承災(zāi)體視角下的裝配式建筑脆弱性評(píng)估研究

姜東民，張 哲，何棟良，孟 瑋

(青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院，山東 青島 266525)

1 前言

近些年來，國家開始鼓勵(lì)并扶持建筑工業(yè)化的發(fā)展，由傳統(tǒng)的“粗放式”的建造模式向“精細(xì)化”的建造方式轉(zhuǎn)型，裝配式建筑憑借施工速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得到國家大力推廣，而裝配式建筑的安全問題制約著裝配式建筑的發(fā)展，為了更好地推廣裝配式建筑，大量學(xué)者對(duì)裝配式建筑安全管理進(jìn)行深入探討。馮亞娟等聯(lián)合應(yīng)用熵權(quán)法和集對(duì)分析法，構(gòu)建基于 EW-SPA 的裝配式建筑施工安全評(píng)價(jià)模型，并用于實(shí)證研究[1]；王志強(qiáng)等針對(duì)裝配式建筑特點(diǎn)，聯(lián)合FTA-SPA-灰色聚類模型對(duì)裝配式建筑進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)[2]；陳偉等分析引發(fā)裝配式建筑施工安全事故的因素及其相互作用機(jī)制后構(gòu)建 SD-MOP 模型，分析應(yīng)對(duì)事故的安全投入關(guān)鍵要素并構(gòu)建及評(píng)價(jià)其資源投入優(yōu)化配置方案[3]；其他學(xué)者也將屬性數(shù)學(xué)[4]、可拓學(xué)理論[5]應(yīng)用到裝配式建筑安全評(píng)價(jià)中。

本文在承災(zāi)體的視角下，對(duì)裝配式建筑開展脆弱性評(píng)估研究，針對(duì)脆弱等級(jí)較高的承災(zāi)體提出相應(yīng)的建議與措施，達(dá)到預(yù)防安全事故的目的，促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展。

2 承災(zāi)體視角下裝配式建筑脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 Apriori算法

Apriori算法算法是由Agrawal和R.Srikant 于1993年針對(duì)購物籃分析問題提出的，是一種布爾型算法。該算法的核心思想是對(duì)目標(biāo)事務(wù)庫進(jìn)行掃描，對(duì)每個(gè)項(xiàng)的出現(xiàn)次數(shù)計(jì)數(shù)，收集大于等于最小支持度的項(xiàng)，即頻繁項(xiàng)集，當(dāng)不能產(chǎn)生更高階頻繁項(xiàng)集時(shí)停止，然后挖掘大于等于最小置信度的關(guān)聯(lián)規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)挖掘數(shù)據(jù)之間隱藏的關(guān)聯(lián)關(guān)系的目的。利用Apriori算法挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則分為四個(gè)步驟，由于篇幅有限，詳細(xì)步驟參考文獻(xiàn)[6]。

2.2 裝配式建筑安全事故類型及承災(zāi)體分析

結(jié)合裝配式建筑特點(diǎn)和國家安全生產(chǎn)通報(bào)，整理出發(fā)生頻率較高幾種安全事故有：①高空墜落。裝配式建筑施工需要進(jìn)行大量的高空作業(yè)，工人在復(fù)雜多變的環(huán)境中長時(shí)間作業(yè)會(huì)導(dǎo)致疲勞、走神或身體不適，稍不注意就會(huì)導(dǎo)致高空墜落。②物體打擊。在預(yù)制構(gòu)件吊裝、拼接的過程中，任何零星部件、建筑材料等墜落下來，對(duì)施工人員、機(jī)械設(shè)備等都會(huì)產(chǎn)生較大的傷害。③機(jī)械傷害，機(jī)械設(shè)備的使用需要專門的人員操作，操作不當(dāng)或操作人員專業(yè)水平不足都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械傷害事故。④起重傷害。預(yù)制構(gòu)件的形狀不規(guī)則且質(zhì)量、體積和起吊難度較大，在吊裝前起重機(jī)械設(shè)備選擇不當(dāng)、吊裝過程中點(diǎn)位固定不牢、人為操作失誤以及吊點(diǎn)設(shè)置不合理等問題都有可能導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件在起吊過程中脫落。⑤坍塌事故。構(gòu)件在生產(chǎn)、運(yùn)輸、堆放的各個(gè)環(huán)節(jié)中都有可能發(fā)生坍塌，嚴(yán)重威脅附近的施工人員的人身安全。

