)人員安全意識(I12)、作業(yè)人員健康狀況(I13)、作業(yè)人員安全防護(hù)佩戴情況(I14)、PC構(gòu)件連接可靠程度(I21)、PC構(gòu)件拼裝定位準(zhǔn)確程度(I22)、吊點設(shè)置合理程度(I23)、塔吊交叉作業(yè)干擾程度(I24)、其他技術(shù)復(fù)雜程度(I25)、時變結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測技術(shù)(I26)、作業(yè)區(qū)域PC構(gòu)件堆放情況(I31)、機(jī)械設(shè)備定期檢驗情況(I32)、臨時支撐及防護(hù)情況(I33)、安全防護(hù)措施使用情況(I41)、安全生產(chǎn)責(zé)任制落實情況(I42)、安全定期檢查到位情況(I43)、安全風(fēng)險管理及控制情況(I44)、作業(yè)區(qū)域氣候條件(I51)、作業(yè)區(qū)域文明施工狀況(I52)、四口、五臨邊防護(hù)狀況(I53)作為二級評估指標(biāo)，如圖1所示.

圖1 裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系Fig.1 Construction safety risk assessment index system of prefabricated building

裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估中，通過分級標(biāo)準(zhǔn)量化法將每個指標(biāo)分為4個等級，將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為半定量指標(biāo)，每個等級評分標(biāo)準(zhǔn)見表1.

表1 安全風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Safety risk grading standards

根據(jù)上述有關(guān)單指標(biāo)測度函數(shù)的定義和評估指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)，可構(gòu)建裝配式建施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)的測度函數(shù).本文所研究的未確知測度函數(shù)采用直線型，構(gòu)造出的各單因素評估指標(biāo)的未確知測度函數(shù)如下：

(9)

(10)

(11)

(12)

本文單因素指標(biāo)測度函數(shù)，用圖形來表示，即如圖2所示.

圖2 單因素指標(biāo)測度函數(shù)Fig.2 Single factor index measurement function

3 工程實例分析

為驗證模型的有效性和可行性，本文選用本人實際參與的某ZT裝配式住宅為案例，進(jìn)行未確知測度理論模型的運(yùn)用和分析.通過邀請9位相關(guān)專家進(jìn)行打分，并采取去頭、去尾再均分的數(shù)據(jù)統(tǒng)計原則，最后得出各個評估指標(biāo)的取值，見表2.

表2 某裝配式住宅施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)取值Tab.2 Construction safety risk assessment index value of prefabricated house

3.1 計算單指標(biāo)未確知測度矩陣

根據(jù)單指標(biāo)測度函數(shù)的定義和表1的分級標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用表2中的各個指標(biāo)值帶入圖2構(gòu)造的未確知測度函數(shù)，得到該裝配式住宅樓的單指標(biāo)未確知測度矩陣.

(13)

3.2 確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)熵權(quán)法的思路，由單指標(biāo)測度矩陣中的數(shù)據(jù)計算各指標(biāo)的權(quán)重為：w=(0.051，0.051，0.045，0.046，0.044，0.056，0.071，0.048，0.062，0.046，0.061，0.051，0.044，0.048，0.044，0.046，0.044，0.048，0.044，0.051).

3.3 計算多指標(biāo)綜合測度評估向量

根據(jù)單指標(biāo)未確知測度矩陣和各指標(biāo)權(quán)重，可得到該裝配式建筑施工安全風(fēng)險的多指標(biāo)綜合測度評估向量為

μ1×4={0.075，0.564，0.361，0.000}

(14)

3.4 置信度識別

取置信度λ= 0. 6，根據(jù)式(8)，結(jié)合已得到的多指標(biāo)綜合測度評估向量，當(dāng)p0=2時，從小到大，0.075+0.564=0.639>0.6，即施工安全風(fēng)險等級為II級；從大到小0.036 1+0.564=0.925>0.6，即施工安全風(fēng)險等級為II級.綜合兩次結(jié)果，判定該裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估等級為II級.

3.5 結(jié)果分析

由結(jié)果可知，該ZT裝配式住宅施工過程安全風(fēng)險評估等級為II級，即安全風(fēng)險一般，處于可接受的狀態(tài).本文采用置信度識別準(zhǔn)則，評估結(jié)果與實際情況吻合度較高，結(jié)果合理可信.

說明基于熵權(quán)-未確知測度理論可用于裝配式建筑施工過程中的安全風(fēng)險評估.

4 結(jié)論

(1)不同于一般現(xiàn)澆式建筑施工，裝配式建筑施工安全的影響因素眾多且具有復(fù)雜性和不確定性.本文選用涉及人，技術(shù)，物料、設(shè)備，管理，環(huán)境等方面的諸多因素作為評估指標(biāo)，進(jìn)行裝配式建筑的施工過程安全風(fēng)險評估.

(2)采用熵權(quán)法來確定各個評估指標(biāo)的權(quán)重，充分利用了單指標(biāo)未確知測度矩陣的數(shù)值，減少了很多主觀因素對評估結(jié)果的影響，克服了傳統(tǒng)方法確定權(quán)重的主觀性、局限性問題，使評估結(jié)果更加客觀科學(xué).

(3)考慮到裝配式建筑施工中的諸多不確定性，將未確知測度理論應(yīng)用于裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估中，建立了基于熵權(quán)-未確知測度理論的裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估模型，并將其應(yīng)用于工程項目，結(jié)果合理可信，能為有效進(jìn)行裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估提供了新的思路，并能為安全管理工作提供可靠依據(jù).