基于FTA-SPA-灰色聚類的裝配式建筑施工安全測評

王志強，張樵民，王國強，李　健，崔金海

(1.青島理工大學(xué)管理學(xué)院，山東 青島 266520；2.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟南 211100)

裝配式建筑是由預(yù)制構(gòu)件通過可靠的連接方式裝配而成的結(jié)構(gòu)，包括了預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等形式。發(fā)展裝配式建筑有利于提高生產(chǎn)效率、改善施工安全和工程質(zhì)量，能極大地改變傳統(tǒng)粗放建造模式下破壞環(huán)境、浪費資源、頻發(fā)事故等現(xiàn)象，可謂是“一勞多得”。裝配式建筑符合綠色建筑與節(jié)能建筑的要求，既是兩者的結(jié)合升級，又是建設(shè)領(lǐng)域響應(yīng)國家“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”、化解產(chǎn)能過剩的重要舉措，還是培育新型產(chǎn)業(yè)、加快我國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)模式轉(zhuǎn)變的重要途徑，已得到國家和地方政府的重視和大力支持。2016年9月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》中指出：“力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%”。 2016年10月，青島市在印發(fā)的《關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的意見》中指出：“到2020年，裝配式建筑占新建建筑的比例要達到30%”。裝配式建筑在我國的迅猛發(fā)展，必將掀起一場建筑領(lǐng)域的重大變革。

近年來在建筑領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者[1-4]運用層次分析法(AHP)、模糊層次分析(FAHP)與模糊理論相結(jié)合的方法，對以現(xiàn)澆混凝土為代表的傳統(tǒng)大型建筑工程的施工安全評價方法進行了研究，目前已趨于成熟。裝配式建筑雖然在政府的大力支持下得到了迅猛發(fā)展，但是由于裝配式建筑在構(gòu)件生產(chǎn)、物流運輸、現(xiàn)場施工等方面與傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式存在著顯著差異，使得應(yīng)用于傳統(tǒng)施工模式的評價模型不再適用于裝配式建筑。國外裝配式建筑起源較早，發(fā)展與應(yīng)用已相對趨于成熟，對其研究的內(nèi)容主要集中在材料節(jié)能減排[5]、構(gòu)件應(yīng)力分析[6]等方面。但由于裝配式建筑現(xiàn)場施工中安全事故頻發(fā)，施工風(fēng)險之間經(jīng)常發(fā)生耦合，一定程度上阻礙了裝配式建筑在我國的發(fā)展。嚴(yán)小麗等[7]研究認(rèn)為人的不安全行為是導(dǎo)致事故發(fā)生的首要因素，并基于人因視角對建設(shè)項目施工安全的風(fēng)險耦合機理進行了研究；李穎等[8]嘗試將事故樹分析法(FTA)應(yīng)用于解決裝配式建筑施工安全問題中，但因為缺少概率數(shù)值而只能進行定性分析；楊爽[9]從事故致因理論、危險源辨識理論分析出發(fā)，構(gòu)建了基于屬性數(shù)學(xué)的裝配式建筑施工安全評價模型，但在應(yīng)用理論對指標(biāo)體系進行約簡得到的結(jié)果可能不唯一，對評價結(jié)果的準(zhǔn)確度有一定的影響；湯彥寧[10]從企業(yè)的立場將系統(tǒng)動力學(xué)理論應(yīng)用于裝配式結(jié)構(gòu)住宅施工階段的安全風(fēng)險狀況評價中，但由于對各變量之間的數(shù)量關(guān)系只是做了簡單的評估工作，難以具有說服力；付杰等[11]運用灰色理論的評價方法構(gòu)建了裝配式建筑工程安全狀態(tài)測評模型，但評價指標(biāo)選取跨度過大。

