基于ANP的建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性評價

成連華，薛思婷，郝 杰

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安，710054；2.中國二十冶集團有限公司，上海 201900)

進入21世紀以來，建筑施工安全管理體系在發(fā)展中日趨完善，但是重大事故依然時有發(fā)生，安全生產形勢依然嚴峻。據統(tǒng)計，2015—2019年期間房屋市政工程事故由442起上升至773起，死亡人數由554人增加至904人[1]，由此可見建筑施工安全狀況較為嚴峻。因此，對建筑施工安全系統(tǒng)的安全現(xiàn)狀進行評估，確定存在的薄弱環(huán)節(jié)是十分必要的。近年來，國內外學者從不同方面對建筑施工安全評估進行了研究，NICOLE等[2]以參與施工的承包商、分包商和項目部為對象進行評價；PATRICK等[3]基于建筑項目風險和利益相關者的關系構建評價體系；張俊等[4]利用德爾菲法和AHP層次分析法對建筑施工風險因素評價體系進行定量分析；王英等[5]基于多層次房屋綜合評估模型對房屋安全進行了評價；楊莉瓊等[6]通過二元決策圖對建筑施工安全風險進行評估；成連華等[7]構建了基于AHP-DEMATEL的評價模型對建筑施工風險進行分析。現(xiàn)有研究多從建筑施工風險簡單線性因果關系出發(fā)構建體系進行研究，無法有效反應多重交互關系下系統(tǒng)自身的反饋規(guī)律，若將風險視為危險源與載體脆弱性共同作用下的產物，以脆弱性為切入點可以很好的解決此問題。

國外學者對于脆弱性的研究起步較早，國內對脆弱性的研究規(guī)模還沒有形成，多圍繞生態(tài)、經濟以及城市交通展開脆弱性研究。黃曉軍等[8]認為在外界擾動作用下會使社會系統(tǒng)產生薄弱點，即社會脆弱性；佟瑞鵬等[9]通過社區(qū)安全脆弱性評估模型對社區(qū)安全脆弱性進行深入研究；宋守信等[10]通過脆弱性3大特征要素相互之間呈現(xiàn)的遞次關系對城市軌道交通脆弱性進行探討；田水承等[11]提出脆弱性“玻璃心”模型并對火災事故進行分析；姜盛玉等[12]利用系統(tǒng)動力學模型對海洋平臺脆弱性進行分析；孫劍等[13]分析城市基礎設施系統(tǒng)脆弱性的內涵，利用ISM分析實現(xiàn)降低系統(tǒng)脆弱性和故障率的目的。

因此將建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性作為研究對象，鑒于建筑施工存在復雜的交互關系，引入社會技術系統(tǒng)理論對建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性因素進行分析，構建基于脆弱性的建筑施工安全系統(tǒng)評價體系，并結合網絡層次分析法(ANP)進行定量分析，以期為建筑施工安全管理提供科學思路。

1 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性內涵及其概念模型

1.1 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性內涵

脆弱性英文為vulnerability，中文意思可譯為薄弱點或缺點，即資產或資產組面對外部攻擊侵害時而產生易損失的薄弱環(huán)節(jié)。關于脆弱性特征要素的研究中，三因素[14]的觀點在安全領域被廣泛認可，以暴露度、敏感度以及適應度3個特征要素來反映系統(tǒng)脆弱性：暴露度指因擾動使承載體暴露于危險中的程度，即事故隱患程度，暴露度越高，系統(tǒng)受風險影響的概率越高，脆弱性相應越高；敏感度指承載體應對擾動產生不利影響的程度，敏感度越高，系統(tǒng)抗沖擊能力越弱，脆弱性相應越高；適應度指承載體在擾動帶來的負面影響中的恢復能力，適應度越高，系統(tǒng)對風險的反應時間越快，脆弱性相對越低。

