基于ISM和ANP的裝配式建筑施工進(jìn)度影響因素研究

高魁

(合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

建筑產(chǎn)業(yè)化是對(duì)建筑行業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)管理方式的全面升級(jí)。它運(yùn)用綠色發(fā)展的理念，提高建筑工程生產(chǎn)效率、效益和產(chǎn)品質(zhì)量，具有節(jié)約能源、資源、減少污染、施工速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)業(yè)化首先應(yīng)打好標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、機(jī)械化、集成化和一體化的基礎(chǔ)。而做好這些基礎(chǔ)的關(guān)鍵就是發(fā)展裝配式建筑。但是由于裝配式建筑生產(chǎn)的不連續(xù)性、信息碎片化、互操作性差與缺乏時(shí)時(shí)信息的可用性[1]，對(duì)裝配式建筑的進(jìn)度管理困難。黨的十八大以來(lái)，國(guó)家為推動(dòng)裝配式建筑的全面發(fā)展做出了巨大努力。因此，裝配式建筑在市場(chǎng)份額中的比例會(huì)加大，有必要對(duì)影響裝配式建筑施工進(jìn)度的影響因素深入研究。

國(guó)外學(xué)者主要從優(yōu)化生產(chǎn)流程、減少制約因素、應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)等方面改善進(jìn)度管理。例如：Arashpoura[2]等將時(shí)間和成本納入到培訓(xùn)工人具有多項(xiàng)技能的資源規(guī)劃中，研究如何提高多項(xiàng)技能資源配置的成本效率；Khalili[3]等利用混合整數(shù)線性規(guī)劃優(yōu)化模型研究構(gòu)件生產(chǎn)廠如何通過(guò)提高資源的整合利用效率進(jìn)而增加生產(chǎn)能力和降低構(gòu)件生產(chǎn)的總成本；Hyounseok[4]等開(kāi)發(fā)出基于BIM的CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有模糊理論分析與遺傳學(xué)算法分析的功能，旨在降低工作之間的重疊；Salama[5]從資源的最優(yōu)化配置角度出發(fā)，建立了關(guān)于混凝土體積、起重機(jī)成本、構(gòu)件運(yùn)距等五項(xiàng)指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配式建筑資源配置的最優(yōu)選擇；Hwang[6]采用問(wèn)卷調(diào)查與案例實(shí)證的方法提取制約新加坡裝配式建筑發(fā)展的前五大因素，并給出相應(yīng)的解決辦法。

國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也在積極地開(kāi)展關(guān)于改善裝配式建筑施工進(jìn)度的研究。趙平等[7]采取差分粒子群算法(DEPSO)，增強(qiáng)混合算法的求解能力，在施工工序的基礎(chǔ)上對(duì)裝配式建筑的工期進(jìn)行優(yōu)化；陳偉等[8]從裝配式建筑不同的階段協(xié)調(diào)有序進(jìn)展為目的，建立了緩沖計(jì)劃，構(gòu)建了魯棒性指標(biāo)，通過(guò)實(shí)例分析出了不同的緩沖計(jì)劃對(duì)質(zhì)量和進(jìn)度的影響情況；張愛(ài)琳[9]從新技術(shù)利用的角度，結(jié)合BIM與3D預(yù)測(cè)施工進(jìn)度偏差，并將施工偏差數(shù)據(jù)輸入到MATLAB灰色預(yù)測(cè)模型中分析，為裝配式建筑進(jìn)度管理提供了新的思路；Wang[10]等從制約裝配式建筑進(jìn)度的關(guān)鍵因素構(gòu)件的準(zhǔn)時(shí)交付為切入點(diǎn)，采用遺傳學(xué)算法對(duì)多條生產(chǎn)線與調(diào)度問(wèn)題展開(kāi)研究，通過(guò)不同場(chǎng)景的模擬結(jié)果表明可以降低構(gòu)件調(diào)度成本并促進(jìn)構(gòu)件及時(shí)交付；Li[11]以無(wú)線射頻技術(shù)和BIM作為解決進(jìn)度延誤的手段，監(jiān)督生產(chǎn)，運(yùn)輸、裝配三部分進(jìn)展，降低進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率；Luo[12]等采用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析的方法研究香港預(yù)制房屋供應(yīng)鏈面臨的風(fēng)險(xiǎn)，研究結(jié)果有利于從業(yè)人員更有效的采取措施。