綜上所述，我國現(xiàn)階段對現(xiàn)澆混凝土建筑的施工安全控制研究較多，對裝配式建筑現(xiàn)場施工安全研究雖有涉及，但由于評價指標(biāo)體系不適合或者模型的缺陷而難于對裝配式建筑現(xiàn)場施工安全進行有效的評價。因此，探索一套指標(biāo)相對健全、方法便捷的裝配式建筑施工安全評價模型則成為本文研究的目標(biāo)。為此，本文擬以裝配式建筑現(xiàn)場施工安全為主題，首先從安全事故致因理論出發(fā)，結(jié)合事故樹分析方法(FTA)，探尋影響裝配式建筑施工安全的危險因子，并建立評價指標(biāo)體系；然后運用集對理論(SPA)和灰色聚類分析方法，對裝配式建筑施工安全進行整體評價，并從指標(biāo)中篩選出對施工安全影響較大的危險因子作為控制對象；最后，以青島市黃島區(qū)萬達小學(xué)為例，證明此種方法的可行性，并對影響裝配式建筑施工安全的重要因素提出針對性的風(fēng)險控制措施，以期為施工方的安全管理提供思路與借鑒。

1　裝配式建筑施工安全的影響因素分析

裝配式建筑施工流程大致可以分為四個部分：構(gòu)件生產(chǎn)、構(gòu)件運輸、現(xiàn)場吊裝、構(gòu)件安裝。與一般的住宅建筑相比，裝配式建筑高空作業(yè)多、吊裝作業(yè)量大、機械化程度高，對施工安全的影響因素難以把握，因而導(dǎo)致施工安全隱患較多。文敏等[12]通過項目的實地調(diào)查,將預(yù)制裝配式住宅樓施工過程中的安全風(fēng)險主要分為高空臨邊作業(yè)風(fēng)險、構(gòu)件吊裝及安裝風(fēng)險、觸電風(fēng)險、高空墜落風(fēng)險、構(gòu)件裝運卸載風(fēng)險五類，見圖1。由圖1可見，裝配式建筑的施工安全風(fēng)險主要發(fā)生在構(gòu)件吊裝及安裝過程中。

圖1　裝配式建筑施工安全事故類別統(tǒng)計圖Fig.1　　　　Category of safety accidents of prefabricated building construction

此外，在大量閱讀與裝配式建筑施工安全相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，本文對我國2015—2016年房屋市政工程生產(chǎn)安全事故類型進行了統(tǒng)計(見圖2)，從中遴選出了發(fā)生概率較大的4類安全事故，分別為高處墜落事故、物體打擊事故、起重傷害事故、坍塌事故；同時，考慮到裝配式建筑構(gòu)件安裝對機械化、電氣化程度的要求較高，故將“機械傷害”事故也列入其內(nèi)。

圖2　　　　我國2015—2016年房屋市政工程生產(chǎn)安全事故 類型統(tǒng)計圖Fig.2　　　　Statistics of China’s safety accident types in muni- cipal engineering production in 2015—2016

2　裝配式建筑施工安全測評與控制理論分析

2. 1　事故樹分析法

事故樹分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)，又稱故障樹分析，是美國貝爾實驗室的Watson等提出和發(fā)展起來的一門定量與定性分析相結(jié)合的方法[13]。FTA法因其科學(xué)的分析和便捷的計算而被我國廣泛應(yīng)用于礦山、船舶、城市交通等復(fù)雜系統(tǒng)工程的安全問題分析。由于裝配式建筑在我國剛剛發(fā)展起來，缺少大量的實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此運用規(guī)范完整的FTA法對裝配式建筑施工風(fēng)險進行分析在短時間內(nèi)難以實施。但是，F(xiàn)TA法在定性分析中，既可以對已發(fā)生的事故進行追溯，探究事故發(fā)生的原因，也可以對即將展開的工程進行危險因素分析預(yù)測，為制定專項安全施工方案和安全技術(shù)措施提供重要的參考依據(jù)，以防范事故的發(fā)生。

