基于云模型的城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

王建波，張 薇，秦 娜，黃文靜

(1.青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院，山東 青島，266520;2.山東省高校智慧城市建設(shè)管理研究中心(新型智庫)，山東 青島，266520)

隨著我國城市的發(fā)展和建設(shè)步伐的加快，地下空間的開發(fā)力度越來越大，城市深基坑工程越來越多，并呈現(xiàn)大規(guī)模、大深度的發(fā)展趨勢.近年來，城市深基坑工程風(fēng)險(xiǎn)事故頻發(fā)，往往帶來難以估量的生命財(cái)產(chǎn)損失以及不良的社會(huì)影響.城市深基坑工程建設(shè)具有開挖工期長、施工難度大等特點(diǎn)，是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的建設(shè)工程[1].尤其在施工階段，項(xiàng)目投入資源多、技術(shù)復(fù)雜、周邊環(huán)境復(fù)雜，不可預(yù)見因素多并不斷變化.因此，為了保證基坑工程順利實(shí)施，對城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估具有重要意義.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對基坑工程風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定成果.在深基坑風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系方面，Smith[2]提出了IMS風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系；潘夢真[3]從勘察設(shè)計(jì)與監(jiān)測、支護(hù)結(jié)構(gòu)、土方施工、排水與降水、周圍環(huán)境等5個(gè)方面，建立了基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系.在深基坑風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型方面，Einstein[4]采用可靠度分析法分析了巖石隧道風(fēng)險(xiǎn)；陳紹清[5]建立事故樹模型分析了深基坑坍塌事故的致災(zāi)因素；何錫興[6]、劉俊偉[7]建立了深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評判模型；吳丹紅[8]、王偉[9]建立了深基坑開挖安全可拓評價(jià)模型；王成湯[10]基于多態(tài)模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)提出了一種深基坑坍塌可能性評價(jià)方法；杜修力[11]、程鴻群[12]基于證據(jù)理論建立了深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)模型.上述模型方法極大地豐富了城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)研究，但是大多數(shù)模型忽略了施工風(fēng)險(xiǎn)因素的隨機(jī)性和模糊性，不切合工程實(shí)際，容易造成評價(jià)誤差.

鑒于此，本文在充分識別城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)因素的基礎(chǔ)上，建立施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系.運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法(Analytic Network Process，簡稱ANP)和改進(jìn)CRITIC法確定指標(biāo)的綜合權(quán)重，使得權(quán)重結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確，然后基于云模型理論建立了城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，使得評價(jià)結(jié)果更加合理，以期為城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)管理提供較為精確的參考信息.通過青島蔚藍(lán)生物深基坑工程實(shí)例分析，驗(yàn)證了所建模型的科學(xué)性和有效性.

1 云模型基本理論

1.1 云定義及數(shù)字特征

設(shè)U是表征數(shù)量的論域，C是屬于U的定性概念，若數(shù)值x∈U，且x是對定性概念C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，μ(x)∈[0,1].其中μ(x)是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，也即x對C的隸屬度.即μ:U→[0,1]?x∈U,x∈μ(x),x在U上的分布稱為云，x稱為云滴[13].云模型理論用“云滴”來表述論域元素與隸屬度之間的關(guān)系[14].

1.2 云發(fā)生器

云發(fā)生器作為一種最基本的云算法，可以從語言值表達(dá)的定性信息中獲取定量的范圍和分布規(guī)律[15].云發(fā)生器主要分為正向、逆向云發(fā)生器，運(yùn)算示意圖如圖1所示.

圖1 云發(fā)生器Figure 1 Cloud generator

2 城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系的建立

城市深基坑工程是具有復(fù)雜性、系統(tǒng)性且受眾多因素影響的工程，本文結(jié)合城市深基坑工程的特點(diǎn)，建立城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系.首先通過理論分析法和文獻(xiàn)研究法[16-18]，結(jié)合城市深基坑工程的施工特點(diǎn)，全面系統(tǒng)地識別城市深基坑工程可能存在的施工風(fēng)險(xiǎn)因素，從而得到施工風(fēng)險(xiǎn)因素初始清單；其次采用德爾菲法，邀請城市深基坑工程風(fēng)險(xiǎn)管理領(lǐng)域的專家，對施工風(fēng)險(xiǎn)初始清單因素的重要度進(jìn)行評價(jià)，從中篩選出較為重要的風(fēng)險(xiǎn)因素.歷經(jīng)三輪調(diào)查問卷，最終匯總整理得到統(tǒng)一意見，即形成城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示.

