裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估模型的構(gòu)建與應(yīng)用研究

陳蓉芳，姜安民,2，董彥辰,2，熊奇?zhèn)ィ戙y銳

(1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411100；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；4.中建八局蘇南建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

部品部件預(yù)先在工廠完成加工，施工現(xiàn)場工人采用機械吊裝方式進行裝配，最終所形成的建筑即裝配式建筑[1]。裝配式建筑有著節(jié)能環(huán)保、縮短建設(shè)周期等諸多優(yōu)點，大大提高了資源、能源的利用率，促進了建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級[2]。2017年起，我國開始全面推進裝配式建筑的發(fā)展[3]，在國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)〔2016〕71號)文件中明確指出，力爭用10 a左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%[4]。在此背景下，學(xué)者們對裝配式建筑施工質(zhì)量問題展開相關(guān)研究。在裝配式建筑施工過程中，施工質(zhì)量的好壞直接影響了建筑結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性，也成為了影響裝配式建筑在我國建筑業(yè)中推進進程快慢的關(guān)鍵因素。國外針對裝配式建筑施工質(zhì)量問題展開了大量研究，TAKENAGA等[5]對羅科島市東院3號樓裝配式建筑施工質(zhì)量問題展開研究，建立了質(zhì)量控制體系；LEE等[6]對裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估問題進行了研究，考慮的因素較為全面，對風(fēng)險評價及風(fēng)險影響程度問題研究得較為詳細。除此之外，STAUB等[7?8]也分別從模擬施工及質(zhì)量評估框架搭建等角度對裝配式建筑施工質(zhì)量問題展開研究。在國內(nèi)，針對裝配式建筑施工質(zhì)量問題的研究主要集中在定性分析與量化評估2個方面，其中風(fēng)險量化評估是研究的重點。王志強等[9,2,10?11]分別采用云模型法、模糊綜合評價法、博弈法及粗糙集法對裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險進行量化研究，確定風(fēng)險所處等級。本文主要是對風(fēng)險進行量化評估研究，并結(jié)合實例驗證了評估方法的可靠性。為克服以往量化研究中權(quán)重計算不準(zhǔn)確的缺陷，本文引入了區(qū)間層次分析法(IAHP)，在確定指標(biāo)相對重要程度時運用數(shù)值區(qū)間代替單點數(shù)值，很好地解決了指標(biāo)間相對重要程度較為模糊的問題，使得權(quán)重結(jié)果更加可靠；通過構(gòu)造隸屬度函數(shù)，確定指標(biāo)隸屬度，該方法可以很快地對單一指標(biāo)風(fēng)險等級的隸屬情況做出判斷。基于區(qū)間層次分析法與模糊理論的裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估方法操作相對簡單，具有較強的適用性。

1 裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估指標(biāo)體系

影響裝配式建筑施工質(zhì)量的因素較多且復(fù)雜，從不同的角度及階段進行分析，所建立的評估指標(biāo)體系也存在一定差異，但總體的劃分方式有矩可循，即按工作先后順序進行劃分。如洪文霞等[12]將風(fēng)險劃分為構(gòu)件供應(yīng)、施工準(zhǔn)備、施工過程、竣工驗收4大方面，在此基礎(chǔ)上進行詳細劃分并構(gòu)建風(fēng)險評估指標(biāo)體系；劉占坤等[13]則分為設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、安裝4大類。本文同樣遵循工作先后原則進行大類劃分(劃分及建立過程見圖1)，參考文獻[11,14?15]并聽取專家建議，建立裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估指標(biāo)體系。本指標(biāo)體系貫穿從設(shè)計到施工完成的主要質(zhì)量控制點(規(guī)范控制點及質(zhì)量控制薄弱處)，見表1。

表1 裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估指標(biāo)體系Table 1 Construction quality risk assessment index system of prefabricated buildings

圖1 評估指標(biāo)體系建立流程Fig.1 Establishment process of evaluation index system

2 基于區(qū)間層次分析法與模糊理論的裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估模型

2.1 區(qū)間層次分析法(IAHP)