根據(jù)對(duì)上述5種發(fā)生頻率較高且造成影響嚴(yán)重的裝配式建筑安全事故的分析與總結(jié)后，匯總各類安全事故的承災(zāi)體得到表1，根據(jù)表1可得，人員、機(jī)械設(shè)備和建筑物本身是裝配式建筑安全事故的主要承災(zāi)體。

2.3 構(gòu)建裝配式建筑脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系

建立科學(xué)合理、全面客觀的評(píng)估指標(biāo)體系是進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估工作的第一步。遵循客觀性、獨(dú)立性和全面性的原則，在CNKI進(jìn)行高級(jí)檢索，選擇主題或關(guān)鍵詞為“裝配式建筑”“風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究”“安全評(píng)價(jià)研究”等進(jìn)行檢索，搜集相關(guān)文獻(xiàn)研究，選取近4年相關(guān)度較高的40篇文獻(xiàn)，對(duì)文獻(xiàn)中的指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成等操作后，得到如表2所示的初始指標(biāo)庫。

表1 安全事故承災(zāi)體

表2 初始指標(biāo)

本文采用Apriori算法挖掘頻繁項(xiàng)集是為了篩選初始脆弱性因素清單中相對(duì)重要的指標(biāo)，使得指標(biāo)體系更加科學(xué)，因此只進(jìn)行挖掘頻繁1項(xiàng)集的工作。經(jīng)過征詢相關(guān)專家建議之后，本文設(shè)置最小支持度為0.25，最小置信度為0.8。在本研究中，頻繁1項(xiàng)集表示在初始數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)次數(shù)較多且相對(duì)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，support表示此頻繁1項(xiàng)集的支持度。將頻繁1項(xiàng)集作為初次篩選后保留的指標(biāo)，如表3所示。

由于是在承災(zāi)體的視角下進(jìn)行脆弱性評(píng)估研究，采用Apriori算法第一次篩選脆弱性指標(biāo)后，仍存在若干與本研究關(guān)聯(lián)不大的指標(biāo)，采用專家調(diào)查法可以有效地剔除此類指標(biāo)，進(jìn)行二次指標(biāo)的篩選修訂。經(jīng)過專家討論后，一致認(rèn)為A38、A11、A15、A32、A13、A14六項(xiàng)指標(biāo)與本文研究視角不吻合,將這些指標(biāo)予以剔除，然后對(duì)指標(biāo)進(jìn)行重新編號(hào)后，構(gòu)建出如表4的評(píng)估指標(biāo)體系。

表3 頻繁1項(xiàng)集列表

表4 承災(zāi)體視角下的裝配式建筑脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系

3 裝配式建筑承災(zāi)體脆弱性評(píng)估模型構(gòu)建

3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

3.1.1 權(quán)重方法的選擇

裝配式建筑脆弱性指標(biāo)包含人為的主觀因素和實(shí)際情況的客觀因素，開展裝配式建筑脆弱性評(píng)估研究應(yīng)同時(shí)考慮主觀因素和客觀因素，通過參考相關(guān)脆弱性評(píng)估研究成果，為了能更準(zhǔn)確、科學(xué)的確定指標(biāo)權(quán)重，本文采用組合賦權(quán)法分別計(jì)算各指標(biāo)的主、客觀權(quán)重，然后利用數(shù)學(xué)公式計(jì)算組合得到各指標(biāo)綜合權(quán)重，并在裝配式建筑脆弱性評(píng)估進(jìn)行應(yīng)用。

