基于云模型-熵權(quán)法的裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

方成寬，鐘春玲

1吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118 2吉林建筑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)表關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑指導(dǎo)意見后,各省市政府及相關(guān)單位紛紛響應(yīng),目前裝配式建筑在國(guó)內(nèi)發(fā)展略顯起色[1].由于裝配式建筑作為一種新型的施工方式,施工難度高于傳統(tǒng)建筑,導(dǎo)致安全事故發(fā)生率高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑[2-3].因此,研究裝配式建筑施工安全問(wèn)題來(lái)減少裝配式建筑施工風(fēng)險(xiǎn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)裝配式建筑施工技術(shù)及安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究,也取得一定的成果.Aminbakhsh等通過(guò)層次分析法確定了施工項(xiàng)目前最重要及最不重要的安全風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目[4].不同學(xué)者通過(guò)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)對(duì)施工安全進(jìn)行耦合評(píng)估，或者利用IHFACS-BN模型進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[5-6].雖有一些學(xué)者運(yùn)用熵權(quán)法與AHP相結(jié)合或改進(jìn)層次分析法對(duì)傳統(tǒng)現(xiàn)澆式建筑進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析管理[7-8],但這些都未能上升到裝配式建筑.對(duì)于裝配式建筑,李皓燃等[9]人采用結(jié)構(gòu)方程模型對(duì)裝配式建筑施工安全關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)分析,得出裝配式建筑施工各階段施工排序，也有不同學(xué)者運(yùn)用層次分析模糊綜合評(píng)價(jià)法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等建立了相應(yīng)的評(píng)估模型[10-11].現(xiàn)有研究對(duì)于裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估均過(guò)于主觀.為此,本文結(jié)合云模型和熵權(quán)法,利用云模型方法有效地考慮了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中的隨機(jī)和模糊不確定性,評(píng)估數(shù)據(jù)的規(guī)律性，通過(guò)確定指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),避免專家賦權(quán)法的主觀性，為裝配式建筑施工安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)管理提供新的參考依據(jù).

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論

1.1 云模型

云模型是一種用來(lái)解決定性與定量相互轉(zhuǎn)換問(wèn)題的模型[12].其定義如下:設(shè)有一個(gè)數(shù)值表示的定量域R,U是R上的定性概念,若定量數(shù)值x∈R是定性概念U的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn),x對(duì)U的確定度CU(x)∈[0,1]是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù),即:

CU(x)：R→[0,1]?x∈Rx→CU(x)

則x在R上的分布稱為云,記為drop(x,CU(x))P,每一個(gè)x稱為一個(gè)云滴[12].

云模型包括期望Ex、熵En和超熵He這3個(gè)數(shù)字特征.Ex表示該域內(nèi)云滴空間分布的期望,表示定性概念的點(diǎn)或?qū)υ摳拍钸M(jìn)行量化的最典型樣本;En能綜合測(cè)度定性概念的模糊度范圍和概率密度,反映定性概念的不確定性;He用于測(cè)量熵的不確定性,反映云滴在數(shù)域中的分散程度[12].

云發(fā)生器是計(jì)算云模型的具體算法,對(duì)于正常的云模型,有很多種云生成器.本文主要采用前向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器.

(1) 正向云發(fā)生器. 前向云生成器是從定性概念到定量值的映射.通過(guò)輸入云的3個(gè)數(shù)字特征(Ex,En,He)及想要產(chǎn)生的云滴的數(shù)量N,利用輸出的N個(gè)云滴的值形成云圖像[13].

具體算法如下:

通過(guò)云模型的數(shù)字特征(Ex,En,He)及生成的云滴數(shù)N,得出N個(gè)云滴與x確定CU(x),稱為drop(xi,CU(xi)).

(a) 生成一個(gè)期望值為En,方差為He的正態(tài)隨機(jī)數(shù)En′;

(b) 生成一個(gè)期望值為Ex,方差為En′的正態(tài)隨機(jī)數(shù)x(x是域內(nèi)的云滴);

(d) 重復(fù)上述步驟,直到產(chǎn)生N個(gè)云滴.

(2)x條件云發(fā)生器(Ex,En,He,x0,N). 在給定域的數(shù)域空間中,已知云的3個(gè)數(shù)字特征值(Ex,En,He),通過(guò)在域內(nèi)設(shè)置條件x=x0下實(shí)現(xiàn)的云發(fā)生器稱為條件云發(fā)生器[14].

