基于相互作用矩陣的被動式建筑施工安全評價

王志強，辛?xí)员?，?碩

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

1 引言

隨著社會建筑業(yè)的不斷發(fā)展，“可持續(xù)性”逐漸成為一個最有意義的理念。在此背景下，德國菲斯特教授于1998年提出的“被動式建筑”，很快在西方國家推廣開來，到現(xiàn)在已經(jīng)遍及全球。被動式建筑舒適度高并且以超低能耗實現(xiàn)保濕、保溫、隔音、隔熱等功能特性，是順應(yīng)時代潮流的所有建筑新理論的綜合。[1]與傳統(tǒng)建筑的施工相比，被動式建筑的精細化施工不僅降低了建筑自身能耗,還增加了建筑的使用壽命。在施工過程中，被動式建筑在門窗安裝、圍護結(jié)構(gòu)、氣密性和保溫系統(tǒng)等方面與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑存在顯著差異。復(fù)雜的施工技術(shù)和工藝給被動式建筑施工安全管理帶來大量不確定性因素，使安全隱患變得繁雜。同時，我國被動式建筑的發(fā)展與世界先進水平之間的差距明顯，施工條件與作業(yè)人員素質(zhì)對滿足被動式建筑施工階段工藝復(fù)雜、技術(shù)復(fù)雜的安全要求存在很大的提升空間，容易發(fā)生安全事故。因此，建立科學(xué)的評價體系準確地對被動式建筑施工階段安全風(fēng)險進行評價研究具有一定的必要性。

在被動式建筑評價方面，國內(nèi)外學(xué)者對建筑性能和成本控制方面的研究相對成熟。Liang Xinxin(2017)等對傳統(tǒng)住宅與被動式住宅進行了建筑性能監(jiān)測比較以及評估研究[2]，Proietti(2013)等人對被動式房屋進行了全生命周期評估，考慮了所有的生命周期過程[3]，宋琪(2015)使用了層次分析法對指標進行賦權(quán)，然后運用模糊綜合評價法對被動式建筑性能進行評價分析[4]，李強年(2018)等利用模糊綜合評判法建立被動式建筑評價模型[5]，李輝山(2019)等運用AHP方法與可拓物元評價模型對被動式建筑全生命周期成本控制進行綜合評價[6]。在施工安全評價研究方面，Amiri(2017)將識別出的安全影響因子添加到安全評價方法中，利用模糊評價模型對工程施工安全問題進行了分析[7]，Clyde(2016)利用系統(tǒng)動力學(xué)和VENSIM軟件識別出裝配式建筑的施工安全風(fēng)險因子[8]，馮亞娟(2019)運用了熵權(quán)法和集對分析法對裝配式建筑施工安全進行評價分析[9]，陳茸等(2020)通過改進的CUOWGA算子和建筑施工安全灰色聚類評價模型對案例進行分析[10]。

但是，當今國內(nèi)外學(xué)者對被動式建筑施工安全評價的研究未幾，并且針對多風(fēng)險因素交互耦合作用條件下的評價研究主要集中于地鐵[11]、煤礦[12-13]和工程場址[14]等領(lǐng)域，很少有關(guān)于被動式建筑施工安全領(lǐng)域的探索。鑒于此，本文根據(jù)被動式建筑的相關(guān)文獻和有關(guān)標準建立了評價指標體系，在分析風(fēng)險因素耦合作用的基礎(chǔ)上，利用相互作用矩陣方法對案例進行評價分析，以期對被動式建筑施工安全防范提供借鑒與思路。

2 多維軌跡風(fēng)險交叉耦合作用理論分析

在施工進程中，被動式建筑的串聯(lián)性比傳統(tǒng)建筑煩瑣。不少傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的工序、節(jié)點和工法可以進行簡易處置，但在被動式建筑中這些并不能掉以輕心，有的反而需要更加注意。被動式建筑的工序、工藝以及專業(yè)器材的操作，對施工現(xiàn)場及作業(yè)人員來說是極大的考驗，安全風(fēng)險因素隱蔽且復(fù)雜，容易發(fā)生安全隱患。

運用安全事故致因理論可以對被動式建筑施工安全進行客觀分析，但是傳統(tǒng)意義上的安全事故致因理論往往局限于單個風(fēng)險因素的作用。而在現(xiàn)場作業(yè)中，多因素交叉耦合作用下可能會形成一連串較大的風(fēng)險隱患。因此，本文基于被動式建筑施工安全風(fēng)險因素的復(fù)雜性，綜合考慮了人為因素、物的因素、管理因素、環(huán)境因素四大維度。同時，在借鑒風(fēng)險交叉耦合理論的基礎(chǔ)上，建立了多維軌跡風(fēng)險交叉耦合作用模型，如圖1所示。

