施工現場臺風風險系統動力學的預測管控體系

鄒豐秋， 王晨

(華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021)

近年來，在以全球變暖為主要特征的氣候變化背景下，極端氣象災害的發生頻次和破壞程度明顯上升.臺風是影響沿海地區最嚴重的一種災害性天氣系統，它的主要危害是風力極大、影響范圍廣、持續時間長，并常伴有大暴雨和特大暴雨.建筑工程由于投資規模、建設規模龐大，社會效益和經濟效益顯著，對臺風等災害性天氣的影響亦更加敏感[1]，導致建筑工程在施工階段面臨風險更為復雜.因此，構建施工現場臺風風險預測管控體系，以提升施工現場的防范臺風風險水平，保證建筑工程的安全具有重要的意義.目前，關于臺風對建筑工程的安全影響的研究主要集中在建筑物的災后評估.如Zhou等[2]對多級颶風后破壞后的住宅建筑進行損傷評估;Arroyo等[3]重點研究了臺風對建筑物的造成的損失及如何進行建筑物損傷恢復；林江豪等[4]建立了臺風災害經濟損失評估模型；何原榮等[5]以“莫蘭蒂”臺風為例，基于激光點云獲取與分析建筑災損的三維信息以定量量測臺風造成的損失.綜上所述，當前學者們主要關注臺風后建筑工程的損失，而對臺風前的風險預測及實施災前風險控制的研究較為鮮見.

本文選取臺風環境下影響施工現場安全的因素，建立風險評價指標體系，確定臺風環境下影響施工現場安全的關鍵因素，提出在臺風前采取有針對性的風險控制措施.

1 施工現場臺風風險體系

由于施工現場人員多、物料雜，在臺風環境下施工現場情況復雜且危險性極高，風險因素多種多樣.通過研究大量建設項目的防范臺風專項方案并結合行業標準JGJ/T429-2018 《建筑施工易發事故防治安全標準》，以及參考《廈門市加強建筑工地重大風險管控遏制重特大生產安全事故整體方案》等相關建筑安全條例法規，將臺風環境下施工現場風險因素分為5類.

1) 人員風險.人員因素是指由于人主觀能動性所引起的風險，包括建設項目中高層領導、施工現場管理人員的管理能力，以及一線施工人員的臺風應急能力與意識.

2) 管理風險.管理因素指建設項目的管理水平對施工現場的影響，如臺風應急知識是否普及管理措施是否到位，施工現場是否有防臺風專項方案.

3) 施工工藝風險.施工工藝風險因素重點關注了腳手架工程、邊坡基坑支護等在臺風環境下易發生安全事故的部位，以及其對施工現場安全的影響.

4) 材料設備風險.材料設備風險主要指施工現場的材料、大型機械在臺風環境下發生的不安全事故造成施工現場的風險.

5) 環境風險.環境風險因素則是關注臺風本身，如臺風的等級，臺風的登陸地是否與施工現場在同一地點、帶來的降雨量等不可抗力風險因素對施工現場安全的影響.

基于上述分析，建立了由5個一級風險因素，20個二級風險指標構成的臺風環境下施工現場風險體系，如圖1所示.

圖1 臺風環境下施工現場風險體系Fig.1 Construction site risk system under typhoon environment

2 AHP-熵權法計算組合權重

2.1 數據來源及分析

根據構建的施工現場臺風風險體系，采用專家打分法及問卷調查法收集數據.專家打分法選取的10位專家均具有5 a以上建筑工程從業經驗，且指導過或參與過施工現場臺風防范工作;專家對象涵蓋了建設單位、施工單位、高等院校等科研單位、監理單位.

問卷調查是研究臺風環境下各風險因素對施工現場安全的影響程度.為保證數據的有效性，問卷發放區域選擇在沿海臺風易發地區，結合線上和線下對建筑從業人員進行問卷發放.線下發放地區為福建省廈門市，線上問卷發放地區涵蓋福建省福州市、泉州市、廈門市和廣東省湛江市，共發放問卷156份，篩除對臺風環境下施工現場風險完全不了解的選項，得到121份有效問卷，有效問卷回收率為77.6%.數據來源及對象分布情況，如表1所示.表1中：設計單位中的專家來自科研單位.

表1 數據來源及對象分布情況Tab.1 Data source and object distribution %

問卷設計包括兩個部分:1) 調查填表人基本信息，如從事專業領域、年齡、職稱,以及從事本專業年限;2) 在施工現場臺風風險體系的基礎上,對5個一級因素和20個二級因素的風險程度采用李克特7級量表進行打分，分值從1～7分別代表臺風環境下該因素從小到大的風險程度.

2.2 AHP確定的風險指標權重

層次分析法(AHP)是一種將決策者對復雜系統的決策思維過程模型化、數量化，定性與定量相結合的決策分析方法[6].該方法是先建立層級結構的評價體系，通過Santy 1-9標度法，構造指標層兩兩比較判斷矩陣，并保證判斷矩陣通過一致性檢驗，最后得到指標主觀權重[7].