其具體算法如下:

通過(guò)云模型的數(shù)字特征值(Ex,En,He),具體值x0和要生成的云滴數(shù)N,得出對(duì)應(yīng)特定值x0的N個(gè)云滴及其確定性.

(a) 生成一個(gè)期望值En,方差為He2的正態(tài)隨機(jī)數(shù)En′;

(c) 生成N個(gè)特定值x0對(duì)應(yīng)的云滴,即為drop(x0,CU(x)).

1.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)的方法.熵權(quán)法的基本思想是根據(jù)各變量的變異程度確定各變量的權(quán)重,然后通過(guò)修正得到相對(duì)客觀權(quán)重[15].其計(jì)算過(guò)程如下：

設(shè)由m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有n個(gè)相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)矩陣:

R(rij)m*n,i=1,2,…,m;j=i=1,2,…,n

計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值Ej:

當(dāng)kij≤0時(shí),

計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重ωj:

2 裝配式建筑吊裝安全施工的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的構(gòu)建

2.1 評(píng)估指標(biāo)體系及評(píng)估模型

通過(guò)對(duì)相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)研究[16-22],構(gòu)建了裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,如圖1所示.通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)中的一系列風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論,構(gòu)建了裝配式建筑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,如圖2所示.

圖1 裝配式吊裝施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Safety risk evaluation index system of assembly hoisting construction

圖2 裝配式建筑吊裝施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型Fig.2 Risk assessment model of assembly building hoisting construction

2.2 風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)

參照相關(guān)規(guī)范將裝配式建筑施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為四級(jí),即為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)及四級(jí),其中一級(jí)為極高風(fēng)險(xiǎn),二級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn),三級(jí)為中風(fēng)險(xiǎn),四級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn).其風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)見表1.

表1 風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Risk acceptance criteria

2.3 評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)量化值

評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn).對(duì)于由模糊語(yǔ)言變量描述的離散指標(biāo),采用模糊區(qū)間數(shù)法賦值可以保留數(shù)據(jù)的模糊性.表2給出了不同風(fēng)險(xiǎn)水平下每個(gè)指標(biāo)的模糊語(yǔ)言描述及量化值的處理結(jié)果.

表2 不同風(fēng)險(xiǎn)水平下各評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊語(yǔ)言描述及其量化值Table 2 Fuzzy language description and quantitative value of each evaluation index under different risk levels

續(xù)表2

2.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的云模型

為了分析風(fēng)險(xiǎn)的不確定性,該評(píng)價(jià)指標(biāo)將不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的量化值處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)云模型的3個(gè)數(shù)字特征(Ex,En,He).3個(gè)數(shù)字特征的計(jì)算方法如下:

(1)

(2)

He=β

(3)

以機(jī)械設(shè)備安拆及定位技術(shù)Z24為例,利用式(1)～式(3)計(jì)算了不同等級(jí)Z24的云模型的數(shù)字特征.結(jié)果如下: 一級(jí)(0.05,0.1,0.005),二級(jí)(0.35,0.1,0.005),三級(jí)(0.7,0.117,0.005),四級(jí)(0.9,0.067,0.005).通過(guò)正向云發(fā)生器算法,利用Matlab軟件生成相應(yīng)的云模型圖,如圖3所示.

圖3 Z24不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的云模型Fig.3 Cloud models of different risk levels in Z24

2.5 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)水平的綜合確定性

通過(guò)實(shí)測(cè)及施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和專家評(píng)估咨詢,得出評(píng)價(jià)裝配式建筑施工所需的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù).再根據(jù)本文2.4的計(jì)算結(jié)果及本文1.1條件云發(fā)生器算法,得到各指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定度μp,ij.