2. 2　集對分析法

集對分析(Set Pair Analysis，SPA)，是用聯(lián)系度將問題的不確定性轉(zhuǎn)換成具體的數(shù)學(xué)問題，統(tǒng)一處理模糊性、隨機性等問題的系統(tǒng)理論和方法[14]。與模糊理論、數(shù)理統(tǒng)計等方法相比，集對分析法在處理不確定因素問題上因其清晰地反映了研究對象集對之間的同異反聯(lián)系，而廣泛應(yīng)用于城市生態(tài)、經(jīng)濟的評價中，若將其應(yīng)用于裝配式建筑施工安全評價中，則可大大減少專家的主觀隨意性。集對分析的聯(lián)系度可表示為

μ=a+bi+cj

(1)

式中：μ表示聯(lián)系度；a表示同一度,b表示差異度,c表示對立度,且a、b、c∈[0,1]，滿足歸一性a+b+c=1；i表示不確定性系數(shù)，且i∈[-1,1];i的取值影響(制約于)a、b、c的取值，是事件問題中的核心問題[14];j表示對立系數(shù)，恒取值-1，以表示a、c的對立性[15]。

2. 3　灰色聚類分析

灰色聚類分析理論來自于灰色系統(tǒng)理論[16]，而中心點三角白化權(quán)函數(shù)是在端點三角白化權(quán)函數(shù)基礎(chǔ)上改進而來的[17]，它以某灰類程度最大的點為該灰類的中心點，輔以左延拓值和右延拓值來測度白化權(quán)函數(shù)，不存在兩個灰類交叉的現(xiàn)象。根據(jù)灰類劃分最大原則可評價裝配式建筑施工的安全狀態(tài)，并可通過危險因子識別與分析，對危險因子風(fēng)險系數(shù)進行排序，進而提出相應(yīng)的安全防范措施。

3　基于FTA-SPA-灰色聚類分析的裝配式建筑施工安全評價模型的建立

3. 1　事故樹分析(FTA)過程

本文運用FTA法，建立了裝配式建筑施工安全的事故樹，詳見圖3。

圖3　裝配式建筑施工安全的事故樹Fig.3　Fault Tree of safety accidents in prefabricated building construction注：X1—作業(yè)人員技術(shù)水平及安全意識;X2—施工組織設(shè)計與管理人員安排;X3—安全施工方案;X4—現(xiàn)場安全文明施工;X5—吊裝現(xiàn)場安全防護與檢查;X6—吊裝現(xiàn)場自然環(huán)境;X7—安裝現(xiàn)場氣候狀況;X8—安裝現(xiàn)場防護與檢查;X9—施工機具設(shè)備及附屬用品選用;X10—吊點的確定;X11—承載力校驗;X12—構(gòu)件臨時固定、支撐;X13—起重機具選用;X14—起重機具安裝與試吊;X15—塔吊頂升與附著;X16—塔吊交叉干擾碰撞;X17—構(gòu)件精度與強度;X18—構(gòu)件定位與復(fù)核;X19—構(gòu)件節(jié)點連接強度

3. 2　集對分析(SPA)過程

3.2.1建立裝配式建筑施工安全評價指標(biāo)體系

裝配式建筑的PC構(gòu)件多在構(gòu)件廠提前完成，在施工工序上做了重大調(diào)整，因此在準(zhǔn)則層的確定上主要參照了施工流程，即施工準(zhǔn)備、吊裝作業(yè)、構(gòu)件安裝。而指標(biāo)層則是參照了傳統(tǒng)建筑施工安全影響因素“4M1E”，同時結(jié)合裝配式建筑施工的特點，最終將事故樹中的基本事件劃分為19個指標(biāo)層。人員因素貫穿于裝配式建筑現(xiàn)場施工的始終，是施工安全控制的主要目標(biāo)，而“作業(yè)人員技術(shù)水平及安全意識”是“吊裝作業(yè)”和“構(gòu)件安裝”過程中重要的影響因素，因此將這一指標(biāo)放在準(zhǔn)則層“施工準(zhǔn)備”中可避免重復(fù)計算?；臼录c目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1　基本事件與評價指標(biāo)體系的對應(yīng)關(guān)系Table 1　　　　Relationship between the basic events and the evaluation index system