表1 城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

3 ANP-改進(jìn)CRITIC法確定施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)綜合權(quán)重

目前確定指標(biāo)權(quán)重的方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩類[19].主觀賦權(quán)法依賴于專家的個(gè)人知識、經(jīng)驗(yàn)，比較符合實(shí)際，但是主觀性較強(qiáng)容易造成評價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確的不良影響；客觀賦權(quán)法是依據(jù)客觀實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)，避免了人為主觀影響，但無法反映指標(biāo)間的相關(guān)性，甚至存在所得權(quán)重與指標(biāo)本身重要程度相背離的極端情況.因此為了增加指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合ANP法和改進(jìn)CRITIC法來確定施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的綜合權(quán)重.

3.1 ANP主觀賦權(quán)法計(jì)算權(quán)值

網(wǎng)絡(luò)層次分析法(Analytic Network Process，簡稱ANP)是由Saaty提出的[20]，有利于解決元素之間存在影響和反饋關(guān)系的復(fù)雜系統(tǒng)問題.具體步驟如下：

1)建立ANP結(jié)構(gòu).以一級評價(jià)指標(biāo)土方開挖、地基處理、基坑支護(hù)、排水降水和基坑監(jiān)測為準(zhǔn)則層因素，各二級評價(jià)指標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)各元素，構(gòu)造ANP結(jié)構(gòu)，如圖2所示.

2)構(gòu)造ANP判斷矩陣.以控制層元素Bi(i=1,2,3,4,5,6)為準(zhǔn)則，以網(wǎng)絡(luò)層元素集Ci中的元素{Ci1,Ci2,…,Cij}(i=1,2,3,4)為次準(zhǔn)則.咨詢專家，采用九標(biāo)度法對各指標(biāo)間的重要程度進(jìn)行判斷(見表2)，即把元素組Ci中元素按其對Cij的影響力大小進(jìn)行間接優(yōu)勢度比較，從而得到兩兩判斷矩陣U.

圖2 ANP層次結(jié)構(gòu)圖Figure 2 ANP hierarchy diagram

表2 指標(biāo)重要性判斷

3.2 改進(jìn)CRITIC客觀賦權(quán)法計(jì)算權(quán)值

城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間存在相互影響，運(yùn)用CRITIC法進(jìn)行研究能夠考慮到各因素間的沖突性及信息量，較為客觀準(zhǔn)確[21].該法利用相關(guān)系數(shù)表示各因素間的沖突性，當(dāng)前者越大時(shí)，后者越小，所得權(quán)重越??；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差決定信息量的大小，前者越大，后者越大，權(quán)重越大.但是傳統(tǒng)CRITIC法在指標(biāo)量綱不同的情況下容易造成誤差，因此本文在此基礎(chǔ)之上對其進(jìn)行改進(jìn)，引入變異系數(shù)以增加指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.具體步驟如下：

1)依據(jù)原始數(shù)據(jù)建立矩陣，并求得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X=(xij)mn，計(jì)算公式如下：

2)計(jì)算各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差si、相關(guān)系數(shù)ρij，計(jì)算公式如下：

(1)

ρij=Cov(Xi,Xj)/(si,sj)

(2)

其中：Xi為第i行元素的均值，Cov(Xi,Xj)為標(biāo)準(zhǔn)矩陣第i行與第j行的協(xié)方差.

3)計(jì)算各指標(biāo)變異系數(shù)，公式為：

(3)

4)根據(jù)相關(guān)系數(shù)ρij得到各指標(biāo)間獨(dú)立性系數(shù)Cj，公式為：

(4)

5)計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的客觀熵權(quán)εj，公式為：

(5)

3.3 確定指標(biāo)的綜合權(quán)重

(6)

其中：δi,εi分別代表ANP法、改進(jìn)CRITIC法求得的指標(biāo)權(quán)重，ωi代表各指標(biāo)的綜合權(quán)重.

