基于相互作用矩陣的被動式建筑施工安全評價

王志強，辛曉斌，劉 碩

(青島理工大學 管理工程學院，山東 青島 266520)

1 引言

隨著社會建筑業的不斷發展，“可持續性”逐漸成為一個最有意義的理念。在此背景下，德國菲斯特教授于1998年提出的“被動式建筑”，很快在西方國家推廣開來，到現在已經遍及全球。被動式建筑舒適度高并且以超低能耗實現保濕、保溫、隔音、隔熱等功能特性，是順應時代潮流的所有建筑新理論的綜合。[1]與傳統建筑的施工相比，被動式建筑的精細化施工不僅降低了建筑自身能耗,還增加了建筑的使用壽命。在施工過程中，被動式建筑在門窗安裝、圍護結構、氣密性和保溫系統等方面與傳統現澆建筑存在顯著差異。復雜的施工技術和工藝給被動式建筑施工安全管理帶來大量不確定性因素，使安全隱患變得繁雜。同時，我國被動式建筑的發展與世界先進水平之間的差距明顯，施工條件與作業人員素質對滿足被動式建筑施工階段工藝復雜、技術復雜的安全要求存在很大的提升空間，容易發生安全事故。因此，建立科學的評價體系準確地對被動式建筑施工階段安全風險進行評價研究具有一定的必要性。

在被動式建筑評價方面，國內外學者對建筑性能和成本控制方面的研究相對成熟。Liang Xinxin(2017)等對傳統住宅與被動式住宅進行了建筑性能監測比較以及評估研究[2]，Proietti(2013)等人對被動式房屋進行了全生命周期評估，考慮了所有的生命周期過程[3]，宋琪(2015)使用了層次分析法對指標進行賦權，然后運用模糊綜合評價法對被動式建筑性能進行評價分析[4]，李強年(2018)等利用模糊綜合評判法建立被動式建筑評價模型[5]，李輝山(2019)等運用AHP方法與可拓物元評價模型對被動式建筑全生命周期成本控制進行綜合評價[6]。在施工安全評價研究方面，Amiri(2017)將識別出的安全影響因子添加到安全評價方法中，利用模糊評價模型對工程施工安全問題進行了分析[7]，Clyde(2016)利用系統動力學和VENSIM軟件識別出裝配式建筑的施工安全風險因子[8]，馮亞娟(2019)運用了熵權法和集對分析法對裝配式建筑施工安全進行評價分析[9]，陳茸等(2020)通過改進的CUOWGA算子和建筑施工安全灰色聚類評價模型對案例進行分析[10]。

但是，當今國內外學者對被動式建筑施工安全評價的研究未幾，并且針對多風險因素交互耦合作用條件下的評價研究主要集中于地鐵[11]、煤礦[12-13]和工程場址[14]等領域，很少有關于被動式建筑施工安全領域的探索。鑒于此，本文根據被動式建筑的相關文獻和有關標準建立了評價指標體系，在分析風險因素耦合作用的基礎上，利用相互作用矩陣方法對案例進行評價分析，以期對被動式建筑施工安全防范提供借鑒與思路。

2 多維軌跡風險交叉耦合作用理論分析

在施工進程中，被動式建筑的串聯性比傳統建筑煩瑣。不少傳統現澆建筑的工序、節點和工法可以進行簡易處置，但在被動式建筑中這些并不能掉以輕心，有的反而需要更加注意。被動式建筑的工序、工藝以及專業器材的操作，對施工現場及作業人員來說是極大的考驗，安全風險因素隱蔽且復雜，容易發生安全隱患。

運用安全事故致因理論可以對被動式建筑施工安全進行客觀分析，但是傳統意義上的安全事故致因理論往往局限于單個風險因素的作用。而在現場作業中，多因素交叉耦合作用下可能會形成一連串較大的風險隱患。因此，本文基于被動式建筑施工安全風險因素的復雜性，綜合考慮了人為因素、物的因素、管理因素、環境因素四大維度。同時，在借鑒風險交叉耦合理論的基礎上，建立了多維軌跡風險交叉耦合作用模型，如圖1所示。