依據脆弱性的概念和特征要素，通過狀態(tài)曲線圖1對系統(tǒng)受擾動后的變化進行呈現(xiàn)，通過變化過程對建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性豐富內涵進行更詳細的解釋。

圖1 擾動下系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化曲線

在曲線A點之前系統(tǒng)處于平穩(wěn)的運行狀態(tài)，A點之后系統(tǒng)受到擾動的影響，進而破壞系統(tǒng)內部的有序穩(wěn)定狀態(tài)，使得系統(tǒng)運行狀態(tài)在A點時突然大幅度下降，系統(tǒng)內部變成無序波動狀態(tài)。作用于系統(tǒng)的擾動通過系統(tǒng)內部各子系統(tǒng)間的相互作用，進一步傳遞向其他各處，對整個系統(tǒng)造成更嚴重的影響后果。同時，不同的系統(tǒng)面對同一種強度下的客觀擾動，系統(tǒng)內部作用機制及傳遞的信息也是不一樣的。

系統(tǒng)運行狀態(tài)達到B點時是系統(tǒng)狀態(tài)最低點，從A點下降到B點即敏感度作用階段，反應時間為T1，反應幅度為L0，反應限度為L1。T1時間段內系統(tǒng)通過自身的一些防御功能機制，對擾動進行反饋，逐漸減小了擾動對于系統(tǒng)的影響，從A點到B點系統(tǒng)狀態(tài)下降趨勢逐漸減緩。B點之后即適應度作用階段，系統(tǒng)逐漸適應擾動后的狀態(tài)，從B點上升到C點的恢復時間為T2，恢復程度為L2。T2時間段內，系統(tǒng)逐漸從無序波動過渡到有序穩(wěn)定狀態(tài)，達到C點時系統(tǒng)維持另一個穩(wěn)定狀態(tài)。因擾動對系統(tǒng)造成了一定的損失，所以最終形成的穩(wěn)定狀態(tài)無法達到之前的狀態(tài)水平。如果系統(tǒng)自身的防御機制無法抵消擾動，即擾動程度過大，導致系統(tǒng)運行狀態(tài)下降到閾值以下，則系統(tǒng)將崩潰，無法達到運行的穩(wěn)定狀態(tài)。

通過上述系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化曲線表現(xiàn)出的特性即系統(tǒng)脆弱性，可將建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性定義為：受到不良擾動時，對建筑施工安全系統(tǒng)發(fā)生偏離正常安全狀態(tài)的程度或遭受損害的程度，以及從擾動的不利影響中恢復到穩(wěn)定狀態(tài)程度的綜合考量。

1.2 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性概念模型

建筑施工系統(tǒng)是一個復雜、動態(tài)的開放系統(tǒng)，且風險因素之間存在相互作用，以社會技術系統(tǒng)理論為依據[15]，將建筑施工系統(tǒng)劃分為個人子系統(tǒng)、技術子系統(tǒng)、組織管理子系統(tǒng)和內外部環(huán)境子系統(tǒng)。該理論更加詳實的劃分了子系統(tǒng)，且認為子系統(tǒng)之間存在著高接觸和緊耦合性，更適用于系統(tǒng)動力學，將決定一個系統(tǒng)能否成功運行。

在對建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性進行研究之前，需要先對其所面臨的外部擾動進行確定，將工期進度變化、工程施工質量、自然環(huán)境變化和經濟成本變動視為擾動類型，以此通過提升建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性，提高系統(tǒng)自身抵御擾動的能力。基于社會技術系統(tǒng)理論和脆弱性的3個特征要素，加入擾動類型形成建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性概念模型如圖2所示，以此反映建筑施工安全系統(tǒng)在擾動中的變化程度和恢復能力。