3.2.2構(gòu)造比較矩陣

(2)

3.2.3確定聯(lián)系度矩陣

對評價對象進行評價時，考慮到專家組的意見存在截然相反的可能性不大，在不考慮集合“對立性聯(lián)系”的情況下，可采用μ=a+bi的同異模型。當(dāng)然，意見相左的情況也可能存在，此時需要對專家評價矩陣進行一致度檢驗[18]，若結(jié)果具有很高的一致度，則可以認(rèn)為不存在截然相反的意見；否則就需要邀請專家對指標(biāo)重新進行比較[19]。利用聯(lián)系度的矩陣形式建立描述指標(biāo)相對重要性的聯(lián)系度模型，即：

μij=Aij+Biji

(3)

其中：

式中：Aij表示同一性矩陣;Bij表示差異性矩陣;r=1,2,…,R;i,j=1,2,…,n。

3.2.4同異反聯(lián)系矩陣一致化

使用相容矩陣法對同異反聯(lián)系矩陣μ進行一致性處理，得到相容矩陣D=(dij)n×n，其中：

(4)

且dii=1,dij=1/dji,dij=dikdkj

3.2.5計算指標(biāo)權(quán)重wi

采用下式計算指標(biāo)權(quán)重wi:

(5)

3. 3　灰色聚類分析過程

3.3.1劃分灰類

灰類劃分的詳細(xì)程度可由評價指標(biāo)的復(fù)雜程度來決定。假設(shè)要將評估對象劃分為s個灰類，據(jù)此將二級指標(biāo)的取值范圍也相應(yīng)地劃分為s個灰類。根據(jù)需要，這里將裝配式建筑現(xiàn)場施工安全劃分為極不安全、不安全、安全、非常安全4個灰類，相應(yīng)的量化值采取十分制，詳見表1。

表2　灰類劃分與取值范圍Table 2　　　　Classification of grey categories and range of values

3.3.2計算指標(biāo)的中心點三角白化權(quán)函數(shù)

圖4　基于中心點的三角白化權(quán)函數(shù)示意圖Fig.4　　　　Schematic diagram of triangle whiten weight function based on the center point

(6)

(7)

(8)

3.3.3計算綜合聚類系數(shù)

(9)

式中：ηj為指標(biāo)層j指標(biāo)的權(quán)重。

3.3.4計算綜合評價系數(shù)

裝配式建筑施工安全綜合評價系數(shù)τk的計算公式為

(10)

式中：ηj為準(zhǔn)則層j指標(biāo)的權(quán)重。

3.3.5危險因子識別

(11)

3.3.6應(yīng)對措施

根據(jù)危險因子系數(shù)的大小，將對應(yīng)的危險因子進行排序，從事故樹中找出其可能引起的相應(yīng)安全事故，并有針對性地提出應(yīng)對措施，以防范安全事故的發(fā)生。

3. 4　裝配式建筑施工安全評價流程

綜上分析可見，將事故樹分析法(FTA)與集對分析法(SPA)相結(jié)合，一方面彌補了事故樹方法由于發(fā)生概率缺失而無法準(zhǔn)確確定各基本事件影響度的缺陷，保證指標(biāo)的系統(tǒng)性，另一方面用集對分析法(SPA)確定指標(biāo)權(quán)重，大大減少了專家的主觀意見差異性，提高了結(jié)果的精確性。因此，本文建立了基于FTA-SPA-灰色聚類分析的裝配式建筑措施施工安全評價流程，詳見圖5。

圖5　裝配式建筑措施施工安全評價流程Fig.5　　　　Flow chart of safety evaluation of prefabricated building construction

