基于TOPSIS-GRA法的裝配式混凝土建筑施工質量風險評價

劉青云，周盛世，李 夢

(1.青島理工大學 管理工程學院，青島 266525；2.山東碧桂園房地產開發有限公司，濟南 250100)

裝配式混凝土建筑采用的是正規化設計、機械化生產和裝配化施工，其受氣候條件的制約比較小，建造速度快、節約勞動力、節省資源、改善生態環境[1]。但是與其相關的建筑市場在我國剛興起，施工技術缺乏系統性、整體性，難以滿足施工質量要求，預制構件在運輸及吊裝過程中，容易出現板面龜裂、轉角板折斷、預制構件連接不到位、預埋件遺漏、節點擁堵等施工質量問題[2]。為了促進行業的良性發展，有必要加快相關產業基地和示范工程的建設，提升裝配率，提高預制構件制作水平，創新施工組織方式，推行綠色施工。

裝配式混凝土建筑存在的施工質量問題所造成的風險制約了裝配式建筑的快速發展，其風險評價已成為業內關注的重點。曹江紅等[3]構建了一種基于BIM技術的建筑質量測驗方法進行相關的質量檢驗。其主要是針對建筑物具體施工中不同質量檢驗階段的實際情況而創建的，具有較強的實用性。桑培東等[4]從建筑市場、信息技術、管理水平、風險等方面分析了裝配式工程建設中的質量問題，提出了企業應該通過建立完整的結構體系加強預制構件的質量檢查，降低建設施工中質量風險。曹新穎等[5]將BIM-RFID技術引入質量管理，明確當前裝配式材料對施工的影響。齊寶庫等[6]從施工準備、施工、竣工驗收3個階段分析了裝配式建筑施工質量的影響因素，采用AHP模糊綜合評價法對建筑施工質量風險進行評價。劉杏紅等[7]運用TQM概念來分析裝配式建筑的人員、機器、材料、方法和環境等因素，為防范建筑風險提供了理論支持。

綜合以上的研究成果發現：裝配式混凝土建筑存在著施工質量問題，現有的風險評價指標體系不是很全面，因此為了更好地評估裝配式混凝土建筑施工質量風險，建立一套適用性強、便于操作的評價指標體系很有必要。本文結合相關建筑施工現場存在的風險問題確立指標體系，選取更加全面、靈活的熵值法(Entropy)、逼近理想值測序法(TOPSIS)和灰色關聯方法(GRA)的組合進行風險評價指標研究。采用熵值法分析影響因素，處理指標的相關計算問題，確立指標的權重。再運用TOPSIS-GRA方法進行風險指標評價。結合某居民樓項目對存在的施工質量風險指標進行分析，確定其影響程度，以期為防范建筑施工質量風險提供參考。

1 裝配式混凝土建筑施工質量風險評價指標的確立

從人員-材料-管理-環境4個維度來分析裝配式混凝土建筑施工質量風險影響因素，并結合其施工的特點，在專家咨詢和文獻綜述的基礎上，得出影響其施工質量的風險：作業區域文明施工狀況、安裝過程臨邊作業防護狀況、自然環境變化、惡劣天氣和照明情況等重要的外部風險；從業人員的健康狀況、施工人員的技術水平、質量以及安全管理、預制(PC)構件的精度等主要的內部風險。基于以上裝配式混凝土建筑施工質量的影響因素和相關文獻的總結，將風險評價指標歸結為4個方面：建筑人員風險、建筑材料風險、建筑管理風險、建筑環境風險，再進一步分解4個一級指標，可以得16個子指標，見表1。

表1 裝配式混凝土建筑施工質量風險評價指標及權重

2 裝配式混凝土建筑施工質量風險測評模型建立

裝配式混凝土建筑項目能否順利推進受多種復雜因素的影響，傳統的指標權重測定和指標評價方法往往假設指標因素之間是相互獨立的，容易受到專家主觀偏好的干擾，在反映數據變異方面準確程度比較低，體現數據之間的相關性方面不夠合理，各要素之間的層次關系和依賴關系不明確，不同層級指標之間的關聯度不夠。為了達到更好的加權效果，體現指標之間的邏輯關系，采用熵值法確定指標的客觀權重，結合TOPSIS-GRA法評價裝配式混凝土建筑施工質量風險，使得評價結果更加地具有實際意義。