4 評價(jià)模型

云模型是由李德毅院士提出的一種建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)和模糊數(shù)學(xué)理論知識基礎(chǔ)上的不確定性人工智能評價(jià)方法[22].由于城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)具有模糊性、影響因素多、難以定量描述等特點(diǎn)，運(yùn)用云模型可以實(shí)現(xiàn)定性變量在論域空間內(nèi)靈活伸縮的表達(dá)，提高施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)精確度.

4.1 確定標(biāo)準(zhǔn)云

通過查閱文獻(xiàn)資料和咨詢專家，將城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)五個(gè)等級.采用黃金分割率的方法對城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評語集進(jìn)行分級[23].取中等風(fēng)險(xiǎn)評語集的云圖的數(shù)字特征為(0.500,0.039,0.005)，相鄰評語等級的云模型參數(shù)之間的倍數(shù)為0.618，且越靠近論域[0,1]的中心區(qū)域，評價(jià)等級的En和He的值越小.計(jì)算可得評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征如表3所示，并據(jù)此繪制施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云如圖3所示.

表3 施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云模型參數(shù)

圖3 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖Figure 3 Risk assessment standard cloud map

4.2 確定風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云

邀請城市深基坑工程領(lǐng)域?qū)＜覍Ω魇┕わL(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行評分，并通過逆向云發(fā)生器，將評分結(jié)果轉(zhuǎn)化為云數(shù)字特征參數(shù).設(shè)專家評語集為{P1,P2,P3,…,Pk,…,Pl}，其中Pk為第k(k=1,2,…,l)位專家對某二級風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的評分值.具體步驟如下：

1)采用式(7)計(jì)算出該指標(biāo)的云數(shù)字特征參數(shù)Exi,Eni及Hei.

(7)

2)利用式(8)加權(quán)平均算術(shù)法將各2級風(fēng)險(xiǎn)評語云(風(fēng)險(xiǎn)子云)轉(zhuǎn)化為1級風(fēng)險(xiǎn)綜合云(風(fēng)險(xiǎn)父云).

(8)

其中：n為各一級指標(biāo)下的二級指標(biāo)的個(gè)數(shù)，ωi為各二級指標(biāo)的權(quán)重值.由此利用正向云發(fā)生器即可生成各風(fēng)險(xiǎn)云滴，得到城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)綜合云.

3)通過式(9)計(jì)算綜合云對各等級云的隸屬度ξi，驗(yàn)證云模型直觀判斷的準(zhǔn)確性，其結(jié)果進(jìn)一步與工程實(shí)際勘查情況進(jìn)行對比分析.

(9)

5 案例分析

青島蔚藍(lán)生物某深基坑工程項(xiàng)目，位于山東省青島市國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，周邊南側(cè)為科韻路，北側(cè)為科興路，東側(cè)為祥源路，西側(cè)緊臨青島市瑞普電氣有限責(zé)任公司.該項(xiàng)目地塊擬建建筑物為地下1層地上1～4層廠房，建筑面積約115 424.70 m2，結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，廠房基礎(chǔ)形式為樁承臺基礎(chǔ).該工程設(shè)備基礎(chǔ)基坑土方開挖部分，南北方向長約56 m，東西方向?qū)捈s93 m，基坑深度大部分為5 m以上.該工程地層主要為粉土、粉質(zhì)黏土和黏土層以及表層素填土等.整個(gè)工程開挖難度大、工期緊，施工過程存在較大的安全隱患.運(yùn)用本文構(gòu)建的施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型對該深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，以期為城市深基坑工程的施工風(fēng)險(xiǎn)管理提供應(yīng)用性的參考.

5.1 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

邀請城市深基坑工程領(lǐng)域?qū)＜?，采?0分制，對指標(biāo)的重要程度及其指標(biāo)間的相對重要度進(jìn)行評分，指標(biāo)越重要，相對分值則越高.本文采用 ANP 的專用計(jì)算工具Super Decision ( SD) 軟件進(jìn)行計(jì)算分析，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)式(1)～(5)計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重，由式(6)計(jì)算可得各評價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，如表4所示.