圖1 被動式建筑施工安全多維軌跡風(fēng)險交叉耦合致因模型

從圖1中可以看出，物的問題、人為缺陷、脆弱環(huán)境以及管理失效都會導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。單一的風(fēng)險因素在超越自身風(fēng)險極限后，能直接釀成安全事件的發(fā)生。但是一些未達到自身風(fēng)險閾值的因素會與其他風(fēng)險因素之間引起耦合反應(yīng)，誘發(fā)風(fēng)險極值的降低而引起事故的發(fā)生。如項目對從業(yè)人員的技能培訓(xùn)與安全教育投入不足時，會導(dǎo)致作業(yè)人員技術(shù)水平低和安全意識薄弱，最終引起安全事故的發(fā)生。因此，利用科學(xué)的方法去分析被動式建筑各施工安全風(fēng)險因素以及多因素間的作用具有必要性。

3 被動式建筑施工安全評價模型

3.1 構(gòu)建被動式建筑施工安全評價指標體系

被動式建筑在施工過程中牽連到多部位、多工種，并且作為我國新興事物，相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)寥寥無幾，短時間內(nèi)對其風(fēng)險因素進行定量解析難度較大。本文在參考以往的文獻后，根據(jù)被動式房屋的施工特性和業(yè)內(nèi)有關(guān)的技術(shù)標準[15]，利用風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)(RBS)方法，從安全事故致因角度出發(fā)，篩選出管理因素和環(huán)境因素。在對青島中德生態(tài)園實地調(diào)查和與之合作項目的研究中，篩選出人為因素和物的因素。按照評價指標建立的原則，從以上四大維度中篩選出16個主要影響因子作為二級指標，建立起科學(xué)的、完整的施工安全評價指標體系，詳細見圖2。

圖2 被動式建筑施工安全評價指標體系

3.2 相互作用矩陣

相互作用矩陣方法在考慮每個被動式建筑施工安全風(fēng)險因素對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響的同時，綜合酌量了安全風(fēng)險因子之間交互耦合反應(yīng)下對整個施工安全的影響。此方法的運用可能會對被動式建筑施工安全的探究達到一個可觀的效果。

運用相互作用矩陣方法，最先是篩選影響被動式建筑施工安全的主要因素，明確風(fēng)險影響因子。其次把這些影響要素作為評價指標進行定量分析，構(gòu)建被動式建筑施工安全多因子交互作用矩陣，對施工安全程度展開定量探究。建立相互作用矩陣時，把每個風(fēng)險影響因子對施工安全影響程度的數(shù)值安放在矩陣的主對角線上。把多因素間的耦合反應(yīng)關(guān)系布置在非對角線的位置上，數(shù)值的高低呈現(xiàn)出多因子間耦合反應(yīng)對施工安全的影響程度。具體的矩陣如下：

矩陣P中，Xi表示被動式建筑施工安全影響因子Fi；Xij表示施工安全影響因子Fi對影響因子Fj的影響程度；n表示施工安全影響因子的個數(shù)。之后，可以通過以下公式進一步計算出被動式建筑施工過程中安全影響因子Fi(i,j=1,2,…,n)的權(quán)重Ki。

(1)

其中，

(2)

(3)

公式中，Ci為被動式建筑施工安全影響因子Fi對其他因子的影響程度總和，數(shù)值為Xi所在行之和；Ei為被動式建筑施工安全影響因子Fi受其他因子的作用程度總和，數(shù)值為Xi所在列之和。然后再根據(jù)下式求得被動式建筑施工安全風(fēng)險程度。

(4)

式中，SD是評價被動式建筑施工風(fēng)險的一個無量綱數(shù)，稱為被動式建筑施工安全評價系數(shù)。Vi=Pi/4，Pi為因子 所對應(yīng)的評分(0～4)，Vi為風(fēng)險因子Fi參數(shù)的值。

3.3 風(fēng)險衡量

要對被動式建筑施工安全風(fēng)險進行定量描述，首先建立相互作用矩陣，利用(1)～(4)公式得出風(fēng)險評價系數(shù)SD。在借鑒相關(guān)領(lǐng)域文獻[16]和《建筑施工安全檢查標準》[17]的基礎(chǔ)上，按照SD數(shù)值大小劃分為表1所示的4個層級。如果工程項目屬于Ⅰ類低風(fēng)險狀態(tài)，不用采取必要措施進行防治。若工程項目是第Ⅱ類中等風(fēng)險狀態(tài)，應(yīng)采用必要程序進行監(jiān)控施工。如果達到了Ⅲ類高風(fēng)險狀態(tài)，應(yīng)馬上采取有效措施進行限期整改。如果該施工工程屬于IV類極高風(fēng)險狀態(tài)，應(yīng)立即采取緊急措施對風(fēng)險隱患進行排查和消除。