3.1.2 AHP確定主觀權(quán)重

AHP的基本原理是將復(fù)雜的問題分解成多個(gè)層次，按照因素間的相互關(guān)系及上下層關(guān)系，將因素按不同層次分類組合，建立一個(gè)多層次分析結(jié)構(gòu)模型，最終把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為最低層相對(duì)重要程度的權(quán)值的問題。利用AHP解決問題的計(jì)算步驟參考相關(guān)文獻(xiàn)[7]，在此不再贅述。

3.1.3 熵值法確定客觀權(quán)重

熵是描述對(duì)象系統(tǒng)混亂程度的一種度量，一個(gè)對(duì)象的信息熵值越小，其信息量就越大，評(píng)價(jià)對(duì)象的權(quán)重相應(yīng)的也就更大。熵值法的計(jì)算步驟如下：

Step1：設(shè)待評(píng)價(jià)項(xiàng)目數(shù)為m，評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)為n，構(gòu)造如下的判斷矩陣：

Step2：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其標(biāo)準(zhǔn)化公式為

(1)

Step3：計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)熵值，設(shè)ej為第j個(gè)指標(biāo)的熵值，其計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中yij為第j個(gè)指標(biāo)在第i個(gè)系統(tǒng)中的特征比重。

Step4：計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，其計(jì)算公式為

(4)

3.1.4 確定綜合權(quán)重

(5)

3.2 云模型

李德毅于1995年提出了云模型理論，其定義如下：設(shè)U是一個(gè)用精確數(shù)值表示的定量論域，C是U上的定性概念，若定量值x∈U，且是定性概念C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)x，x對(duì)C的確定度μ(x)∈[0,1]是有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)μ:U→[0,1],x∈U,x∈μ(x)，則在論域U上的分布成為云，每一個(gè)稱為一個(gè)云滴[8]。

3.2.1 云模型的數(shù)字特征

云用期望Ex、熵En、超熵He三個(gè)數(shù)字特征來表現(xiàn)云模型的整體特性。期望Ex是論域的中心值，也是云滴在定性語言概念中確定度最大、最典型的點(diǎn)。熵En是對(duì)定性概念不確定性的度量，反映了模糊性和隨機(jī)性。超熵He是熵的熵，用來表示熵的不確定性，即云滴的離散程度。

3.2.2 云發(fā)生器

云發(fā)生器即云生成算法。在云模型中，通過云發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)定性概念與定量數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)化[9]。正向云發(fā)生器是從定性到定量的轉(zhuǎn)化模型，利用云的3個(gè)數(shù)字特征生成云滴，具體過程如圖1所示。逆向云發(fā)生器是從定量到定向的轉(zhuǎn)化模型，根據(jù)已有云滴計(jì)算出3個(gè)數(shù)字特征，具體過程如圖2所示。將正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)定向與定量之間的任意轉(zhuǎn)化。

圖1 正向云發(fā)生器

圖2 逆向云發(fā)生器

4 基于云模型的裝配式建筑脆弱性評(píng)估

4.1 確定脆弱性評(píng)估指標(biāo)集

根據(jù)本文研究視角，建立了如表4所示的裝配式建筑承災(zāi)體脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系，其中包括人員、機(jī)械設(shè)備、建筑物本身3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和16個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

4.2 評(píng)語云模型化

結(jié)合GB/T 27921—2011《風(fēng)險(xiǎn)管理 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)》風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法和建筑領(lǐng)域相關(guān)專家的建議，本文將裝配式建筑脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)語集劃分為三個(gè)等級(jí)，脆弱性系數(shù)在[0,0.33]內(nèi)為“不脆弱”等級(jí)、脆弱性系數(shù)在[0.34,0.67]內(nèi)為“不太脆弱”等級(jí)、脆弱性系數(shù)在[0.68,1]內(nèi)為“脆弱”等級(jí)，被劃分的三個(gè)脆弱性等級(jí)均有對(duì)應(yīng)的評(píng)語數(shù)值區(qū)間，都有左右兩個(gè)臨界值，形如V[Cmin，Cmax]，屬于雙邊約束，且該區(qū)間對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征為(Ex，En，He)，其計(jì)算公式如式6。

(6)

