三度空間視角下的裝配式建筑施工安全績效評價*

周逸倫，王人龍，佘健俊

(1.南京工業大學 智慧城市研究中心，江蘇 南京 211816；2.南京工業大學 土木工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引言

裝配式建筑因其低能耗排放、高效益質量，有效縮短施工工期等優勢，自2016年在國務院的大力倡導之下逐步發展起來。2020年8月國家住建部等部門頒布了《關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》，提出“制定評價標準，建立新型建筑工業化項目評價技術指標體系，重點突出信息化技術應用情況，引領建筑工程項目不斷提高勞動生產率和建筑品質”[1]。

在裝配式建筑施工過程中，施工單位對于安全管理目標實現程度的可測量結果表征即為裝配式建筑施工安全績效。目前，已經有多種研究方法和數學模型在安全績效評價中得到應用。李曉娟等[2]利用AHP方法對績效評價指標進行賦權的模型應用于山區公路施工項目中；Liu等[3]構建了適用于中國裝配式建筑發展現狀的安全績效評價六因素指標體系并利用AHP-熵權法以組合賦權其權重；陳勇剛等[4]基于混合型中心點三角白化權函數和TAN模型構建了運輸航空飛行安全績效模糊動態評估模型；陳芳等[5]基于三角模糊熵權法的物元可拓云構建了管制單位質量安全績效評價模型；成連華等[6]將DEA方法計算綜合效率值的思路應用于煤礦安全績效評價中并提出了相應的提升措施；康良國等[7]將大數據環境考慮應用于安全績效管理中并提出了數據流向和框架模型以及管理應用對策。

盡管上述文獻為裝配式建筑施工安全績效評價研究提供了支持，但仍然存在一些不足。文獻[6-7]所闡述的方法對于數據體量要求較高；文獻[3-5]表明在工程實踐中必須考慮灰色性與模糊性2方面對于績效評價結果的影響。此外文獻[2]所采用的AHP方法強調獨立性假設，然而在裝配式建筑安全績效評價過程中，需要從系統層面考慮和分析人、物、信息及事件等多因素存在不可忽視的關聯。因此本文考慮在信息技術高速發展背景下，提出1種綜合定量與定性的基于ANP-GCM的績效評價方法。首先，構建三度空間視角下的裝配式建筑施工安全績效指標體系，利用ANP分析不同指標之間的影響關系[8]，對施工安全績效進行定性描述并計算其評價指標權重；然后，運用灰色聚類法以定量化評估各指標對應各個等級的隸屬度；最終，得到項目與對應指標的評價等級[9]。以期可為裝配式建筑的安全績效評價提供實踐及理論的依據與支持。

1 裝配式建筑施工安全績效評價指標體系

在工程管理領域內，國內外眾多學者針對安全績效評價體系的構建展開了大量研究。張經陽等[10]分析了煤礦建設項目的WSR關系并建立了對應的績效評價三維度指標體系，構建了基于管理熵理論的評價數學模型；李英攀等[11]基于裝配式建筑4M1E要素構建了裝配式建筑評價體系，提出通過組合賦權計算指標權重和云模型評分的結合確定裝配式建筑項目安全績效等級的方法，但隨著國家不斷推進建筑行業信息化革命，傳統的裝配式建筑施工安全績效評價體系已不能滿足建筑項目對于信息化的需求，目前亟須建立1套考慮到信息技術對裝配式建設項目各個環節產生影響的背景下的安全績效評價體系。

1.1 三度空間方法論

三度空間方法論是Kasai等[12]提出的1種理解城市化現狀和前景的系統論方法。在三度空間方法論視角下，城市不僅僅是建筑的集群，人類的活動、組織的交流與溝通、信息的交互與傳播都是組成城市的重要元素，即城市“三度空間”的組成包括物理、社會和信息3個要素。構成城市的所有系統均處于城市的“三度空間”中。每個系統均可在物理、社會和信息空間找到其相應的“投影”[13]。

1.2 裝配式建筑工程項目的三度空間解釋

裝配式建筑工程項目作為為城市提供實體發展基礎的子系統，既組成并完善了城市功能，又保持一定的獨立性發揮功能。本文對裝配式建筑工程項目三度空間的概念界定如下：

1)物理空間：是包括裝配式建筑工程項目除人以外的所有實體和環境的直觀空間，如裝配式建筑施工現場中的作業設備、建筑構件、安全物品等正常施工的必要物品及施工現場環境。物理空間中的對象通常由自然科學方法、工程技術描述和處理。

2)社會空間：區別于工程實體和環境，由工程相關人員及其活動構成的空間，具體組成包括人員、施工工藝及技術、組織管理等方面。社會空間中的對象通常由社會科學方法、管理學方法描述和處理。

3)信息空間：由各類包括BIM，GIS，Big Data和AI等信息技術及其信息流構成的空間，不同于傳統的對于裝配式建筑工程項目的解釋方法論，三度空間方法論認為信息對于裝配式建筑工程項目的現代化和智能化不可或缺，因此在物理和社會空間以外，還應該具有信息空間。