上述研究為改善裝配式建筑進(jìn)度管理提供了寶貴的建議。已有的研究未對(duì)進(jìn)度影響因素的層次結(jié)構(gòu)與相互關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究。因此，本文首先以文獻(xiàn)梳理和專家訪談識(shí)別主要影響因素，在此基礎(chǔ)上，基于問(wèn)卷調(diào)查的方式獲取了有效的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)，對(duì)各因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行剖析，這只是邏輯上的影響關(guān)系，并不能反映出影響因素的影響力大小，所以，再將ISM得到的結(jié)果作為輸入，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)對(duì)各因素的權(quán)重大小進(jìn)行計(jì)算排序，以便找到影響裝配式建筑進(jìn)度主要的因素，幫助企業(yè)提高進(jìn)度管理效率。

1 裝配式建筑影響因素指標(biāo)體系

本文首先通過(guò)文獻(xiàn)梳理的方法確定裝配式建筑進(jìn)度的影響因素。通過(guò)對(duì)SCIE和EI數(shù)據(jù)庫(kù)輸入以下組合詞匯：prefacritated construction modular construction、offsite construction、prefabricated house、industrialized building systems(IBS)、Modern Methods of Construction、Modern Construction Building 等與 schedule management、duration extension、duration delay、schedule risk 等進(jìn)行檢索。時(shí)間跨度為1999-2019年，梳理出與裝配式建筑進(jìn)度有關(guān)的論文32篇。為了充分反映出設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、裝配全過(guò)程施工進(jìn)度管控的流程，采取在不同文獻(xiàn)中出現(xiàn)兩次以上的原則。初步選取能影響裝配式建筑進(jìn)度的因素22個(gè)，后與5位在裝配式建筑領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的人員進(jìn)行面對(duì)面交流。其所在單位包括高等院校、施工單位、建筑設(shè)計(jì)院等。經(jīng)保留、舍棄、修改、補(bǔ)充四個(gè)環(huán)節(jié)、兩輪討論，最終確定出15個(gè)ISM分析研究對(duì)象，具體如表1所示。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)安徽省政府辦公廳發(fā)布的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的通知》設(shè)置的目標(biāo)，明確提出到2025年力爭(zhēng)裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%。截止2019年6月份，安徽省共有23個(gè)項(xiàng)目通過(guò)裝配式示范項(xiàng)目審核，示范面積達(dá)407.56萬(wàn)m2。安徽省裝配式建筑的政策環(huán)境和發(fā)展成熟度滿足調(diào)查的要求，因此選取安徽省作為研究調(diào)查的地區(qū)。調(diào)研的對(duì)象是在安徽省內(nèi)一些從事裝配式建筑的企業(yè)：中建四局第六建筑工程有限公司、合肥寶業(yè)西偉德集團(tuán)、安徽地平線建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司、遠(yuǎn)大住工集團(tuán)安徽公司以及高等院校從事裝配式建筑相關(guān)工作5年以上15名人員，保證受訪者對(duì)裝配式建筑有較深入的了解。

表1 裝配式建筑進(jìn)度影響因素

采取訪談?wù){(diào)查的方式。訪談的內(nèi)容共包含兩個(gè)部分，一是被調(diào)查對(duì)象的信息：包括從事裝配式建筑工作年限、學(xué)歷，單位、職務(wù)。匯總?cè)绫?所示；二是對(duì)影響因素的關(guān)系進(jìn)行判斷。通過(guò)對(duì)訪談結(jié)果的整理與分析，得到影響因素關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 構(gòu)建裝配式建筑進(jìn)度影響因素ISM模型

3.1 解釋結(jié)構(gòu)模型

裝配式建筑進(jìn)度影響因素是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，影響因素眾多，結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，不易量化，并且進(jìn)度影響因素之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)。解釋結(jié)構(gòu)模型技術(shù)(Interactive Structure Modeling)是美國(guó)的John Warfield[22]教授首先提出，對(duì)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題進(jìn)行定性分析。它通過(guò)結(jié)構(gòu)分析將復(fù)雜系統(tǒng)分解為關(guān)系明確的多層次結(jié)構(gòu)形式。描述系統(tǒng)構(gòu)中元素組和元素之間的影響關(guān)系。因此，將ISM模型引用到裝配式建筑進(jìn)度管理研究當(dāng)中，利用該模型分析裝配式建筑進(jìn)度管理影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