4　基于FTA-SPA-灰色聚類分析的裝配式建筑施工安全測評與控制模型的實例應(yīng)用

4. 1　實例概況

青島萬達游艇產(chǎn)業(yè)園48班小學(xué)位于青島市黃島經(jīng)濟開發(fā)區(qū)西海岸最東端， 是青島市第一個裝配式公共建筑，該建筑項目包括綜合教學(xué)樓和體育館，以連廊連接，其中綜合教學(xué)樓面積為20 084.61 m2，體育館地上面積為5 328.1 m2，地下面積為2 063.7 m2,總面積為27 863.62 m2,小學(xué)用地面積為36 721.50 m2，總工期為300 d。該裝配式建筑教學(xué)樓主次梁、樓板、梯板均采用預(yù)制構(gòu)件，總體預(yù)制率為34%、裝配率為43%。

4. 2　基于FTA法構(gòu)建評價指標(biāo)體系

根據(jù)表1構(gòu)建青島市萬達小學(xué)裝配式建筑施工安全評價指標(biāo)體系。

4. 3　基于SPA法確定指標(biāo)權(quán)重

最終可得到比較矩陣集M為

M=(M(1),M(2),M(3),M(4),M(5))

由公式(3),可分別得到同一性矩陣Aij和差異性矩陣Bij:

考慮到專家的認(rèn)識差異性較小，可以取i為0.5[20]，則同異反聯(lián)系矩陣μ′為

對同異反聯(lián)系矩陣μ′進行一致化后，得到的相容矩陣D(dij)5×5為

D(dij)5×5=

由公式(5)，可計算得到準(zhǔn)則層A1的權(quán)重集w1為

w1=(w11,w12,w13,w14,w15)T=(0.180 7,0.284 1,0.217 1,0.156 0,0.162 1)T

同樣，可求得準(zhǔn)則層A2、A3的權(quán)重集w2、w3以及目標(biāo)層A的權(quán)重集w如下：

w2=(w21,w22,w23,w24,w25,w26,w27)T=(0.118 2,0.131 2,0.157 3,0.129 7,0.125 4,0.136 2,0.105 6,0.096 4)T

w3=(w31,w32,w33,w34,w35,w36)T=(0.170 7,0.171 3,0.167 1,0.166 2,0.152 3,0.172 1)T

w=(w1,w2,w3)T=(0.361 3,0.304 1,0.334 6)T

4. 4　灰色聚類分析

本次邀請上述5位相關(guān)專家采用十分制對準(zhǔn)則層指標(biāo)進行評分，取5位專家的平均數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，計算白化權(quán)函數(shù)值，其計算結(jié)果見表3。

表3　萬達小學(xué)裝配式建筑項目灰色聚類測評表Table 3　　　　Grey clustering evaluation form of the prefabricated building project of Wanda elementary school

注：“○”表示無數(shù)據(jù)。

由公式(9)，可求出A1、A2、A3的白化權(quán)函數(shù)值，并得到綜合聚類系數(shù)集為

σ=(σ1,σ2,σ3,σ4)T

由公式(10)，可求出萬達小學(xué)裝配式建筑施工安全綜合評價系數(shù)集τ為

τ=(τ1,τ2,τ3,τ4)=(0.049 7,0.348 3,0.459 3,0.044 5)

根據(jù)灰類劃分最大原則，萬達小學(xué)裝配式建筑工程項目施工安全評價的結(jié)果屬于”安全”灰類。

4. 5　危險因子識別

根據(jù)公式(11)，將計算得到的指標(biāo)危險因子系數(shù)按從大到小進行排列，見表4。

表4　指標(biāo)危險因子系數(shù)表Table 4　Risk factor coefficients of the indicators

4. 6　安全防范措施

由表4可見，作業(yè)人員技術(shù)水平及安全意識、吊點的確定、構(gòu)件節(jié)點連接強度在相應(yīng)的準(zhǔn)則層中的危險因子系數(shù)最大，對于準(zhǔn)則層的安全影響最大，因此今后要做好以下三個方面的安全防范工作。