2.1 Entropy確定指標權重

假設評價對象有m個評測指標和n個評價指標，則可以創建以下決策矩陣：

(1)

為了消除由于不同指標引起的量綱變化，并實現指標的趨勢變化，使用極差法將各項指標xij轉化為無單位的相對值rij，同時將數值大小規范在[0,1]范圍內：

(2)

式中：xij為第i個評測對象的第j個指標數值，i=1,2,…,n。

第j個指標的標準歸一化熵權wj為

(3)

2.2 基于TOPSIS-GRA法裝配式混凝土建筑施工質量風險評價

找出有限個方案的正負理想值。所謂的正理想值就是最優解，每個屬性值在候選方案中達到最佳值，負理想值是最差解。然后計算每個方案與最優解和最差解之間的歐幾里得距離，最后將TOPSIS法中的歐幾里得距離和GRA法的正負關聯度用一個偏好系數進行組合得到一個綜合評分。

1) 構建初始決策矩陣。假設存在m個評測方案，n個評價指標，則候選集是Y={Y1,Y2,…,Ym}，指標集為X={X1,X2,…,Xn}。因此，初始決策矩陣R為

(4)

2) 構建加權標準化矩陣。為了避免認識上的模糊性對指標之間的關系產生不必要的影響，由式 (3) 得到的評價指標權重向量wj={w1,w2,…,wn} 代入到歸一化后的決策矩陣中[18]，構造加權決策矩陣Z。

(5)

3) 計算加權決策矩陣的正理想值V+和負理想值V-：

V+={(maxzij|j∈J1),(minzij|j∈J2)|i=1,2,…,m}

(6)

V-={(minzij|j∈J1),(maxzij|j∈J2)|i=1,2,…,m}

(7)

式中：J1為效益型屬性；J2為成本型屬性。

4) 為了更好地分析評測指標中指標之間的相關程度，采用GRA法算出評測指標與正負理想值之間的灰色關聯程度[19]：

(8)

式中：minmin|V±-zij|為兩級最小差；maxmax|V±-zij|為兩級最大差；V∈[V+,V-]；xi為比較數列；ρ為分辨率系數(0<ρ<1)，一般取ρ=0.5，ρ越大，分辨率越小，ρ越小，分辨率越大。

對于不同的初始值和維度序列，在計算相關系數之前，必須初始化索引值，即將該序列所有數據分別除以第1個數據。

5) 計算各評價對象與正理想值和負理想值的歐幾里得距離：

(9)

(10)

(11)

式中：α和β為偏好系數，反映形狀和位置的偏好程度，滿足α+β=1,α,β∈[0,1]，本文取α=β=0.5；Si為

每個評估單元的終值，體現了每個評估單元與理想單元的接近度，Si值越大，該評價單元越好。

7) 計算綜合風險指標。將相對接近度轉換成10分量表進行評分。最大得分的相對接近度設置為10，其他得分依此折算并取整[20-21]：

(12)

根據得分進行排序等級劃分，評價各項指標的界定能力，見表2。

表2 裝配式混凝土建筑施工質量風險等級劃分

3 實例分析

為了有效地分析裝配式混凝土建筑施工質量風險，結合所建立的評價指標體系和評估模型，以青島某居民樓項目為例進行風險分析。邀請8位與預制建筑相關的專家使用專家評分法進行評分。通過Matlab2014a軟件對模型進行編碼分析，評估了建筑工程的施工質量風險水平，分析了風險因素之間的相關性。

3.1 指標權重的確定

根據自然環境、地理位置、技術水平等標準，基于表1所示的風險評價指標體系，對定性指標采用專家評判法進行量化，8位專家對裝配式建筑中這些指標影響的重要程度進行打分，根據評價體系的定量標準，采取五點打分法。基于得到的數據，通過式(1)(2)得到歸一化決策矩陣X=|xij|。