表2 調(diào)查對(duì)象基本信息匯總

裝配式建筑進(jìn)度影響因素ISM模型中對(duì)已確定的影響因素建立鄰接矩陣，首先通過(guò)矩陣的運(yùn)算并對(duì)得到可達(dá)矩陣進(jìn)行區(qū)域劃分得到結(jié)構(gòu)模型，然后通過(guò)對(duì)要素和關(guān)系的修正，最后重復(fù)上述步驟，最終得到裝配式建筑進(jìn)度ISM模型。具體的實(shí)施步驟如圖1。

3.2 模型建立

3.2.1 建立鄰接矩陣

將裝配式建筑進(jìn)度作為一個(gè)系統(tǒng)，它包含了Si(i=1,2,…,15)等15個(gè)組成因素，在此基礎(chǔ)上構(gòu)(i,j=1,2,…,15)，同時(shí)各要素對(duì)自身的影響記為1。專家根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)為影響因素打分，采取一票否決制，只要任何一個(gè)專家認(rèn)為二者沒(méi)有關(guān)系，便認(rèn)為兩個(gè)因素之間沒(méi)有關(guān)系，在總結(jié)專家意見(jiàn)之后建立的鄰接矩陣A。

3.2.2 建立可達(dá)矩陣

可達(dá)矩陣M=[mij]，是反映系統(tǒng)要素間通過(guò)一定路徑可以到達(dá)的程度的矩陣。

依據(jù)布爾代數(shù)法則對(duì)上述鄰接矩陣A進(jìn)行演算，將矩陣(A+I)自乘，若對(duì)于某個(gè)r滿足：

(A+I)≠(A+I)2≠n≠(A+I)r+1=n=(A+I)n，則稱M=(A+I)r為可達(dá)矩陣。利用Matlab7.0軟件經(jīng)上述步驟計(jì)算結(jié)果如下：

圖1 裝配式建筑進(jìn)度影響因素ISM模型流程圖

3.2.3 可達(dá)矩陣區(qū)域劃分

對(duì)已得到的可達(dá)矩陣M中每個(gè)要素找出其可達(dá)集R(Si)，先行集A(Si)和共同集C(Si)，進(jìn)而找出其起始集B(S)，然后從起始集B(S)入手進(jìn)行區(qū)域劃分，進(jìn)而分析每個(gè)影響因素的層級(jí)關(guān)系，如表3所示。其中劃分的原理是，對(duì)于起始集合B(S)中任意兩個(gè)要素bu，bv，若R(bu)∩R(bv)≠ ?，則bu，bv屬于同一區(qū)域；若R(bu)∩R(bv)= ?，則bu，bv屬于不同區(qū)域。

3.2.4 解釋結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)級(jí)位劃分，可知裝配式建筑進(jìn)度影響因素模型共分為四層級(jí)，依次為：H1={S3,S9,S11,S12}；H2={S1,S4,S6,S7,S15}；H3={S2,S5,S13,S14}；H5={S8,S10}。經(jīng)過(guò)整理可得到裝配式建筑進(jìn)度影響因素的ISM模型，如圖2所示。

表3 第一級(jí)可達(dá)矩陣元素之間的關(guān)系集合

由圖2可知裝配式建筑進(jìn)度影響因素是一個(gè)四級(jí)遞階結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)，這四個(gè)層級(jí)反映了裝配式建筑進(jìn)度影響因素之間的關(guān)系，結(jié)合裝配式建筑進(jìn)度管理的實(shí)際情況分析如下：