圖1 被動式建筑施工安全多維軌跡風險交叉耦合致因模型

從圖1中可以看出，物的問題、人為缺陷、脆弱環境以及管理失效都會導致安全事故的發生。單一的風險因素在超越自身風險極限后，能直接釀成安全事件的發生。但是一些未達到自身風險閾值的因素會與其他風險因素之間引起耦合反應，誘發風險極值的降低而引起事故的發生。如項目對從業人員的技能培訓與安全教育投入不足時，會導致作業人員技術水平低和安全意識薄弱，最終引起安全事故的發生。因此，利用科學的方法去分析被動式建筑各施工安全風險因素以及多因素間的作用具有必要性。

3 被動式建筑施工安全評價模型

3.1 構建被動式建筑施工安全評價指標體系

被動式建筑在施工過程中牽連到多部位、多工種，并且作為我國新興事物，相關的實驗數據寥寥無幾，短時間內對其風險因素進行定量解析難度較大。本文在參考以往的文獻后，根據被動式房屋的施工特性和業內有關的技術標準[15]，利用風險分解結構(RBS)方法，從安全事故致因角度出發，篩選出管理因素和環境因素。在對青島中德生態園實地調查和與之合作項目的研究中，篩選出人為因素和物的因素。按照評價指標建立的原則，從以上四大維度中篩選出16個主要影響因子作為二級指標，建立起科學的、完整的施工安全評價指標體系，詳細見圖2。

圖2 被動式建筑施工安全評價指標體系

3.2 相互作用矩陣

相互作用矩陣方法在考慮每個被動式建筑施工安全風險因素對整個系統產生影響的同時，綜合酌量了安全風險因子之間交互耦合反應下對整個施工安全的影響。此方法的運用可能會對被動式建筑施工安全的探究達到一個可觀的效果。

運用相互作用矩陣方法，最先是篩選影響被動式建筑施工安全的主要因素，明確風險影響因子。其次把這些影響要素作為評價指標進行定量分析，構建被動式建筑施工安全多因子交互作用矩陣，對施工安全程度展開定量探究。建立相互作用矩陣時，把每個風險影響因子對施工安全影響程度的數值安放在矩陣的主對角線上。把多因素間的耦合反應關系布置在非對角線的位置上，數值的高低呈現出多因子間耦合反應對施工安全的影響程度。具體的矩陣如下：

矩陣P中，Xi表示被動式建筑施工安全影響因子Fi；Xij表示施工安全影響因子Fi對影響因子Fj的影響程度；n表示施工安全影響因子的個數。之后，可以通過以下公式進一步計算出被動式建筑施工過程中安全影響因子Fi(i,j=1,2,…,n)的權重Ki。

(1)

其中，

(2)

(3)

公式中，Ci為被動式建筑施工安全影響因子Fi對其他因子的影響程度總和，數值為Xi所在行之和；Ei為被動式建筑施工安全影響因子Fi受其他因子的作用程度總和，數值為Xi所在列之和。然后再根據下式求得被動式建筑施工安全風險程度。

(4)

式中，SD是評價被動式建筑施工風險的一個無量綱數，稱為被動式建筑施工安全評價系數。Vi=Pi/4，Pi為因子 所對應的評分(0～4)，Vi為風險因子Fi參數的值。

3.3 風險衡量

要對被動式建筑施工安全風險進行定量描述，首先建立相互作用矩陣，利用(1)～(4)公式得出風險評價系數SD。在借鑒相關領域文獻[16]和《建筑施工安全檢查標準》[17]的基礎上，按照SD數值大小劃分為表1所示的4個層級。如果工程項目屬于Ⅰ類低風險狀態，不用采取必要措施進行防治。若工程項目是第Ⅱ類中等風險狀態，應采用必要程序進行監控施工。如果達到了Ⅲ類高風險狀態，應馬上采取有效措施進行限期整改。如果該施工工程屬于IV類極高風險狀態，應立即采取緊急措施對風險隱患進行排查和消除。