傳統(tǒng)的層次分析法存在受主觀意愿影響較強的缺陷，介于此，1994年吳育華提出區(qū)間層次分析 法(Interval Analytic Hierarchy Process，簡 記IAHP)的概念。區(qū)間層次分析法是對傳統(tǒng)層次分析法的一種改進，在建立成對判斷矩陣的過程中運用數(shù)值區(qū)間代替單點數(shù)值，這樣可以減弱人為主觀意愿的影響，能更好地反映做出判斷的不確定性。區(qū)間層次分析法的具體操作流程如下。

2.1.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)評估指標(biāo)體系，建立層次結(jié)構(gòu)模型，本文的層次結(jié)構(gòu)模型包括目標(biāo)層，1級指標(biāo)層及2級指標(biāo)層。

2.1.2 建立成對判斷矩陣

將評估指標(biāo)兩兩對比，建立成對判斷矩陣，為保證建立成對判斷矩陣的可靠性，本文從從事本專業(yè)年限、職稱、學(xué)歷3方面對做出判斷的專家進行考量，見表2。

表2 判斷矩陣可靠性考量表Table 2 Reliability considerations of judgment matrix

區(qū)間層次分析法同樣采用1～9標(biāo)度進行量化，具體規(guī)則見表3。如果實數(shù)a為一個區(qū)間數(shù)，同時a=[a-,a+]，則可以用A=(aij)n×n表示區(qū)間判斷矩陣。矩陣中元素，表示指標(biāo)i相對指標(biāo)j的重要程度。

表3 1～9標(biāo)度量化規(guī)則Table 3 1～9 scaling rules

2.1.3 進行一致性檢驗

確定判斷矩陣能否通過一致性檢驗，若不能通過，則對判斷矩陣進行調(diào)整，直至通過為止，一致性檢驗具體方法如下：

1)計算k值、β值

2)一致性判定當(dāng)k≤1，β≥1時，認為通過檢驗，即矩陣一致性較好；當(dāng)k>1，β<1時，則認為不通過檢驗，即矩陣一致性較差。

2.1.4 計算評估指標(biāo)權(quán)重

最后，需對求解的權(quán)重向量m(At)進行歸一化處理，進而得到最終的權(quán)重向量如下：

2.2 基于區(qū)間層次分析法與模糊理論的風(fēng)險評估模型

影響裝配式建筑施工質(zhì)量的因素較多、較為復(fù)雜，同時具有一定的模糊性。介于此，基于區(qū)間層次分析法并引入模糊理論，構(gòu)建裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估模型，具體操作流程如下。

2.2.1 裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估指標(biāo)體系

本評價指標(biāo)體系包含3項1級指標(biāo)，19項2級指標(biāo)，見表1。

2.2.2 確定裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評語

參考《建設(shè)工程項目管理規(guī)范》GB/T50326—2017，根據(jù)施工質(zhì)量風(fēng)險大小，將風(fēng)險劃分為5級。并結(jié)合風(fēng)險等級，確定模糊分布，見表4。

表4 裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評語集Table 4 Quality risk assessment of prefabricated building construction

對各評估指標(biāo)制定裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險等級判別標(biāo)準(zhǔn)，見表5。

表5 裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險等級判別標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Construction quality risk grade criteria for prefabricated buildings

2.2.3 確定評估指標(biāo)權(quán)重

基于評估指標(biāo)體系，將評估指標(biāo)兩兩對比，構(gòu)造成對判斷矩陣。對判斷矩陣進行一致性檢驗，若通過則進行下一步，若不通過則需要對判斷矩陣進行調(diào)整。根據(jù)判斷矩陣A得到矩陣A-和A+，分別計算各矩陣最大特征根對應(yīng)的特征向量，該特征向量即為權(quán)重向量，運用式(3)，對矩陣A和A+對應(yīng)的權(quán)重向量進行組合，得到最終權(quán)重向量。對權(quán)重向量進行歸一化處理，即得到各項指標(biāo)最終權(quán)重。