(1)表層影響因素。包括構(gòu)件的延遲交付、質(zhì)量檢驗(yàn)復(fù)雜、起重機(jī)故障、起重機(jī)數(shù)量不足。這四個(gè)因素是影響裝配式建筑進(jìn)度的直接原因。其中第二層級(jí)的五個(gè)影響因素均通過(guò)構(gòu)件延遲交付影響裝配式建筑進(jìn)度。起重機(jī)故障和起重機(jī)數(shù)量不足存在強(qiáng)連接關(guān)系。其余三個(gè)層級(jí)均通過(guò)影響表層影響因素而作用于裝配式建筑進(jìn)度。

(2)中間動(dòng)力影響因素。中間動(dòng)力影響因素為第二、第三層，包括設(shè)計(jì)變更、構(gòu)件返工、運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、場(chǎng)地空間不足、惡劣天氣、缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、節(jié)點(diǎn)施工困難、構(gòu)件連接復(fù)雜、物流信息差距九個(gè)影響因素。節(jié)點(diǎn)施工困難和構(gòu)件連接復(fù)雜均作用于質(zhì)量檢驗(yàn)復(fù)雜和設(shè)計(jì)變更，進(jìn)而影響裝配式建筑進(jìn)度。物流信息差距直接影響場(chǎng)地空間不足。中間層的影響因素通過(guò)表層的影響因素的制約作用來(lái)對(duì)裝配式建筑進(jìn)度產(chǎn)生影響。

(3)深層導(dǎo)向影響因素。包括缺乏安裝經(jīng)驗(yàn)和管理水平有限。這兩個(gè)因素是制約裝配式建筑進(jìn)度的根本原因。缺乏安裝經(jīng)驗(yàn)的工人對(duì)裝配式建筑施工流程、技術(shù)工藝不了解導(dǎo)致進(jìn)度緩慢并且易出錯(cuò)。此外現(xiàn)場(chǎng)管理水平有限也會(huì)導(dǎo)致資源供應(yīng)不平衡、施工方案不合理、對(duì)外對(duì)接不順暢一系列問(wèn)題。這兩個(gè)影響因素的不確定較大，較難把控。深層導(dǎo)向影響因素通過(guò)逐層級(jí)作用影響到裝配式建筑的進(jìn)度。

4 影響因素的重要性分析

由前文建立的裝配式建筑進(jìn)度影響因素ISM模型可知，元素集內(nèi)部及元素集之間是相互作用、相互依存的關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)是在AHP基礎(chǔ)考慮了元素之間相互影響的發(fā)展而成。更符合實(shí)際決策情況。因此ANP比AHP更適合于裝配式建筑進(jìn)度影響因素研究。另外，Super Decisions軟件(簡(jiǎn)稱SD軟件)的應(yīng)用，使該方法的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

4.1 建立ANP模型

網(wǎng)絡(luò)層次分析法(Analytic Network Process)是T.L.Saaty教授于1996年在AHP基礎(chǔ)上提出的一種研究具有依賴性和反饋性的網(wǎng)絡(luò)決策方法[23]。其指標(biāo)賦權(quán)的流程如圖3所示。

圖2 裝配式建筑進(jìn)度影響因素ISM模型

圖3 ANP指標(biāo)賦權(quán)流程

裝配式建筑進(jìn)度影響因素的ANP模型包括控制層和網(wǎng)絡(luò)層兩大部分。其中控制層指的就是裝配式建筑進(jìn)度影響因素。網(wǎng)絡(luò)層包括設(shè)計(jì)階段、制造階段、裝配階段、運(yùn)輸階段?；谘b配式建筑進(jìn)度ISM模型結(jié)構(gòu)圖，分析各影響元素組之間的關(guān)系和元素組內(nèi)部因素之間的關(guān)系，繪制出裝配式建筑進(jìn)度影響因素ANP模型，如圖4所示。

圖4 裝配式建筑進(jìn)度影響因素的ANP模型

4.2 計(jì)算影響權(quán)重

4.2.1 構(gòu)造判斷矩陣

由裝配式建筑的ANP模型可以看出，控制層元素只有一個(gè)，設(shè)為P1，網(wǎng)絡(luò)層有四個(gè)元素分別設(shè)為S1，S2，S3，S4。每個(gè)元素組Si(i=1,2,3,4)中包含的元素為Si1，Si2，n，Sin(i=1,2,3,4)。以P1為準(zhǔn)則，Sik(k=1,2,…,N)為次準(zhǔn)則，將Si中的N個(gè)元素對(duì)其元素Sik的影響力的大小進(jìn)行優(yōu)勢(shì)度比較，獲得判斷矩陣。