表1 風險評價系數劃分

4 實例研究

4.1 工程概況

青島西海岸新區中德應用技術學校位于中德生態園團結路以南、昆侖山路以西，總建筑面積8萬多平方米。其中學校的6號和7號宿舍樓為被動式超低能耗居住建筑示范區，是按照被動式建筑標準來進行設計的，同時獲得了德國PHI認證。兩座宿舍樓的施工建設在外圍護結構、選材、熱橋處理、氣密性、保溫性等節點和細節進行了嚴密設計與控制。本文借此宿舍樓為例，利用上述方法對其施工安全進行評價研究，并確立了圖1所示的指標體系。

4.2 確定矩陣元素

為了能夠對每個風險因素和多因素耦合作用下對施工安全的影響進行定量描述，通過專家半定量取值的方法將安全影響因素間的作用程度進行了劃分。通過影響程度，區分為0、1、2、3、4五個等級，詳見表2。

表2 相互作用矩陣的專家半定量取值法

根據上述的相互作用矩陣方法，通過對青島中德生態園的專家們進行問卷調查和專家打分，對16個被動式建筑施工安全風險影響因子進行風險賦值，并把多因子耦合作用的影響值分別填入相互作用矩陣中對應的位置，構建如下矩陣P：

4.3 計算結果與分析

得出矩陣P后，利用上述公式(1)～(3)計算得到該項目16個施工安全風險影響因子的權重Ki，如表3所示。

表3

從表3中可以看出，對被動式建筑項目施工安全影響較大的因素包括管理因素(技能培訓與安全教育、安全制度與責任體系)、環境因素(現場施工作業環境)和人為因素(作業人員安全意識)。所以在以后的施工過程中應加強以上幾方面的風險防范。但是，其他施工安全風險因子的權重數值相差并不大，也不能有所懈怠。

最后通過公式(4)計算得出該建筑項目施工安全評價系數SD=34.52%。根據表1知，該項目施工安全已經達到中風險狀態，應采取必要的監控措施，完善安全管理體系，使施工規范化。經過實地的調研，上述的分析結果跟實際情況較為吻合。

4.4 對策建議

本文根據上述的結果分析和實地調查研究，提出以下預防措施。

(1) 增強現場人員的專業水平和安全意識。對被動式建筑的施工安全來說，人為風險因素相當敏感，作業人員的整體水平對施工安全至關重要。由于被動式建筑在我國推行不久，應通過專業的培訓和教育來提高作業人員的專業水平和安全意識，確保作業人員的安全水平。

(2)提升施工現場的安全管理。加強對現場施工作業的動態監控，完善安全制度與責任體系，對人、物采取得當的安全監督，定期排查安全隱患。及時組織對現場人員進行技能與安全方面的集訓，提高綜合水準。此外，被動式建筑施工中對材料和設備的要求具有一定的特殊性，應對材料和設備實施嚴格把控。

(3)加強現場施工作業環境管理。現場施工作業環境是安全事故多發的隱蔽地帶，應對施工現場的物料、設備進行合理化安置與分配，同時確保作業場地的面積和有序性，為現場人員提供一個適宜的工作環境，從而使發生安全事故的可能性下降。

5 結論

(1) 通過構建被動式建筑施工安全風險交叉耦合作用模型，可直觀地發現，單個風險因素與不同因素之間存在耦合反應以及它們之間交互影響的形態。

(2)構建的相互作用矩陣方法，綜合考慮了被動式建筑施工安全因素之間的相互作用對系統的影響。在實際案例的應用中，驗證了該方法的可行性，在被動式建筑施工安全評價研究中達到了一個可觀的效果。

(3)本文引入案例，發現了對被動式建筑施工安全影響大的風險因素，并對相應的風險預防給出了一些建議，這對實際施工中的安全防范具有借鑒意義。不過本文在等級劃分和專家打分環節存在主觀影響，這將是今后的研究方向。