根據已建立的層級評價體系(圖1)，對各個風險因素進行成對比較.通過10個專家打分比較的算術平均數構造1個一級風險因素判斷矩陣，5個二級風險因素判斷矩陣，然后進行一致性檢驗.求得各個風險因素的權重，如表2所示.

表2 AHP風險因素權重計算結果Tab.2 Calculation result of AHP risk factor weight

續表Continue table

2.3 熵權法計算權重

熵是系統無序程度的一個度量，熵權反映各指標對決策評價提供有用信息量的大小.如果一個指標的信息熵小、熵權大，該指標提供信息量越大，在綜合評價中所起的作用越大，權重就越高[8].根據問卷調查所得數據構造判斷矩陣，由121份有效問卷和20個風險指標標形成原始矩陣Rm,n.即

上式中：rm,n為第n個指標下第m份問卷的評價值.

表3 AHP-熵權法組合權重計算結果Tab.3 Calculation result of AHP-entropy weight method combined weight

2.4 組合權重的計算

為避免單一的賦權方法受自身局限性影響，使得結果產生偏倚，在權重的確定過程中采用組合賦權法[9].即將AHP與熵權法進行組合，主客觀評價互相修正權重，使得各個風險指標的權重更為可靠[10].加法合成法、乘法合成法、級差最大化組合賦權法和基于客觀修正主觀的組合賦權方法是典型的主客觀組合賦權方法[11].文中采用乘法合成法進行組合權重賦值，通過將層次分析法和熵權法線性加權來確定組合權重,不僅注重基于評審專家經驗估計的主觀權重,而且還重視反映評標指標信息量大小的客觀權重,增加了評標的客觀性與科學性[12].

利用乘法合成法確定第j項風險指標的組合權重，是將熵權法權重ωj與AHP所得權重γj相乘,然后除以兩種方法所得權重的乘積的和，即

根據上式所得風險指標的組合權重，如表3所示.

AHP-熵權法組合權重的計算結果顯示:人員因素、材料設備因素、環境因素、管理因素、施工工藝因素的對施工現場風險影響的組合權重依次為0.22，0.16，0.10，0.28，0.24.其中，管理因素對臺風環境下施工現場的風險影響最大，其次是人員因素.在二級風險因素中，施工現場一線人員臺風應急能力與意識B13的風險權重為0.098 7，腳手架工程B51的風險權重為0.096 3，對施工現場風險影響較大.根據權重分析得出管理因素是臺風環境下影響施工現場安全的關鍵因素.

3 施工現場臺風風險SD模型

臺風環境下,施工現場的風險不是單個風險因素作用形成的，而是各個風險因素相互作用的結果.在研施工現場的風險時，用系統動力學(SD)模型確定各個風險因素邊界，研究各個風險因素之間的聯系，揭示風險之間的關聯性及互相影響機制，探究其共同作用對施工現場風險水平的影響.

3.1 因果回路分析

因果回路圖是表示系統反饋的重要工具，可以迅速表達關于系統動態形成原因的假說.一張因果回路圖包含多個變量，變量之間由標出因果關系的箭頭所連接，每條因果鏈都具有極性.當因果鏈為正(+)時，意味著如果原因增加，結果要高于它原來所能達到的程度；而當因果鏈為負(-)時，意味著如果原因增加，結果要低于它原來所能達到的程度[13].針對臺風環境下施工現場風險因素之間相互作用的關系，建立施工現場風險因素因果回路圖，如圖2所示.

圖2 施工現場風險因素的因果回路圖Fig.2 Causal circuit diagram of risk factors at construction site

研究風險因素之間相互影響的機制，對人員、環境、材料設備、管理、施工工藝風險因素進行反饋回路分析，共得到13條反饋回路.其中，人員風險、材料設備風險、管理風險、施工工藝風險分別形成4，2,5,2條反饋回路，而環境風險只對其他風險有影響，不在反饋回路中.

3.2 存量流量圖仿真分析

因果關系圖是對系統反饋結構的描述，不能反映不同性質變量間的區別[14].因此，為了進一步分析各個風險因素之間的關系，需要在此基礎上構建存量流量圖模型，建立變量之間的數學關系.為了區別不同類型的變量，引入常量、輔助變量、速率變量和水平變量，并建立變量之間的方程，畫出存量流量圖，如圖3所示.圖3可以進行臺風環境下施工現場的風險水平分析，清楚地刻畫在臺風環境下施工現場各個風險要素之間的反饋過程.