2.2.4 確定隸屬度矩陣

定性法與定量法是確定評價指標(biāo)隸屬度常用的2種方法，定量法較于定性法更加客觀，本研究即采用該方法。通過構(gòu)造梯形隸屬度函數(shù)(見表4)確定評估指標(biāo)隸屬度，形成隸屬度矩陣R，Ⅰ～Ⅴ等級具體隸屬度函數(shù)圖形，見圖2。

圖2 梯形隸屬度函數(shù)Fig.2 Trapezoidal membership function

各等級隸屬度函數(shù)，見式(5)～(9)。

Ⅰ級(風(fēng)險高)：

Ⅱ級(風(fēng)險較高)：

Ⅲ級(風(fēng)險中等)：

Ⅳ級(風(fēng)險較低)：

Ⅴ級(風(fēng)險低)：

式(5)～(9)中，x1,x2,x3,…,x8取值為1,2,3,…,8。

通過計算各指標(biāo)對風(fēng)險等級的隸屬情況，形成隸屬度矩陣R，具體如下：

2.2.5 進行風(fēng)險綜合評估

運用權(quán)重向量與隸屬度矩陣進行合成，進而得到結(jié)果向量B，具體如下：

2.2.6 結(jié)果分析并給出結(jié)論

根據(jù)最大隸屬度原則，確定裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險所處等級，并根據(jù)評估結(jié)果給出相關(guān)結(jié)論。

3 工程實例

X理工大學(xué)新校區(qū)，總建筑面積32.54萬m2，包括圖書館、教學(xué)實驗樓等20棟單體建筑。本工程建筑面積5 000 m2以上單體建筑的三板(樓板、內(nèi)墻板、樓梯板)裝配率均達到40%。本工程中需滿足“三板”要求的單體，樓梯板均預(yù)制；樓(屋面)板中，除屋面、中間樓層衛(wèi)生間區(qū)域，地下室頂板采用現(xiàn)澆板外，其余均采用預(yù)制樓板；剪力墻采用預(yù)制剪力墻板。

本工程預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)是由預(yù)制疊合樓板、預(yù)制墻板、預(yù)制樓梯板等混凝土預(yù)制構(gòu)件組成，在施工現(xiàn)場拼裝后，采用墻板間豎向連接縫現(xiàn)澆、上下墻板間主要豎向受力鋼筋灌漿套筒連接以及樓面梁板疊合現(xiàn)澆形成整體的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合本工程實際情況，展開裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估，具體評估流程如下。

3.1 確定裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評語

根據(jù)施工質(zhì)量風(fēng)險大小，將風(fēng)險劃分為Ⅰ～Ⅴ，共5個等級，各等級具體描述見表4。

3.2 確定評估指標(biāo)權(quán)重

3.2.1 建立成對判斷矩陣

邀請10位從事本行業(yè)且對本工程較為熟悉的專家，基于表2對各個專家分別進行考量，綜合分值分別為：9，6.5，7.6，6.5，7.6，7.2，8，8，7.6，6.1，均通過考量。各位專家根據(jù)評估指標(biāo)的相對重要程度，構(gòu)造成對判斷矩陣，以一級評價指標(biāo)Xi為例，見表6。

表6 X-Xi成對判斷矩陣Table 6 Paired judgment matrix

3.2.2 進行一致性判定

根據(jù)表6成對判斷矩陣可得到矩陣A-和A+，具體如下：

依據(jù)式(2)計算β值為1.042 2；依據(jù)式(1)計算k值為0.975 1。則滿足k≤1且β≥1的條件，即矩陣有較好的一致性，通過檢驗。

3.2.3 計算評估指標(biāo)權(quán)重

利用特征根法計算矩陣A-和A+的權(quán)重向量，具體如下：

運用式(3)計算X1，X2和X3的權(quán)重值，具體如下：

對各指標(biāo)權(quán)重進行歸一化處理，得到1級指標(biāo)權(quán)重，具體如下：

采用同樣方法，計算所有2級指標(biāo)權(quán)重，見表7。

表7 2級評估指標(biāo)權(quán)重Table 7 Weight of secondary evaluation index

3.3 確定隸屬度矩陣

上述10位專家，根據(jù)工程實際情況，通過對現(xiàn)有工程資料進行整理，并依據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)、《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51231—2016)、《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB 50204—2015)等相關(guān)規(guī)范，對本裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險大小做出評分，評分取0～10，具體評分結(jié)果見表8。