2 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性評價體系

2.1 脆弱性的3個特征要素

暴露度是產生風險、造成事故的重要脆弱性因素，擾動強度會通過暴露于擾動下的人員、設施比例的加大而增強。暴露度會受到承載體距離擾動的暴露位置的影響，同時擾動隨時間的變化而變化，不同的時間節(jié)點承載體受擾動影響的幾率不一樣，承載體之所以會受到擾動影響，是因為二者之間存在著某種傳遞風險的介質。故而暴露度因素主要取決于暴露位置、暴露時間和傳遞介質。

敏感度不同的承載體面對擾動產生的影響程度也是有明顯差異的。承載體受到擾動影響后到達到相對穩(wěn)定狀態(tài)的這段時間就是擾動影響承載體的時間，承載體從系統(tǒng)初始狀態(tài)達到擾動影響后的穩(wěn)定狀態(tài)的過程變化是擾動影響承載體的程度，同時系統(tǒng)存在可運行狀態(tài)的絕對閾值，一旦達到或超過該閾值則系統(tǒng)發(fā)生崩潰癱瘓的現(xiàn)象。故而敏感度因素主要取決于反應時間、反應幅度和反應限度。

適應度即系統(tǒng)自我調節(jié)能力，決定了系統(tǒng)受擾動程度，系統(tǒng)的恢復速度對于系統(tǒng)從無序狀態(tài)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)起到關鍵作用，恢復速度又與恢復時間相關，經過擾動影響并進行自我調節(jié)后，系統(tǒng)形成的最終穩(wěn)定狀態(tài)與受影響前的初始狀態(tài)相比之間的差值稱之為恢復程度。故而適應度因素主要取決于恢復速度、恢復時間和恢復程度。

基于上述可將脆弱性的3個特征要素作為劃分特征維，結合社會技術系統(tǒng)理論，將個人、技術、組織管理和內外部環(huán)境構成組元維，形成分析建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標的二維交叉矩陣如圖3所示。最終識別出的脆弱性指標[16-22]如表1所示。

表1 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標體系

圖3 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標二維交叉矩陣

3 基于ANP法的建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性評價模型

3.1 構建ANP典型網絡結構

網絡層次分析法(ANP)是適用于復雜結構的多準則決策方法，作為AHP的拓展延伸，ANP 針對性的解決了結構具有依賴性和反饋性的情況[23]。在建筑施工系統(tǒng)中存在相互依賴和相互反饋的關系，通過網絡層次分析法不僅能有效反映出建筑施工系統(tǒng)內在及外在聯(lián)系，同時能計算出各指標的相對系數和絕對系數。根據建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標之間的關系，構建相應ANP網絡結構如圖4所示。

圖4 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標ANP結構

3.2 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標權重確定

ANP的原理和過程十分復雜，故計算過程需基于ANP專有軟件Super Decision進行，該軟件解決了ANP計算過程復雜的問題，使ANP的應用更加便利[24]。在軟件中構建該評價模型如圖5所示，根據1～9標度法對建筑施工系統(tǒng)脆弱性指標的重要性進行判斷，形成脆弱性指標判斷矩陣。將判斷矩陣輸入Super Decision軟件中，依次通過超矩陣、加權超矩陣、極限超矩陣三次計算，最終得出各指標的相對系數和絕對系數如表2所示。

圖5 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標ANP評價模型

表2 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標權重

3.3 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標風險等級劃分

建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標種類繁多，同時因素相互之間存在復雜關系，用來劃分等級的傳統(tǒng)風險矩陣是將風險發(fā)生概率和損失程度作為矩陣兩個維度，顯然此矩陣并不適用于存在復雜交互關系指標的風險等級劃分，無法確保劃分的合理性。因此，結合建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標的交互特點，在考慮指標權重的同時也對交互關系進行考慮，即以建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標對脆弱性的影響程度(指標權重)和指標相關聯(lián)的指標數量為維度形成風險矩陣，形成的風險矩陣如圖6所示。

