基于集對分析的裝配式建筑施工風險評價研究

摘要：為實現裝配式建筑施工安全風險的動態分析與科學管理，提升項目施工安全整體水平，通過收集和歸納文獻，構建施工人員、機械與物料、安全管理、環境因素4個方面12個二級指標的裝配式建筑施工安全風險評價指標體系，運用區間層次分析法和五元聯系數分析專家評分結果，計算各指標權重，運用各階偏聯系數分析指標體系的集對勢，并基于集對分析構建符合評價指標體系的同異反評價模型。以昆明市第十八幼兒園裝配式建筑為例進行驗證，結果表明，該項目施工風險總體處于反勢133級，屬于高風險水平，與實際調研情況一致，證明所構建的裝配式建筑施工風險評價模型可靠，可為相關施工單位的施工決策提供理論依據。

關鍵詞：裝配式建筑；施工安全；區間層次分析法；集對分析；風險評價

0引言

隨著我國邁入經濟發展新階段，城鄉一體化、城鎮化進程獲得進一步推進，裝配式建筑的優勢日益凸顯，在全國范圍內受到廣泛關注。早在2016年，國務院辦公廳就裝配式建筑發展問題給予了指導意見[1]，各地政府和企業持續推進裝配式建筑發展。2020年，我國新建裝配式建筑項目達6.3億m2[2]。不同于傳統建筑模式，裝配式建筑通過機械化手段將已加工的構件進行搭建[3]，以現場裝配為主，至今仍處于發展的起步階段。裝配式建筑在整個構件生產、運輸、吊裝和安裝過程中存在較高的安全隱患，對其施工安全管理提出了新的要求。

當前，裝配式建筑施工安全相關研究取得了一定成果。如Aminbakhsh等[4]利用層次分析法并借用專家評分法確定了建筑施工項目最重要及最不重要的安全風險因素。已有研究多應用層次分析法和其他評價方法確定風險評價指標權重[5-7]，存在一定的局限性。

本研究通過資料收集和文獻檢索，發現集對分析（Set Pair Analysis，SPA）[8]方法能夠較好地解決不確定性、偶然性和動態性問題，在裝配式建筑施工風險管理方面能發揮重要作用。基于此，將集對分析方法引入裝配式建筑施工風險評價研究，試圖構建裝配式建筑施工風險評價模型，為相關施工單位的施工決策提供理論依據。

1理論與模型分析

1.1集對分析

集對分析是結合定性和定量方法處理不確定性問題的一種新型思維模式。集對分析通過分析研究主體的對立、同一及差異，基于事物之間的關聯度來解決相關問題，并且推導研究對象的演化規律[9]。為了直觀表示三者之間的關系，本研究以數學公式μ=a+bi+cj描述三者的變化趨勢，其中，a表示同一度，其系數為1；b表示差異度，其系數為i；c表示對立度，其系數為j。

1.2五元聯系數模型分析

1.2.1五元聯系數

一般來說，集對分析用來解決事物的對立、同一和差異性問題，其往往包含三個研究變量，用于解決三元問題的分析方法稱為三元聯系法。隨著研究對象的不斷演化，其差異度會出現多種情況，數值也會發生相應的變化。此時，bi將會衍生出多種可能性，即b1i1，b2i2，…，bmim，因此，可以獲得多元聯系數μ，公式如下

μ=a+b1i1+b2i2+…+bmim+cj（1）

通常，我們研究的問題基于三個變量，即當m=3時，式（1）演變成五元聯系數，公式如下

μ=a+b1i1+b2i2+b3i3+cj（2）

換成一般函數形式，五元聯系數公式如下

μ=a+bi+cj+dk+el（3）

式中，a，b，c，d，e的取值范圍為［0，1］；系數i和k取值范圍分別為［0，1］和［-1，0］；j在i和k之間，是中性標記；l＝-1。式中的聯系度關系為：a正于b，b正于c，c正于d，d正于e[10]，分別表示裝配式建筑施工安全風險從“低”到“高”的５個等級[11]。

1.2.2偏聯系數

偏聯系數反映不同聯系數間的規律，體現同勢、異勢和反勢之間的轉化規律[12]。按照各個偏聯系數的作用，其分為偏正、偏負和全偏三種聯系數。其中，偏正聯系數是正向趨勢，其數值體現事件往正向發展的趨勢；反之，偏負聯系數是負向趨勢；全偏聯系數是雙向趨勢[13]。以五元聯系數μ=a+bi+cj+dk+el為例，各階偏聯系數見表1。