表8 專家評分Table 8 Expert scoring table

根據(jù)表8評分情況，計算各評估指標(biāo)對各風(fēng)險等級的隸屬度，以指標(biāo)X11為例。X11綜合評分為8.9，代入式(8)，可知指標(biāo)X11對Ⅰ～Ⅴ，5個風(fēng)險等級的隸屬情況分別為0，0，0，0，1，同理通過計算其他指標(biāo)隸屬情況，進而得到1級指標(biāo)X1的隸屬度矩陣R1如下：

采用同樣方法，計算其他各1級指標(biāo)隸屬度矩陣如下：

3.4 進行風(fēng)險綜合評估

3.4.1 2級風(fēng)險綜合評估

對裝配式建筑設(shè)計、構(gòu)件制作及施工準(zhǔn)備風(fēng)險X1中各2級風(fēng)險進行綜合評估，具體如下：

對裝配式建筑施工風(fēng)險X2中的各2級風(fēng)險進行綜合評估，具體如下：

對施工完成后質(zhì)量檢查風(fēng)險X3中的各2級風(fēng)險進行綜合評估，具體如下：

3.4.2 1級風(fēng)險綜合評估

對裝配式建筑施工質(zhì)量總體風(fēng)險X進行評估，具體如下：

3.5 評估結(jié)果分析

根據(jù)最大隸屬度原則可知，1級風(fēng)險中，裝配式建筑設(shè)計、構(gòu)件制作及施工準(zhǔn)備風(fēng)險X1所處等級為Ⅴ(風(fēng)險低)；裝配式建筑施工風(fēng)險X2所處等級為Ⅲ(風(fēng)險中等)；施工完成后質(zhì)量檢查風(fēng)險X3所處等級為Ⅴ(風(fēng)險低)；項目總體風(fēng)險為低，從風(fēng)險整體分布可以看出，為中等偏低狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)通過文獻研究并聽取專家建議的基礎(chǔ)上，對裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險進行識別，并建立裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估指標(biāo)體系。本評估指標(biāo)體系相對完善，指標(biāo)設(shè)置較為合理，具有一定的參考價值。

2)引入?yún)^(qū)間層次分析法確定各指標(biāo)的相對重要度，該方法可以很好地解決指標(biāo)間相對重要程度較為模糊的問題，使計算的權(quán)重更加準(zhǔn)確。通過構(gòu)造隸屬度函數(shù)的方式確定指標(biāo)對風(fēng)險等級的隸屬情況，簡便快捷。本文基于區(qū)間層次分析法與模糊理論，構(gòu)建了裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估模型。

3)運用基于區(qū)間層次分析法與模糊理論的裝配式建筑施工質(zhì)量風(fēng)險評估模型，對X理工大學(xué)新校區(qū)裝配式建筑施工質(zhì)量進行風(fēng)險評估，得出項目總體質(zhì)量風(fēng)險處于偏低狀態(tài)的結(jié)論，施工質(zhì)量風(fēng)險總體可控。雖然風(fēng)險總體處于中等偏低狀態(tài)，但仍不能掉以輕心，從設(shè)計、施工到施工完成后的質(zhì)量檢查仍需要嚴格的按照規(guī)范執(zhí)行，建立完善的質(zhì)量監(jiān)督管理制度，密切關(guān)注個質(zhì)量控制點，進而實現(xiàn)問題早發(fā)現(xiàn)、早控制、早解決。

4)通過實例研究驗證了模型的合理性與可靠性，同時風(fēng)險評估結(jié)果可以作為質(zhì)量控制的重要依據(jù)。