綜合確定性是用來(lái)表示測(cè)量數(shù)據(jù)的隸屬度.根據(jù)各指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)μp,ij的確定度及評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的計(jì)算結(jié)果,利用加權(quán)求和法計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的綜合確定度Gp,i，其計(jì)算公式如下:

(4)

根據(jù)最大隸屬度原則,各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)綜合確定度的計(jì)算結(jié)果的最大值對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為裝配式建筑施工安全的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某裝配式項(xiàng)目位于合肥市肥東縣,總建筑面積約為48 641.74 m2,其中包含4棟高層住宅.住宅樓均采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu),其預(yù)制率約為47 %,其中1#樓1層以上,2#樓2層以上,3#樓、4#樓4層以上為預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu),其余部分均為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu).預(yù)制構(gòu)件有預(yù)制外墻板,預(yù)制內(nèi)墻板,預(yù)制陽(yáng)臺(tái)板,預(yù)制樓梯,預(yù)制疊合樓板.

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及權(quán)重計(jì)算結(jié)果

通過(guò)選取在建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理及質(zhì)量檢測(cè)單位等相關(guān)單位的5名安全管理人員對(duì)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案、施工方案、施工資料及評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，得到的各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)和權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 肥東縣裝配式建筑施工項(xiàng)目各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of risk index data of prefabricated construction projects in Feidong county

3.3 指標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定程度

由式(1)～式(3)及表3分別可得到的各評(píng)估指標(biāo)的云模型數(shù)字特征和實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果,再通過(guò)條件云發(fā)生器算法,可得出各評(píng)估指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定程度μp,ij.還是以機(jī)械設(shè)備安拆及定位技術(shù)Z24為例,其不同等級(jí)的云模型數(shù)字特征分別為:一級(jí)(0.05,0.1,0.005),二級(jí)(0.35,0.1,0.005),三級(jí)(0.7,0.117,0.005),四級(jí)(0.9,0.067,0.005).利用條件云發(fā)生器算法計(jì)算各指標(biāo)數(shù)據(jù),并通過(guò)Matlab軟件生成對(duì)應(yīng)的條件云模型圖,如圖4所示.Z24對(duì)應(yīng)的每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定度μp,ij分別為:一級(jí)(0),二級(jí)(0.000 3),三級(jí)(0.895 8),四級(jí)(0.096 9).各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定程度見表4.

圖4 Z24不同級(jí)別的條件云模型(x0=0.755)Fig.4 Z24 Conditional cloud models of different levels(x0=0.755)

表4 各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定程度Table 4 Determination of the actual data of each risk index corresponding to the risk level

3.4 實(shí)例各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的綜合確定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3中各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果,結(jié)合表4中各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定程度,利用式(4)計(jì)算各指標(biāo)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的綜合確定程度,其計(jì)算結(jié)果位于表4.

由最大隸屬度原則可知,各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)綜合確定度的計(jì)算結(jié)果的最大值對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為裝配式建筑施工安全的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).計(jì)算結(jié)果表明，該項(xiàng)目綜合確定度的最大值為0.658 0,即該裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí).再根據(jù)本文2.2風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn),得出該裝配式建筑施工風(fēng)險(xiǎn)是可能出現(xiàn)的,需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控,但一般不需要采取風(fēng)險(xiǎn)管理措施.

4 結(jié)論

本文將云模型與熵權(quán)法相結(jié)合,對(duì)裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估,現(xiàn)主要結(jié)論如下:

(1) 通過(guò)對(duì)裝配式建筑相關(guān)論文、規(guī)范及相關(guān)事故研究,從4個(gè)方面提出20個(gè)相應(yīng)的裝配式建筑施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)構(gòu)建了裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,為裝配式建筑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供一種新的方法.

(2) 將云模型方法與熵權(quán)法相結(jié)合使用,通過(guò)給出各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的量化范圍,利用云模型有效地將裝配式建筑施工中安全風(fēng)險(xiǎn)的模糊語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)值,實(shí)現(xiàn)了定性語(yǔ)言到定量數(shù)值的轉(zhuǎn)換,解決了定性語(yǔ)言的模糊性.同時(shí)利用熵權(quán)法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),有效地避免了專家賦權(quán)法的主觀性.再通過(guò)逆向云模型確定各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)綜合確定程度,以此達(dá)到對(duì)裝配式建筑施工安全的評(píng)價(jià).

(3) 本文評(píng)估結(jié)果與施工現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)情況一致,表明將云模型與熵權(quán)法相結(jié)合能夠客觀、準(zhǔn)確地評(píng)估裝配式建筑施工的風(fēng)險(xiǎn)水平.將其運(yùn)用于裝配式建筑施工中,能夠?yàn)槭┕ぐ踩芾硖峁┮欢ǖ膮⒖?