當i±gt;0時，說明事件整體發展呈正向趨勢，風險則呈降低趨勢；當i±＜0時，說明事件整體發展呈負向趨勢，風險則呈升高趨勢；當i±=0時，說明事件發展處于正負臨界狀態，發展方向不穩定。

對于各不確定取值的示性系數i、j、k，楊紅梅等[14]提出可按均勻分布取各系數子區間的中間值，獲得各示性系數取值，代入各階偏聯系數，對各階微觀層中風險系統的演化趨勢進行分析，得到各系數具體取值：i+=0.83，i-=0.5，j+=29，j-=-19；k+=-0.4175，k-=-0.715；l=-1。

1.2.3集對勢

集對勢用來顯示集對分析中隨機兩個集合處于特定問題背景下的聯系趨勢，用a/e=shi（μ）表示。通常，通過比較shi（μ）與1的大小，可以揭示風險的高低。“大于1”，即同勢、低風險；“等于1”，即均勢、可控風險；“小于1”，即反勢、高危風險。[15]。

1.3風險態勢分析

通過計算五元聯系度分量a，b，c，d，e，形成參照值，比較參照標準構建集對勢分析等級，據此分析評價指標體系的預測性。通過分析結果，能夠及時做出施工防護決策，避免或降低施工風險的發生概率。

2構建裝配式建筑施工風險評價模型

首先，通過中國知網收集已有文獻的風險因素，識別并構建裝配式建筑施工風險評價指標體系（表２）；其次，比較行業標準，劃分風險等級；再次，通過專家評分計算三元聯系數，確定各級風險指標權重；最后，通過裝配式建筑的集對勢分析其風險因素。具體步驟如下。

2.1建立施工風險評價指標體系

2.2風險等級劃分

本文主要參照2013年《建筑施工安全技術統一規范》（GB 50870—2013）及其他行業規范，通過咨詢有經驗的建筑管理人員并結合相關知識，將裝配式建筑施工風險等級劃分為低微風險、較低風險（二者為可控風險）、中等風險（關注風險），以及較高風險、高危風險（二者須采取管理措施）5個風險等級。項目投資決策風險等級見表3。

2.3確定各級風險指標權重

2.3.1區間權重確定

2.3.1.11～9比例標度法

采用原有的層次分析法無法解決裝配式建筑施工風險的復雜性問題，因此，本文采用區間層次分析法（IAHP）確定各風險指標的權重，該方法能更直觀反映打分專家的真實性，結果更可靠。該方法主要采用風險評價區間，專家對風險評價指標進行兩兩評分，記為［akij，bkij］。其中，k代表專家序號，akij和bkij為指標間相對重要性的下限值和上限值。