根據式(3)運用Matlab2014a 軟件，采用熵值客觀加權法確定每個評估指標權重，得到指標權重：

3.2 基于TOPSIS-GRA法的裝配式混凝土建筑施工質量風險分析

根據式(4)(5)可求得加權標準化矩陣Z=(zij)m×n。

根據式(6)(7)和上述加權歸一化矩陣Z=(zij)m×n分別明確了相同測評指標的正理想值和負理想值：

V+=(0.0020,0.0006,0.0001,0.0001,0.0013,0.0016,0.0010,0.0016,0.0004,0.0003,0.0000,0.0019,0.0000,0.0029,0.0013,0.0000)

V-=(-0.0008,-0.0017,-0.0030,-0.0009,-0.0016,-0.0012,-0.0007,0.0000,-0.0021,
-0.0031,-0.0026,-0.0001,-0.0033,0.0000,-0.0022,-0.0029)

根據式(8)分別算出樣本項目裝配式建筑質量風險關聯度的16個二級指標與正理想值的灰色數值：

δ+=(0.5836,0.7095,0.4785,0.4473,0.4774,0.5814,0.4924,0.5039,0.4312,0.4967,0.4959,0.5091,0.4457,0.6309,0.5061,0.5602)

根據式(9)—(11)分別計算裝配式建筑項目中建筑人員風險、建筑材料風險、建筑管理風險、建筑環境風險與正理想值和負理想值的歐幾里得距離，得出裝配式建筑施工質量風險的綜合得分，結果見表3。

將表3中的數據通過式(12)計算得出單項指標的綜合得分及其施工質量風險等級，結果見表4。

表4 單項指標的等級得分

從表4中可以看出影響裝配式混凝土施工質量最大的是PC構件的質量以及連接的可靠性、項目相關管理人員的能力、監管人員到位程度、現場的施工管理。為了降低其對裝配式混凝土建筑施工質量所造成的風險，應該做好以下4個方面的防范措施。

1) 提高PC構件的質量。PC構件是整個裝配式建筑的核心組件，PC構件的質量及其運輸和裝載的穩定性及安全性要求遠高于傳統的散裝建筑材料。增強運輸的平穩性對提升構件的質量有著重要作用，對其使用的原材料按照《建設工程質量管理條例》中的相關規定進行檢測，并根據檢測結果及時調整配合比，這也是保證構件質量重要的一環。

2) 增強建筑與構件連接的可靠性。為了增強裝配式建筑的安全，預制構件的連接處必須可靠，對構件連接處的精準度必須嚴格按照《裝配式混凝土建筑技術標準》(GB/T 51231—2016)執行。如果構件安裝有偏差，會導致墻壁不平坦，更不能保證上下樓層的垂直度及結構的穩定性。在預制構件連接施工前，要確保鋼筋連接強度并保持節點的清潔，在其施工時，要確保混凝土混合料的質量及密實度。

3) 提高相關作業人員的技術與管理水平。裝配式建筑從計劃生產到修筑安裝，現場施工人員熟練程度、管理模式與水平至關重要。相關企業可以聘請專家對一線作業人員進行手把手的技術指導，通過定期開展技術知識學習活動等方法來提高作業人員的技術水平，使得作業人員可以在實際操作的過程中利用先進的技術提高作業效率，降低施工質量風險。

4) 完善施工現場管理體系。制定合理的施工現場管理體系，做好施工質量管理工作。加強施工現場巡查、專項檢查頻次，確保建設、總包、監理、設計、分包等參與單位責任落實。機械設備要不定時地進行安全檢查，確保機械設備的正常使用與施工精度，保證施工質量。

4 結束語

從建筑人員、材料、管理、環境4個維度出發，分析影響裝配式混凝土建筑施工質量的風險因素，是可行與有效的，這在相關文獻中也得到證實。建立建筑施工質量風險評價指標體系，運用TOPSIS-GRA法計算裝配式混凝土建筑施工質量評價得到風險綜合值的分值與風險高低的排序，提出的防范措施也是有成效的。通過分析實際案例對裝配式混凝土建筑進行施工質量風險評價，明確了影響較大的風險指標依次是PC構件的質量及其連接的可靠性、項目相關管理人員的經驗及能力和現場的施工管理，同時還揭示了各種影響因素的內在邏輯關系，評價結果與實際情況基本相符，提出的改善我國裝配式混凝土建筑施工質量建議，以期為降低相關領域的施工質量風險提供參考，為相關裝配式混凝土建筑風險評價管理提供借鑒。