5.2 施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)

邀請專家對各個(gè)施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)在區(qū)間[0,1]內(nèi)進(jìn)行打分，得到指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級矩陣.根據(jù)式(7)～(8)依次計(jì)算可得各二級指標(biāo)、一級指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)云數(shù)字特征，結(jié)果如表5所示.進(jìn)而通過正向云發(fā)生器繪制即可得到各指標(biāo)的評價(jià)云圖，一級指標(biāo)云圖如圖4所示，總體評價(jià)云圖如圖5所示.

表4 指標(biāo)權(quán)重一覽表

表5 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)云數(shù)字特征表

圖4 一級指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云圖Figure 4 Risk assessment cloud for first-level indicators

根據(jù)式(8)，依次將二級指標(biāo)、一級指標(biāo)的云數(shù)字特征及其綜合權(quán)重進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，得到該項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)云數(shù)字特征為(0.355 2,0.001 9,0.015 2)，通過正向云發(fā)生器繪制即可得到綜合評價(jià)云圖，如圖所示.

5.3 評價(jià)結(jié)果綜合分析

通過式(9)計(jì)算綜合云對各等級云的隸屬度為：0.0026、0.7706、0.0010、0.0000、0.0000.根據(jù)最大隸屬度原則可以確定該工程施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)等級處于“較低”風(fēng)險(xiǎn).同時(shí)由圖4、5可知，云滴較密集，說明本項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果較為穩(wěn)定.將綜合評價(jià)云圖與標(biāo)準(zhǔn)云圖進(jìn)行比較可知，綜合評價(jià)云圖黃色云圖介于“較低”風(fēng)險(xiǎn)和“一般”風(fēng)險(xiǎn)之間，更加偏向于“較低”風(fēng)險(xiǎn).所得結(jié)論與工程實(shí)際現(xiàn)狀一致.另外，一級指標(biāo)評價(jià)結(jié)果表明，一級指標(biāo)土方開挖和基坑監(jiān)測的風(fēng)險(xiǎn)等級為“較低”；地基處理介于“較低”和“中等”之間，偏向于“中等”風(fēng)險(xiǎn)；排水降水介于“中等”和“較高”之間，偏向于“中等”風(fēng)險(xiǎn)，基坑支護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)等級為 “較高”.該項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)論與工程實(shí)際現(xiàn)狀一致.

由此可見，該深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)中基坑支護(hù)風(fēng)險(xiǎn)最大，是風(fēng)險(xiǎn)管理中需要重點(diǎn)防控的風(fēng)險(xiǎn).針對基坑支護(hù)風(fēng)險(xiǎn)，要注意加強(qiáng)對支護(hù)形式、支護(hù)樁質(zhì)量等的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)異動(dòng)，做出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施.除基坑支護(hù)風(fēng)險(xiǎn)外，排水降水和地基處理處于“中等”風(fēng)險(xiǎn)水平，也應(yīng)制定相應(yīng)的控制措施.如在基坑開挖范圍內(nèi)，布設(shè)降水井，進(jìn)行深井降水，降低場區(qū)地下水水位，確?；娱_挖施工順利進(jìn)行.對于風(fēng)險(xiǎn)較低的土方開挖和基坑監(jiān)測風(fēng)險(xiǎn)，在施工階段也要多加注意防范，以提高整體的風(fēng)險(xiǎn)管理水平.

6 結(jié) 論

本文基于云模型建立了城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，以期為城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)管理提供較為精確的參考信息.研究得到以下結(jié)論：

1)通過文獻(xiàn)研究法和問卷調(diào)查法，從土方開挖、地基處理、基坑支護(hù)、排水降水和基坑監(jiān)測五方面，建立了城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系；

2)在確定指標(biāo)權(quán)重方面，綜合考慮主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層次分析法(Analytic Network Process)和-改進(jìn)CRITIC法確定了各施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，以增加結(jié)果準(zhǔn)確性；

3)應(yīng)用云模型建立了城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，以確定施工風(fēng)險(xiǎn)等級.并以青島蔚藍(lán)生物深基坑工程為研究案例進(jìn)行案例分析，結(jié)果表明該工程處于“較低風(fēng)險(xiǎn)”等級，與實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)情況一致，驗(yàn)證了提出的基于組合賦權(quán)的云模型有效合理，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值.本文所建模型對城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)管理及風(fēng)險(xiǎn)防控工作提供了一定參考，為有效解決城市深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)問題提供了新思路.