基于ISM的裝配式建筑全過程質量影響因素分析

韓晏羽，郭海濱，2，*，張軍丹，趙冉冉，劉 雪

(1.青島理工大學 管理工程學院，青島 266525；2.山東省高校智慧城市建設管理研究中心，青島 266525)

裝配式建筑是由預制零部件在工地裝配而成的建筑。相對于傳統建筑，裝配式建筑本身具有綠色環保、節約資源、施工便捷等優點，但其建造過程中仍然會出現許多質量問題，比如圖紙會審不到位、構配件質量不高、技術設備不完善等。另外，設計和施工方式的改變、預制構配件的運輸、BIM和物聯網新技術的應用等，也對確保裝配式建筑的全過程質量提出了新的挑戰。

近年來，許多國內外學者對裝配式建筑的質量影響問題進行了相關的研究，其中代表性的成果有：齊寶庫等從施工前、施工中和施工后對裝配式建筑質量進行研究，利用模糊綜合評估法對裝配式建筑施工質量進行評估，為相關部門采取相應措施提供了一定參考[1]。曹江紅等根據裝配式建筑施工過程不同階段質量要求的不同，提出了事前指導性質量管理、過程控制性質量管理和事后總結性質量管理，通過BIM技術的質量控制流程及管理措施，有效解決施工過程中的質量問題[2]。丁彥等系統分析了裝配式建筑施工過程中存在的質量風險因素，并全面辨識裝配式建筑的重點質量風險因素，從而提高裝配式建筑質量的管控效果[3]。SHERYL等利用計算機技術對裝配式建筑質量進行了研究，利用相關數據庫建立了BIM模型，通過分階段控制識別質量危險，從而提升裝配式建筑的施工質量[4]。JABAR等將施工階段質量影響因素分為前、中、后三個階段，針對每個階段的質量問題進行管理[5]。PIAZZA等指出管理人員、生產材料以及機械設備等方面存在的問題是影響裝配式建筑施工質量的主要因素[6]。

上述研究成果表明相關專家對裝配式建筑質量問題進行了一定的研究，但這些研究主要側重于從裝配式建筑施工的角度分析各個因素對裝配式質量的影響，較少有針對全過程進行的研究。對此，本文識別裝配式建筑全過程質量的主要影響因素，并基于此采用解釋結構模型(ISM)方法加以研究，建立各因素之間的內在關聯和多層次遞階結構模型，得出各因素對裝配式建筑全過程質量的影響關系并結合MICMAC方法分析出其中的直接原因、間接原因和根本原因。

1 裝配式建筑質量影響因素的識別

在研究建筑工程的質量影響因素時，影響因素的識別是非常重要的一步，影響因素的選擇正確與否直接關系到分析結果是否真實反映了裝配式建筑質量的實際現狀，進而影響對策的提出。本文針對裝配式建筑質量的影響因素在中國知網中以“裝配式建筑質量”“建筑質量”“工程質量”等為檢索條件進行檢索。根據論文的研究深度和廣度對論文進行選擇，并在其中篩選了20個代表性強的影響因素，涵蓋了裝配式建筑的設計、構件制作、運輸堆放和施工等各個階段，如表1所示。

表1 裝配式建筑質量影響因素

由于本文研究裝配式建筑的全過程質量問題，而其前面階段的質量對于后續階段的質量形成具有不可忽視的影響，因此在表1的基礎上，將設計成果質量和構件到場成品質量納入到裝配式建筑質量影響因素中。另外，BIM技術的推廣應用和物聯網技術在建筑領域的逐步引入，也必將對裝配式建筑的質量產生重要的影響。因此，也將BIM技術和射頻識別技術(RFID)[16]補充到質量影響因素中，如表2所示。

表2 裝配式建筑質量影響因素增補

2 裝配式建筑全過程質量影響因素ISM模型的構建

2.1 ISM模型定義

ISM(Interpretative Structural Modeling)又稱解釋結構模型，由美國華費爾特教授在1973 年提出，是將復雜系統分成幾個子系統，利用人們的知識和實踐經驗及電子計算機的協助，構造一個多層遞階模型的過程[17]。