圖3 施工現場風險因素的存量流量圖Fig.3 Stock flow diagram of risk factors at construction site

在存量流量圖中，有些變量的值是可以通過歷史資料查閱到的而有些是無法確定的.為了使結果具有可比性和保持結果的一致性，對常量的初始值進行統一賦值，賦值時所有的值均在一范圍內，表示此因素發生的概率[15].文中對各個變量的研究統一采取無量綱的形式，對收回的問卷數據進行合理的估計得到相應數量級的初始風險值，確定各個變量取值的方式，如表4所示.

表4 變量取值及其表達式Tab.4 Variable value and its expression

續表Continue table

臺風登陸一般在24 h內發布預警信號，并對登陸地及其周圍地區產生對影響[16].因此，存量流量模型中研究24 h內施工現場風險的變化，仿真分析得出在多種因素共同作用下臺風環境中施工現場綜合風險水平，如圖4所示.圖4中：D為風險值.

由分析可得，環境風險沒有進入風險回路，故只研究其他4種風險因素的風險變化，如圖5所示.圖5中：D為風險值.由圖5可知：各個因素的風險值在24 h內變化從大到小,依次為管理因素、施工工藝因素、人員因素、材料設備風險.

圖4 臺風環境下施工現場綜合風險水平 圖5 施工現場單因素風險值變化分析Fig.4 Comprehensive risk level of construction Fig.5 Analysis of single factor risk site under typhoon environment value change in construction site

4 風險控制策略

4.1 風險控制的時間

臺風預警信號劃分為4級，以藍色、黃色、橙色和紅色表示，時間上分別代表24 h內、24 h內、12 h內和6 h內臺風周圍地區可能或者已經受臺風影響.根據臺風預警的時間節點，劃分施工現場采取風險控制的時間，比較在受臺風影響前24 h內、12 h內、6 h內開始采取風險控制措施施工現場風險值的變化;控制措施采用單脈沖函數量化，如24 h內采取風險控制措施為PULSE (0，1)，其中“0”表示在一開始就進行風險控制，“1”表示采取風險控制措施的時間為1 h.由此可以得出不同時間節點開始采取風險控制的效果，如圖6所示.圖6中：D為風險值.

從圖6可知：在發布臺風預警一開始就采取風險控制，可以有效降低施工現場臺風風險值.即在第8個小時的時候，施工現場風險值為0，達到理想水平；在12 h內采取風險控制措施比在6 h內采取控制措施的效果更好.

4.2 風險控制的措施

從存量流量模型仿真分析及表3組合權重分析可得:風險值變化從大到小為管理因素、施工工藝因素、人員因素、材料設備因素、環境因素,組合權重依次為0.283 7，0.240 5，0.219 3，0.155 8，0.100 7，其中,管理因素的權重最大，在臺風環境下對施工現場的風險影響最大.

在臺風前有效地控制管理因素鳳險，有如下3個需要注意的方面.1)要加強一線施工人員的安全教育與培訓，普及防臺風的安全知識，加強一線施工人員對臺風風險的重視，保障自身的安全.2) 在施工現場要提前做好臺風應急預案，落實臺風應急預案，做好應急準備.3) 沿海臺風頻發地區在臺風前應進行臺風應急知識的宣傳和普及，有助于施工現場人員在發布臺風預警信號時快速科學的做好應急措施.

風險控制措施采用單脈沖函數，其風險控制措施效果對比，如圖7所示.圖7中：D為風險值.從圖7可知：在臺風前進行風險管控時，重點關注管理風險的控制可以有效降低施工現場臺風風險水平.

圖6 不同時間采取風險控制措施效果對比 圖7 單因素風險控制措施效果對比 Fig.6 Comparison of risk control Fig.7 Comparison of the effects of measures taken at different times single factor risk control measures

5 結論

1) 建立了施工現場臺風風險預測管控體系，分析風險因素的權重得出關鍵風險，驗證了臺風前對關鍵風險進行控制可以明顯降低施工現場風險水平.該方案有助于沿海地區在臺風前施工現場做好臺風防范工作，也為其他類型風險進行預測管控提供參考.

2) 文中建立了由5個一級指標、20個二級指標構成的風險評價體系.AHP-熵兩種主客觀方法相結合求權重，得出管理因素對施工現場臺風險影響最大:一線施工人員的安全教育與培訓、臺風應急預案、臺風應急知識的宣傳和普及是在臺風前施工現場風險管控的重點.

3) 建立SD模型可以預測風險值的變化規律，可知施工現場風險值在24 h內隨著時間變化呈指數型增長.這可為施工現場管理人員了解臺風風險變化規律，開展臺風防范措施提供參考.

4) 通過SD仿真模擬施工現場開始采取臺風風險控制措施的時間，以及采取的措施對風險值的影響，證明了在24 h內實施控制措施的時間越早，風險值越低；在臺風前進行風險管控重點關注管理風險，可以有效降低施工現場風險水平.這有助于施工現場管理人員關注臺風預警信號，及時采取更具針對性的風險防范措施.