(1) 提高作業(yè)人員技術(shù)水平及安全意識。人是所有安全活動的中心，并且工人的整體水平?jīng)Q定了我國建筑工業(yè)化的水平。目前，我國裝配式建筑的施工還是沿用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆模式進行，大多數(shù)項目還處于邊摸索邊施工的境遇，一定程度上阻滯了我國裝配式建筑的發(fā)展，因此加強企業(yè)內(nèi)部工人相關(guān)技術(shù)技能、安全培訓(xùn)教育已刻不容緩。目前裝配式建筑采用了更多的”四新”技術(shù)，將這些新型技術(shù)納入特殊工種范疇，也不失為一種方法。除此之外，還要加強安全監(jiān)督，嚴(yán)格執(zhí)行持證上崗制度，加強操作技術(shù)培訓(xùn)，重視安全技術(shù)交底，通過多種措施提高施工人員的安全意識和技術(shù)水平。

(2) 創(chuàng)新吊裝工藝。吊點的確定與吊具密不可分。為了保證吊裝的安全，吊裝的數(shù)量和位置應(yīng)經(jīng)計算確定，且應(yīng)保證吊具的連接可靠。對于一般預(yù)制梁、板多采用HPB235級及以上鋼筋制作的吊環(huán)，但對于一些大噸位的預(yù)制外墻、樓梯，如果采用傳統(tǒng)的吊運建筑材料的方式起吊，則可能會導(dǎo)致吊點破壞、構(gòu)件斷裂，造成重大安全生產(chǎn)事故。大型構(gòu)件、薄壁構(gòu)件或者不規(guī)則構(gòu)件吊裝時，使用分配梁或分配桁架類吊具，則降低了構(gòu)件變形和損傷的概率[21]，專用吊架、新型接駁器、磁性固定裝置、夾具的研發(fā)與創(chuàng)新也都大大提高了其安全系數(shù)。因此，吊裝工藝的不斷創(chuàng)新是裝配式建筑施工安全保障的重要舉措。

(3) 深化節(jié)點設(shè)計。預(yù)制構(gòu)件的節(jié)點連接部分關(guān)系到裝配式建筑的整體安全。節(jié)點連接主要包含兩個層面：①預(yù)埋鋼筋套筒連接；②后澆混凝土連接。在后澆混凝土連接施工前，必須要確保鋼筋連接強度并保持節(jié)點的清潔，而在其施工時，還要確?；炷粱旌狭系馁|(zhì)量及密實度。

綜上可見，建筑企業(yè)要以大中專院校為依托，走一條產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的道路，大力推廣BIM、RFID(射頻識別)、大數(shù)據(jù)、智能化等技術(shù)在施工安全中的應(yīng)用，通過BIM技術(shù)進行施工模擬和碰撞，提前發(fā)現(xiàn)并消除安裝工作中的安全隱患，同時還要通過施工技術(shù)與信息化技術(shù)的交互融合，實現(xiàn)施工方案的深化與施工技術(shù)的規(guī)范化。

5　結(jié)論與建議

(1) 基于FTA-SPA-灰色聚類分析建立了裝配式建筑施工安全測評模型，通過在青島萬達小學(xué)的實例應(yīng)用，驗證了該模型的可行性。

(2) 結(jié)合同異反聯(lián)系矩陣，將所求集對勢數(shù)值與集對勢表相比較分析，可預(yù)測項目的安全發(fā)展態(tài)勢，這也將是未來的研究方向。

(3) 通過對危險因子系數(shù)的計算與分析，結(jié)果表明作業(yè)人員技術(shù)水平及安全意識是裝配式建筑施工安全的主要影響因素，同時也是裝配式建筑行業(yè)亟待解決的問題，具有現(xiàn)實意義。

(4) 本文在構(gòu)造判斷矩陣和對指標(biāo)進行專家打分時，主要依據(jù)專家的理論知識和實踐經(jīng)驗，其數(shù)值在一定程度上會受到主觀影響，這將是今后的研究方向。

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