2.2 因素間影響關系的確定

影響因素之間不是孤立存在的，它們之間總會存在著直接和間接的關聯。建立裝配式建筑質量影響因素的ISM模型，首先需要確定因素之間的影響關系。本文主要通過問卷調查的形式收集影響因素資料的信息，用專家打分的方法對各個因素進行關聯程度的分析。調查問卷主要由2個方面構成：①對被調查者身份的認知，主要包括受教育的程度、工作崗位、工作經驗等等；②了解被調查者對裝配式建筑全過程質量影響因素間關聯關系的認知，采用0—1打分法實現。當0—1矩陣中的數值為1時，說明該得分對應的行因素對列因素有影響，為0時表示行因素對列因素沒有影響。

本次調查共收集125份有效問卷。選擇被調查者時主要考慮在裝配式建筑質量方面有一定經驗、熟悉當下的政策和市場情況的相關人員，如表3所示。

表3 被調查者情況

2.3 ISM模型符號概念

1) 鄰接矩陣：用符號A表示，將各個因素之間的關系轉化為矩陣的形式，表示不同元素兩兩之間的關系。鄰接矩陣A的元素aij定義為

(1)

即根據問卷調查得出裝配式建筑質量各影響因素之間的關聯關系，如矩陣A所示。

2) 可達矩陣：用符號M表示，它表示從系統的一個要素到另一個要素是否存在連接的路徑。把鄰接矩陣A和單位矩陣I相加并進行布爾運算，得到的矩陣M滿足M=(A+I)k=(A+I)k+1時，稱M為可達矩陣，其元素用mij表示，k為次冪。通過Matlab2014a由鄰接矩陣A計算得到的可達矩陣M為

3) 可達集：用符號R(Vi)表示，指在矩陣M中，因素Vi所對應的行中，mij=1的列所對應的元素的集合，即R(Vi)={Vj∈V|mij=1}，其中V表示所有節點的集合。

4) 先行集：用符號Q(Vi)表示，指在矩陣M中，因素Vi所對應的列中，mji=1的行所對應元素的集合，即Q(Vi)={Vj∈V|mji=1}。

5) 共同集合：用符號T(Vi)表示，是指可達集和先行集的交集，T(Vi)=R(Vi)∩Q(Vi)。通過可達集、先行集及共同集合的定義對可達矩陣M進行劃分，如表4所示。

表4 裝配式建筑因素級別劃分

2.4 級間分解及模型建立

經過鄰接矩陣和可達矩陣計算后，表示出了裝配式建筑質量因素之間的直接或間接影響關系，但尚未實現層級的劃分，沒有反映出各因素所處的不同級別。為此，可以根據T(Vi)=R(Vi)∩Q(Vi)=R(Vi)公式先得出最上層的因素，從可達矩陣M去除最上層的因素得到可達矩陣M1，按照同樣的方法篩選次上層因素，以此類推對各因素進行層級劃分。由此分析得到V13，V14是可達矩陣M第一次篩選得出的最上層因素，然后基于可達矩陣M1可以再次篩選出次上層的因素，并可以據此推算出上述裝配式建筑全過程質量因素共分為了5個等級：第一層級(V13，V14)，第二層級(V12，V15，V16，V17，V18，V19，V20，V22)，第三層級(V4，V8，V9，V10，V11)，第四層級(V3，V5，V6，V7，V21)，第五層級(V1，V2，V23，V24)。

根據該層級的劃分，可建立ISM解釋結構模型，如圖1所示(圖中十字交叉位置均為過橋)。

圖1 裝配式建筑質量影響因素的解釋結構模型

3 基于MICMAC的影響因素分析

3.1 MICMAC定義

交叉影響矩陣相乘法(MICMAC法)是由DUPERRIN和GODET提出的用來分析系統中因素之間相互關系、相互作用的一種方法，常用來識別系統中具有高度動力性和高度依賴性的變量，核心功能是用交叉影響矩陣相乘對系統的元素進行分類。

3.2 MICMAC分析

MICMAC的結果可稱為驅動力-依賴性矩陣，通過坐標軸形象來表示，橫軸代表依賴性，縱軸代表驅動力。各因素的依賴性和驅動力可由可達矩陣M計算，如表5所示。依賴性為可達矩陣中每個因素對應列為“1”的總和；驅動力為可達矩陣中每個因素所對應行為“1”的總和。根據因素驅動力和依賴性最大數值的二分之一來確定象限的分界線位置[18]，然后根據所有要素對應交點的所在象限位置分為4個集群：Ⅰ自治集群、Ⅱ依賴集群、Ⅲ聯動集群、Ⅳ獨立集群，如圖2所示。