1.3 裝配式建筑施工安全績效評價指標體系及ANP結構模型構建

對裝配式建筑施工安全績效產生作用的2級指標不僅錯綜復雜而且指標之間存在相互影響。為了保證安全績效評價指標體系構建的合理性以及績效評價結果的客觀可靠，本文從三度空間視角對裝配式鋼筋混凝土建筑工程項目系統進行解構，依據相關研究資料文獻，并結合之前研究中在裝配式建筑施工現場的考察和訪談記錄，分別提取物理空間、社會空間和信息空間中對裝配式建筑項目安全管理產生影響的指標，建立初始指標表單。隨后采用德爾菲法調研對指標篩選判斷的合理性，參與調研的5位專家信息如表1所示，專家主要來自高校、設計和建設單位，與裝配式建筑生產密切相關，后文中提及的相關專家皆為該表所示專家。

表1 接受調研的專家信息Tabel 1 Information of experts surveyed

得到三度空間視角下的裝配式建筑施工安全績效評價指標如圖1所示，物理、社會和信息總體構成評價指標的空間維度。

圖1 三度空間視角下裝配式建筑施工安全績效評價體系Fig.1 Evaluation system for safety performance of prefabricated buildings construction from perspective of three-dimensional space

根據構建的三度空間視角下的指標體系，由裝配式建筑施工安全績效目標即目標層，1級準則層(物理、社會和信息)、2級準則層(設備及材料因素A，環境因素B，人員因素C，工藝技術因素D，管理因素E和BIM信息因素F，即1級安全績效評價指標)和網絡層(將裝配式建筑施工安全績效影響因素按大類分成不同的績效影響組，即2級安全績效評價指標)及它們之間的相互影響的可達關系共同構成裝配式建筑施工安全績效評價ANP結構模型。

采取德爾菲法向5名專家咨詢意見，結合對南京某裝配式建筑項目的實地調查和實證分析；然后，通過判斷調查表確定評價準則、網絡節點即指標之間的相互影響關系；最終，創建三度空間視角下的裝配式建筑施工安全績效評價ANP網絡結構模型如圖2所示。

2 ANP-GCM安全績效評價模型

2.1 基于ANP的指標權重確定

為了更好地反映裝配式建筑安全績效評價指標的特征，指標權重的確定具有關鍵性作用。選擇ANP方法對指標賦權，能夠反映裝配式建筑項目中人、機、物和環境之間復雜的相互影響關系，指標權重確定的具體步驟如下：

1)ANP網絡建構關系構建

構建如圖2所展示的三度空間視角下裝配式建筑施工安全績效評價ANP網絡層次結構模型。

圖2 三度空間視角下裝配式建筑施工安全績效評價ANP結構模型Fig.2 ANP structural model for safety performance evaluation of prefabricated building construction from perspective of three-dimensional space

2)構建未加權初始超矩陣

(1)

評價指標相互影響的未加權超矩陣如式(2)所示：

(2)

式中：wij為判斷矩陣Wij中的元素。

3)計算加權超矩陣

對W進行歸一化處理，計算Wij的歸一化特征向量

(a1j,a2j,…,aNj)，與Pj無關的安全績效評價指標排序向量值為0，得到加權矩陣，如式(3)所示：

(3)

式中：列向量aij是Wij的歸一化特征向量。

對超矩陣W的元素加權，得到加權超矩陣，如式(4)所示：

(4)

對超矩陣做穩定性處理，計算極限超矩陣，如式(5)所示：

(5)

式中：W∞為極限超矩陣；k為趨于無窮大的實數。

W∞的列向量即為裝配式建筑施工安全績效評價指標Pini權重向量W′，如式(6)所示：

W′=(W11,W12,…,WNnN)T

(6)

式中：W′為評價指標Pini權重向量。

則各安全績效評價指標Pij在各自所屬類別Pi中規范化權重向量，如式(7)所示：

(7)

2.2 基于灰色聚類的安全績效評價

1)安全績效評價灰類的確定

采用灰色聚類方法對指標進行打分，能夠兼顧由裝配式建筑項目安全績效評價指標的灰色性特點導致的專家主觀評價偏好和定量的數據信息。將安全績效評價等級劃為5個灰類，具體灰類區間相應百分制取值如表2所示。

表2 灰類取值范圍的劃分Table 2 Division of grey value range

2)構建指標中心點三角白化權函數[14]

(8)

(9)

(10)

式中：x為專家對評價指標的評分；λk為第k個灰類的中心點。

3)構造模糊隸屬度矩陣進行模糊綜合評價

(11)

計算綜合評價系數，如式(12)所示：

(12)

3 案例分析

中建A公司在南京承建的某裝配式建筑項目，建筑類型為社區綜合服務中心，該工程含地下車庫2層，地上建筑11層，局部3～4層，總建筑面積35 140.77 m2；結構形式為預制裝配整體式框架結構，預制構件為預制疊合梁、預制疊合板，預制率為19.02%，預制裝配率為41.17%。