式中：Cmax、Cmin分別為某等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的最大和最小邊界；k為常數(shù)，可以根據(jù)變量本身的不確定程度進(jìn)行調(diào)整，k的取值不宜過大，參考專家的意見，本文中k取0.01，根據(jù)公式6可計(jì)算出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的云模型參數(shù)為：不脆弱(0.165，0.055，0.01)、不太脆弱(0.5，0.053，0.01)、脆弱(0.835，0.055，0.01)。

4.3 計(jì)算指標(biāo)評(píng)估云和綜合云

采用專家打分法邀請(qǐng)專家對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行判斷打分，可以得到指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣Z，有m個(gè)專家，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中Zij表示第i個(gè)專家對(duì)第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣表示如下

對(duì)矩陣Z處理后，根據(jù)公式8、公式7分別計(jì)算得到二級(jí)指標(biāo)評(píng)估云和綜合云，將綜合云與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估云對(duì)比，進(jìn)而確定其整體脆弱性等級(jí)。

(8)

5 實(shí)際案例應(yīng)用

5.1 工程概況

青島市某裝配式建筑項(xiàng)目A地塊，位于青島市黃島區(qū)，總建筑面積156316.61m2，于2018年8月開工，計(jì)劃2021年10月完工。本工程1#、2#、3#商品住宅樓為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，四層及四層以上采用裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件主要有復(fù)合保溫外墻板、內(nèi)墻板、樓梯，單品預(yù)制率為54.15%。

5.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

借助MATLAB求解可得各指標(biāo)權(quán)重，一、二級(jí)指標(biāo)權(quán)重如表5所示。

5.3 計(jì)算評(píng)估指標(biāo)云

邀請(qǐng)10位從事裝配式建筑領(lǐng)域的相關(guān)專家和部分參建項(xiàng)目各方的管理人員對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行判斷打分，打分區(qū)間為[0，1]，打分精度為0.05，打分情況如表6所示。根據(jù)公式7計(jì)算各二級(jí)指標(biāo)云模型數(shù)字特征，根據(jù)公式8計(jì)算得到各一級(jí)指標(biāo)特征和綜合云數(shù)字特征，具體數(shù)據(jù)如表7、表8所示，根據(jù)各指標(biāo)的數(shù)字特征借助MTALAB生成云圖，如圖3所示。

表5 各級(jí)指標(biāo)權(quán)重

表6 專家打分情況表

表7 二級(jí)指標(biāo)的云模型數(shù)字特征

表8 一級(jí)指標(biāo)云模型數(shù)字特征

根據(jù)圖3可得，該項(xiàng)目整體脆弱性處于“不太脆弱”和“脆弱”兩級(jí)之間，屬于“不太脆弱”等級(jí)，說明該項(xiàng)目安全狀況較好，與實(shí)際情況基本吻合。各一級(jí)指標(biāo)中人員脆弱性最高，應(yīng)提高工人的安全意識(shí)，對(duì)進(jìn)入施工現(xiàn)場的作業(yè)人員進(jìn)行充分的安全教育培訓(xùn)工作，要不定期和定期地組織施工人員學(xué)習(xí)相關(guān)安全知識(shí)和安全標(biāo)準(zhǔn)常識(shí)。針對(duì)不同教育層次的人群采取不同的安全培訓(xùn)，從班組層次抓好基礎(chǔ)工作，提高施工人員的安全素養(yǎng)，從而降低人員脆弱性。

圖3 綜合云與標(biāo)準(zhǔn)云對(duì)比云圖

6 結(jié)語

本文在承災(zāi)體的視角下，對(duì)裝配式建筑安全事故進(jìn)行承災(zāi)體分析，采用文獻(xiàn)分析法和Apriori算法構(gòu)建脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合組合賦權(quán)法和云模型構(gòu)建脆弱性評(píng)估模型，對(duì)裝配式建筑脆弱性評(píng)價(jià)研究工作，并應(yīng)用于實(shí)際案例，評(píng)估結(jié)果顯示該項(xiàng)目處于不太脆弱等級(jí)，與實(shí)際情況符合，為裝配式建筑安全管理提供了新思路。研究表明，該模型具有可行性及科學(xué)性。