2.3.1.2確定專家權重

本研究邀請的專家來自不同行業、不同單位、不同領域，對于同一學術問題存在不同的學術見解。專家權重評價體系見表４。

本研究統一采用真實可靠的專家分指標歸一化權重進行分析，m名專家評分的權重指標矩陣如下

γi=（γ1，γ2，…，γm），i∈［1，m］（4）

2.3.1.3計算判斷矩陣

綜合計算評分區間權重，獲得一級指標權重區間矩陣，即

aij=∑mk=1γkakij，bij=∑mk=1γkbkij（5）

同時，構建裝配式建筑施工風險的不確定區間數判斷矩陣N，即

N=［akij，bkij］

=［1，1］［ak12，bk12］［ak13，bk13］…［ak1n，bk1n］

［1ak12，1bk12］［1，1］［ak23，bk23］…［ak2n，bk2n］

［1ak13，1bk13］［1ak23，1bk23］［1，1］…［ak3n，bk3n］

［1ak1n，1bk1n］［1ak2n，1bk2n］［1ak3n，1bk3n］…［1，1］

（6）

隨后，運用矩陣N的計算結果，進一步計算判斷矩陣Ｔ和權重向量ωj，公式如下

T=（tij）n×n=（∏nk=1aikbikajkbjk）12n（7）

ωj=（∏nk=1ajkbjk）12n∑nj=1（∏nk=1aikbik）12n（8）

2.3.1.4修正權重

獲得不確定區間數判斷矩陣N和一致性判斷矩陣Ｔ后，發現二者存在一定的數值偏差，需對指標權重進行進一步修正，令

Δ1tij=tij-aij，Δ2tij=bij-tij（9）

可得

Δkωj=（∑ni=1tij）-4∑ni=1（Δktij）2 （k=1， 2）（10）

通過上式將誤差傳遞后，得到修正后的權重區間ω：

ω=（［ω-1，ω+1］，［ω-2，ω+2］，…，［ω-n，ω+n］）（11）

式中，ω-j=ωj-Δ1ωj；ω+1=ωj+Δ2ωj；j∈［1，n］。

2.3.2計算精確權重值

引入參數變量ω-j∈［0，1］，同時，ω-j將區間劃分為［0，ω-j］、［ω-j，ω+j］、［ω+j，1］，將其兩兩組成集對區間進行分析，獲得公式如下

μ=aj+bji+cjj（12）

式中，aj、bj、cj分別為參數變量ω-j、ω+j-ω-j和1-ω+j，其意義分別是滿足指標權重區間、不滿足指標權重區間，以及不確定是否滿足指標權重區間。同時，需解決確定性區間和不確定性區間的相對權重。令pj=1+aj-cj∑nk=1（1+ak-ck）為確定性區間的相對權重，qj=1-bj∑nk=1（1-bk）為不確定性區間的相對權重，計算指標的精確權重值，公式如下

ω*j=pjqj∑nk=1pkqk （j=1， 2， …， n）（13）

2.4構建同異反風險評價模型

逐一分析裝配式建筑施工風險評價指標的五元聯系數a、b、c、d、e，按照風險標準進行劃分，構建風險集A=（A1，A2，A3，A4，A5），并組織K名專家針對風險指標進行重要性評分，公式如下

Rij=KijK（14）

式中，Kij為將風險指標i定為重要等級j的專家數；K為總專家數。由此得到風險評價矩陣R，將矩陣R、精確權重值ω*及五元聯系數聯系在一起，形成五元聯系數同異反風險評價模型，即

μ=a+bi+cj+dk+el（15）

式中，μ為模型綜合聯系數；E=（1，i，j，k，l）為風險系數矩陣；a、e為確定項風險指標；b、c、d為不確定項風險指標。由相關理論分析模型可知，a、b、c、d、e分別為同一性分量、差異性偏同分量、差異性居中分量、差異性偏反分量及對立分量。

3案例分析

本文以云南省昆明市第十八幼兒園建設項目為例進行驗證。該項目位于昆明市西山區，是云南省首個高裝配率學校項目，也是昆明市重點排危重建學校項目之一，占地面積3 107.29ｍ2，教學用地建筑面積1 890ｍ2。學校建筑項目底面積為1 189.10ｍ2，綠化帶率為19.57%，建筑類型為裝配式建筑群，項目總投資額為2 427.19萬元。根據該項目具體情況及結合文獻的相關規定，建立裝配式建筑施工風險評價指標體系（表2）。

3.1確定風險評價指標權重

以一級指標“機械與物料風險u2”為例進行計算，步驟如下。

3.1.1確定專家權重

本研究邀請5名專家（專家A：建筑施工單位，多次參與裝配式建筑施工作業，本科學歷；專家B：建筑施工總承包單位，4年以上施工經驗，大專學歷；專家B、C：云南省設計院，高級工程師，6年以上風險評價經驗，研究生學歷；專家D：云南省建投公司，3年以上建筑行業從業經驗，本科學歷。）對構建的昆明市第十八幼兒園裝配式建筑施工風險評價指標體系進行打分，根據表4，最終得到每名專家的具體權重γ=（0.2，0.22，0.26，0.18，0.14）。

3.1.2構造區間數

5名專家分別對“機械與物料風險u2”所對應的二級指標“設備構件存在缺陷u21、設備構件的使用不恰當u22、設別構件維修與養護欠缺u23”進行打分，采用1～9比例標度法計算并構造區間數，即

A1=［1，1］［1/7，1/5］［1/4，1/3］

［5，7］［1，1］［4，5］

［3，4］［1/5，1/4］［1，1］

A2=［1，1］［4，5］［1/3，1/2］

［1/5，1/4］［1，1］［1/7，1/5］

［2，3］［5，7］［1，1］

A3=［1，1］［1/8，1/7］［2，3］

［7，8］［1，1］［6，7］

［1/3，1/2］［1/7，1/6］［1，1］

A4=［1，1］［1/8，1/7］［1/6，1/4］

［7，8］［1，1］［3，5］

［4，6］［1/5，1/3］［1，1］

A5=［1，1］［1/6，1/5］［1/7，1/6］

［5，6］［1，1］［1/4，1/3］

［6，7］［3，4］［1，1］

依據初始區間矩陣和專家權重，通過式（5）計算出不確定性區間判斷矩陣N，即

N=［1.000，1.000］［0.987，1.231］［0.693，1.025］

［4.824，5.815］［1.000，1.000］［2.966，3.811］

［2.687，3.650］［1.633，2.253］［1.000，1.000］

3.1.3計算判斷矩陣和權重向量

通過式（7）和式（8），計算一致性判斷矩陣T和其權重向量ωj，即

Tij=1.0000.3740.537

2.6761.0001.437

1.8630.6961.00，ωj=（0.181，0.483，0.336）

3.1.4一致性檢驗

利用一致性檢驗公式CR=CI/RI，CI=（λmax-n）/（n-1）計算并查表可知，判斷矩陣的一致性比率范圍為0lt;CR=0.000 5lt;0.1，通過一致性檢驗，證明本次專家評分是真實可靠的。