圖6 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標風險矩陣

(1)在象限Ⅰ中，表示此區(qū)域內的脆弱性影響因素對系統(tǒng)的影響程度較高，同時系統(tǒng)內與此因素存在交互關系的因素數量較多，為高風險因素。說明高風險因素在建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性風險管理中處于重要位置，且對整體系統(tǒng)脆弱性產生較大影響作用。因此，房屋建筑企業(yè)在管理過程中應優(yōu)先關注高風險影響因素，并將主要的資源、精力放在該影響因素上，重點采取管理措施以降低脆弱性，進而促進建筑施工安全系統(tǒng)整體水平的提升。

(2)在象限Ⅱ中，表示此區(qū)域內的脆弱性影響因素對系統(tǒng)的影響程度較低，而系統(tǒng)內與此因素存在交互關系的因素數量較多，為中風險因素。說明中風險因素在建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性風險管理中雖然對整體系統(tǒng)脆弱性產生的影響作用與高風險因素相比較低，但是其在系統(tǒng)交互關系中還是處于關鍵的位置。因此，房屋建筑企業(yè)在管理過程中可以通過輔助管理手段對此類影響因素進行控制，同時時刻對其保持關注，防止通過此類因素形成風險傳遞鏈，而加劇對系統(tǒng)脆弱性的影響。

(3)在象限Ⅲ中，表示此區(qū)域內的脆弱性影響因素對系統(tǒng)的影響程度較低，同時系統(tǒng)內與此因素存在交互關系的因素數量較少，為低風險因素。說明低風險因素在建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性風險管理中的重要性相對較低，且對整體系統(tǒng)脆弱性產生的影響較弱。因此，房屋建筑企業(yè)在管理過程中可以適當的降低此類影響因素方面的資源和精力，在對系統(tǒng)的脆弱性風險管理效果達到一定預期結果時，結合相關現(xiàn)狀對其進行管理，進而優(yōu)化建筑施工安全系統(tǒng)整體水平。

(4)在象限Ⅳ中，表示此區(qū)域內的脆弱性影響因素對系統(tǒng)的影響程度較高，而系統(tǒng)內與此因素存在交互關系的因素數量較少，此區(qū)域也為中風險因素。此類中風險因素與象限Ⅱ中的中風險因素相比，在建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性風險管理中雖然影響關系簡單，但是其對系統(tǒng)可以產生較大的影響力。因此，房屋建筑企業(yè)在管理過程中可以對此類影響因素采取針對性較強的管理措施，并維持管理后的現(xiàn)狀，將更多的資源和精力放在關鍵環(huán)節(jié)上，降低脆弱性風險管理的復雜性。

由圖6可知，S24位于兩個象限的交界處，三者在關聯(lián)因素相同的情況下，由于施工設備材料質量S24的影響程度相對較小，故將S24劃分為低風險因素，最終建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標的風險等級劃分結果如表3所示。這些風險等級偏高的指標正是造成建筑施工過程存在薄弱環(huán)節(jié)的原因，需要采取更為完善的管理措施來提升安全系統(tǒng)的整體性能。

表3 建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標風險等級

4 結論

(1)在建筑施工風險研究中引入脆弱性相關概念，同時與社會技術系統(tǒng)的概念相結合，形成了適用于建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性的概念模型，對建筑施工安全系統(tǒng)的脆弱性進行分析，為建筑施工安全評價提供了新的解決思路。

(2)以脆弱性的3個特征要素劃分為特征維，個人、技術、組織管理和內外部環(huán)境構成組元維，形成二維交叉矩陣，基于二維交叉矩陣識別了建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性評價指標，包括10個“暴露度”評價指標、15個“敏感度”評價指標、11個“適應度”評價指標。

(3)結合各脆弱性指標之間的交互關系，通過構建建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性ANP評價模型確定指標的局部權重和全局權重。利用以影響程度(影響權重)和關聯(lián)的因素數量為維度的風險矩陣，將建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性指標劃分為6個高風險因素、15個中風險因素和15個低風險因素。