圖2 驅動力-依賴性矩陣

表5 質量影響因素數值

3.3 MICMAC解析

1) 自治集群Ⅰ：驅動力和依賴性都相對較弱。影響因素有V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9，V10，V11，V12，V15，V16，V17，V18，V19，V20，處于ISM模型中間層級，既在一定程度上依賴于底層因素的驅動，也會對上層因素產生一定的驅動影響，是對裝配式建筑的全過程質量具有間接影響的因素。

2) 依賴集群Ⅱ：驅動力弱，依賴性強。影響因素有V13，V14，V22，處于ISM模型的第一、二層級，主要表現其他下層因素作用的結果，會對裝配式建筑全過程質量產生直接的影響。

3) 聯動集群Ⅲ：驅動力和依賴性都很強。以上所分析的影響因素中沒有屬于這個類型的。

4) 獨立集群Ⅳ：驅動力很強，依賴性很弱。影響因素有V1，V2，V21，V23，V24，處于ISM模型的第五、第四層級，基本不依賴于其他的因素，但是對上層的各因素具有很強的驅動力，對裝配式建筑的全過程質量具有根本影響。

4 裝配式建筑質量影響因素分析

根據圖1的解釋結構模型和圖2的驅動力-依賴性矩陣，可以進一步將影響裝配式建筑全過程質量的因素分為直接原因、間接原因和根本原因。

1) 影響裝配式建筑全過程質量的直接原因，主要存在于施工作業階段。預制構件連接可靠性、吊裝位置準確性等因素處于解釋結構模型第一層級，屬于驅動力-依賴性矩陣的依賴集群，依賴性強，驅動力弱，易受其他因素的影響。這需要施工人員及設計人員精確落實吊裝位置，確保構件連接可靠，從全過程的實現階段保障裝配式建筑的質量。

2) 影響裝配式建筑全過程質量的間接原因，主要存在于構件制作、運輸、施工準備等階段。吊裝方案、作業環境、施工質量控制標準、安裝工藝、圖紙會審等處于解釋結構模型第二層級。構件堆放合理性、運輸路線的合理性、運輸及起重機械參數性能、預制構件出廠成品質量等處于解釋結構模型的第三層級。構件制作原材料質量、制作人員能力與素質、制作設備與檢測工具、構件制作質量標準等處于解釋結構模型的第四層級。第二、三、四層級的因素屬于驅動力-依賴性矩陣的自治集群，驅動力和依賴性較弱。其中預制構件出廠成品質量驅動力弱，依賴性強，屬于連接紐帶因素。吊裝方案的可行性影響吊裝位置的準確性。施工現場的作業環境、質量控制標準和安裝工藝等共同影響著吊裝位置的準確性和構件連接的可靠性。圖紙會審過程決定了圖紙信息傳達的準確性，是影響建造過程質量的重要環節。在構配件運輸和吊裝過程中，要確保構配件的穩固性，構配件的堆放要合理，避免化學腐蝕和物理晾曬，堆放時受力要合理，避免上層構件對下層構件形成額外作用力。防止配件質量的損壞，從而影響整體的質量。構件制作原材料質量、制作人員能力與素質、制作設備與檢測工具、構件制作質量標準等直接影響預制構件出廠成品質量，從而間接影響裝配式建筑的質量。這要求各部門的人員協同管理，保證構件制作、運輸、施工準備等階段各項工作的順利進行，從全過程的中間階段保證裝配式建筑的質量。

3) 影響裝配式建筑全過程質量的根本原因，主要存在于設計階段。設計人員能力與素質、設計標準規范、射頻識別技術(RFID)、BIM技術處于解釋結構模型的最底層，驅動力強，依賴性弱，屬于系統中的關鍵因素，具有統籌全局的作用。這就要求設計單位和設計人員應以設計高質量的裝配式建筑成果為目標，嚴格遵守設計標準規范，積極應用先進信息技術來促進優秀設計成果的產出，從全過程的初始階段保證裝配式建筑的質量。

5 結束語

本文在識別裝配式建筑全過程質量影響因素基礎上，通過綜合應用解釋結構模型和MICMAC方法構建了ISM模型和驅動力-依賴性矩陣，深入分析了各因素之間的影響關系，得出了影響全過程質量的直接原因、間接原因和根本原因，并據此提出了提高裝配式建筑質量的相關對策，以期為提高裝配式建筑的質量提供一定的參考。