基于熵權-未確知測度理論的裝配式建筑施工安全風險評估

李文龍，李慧民，孟 海 ,2 ，裴興旺

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055; 2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

隨著建筑業的快速發展，建筑工業化進程在不斷推進，各個地區的裝配式建筑得到了長足的發展.對于傳統的現澆式結構，具有良好的整體性能，但存在著施工工期長、費工費料、生產較難實現工業化、管理復雜等缺點.裝配式建筑的出現大力改善了這一狀況，裝配式建筑結構中的梁、板、柱乃至樓梯、陽臺等構件均能在工廠進行加工，實現完全的工業化生產，在施工現場進行拼裝即可.

裝配式建筑實現了設計標準化、制造工業化、安裝機械化，具有建設速度快、施工時間短、節約勞動力、節約材料等優點，能最大限度地滿足環保節能、綠色施工的要求.但裝配式建筑施工過程的安全風險問題一直是建筑工業化進程中的亟待解決的重點問題.目前，國內專家學者對裝配式建筑安全管理等方面進行了深入的研究，并取得了一系列的成果.吳鳳平[1]等深入分析混凝土裝配式住宅施工危險源及存在的安全問題，并提出一系列安全預防措施；黃桂林等[2]將可拓學理論運用于裝配式住宅施工安全風險評價中，以評價裝配式住宅施工過程中的安全風險狀況；湯彥寧[3]通過運用系統動力學理論，對裝配式結構住宅施工階段安全風險進行評價；李高鋒等[4]對裝配式住宅施工安全影響因素及相應管理應對措施進行研究，并在工程實例中得以運用；李穎等[5]在施工危險源分析的基礎上，對預制裝配式建筑施工的安全和質量問題進行分析和評估；劉迪等[6]深入研究了裝配式建筑施工各階段存在的安全風險，并提出了影響裝配式建筑安全管理的因素和“人、機、料、法、環”5個方面的控制措施；陳偉等[7]聯合應用層次分析法及灰色聚類評價方法，對裝配式建筑工程實際施工安全狀態進行測評；羅杰等[8]通過從多個方面剖析裝配式建筑施工安全管理的關鍵問題，以指導安全生產管理工作；楊爽[9]在事故致因理論、危險源辨識理論分析的基礎上，研究了屬性數學在裝配式建筑施工安全評價中的應用；田黎[10]運用風險矩陣的評估方法和管理策略，在各種風險分析、識別、量測、評估的基礎上建立了系統的風險管理體系；張文佳等[11]通過構建基于結構熵權-可信性測度理論的風險性評估模型，以掌握當前的不安全因素，從而展開安全預防及控制.上述學者雖然采用了不同方法對裝配式建筑施工安全風險問題進行了大量研究，但由于影響裝配式建筑的施工過程安全風險的因素眾多，并且存在著諸多的復雜性和不確定性，裝配式建筑施工安全風險的評估與管理還存在著不足，傳統的評估體系難以得到滿意的結果.

未確知信息及其數學處理理論是由我國學者王光遠于1990年提出的一種新的不確定性信息理論[12].未確知測度理論能夠處理多因素的不確定信息，已在多個領域得到廣泛應用并取得良好效果[13-16].基于此，本文構建熵權-未確知測度理論的裝配式建筑施工過程安全風險評估模型，以期為今后裝配式建筑施工過程安全風險評估和管理提供了新的方法和思路.

1 基于熵權-未確知測度理論

設評估對象X={X1,X2,…,Xn}，評估指標集I={I1,I2,…,Im}；若xij表示第i個評估對象Xi關于第j個評估指標Ij的測量值，則有m維向量Xi={Xi1,Xi2,…,Xim}.設評估等級空間C={C1,C2,…,Cp}，第k個評估等級Ck為xij的等級值；設第k級比第k+1級安全風險高，記為Ck>Ck+1若C1>C2>…>Cp，或C1

1.1 確定單指標未確知測度矩陣

若μijk=μ(xij∈Ck)表示測量值xij屬于第k個評估等級Ck的程度，且μ滿足：

0≤μ(xij∈Ck)≤1
(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;k=1,2,…,p)

(1)

μ(xij∈U)=1
(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(2)

(3)

稱式(1)為“非負有界性”，式(2)為“歸一性”，式(3)為“可加性”.滿足式(1)～式(3)的μ稱為未確知測度，簡稱測度.

構造單指標測度函數μ(xij∈Ck)(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;k=1,2,…,p)求出評估對象Xi的各個指標測度值μijk，則稱(μijk)m×p為單指標測度評估矩陣，即

(4)

1.2 熵權法確定指標權重

若在n個評估對象m個評估指標評估中，有p個評估等級，則第j個評估指標的熵Hj為

(5)

第j個評估指標的偏差度dj=1-Hj，第j個評估指標的熵權wj為

(6)

1.3 確定多指標未確知測度矩陣

(7)

1.4 置信度識別準則

為了得出最終評估結果，引入置信度識別準則.設λ為置信度(λ≥0.5，通常取λ=0.6或0. 7)，若C1>C2>L>Cp，且令

(8)

則認為評估對象的風險性等級為Cp0.

2 裝配式建筑施工安全風險評估指標體系的建立

根據常見的施工安全風險因素，并結合裝配式建筑施工的特點，在廣泛調研和文獻綜述的基礎上，將影響施工安全風險的因素分為五大類：人為風險因素，技術風險因素，物料、設備風險因素，管理風險因素，環境風險因素，將上述五大類因素進行深入分析、篩選得到次級因素.

人為風險因素：人是施工過程的直接參與者，作業人員的身體與心理狀況、專業技術水平以及安全意識會對施工安全風險起著決定性的作用，因此發揮人的主導作用，提高人的活動能力，才能保證裝配式建筑的施工安全.