3.1 基于ANP確定安全績效評價指標權重

采用Yet Another ANP軟件(簡稱yaanp軟件)對指標權重進行計算和確定，在yaanp軟件中構建ANP模型，如圖3所示。通過yaanp軟件生成1～9標度法判斷矩陣的調查問卷。

圖3 Yet Another ANP軟件構建ANP網絡模型Fig.3 ANP network model constructed by Yet Another ANP software

向5名專家發放調查問卷，依據問卷調查結果輸入各個次準則指標下的判斷矩陣，隨后進行一致性檢驗，對不一致判斷矩陣進行修正，計算得到未加權超矩陣、加權超矩陣和極限超矩陣，當極限收斂且唯一時，獲得基于專家群決策的各安全績效評價1，2級指標的權重，如表3所示。

表3 裝配式建筑施工安全績效評價指標權重Table 3 Weight of safety performance evaluation index of prefabricated building construction

3.2 基于灰色聚類的安全績效評價

邀請5位專家依據項目資料和工程實際情況對上文ANP模型中的23個2級指標進行評分，評分依據為本項目在所列的安全績效評價指標方面的落實和完成情況，得到中建A公司在南京某裝配式建筑項目施工安全績效評價結果如表4所示。

表4 某項目裝配式建筑施工安全績效指標評分及安全績效評價測算Table 4 Safety performance index score and safety performance evaluation calculation of prefabricated building construction in the project

結合上文利用ANP網絡和判斷矩陣求得的安全績效評價指標權重，求出各指標的灰類隸屬度，依據最大隸屬度原則，計算出該項目的安全績效位于“良好”灰類等級。

3.3 評價結果分析

綜合上述結果，在隸屬度最大原則下項目各類安全績效指標評價結果，如表5所示。該項目施工安全績效整總體評價結果為良好，各類指標整體優良率61%。具體到各類安全績效2級指標的評價中，人員因素績效水平較低。這與我國建筑行業發展水平較低有關，施工人員流動性較大，企業不愿意投入大量的時間與資金組織培訓；一線施工人員受教育水平較低，安全意識薄弱和安全知識儲備不足是導致施工人員總體安全素質水平不高的重要原因。

由表5可知，C3(人員安全知識水平)僅僅處于及格等級。依據軌跡交叉理論，人的主觀性有時會導致施工現場不安全狀態和不安全動作的產生進而釀成事故，C3人員安全知識水平作為人員因素中的關鍵因素，是減少對裝配式建筑施工項目安全狀態產生人為影響的重要保證。在裝配式建筑施工過程中針對預制砼構件會使用到專業的復雜施工機械設備，如塔式起重機、龍門架等，這些機械設備的使用需要施工人員具有過硬的專業知識和技術水平。

表5 項目各類安全績效綜合評價結果Table 5 Comprehensive evaluation results of various safety performance of the project

同時，高專業知識水平可以使人員安全意識得到提升，減少不安全行為的發生，從而提高施工人員總體素質和項目安全生產水平。該建筑單位施工人員的安全意識水平亟待采取有效方法進行提升，企業應該在施工項目中展開具有針對性的安全教育培訓，將常規安全教育與針對不同層次的施工人員的專項安全培訓有機結合。不斷采取新方法、新技術應用到安全教育培訓中，使施工人員的安全知識水平在教育培訓的影響中得到提升。

值得關注的是，盡管評價結果顯示F1(BIM信息豐富度)和F3(BIM信息可靠性)指標評分較低，但由于BIM信息因素整體權重水平同樣較低，因此對項目整體的安全績效影響甚微。這是因為我國建筑項目BIM信息技術雖然應用廣泛，如碰撞檢測、場地模擬，施工模擬等方面，但是缺乏1套系統的BIM信息技術安全管理方案，而且BIM信息技術應用能力參差不齊，導致BIM信息因素在裝配式建筑施工安全績效中效果大打折扣。所以為了實現BIM信息技術集成、優化[15]，建筑行業需要進一步推動BIM等信息化技術在裝配式建筑施工安全管理領域的應用框架開發與理論研究，使得BIM信息發揮催化劑的功效與作用，真正地在裝配式建筑施工安全管理中實現價值。

4 結論

1)提出三度空間視角下的裝配式建筑施工安全績效評價體系。以國家相關法律法規、政策文件為基礎，融合信息化背景，從物理、社會、信息3個層面構建設備及材料因素、環境因素、人員因素、工藝技術因素、管理因素和BIM信息因素6個方面，23個評價指標的評價模型。

2)考慮在裝配式建筑施工安全績效評價指標之間相互影響、相互反饋的問題，提出利用ANP和GCM相結合的評價方法，有效地處理績效評價過程中的模糊性與灰色性2方面影響。

3)通過實際裝配式建筑工程項目的安全績效評價案例，提出針對性的績效提升方法，符合裝配式建筑的安全管理實際需求，指出三度空間視角下的裝配式建筑施工安全績效評價體系具有較強的拓展性，并提出信息化技術(如BIM等)的應用在裝配式建筑項目中發揮的作用仍然有限，其價值與潛力仍需在后續的研究中繼續充分挖掘。