3.1.5確定指標權重區間

通過式（9）和式（10）計算目標層“裝配式建筑施工風險評價”對應的準則層u2的權重區間，即

ω2=（［0.106，0.298］，［0.222，0.898］，［0.162，0.611］）

3.1.6確定指標精確權重值

通過式（12）計算三元聯系度，即

μ1=0.106+0.193i+0.702j

μ2=0.222+0.676i+0.102j

μ3=0.162+0.448i+0.389j

通過式（13）計算待評價指標的確定性區間pj和不確定性區間qj的相對權重值，即

pj=［p1，p2，p3］=［0.176，0.488，0.337］

qj=［q1，q2，q3］=［0.480，0.192，0.328］

通過式（14），計算準則層u2對應的指標層的精確權重值ω*2=［0.292，0.325，0.383］。

同理，參照上述步驟，對其他評價指標進行風險區間評價。設ω*1、ω*3、ω*4分別表示“施工人員風險u1、安全管理風險u3和環境因素風險u4”的權重值，獲得目標層ω*和各準則層ω*i的精確權重值，即

ω*=［0.306，0.385，0.219，0.090］

ω*1=［0.199，0.541，0.259］， ω*3=［0.325，0.237，0.438］， ω*4=［0.604，0.240，0.156］

3.2構建同異反風險評價模型

通過邀請20名專家對昆明市第十八幼兒園裝配式建筑施工風險指標進行等級評價，結合數據軟件計算各階偏聯系系數值，比對風險態勢排序表[22]，得到多元聯系數及計算表，見表5。

3.3風險態勢及風險發展趨勢分析

通過觀察同異反風險評價模型，并結合發展態勢排序表，可知昆明市第十八幼兒園裝配式建筑施工風險評價總體風險態勢為反勢152級，shi（μ）=ae=0.16/0.23lt;1，屬于強反勢區，說明該裝配式建筑施工風險等級屬于高風險水平。分析項目總體施工風險的各階全偏聯系數，可以發現一階、二階及四階風險系統存在風險減小的趨勢，三階微觀層面存在風險增大趨勢，說明裝配式建筑施工總體風險較為穩定、可控，體現風險的同異反區間轉換特征[23]。

同時，在準則層中，“施工人員風險”處于反勢164級，“機械與物料風險”處于反勢163級，“安全管理風險”處于反勢133級，“環境因素風險”處于同勢25級。風險趨勢存在正負交替現象，需要關注風險中處于反勢且權重較大的指標層因素，如“施工人員專業經驗欠缺”“設備構件的使用不恰當”“預警及應急處理欠缺”。可通過集中培訓增強施工人員的專業經驗，培養其應急處理手段。在指標層中，存在5個“同勢”指標、2個“均勢”指標和5個“反勢”指標，應重視對“反勢”指標的預防，分析各階全偏聯系數，重點預防風險趨勢減小的指標，提高整體風險預防管理水平，保證安全施工。通過以上分析可知，該項目在施工方面處于高風險水平，整體風險可控，應注重施工人員的培訓、資源的優選、管理制度的完善，提供更加專業的知識技能，充分把控施工項目的整體進度節奏，降低因事故造成不可挽回損失的概率。

4結語

本研究將集對分析方法與五元聯系數理論相結合，應用到裝配式建筑施工風險管理中，通過計算各階全偏聯系數，構建五元聯系數同異反評估模型，以此分析風險發展趨勢，為施工管理者制定預防措施提供借鑒。結合區間權重的層次分析法與集對分析法確定主觀精確權重，獲得更加真實可靠的數據。案例分析說明，模型評價與實際施工安排結果一致，證明本研究構建的裝配式建筑施工風險評價模型可靠，可為相關施工單位提供有效的理論指導。參考文獻

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收稿日期：2024-01-11

作者簡介：

張亞釗（1985—），男，高級工程師，研究方向：工程管理。

陳自強（1983—），男，高級工程師，研究方向：工程管理。

韓嘉（1985—），男，高級工程師，研究方向：工程管理。

周磊（通信作者）（1999—），男，研究方向：裝配式建筑。