表1 風(fēng)險評價系數(shù)劃分

4 實例研究

4.1 工程概況

青島西海岸新區(qū)中德應(yīng)用技術(shù)學(xué)校位于中德生態(tài)園團結(jié)路以南、昆侖山路以西，總建筑面積8萬多平方米。其中學(xué)校的6號和7號宿舍樓為被動式超低能耗居住建筑示范區(qū)，是按照被動式建筑標準來進行設(shè)計的，同時獲得了德國PHI認證。兩座宿舍樓的施工建設(shè)在外圍護結(jié)構(gòu)、選材、熱橋處理、氣密性、保溫性等節(jié)點和細節(jié)進行了嚴密設(shè)計與控制。本文借此宿舍樓為例，利用上述方法對其施工安全進行評價研究，并確立了圖1所示的指標體系。

4.2 確定矩陣元素

為了能夠?qū)γ總€風(fēng)險因素和多因素耦合作用下對施工安全的影響進行定量描述，通過專家半定量取值的方法將安全影響因素間的作用程度進行了劃分。通過影響程度，區(qū)分為0、1、2、3、4五個等級，詳見表2。

表2 相互作用矩陣的專家半定量取值法

根據(jù)上述的相互作用矩陣方法，通過對青島中德生態(tài)園的專家們進行問卷調(diào)查和專家打分，對16個被動式建筑施工安全風(fēng)險影響因子進行風(fēng)險賦值，并把多因子耦合作用的影響值分別填入相互作用矩陣中對應(yīng)的位置，構(gòu)建如下矩陣P：

4.3 計算結(jié)果與分析

得出矩陣P后，利用上述公式(1)～(3)計算得到該項目16個施工安全風(fēng)險影響因子的權(quán)重Ki，如表3所示。

表3

從表3中可以看出，對被動式建筑項目施工安全影響較大的因素包括管理因素(技能培訓(xùn)與安全教育、安全制度與責(zé)任體系)、環(huán)境因素(現(xiàn)場施工作業(yè)環(huán)境)和人為因素(作業(yè)人員安全意識)。所以在以后的施工過程中應(yīng)加強以上幾方面的風(fēng)險防范。但是，其他施工安全風(fēng)險因子的權(quán)重數(shù)值相差并不大，也不能有所懈怠。

最后通過公式(4)計算得出該建筑項目施工安全評價系數(shù)SD=34.52%。根據(jù)表1知，該項目施工安全已經(jīng)達到中風(fēng)險狀態(tài)，應(yīng)采取必要的監(jiān)控措施，完善安全管理體系，使施工規(guī)范化。經(jīng)過實地的調(diào)研，上述的分析結(jié)果跟實際情況較為吻合。

4.4 對策建議

本文根據(jù)上述的結(jié)果分析和實地調(diào)查研究，提出以下預(yù)防措施。

(1) 增強現(xiàn)場人員的專業(yè)水平和安全意識。對被動式建筑的施工安全來說，人為風(fēng)險因素相當敏感，作業(yè)人員的整體水平對施工安全至關(guān)重要。由于被動式建筑在我國推行不久，應(yīng)通過專業(yè)的培訓(xùn)和教育來提高作業(yè)人員的專業(yè)水平和安全意識，確保作業(yè)人員的安全水平。

(2)提升施工現(xiàn)場的安全管理。加強對現(xiàn)場施工作業(yè)的動態(tài)監(jiān)控，完善安全制度與責(zé)任體系，對人、物采取得當?shù)陌踩O(jiān)督，定期排查安全隱患。及時組織對現(xiàn)場人員進行技能與安全方面的集訓(xùn)，提高綜合水準。此外，被動式建筑施工中對材料和設(shè)備的要求具有一定的特殊性，應(yīng)對材料和設(shè)備實施嚴格把控。

(3)加強現(xiàn)場施工作業(yè)環(huán)境管理?，F(xiàn)場施工作業(yè)環(huán)境是安全事故多發(fā)的隱蔽地帶，應(yīng)對施工現(xiàn)場的物料、設(shè)備進行合理化安置與分配，同時確保作業(yè)場地的面積和有序性，為現(xiàn)場人員提供一個適宜的工作環(huán)境，從而使發(fā)生安全事故的可能性下降。

5 結(jié)論

(1) 通過構(gòu)建被動式建筑施工安全風(fēng)險交叉耦合作用模型，可直觀地發(fā)現(xiàn)，單個風(fēng)險因素與不同因素之間存在耦合反應(yīng)以及它們之間交互影響的形態(tài)。

(2)構(gòu)建的相互作用矩陣方法，綜合考慮了被動式建筑施工安全因素之間的相互作用對系統(tǒng)的影響。在實際案例的應(yīng)用中，驗證了該方法的可行性，在被動式建筑施工安全評價研究中達到了一個可觀的效果。

(3)本文引入案例，發(fā)現(xiàn)了對被動式建筑施工安全影響大的風(fēng)險因素，并對相應(yīng)的風(fēng)險預(yù)防給出了一些建議，這對實際施工中的安全防范具有借鑒意義。不過本文在等級劃分和專家打分環(huán)節(jié)存在主觀影響，這將是今后的研究方向。