技術風險因素：在裝配式建筑施工中，施工技術與工藝與一般施工技術有很大差別，包括PC構件安裝、吊裝作業等都會存在極大地安全隱患，必須嚴把安全關.

物料、設備風險因素：物料設備對施工安全的影響主要體現在作業區域內PC構件的運輸及堆放是否合理，機械設備是否定期檢驗及臨時支撐的防護情況等.

管理風險因素：安全管理涉及的因素很多，包括建立健全安全生產責任制、監督使用安全防護措施、定期進行安全檢查和安全隱患排查等，科學的安全管理也是保證裝配式建筑施工安全的重要環節.

環境風險因素：施工現場環境也會對裝配式建筑施工安全產生一定程度的影響，包括氣候條件文明施工情況及安全防護狀況等.

基于影響裝配式建筑施工安全的因素，建立裝配式建筑施工過程安全風險評估指標體系，一級指標即人為風險因素(I1)、技術風險因素(I2)、物料、設備風險因素(I3)、管理風險因素(I4)、環境風險因素(I5)，由一級指標經過細化、分析、整合，選取作業人員技術水平(I11)、作業人員安全意識(I12)、作業人員健康狀況(I13)、作業人員安全防護佩戴情況(I14)、PC構件連接可靠程度(I21)、PC構件拼裝定位準確程度(I22)、吊點設置合理程度(I23)、塔吊交叉作業干擾程度(I24)、其他技術復雜程度(I25)、時變結構的安全監測技術(I26)、作業區域PC構件堆放情況(I31)、機械設備定期檢驗情況(I32)、臨時支撐及防護情況(I33)、安全防護措施使用情況(I41)、安全生產責任制落實情況(I42)、安全定期檢查到位情況(I43)、安全風險管理及控制情況(I44)、作業區域氣候條件(I51)、作業區域文明施工狀況(I52)、四口、五臨邊防護狀況(I53)作為二級評估指標，如圖1所示.

圖1 裝配式建筑施工安全風險評估指標體系Fig.1 Construction safety risk assessment index system of prefabricated building

裝配式建筑施工安全風險評估中，通過分級標準量化法將每個指標分為4個等級，將定性指標轉化為半定量指標，每個等級評分標準見表1.

表1 安全風險分級標準Tab.1 Safety risk grading standards

根據上述有關單指標測度函數的定義和評估指標的評分標準，可構建裝配式建施工安全風險評估指標的測度函數.本文所研究的未確知測度函數采用直線型，構造出的各單因素評估指標的未確知測度函數如下：

(9)

(10)

(11)

(12)

本文單因素指標測度函數，用圖形來表示，即如圖2所示.

圖2 單因素指標測度函數Fig.2 Single factor index measurement function

3 工程實例分析

為驗證模型的有效性和可行性，本文選用本人實際參與的某ZT裝配式住宅為案例，進行未確知測度理論模型的運用和分析.通過邀請9位相關專家進行打分，并采取去頭、去尾再均分的數據統計原則，最后得出各個評估指標的取值，見表2.

表2 某裝配式住宅施工安全風險評估指標取值Tab.2 Construction safety risk assessment index value of prefabricated house

3.1 計算單指標未確知測度矩陣

根據單指標測度函數的定義和表1的分級標準，運用表2中的各個指標值帶入圖2構造的未確知測度函數，得到該裝配式住宅樓的單指標未確知測度矩陣.

(13)

3.2 確定指標權重

根據熵權法的思路，由單指標測度矩陣中的數據計算各指標的權重為：w=(0.051，0.051，0.045，0.046，0.044，0.056，0.071，0.048，0.062，0.046，0.061，0.051，0.044，0.048，0.044，0.046，0.044，0.048，0.044，0.051).

3.3 計算多指標綜合測度評估向量

根據單指標未確知測度矩陣和各指標權重，可得到該裝配式建筑施工安全風險的多指標綜合測度評估向量為

μ1×4={0.075，0.564，0.361，0.000}

(14)

3.4 置信度識別

取置信度λ= 0. 6，根據式(8)，結合已得到的多指標綜合測度評估向量，當p0=2時，從小到大，0.075+0.564=0.639>0.6，即施工安全風險等級為II級；從大到小0.036 1+0.564=0.925>0.6，即施工安全風險等級為II級.綜合兩次結果，判定該裝配式建筑施工安全風險評估等級為II級.

3.5 結果分析

由結果可知，該ZT裝配式住宅施工過程安全風險評估等級為II級，即安全風險一般，處于可接受的狀態.本文采用置信度識別準則，評估結果與實際情況吻合度較高，結果合理可信.

說明基于熵權-未確知測度理論可用于裝配式建筑施工過程中的安全風險評估.

4 結論

(1)不同于一般現澆式建筑施工，裝配式建筑施工安全的影響因素眾多且具有復雜性和不確定性.本文選用涉及人，技術，物料、設備，管理，環境等方面的諸多因素作為評估指標，進行裝配式建筑的施工過程安全風險評估.

(2)采用熵權法來確定各個評估指標的權重，充分利用了單指標未確知測度矩陣的數值，減少了很多主觀因素對評估結果的影響，克服了傳統方法確定權重的主觀性、局限性問題，使評估結果更加客觀科學.

(3)考慮到裝配式建筑施工中的諸多不確定性，將未確知測度理論應用于裝配式建筑施工安全風險評估中，建立了基于熵權-未確知測度理論的裝配式建筑施工安全風險評估模型，并將其應用于工程項目，結果合理可信，能為有效進行裝配式建筑施工安全風險評估提供了新的思路，并能為安全管理工作提供可靠依據.