4.2.2 構(gòu)造超矩陣

求解判斷矩陣的特征向量并進(jìn)行歸一化處理，得到超矩陣的子塊Wij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)，最終得到超矩陣W。

4.2.3 構(gòu)造加權(quán)超矩陣

以P1為準(zhǔn)則，Si(i=1,2,3,4)為次準(zhǔn)則，Si(i=1,2,3,4)為次準(zhǔn)則，按照九標(biāo)度法對(duì)其他元素組進(jìn)行成對(duì)比較構(gòu)造判斷矩陣。將判斷矩陣的歸一化特征向量進(jìn)行組合加權(quán)矩陣A。權(quán)重超矩陣可表示為：W=AW。

4.2.4 構(gòu)造極限超矩陣

用ωˉij表示上述加權(quán)矩陣中的元素，它反映了元素i與元素j之間的一次優(yōu)勢(shì)度。若Ws：Ws=存在時(shí)，Ws的第j列表示控制元素P1為準(zhǔn)則的情況下，網(wǎng)絡(luò)層中每個(gè)元素對(duì)應(yīng)元素j的極限相對(duì)排序向量。

4.2.5 求解各權(quán)重指標(biāo)的權(quán)重值

指標(biāo)權(quán)重的求解涉及到復(fù)雜的矩陣運(yùn)算，手工算較為困難，利用Super Decisions易求出各指標(biāo)權(quán)重及排序如表4所示。

表4 影響因素權(quán)重及排序表

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)表4影響因素權(quán)重排序可以看出，影響裝配式建筑進(jìn)度的主要因素為：構(gòu)件延遲交付、缺乏安裝經(jīng)驗(yàn)、起重機(jī)數(shù)量不足、構(gòu)件返工、缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等。影響這些主要因素的原因歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)構(gòu)件生產(chǎn)廠未能優(yōu)化資源配置，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，部品部件加工過(guò)程效率低下；

(2)裝配式建筑的從業(yè)人員大多從傳統(tǒng)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)來(lái)，這就導(dǎo)致相關(guān)人員認(rèn)識(shí)不全面、技術(shù)不熟練、工作效率低下且易出現(xiàn)錯(cuò)誤，例如構(gòu)件尺寸偏差、管線土建之間的碰撞；

(3)構(gòu)件的運(yùn)輸涉及到復(fù)雜的調(diào)度優(yōu)化決策，這方面做得不夠，會(huì)表現(xiàn)為，構(gòu)件無(wú)法按規(guī)定時(shí)間運(yùn)輸?shù)轿唬?/p>

(4)工序復(fù)雜施工困難，表現(xiàn)為構(gòu)件連接復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)施工困難。綜上影響裝配式建筑進(jìn)度的因素眾多，但只要抓住關(guān)鍵的幾個(gè)因素就能對(duì)提高裝配式建筑進(jìn)度管理起到很大作用。同時(shí)政府應(yīng)盡快推進(jìn)基礎(chǔ)工作的建設(shè)、完善裝配式建筑技術(shù)規(guī)范、健全相關(guān)的配套政策、提高從業(yè)人員的知識(shí)技能等影響裝配式建筑生產(chǎn)效率的重要工作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從裝配式建筑生產(chǎn)的全過(guò)程四個(gè)階段出發(fā)構(gòu)建了影響進(jìn)度的主要因素的指標(biāo)體系。首先利用ISM模型分析出了裝配式建筑進(jìn)度影響因素體系中15個(gè)影響因素之間的層級(jí)關(guān)系。從表層影響因素、中間層影響因素、深層影響因素三個(gè)方面進(jìn)行剖析，然后在基于ISM模型的基礎(chǔ)上建立裝配式建筑進(jìn)度影響因素的ANP模型，在ANP模型的基礎(chǔ)上，對(duì)影響因素進(jìn)行賦予權(quán)重并排序，找出影響裝配式建筑進(jìn)度的主要影響因素。根據(jù)ANP模型排序結(jié)果歸納了影響因素的原因。對(duì)裝配式建筑的進(jìn)度管理有一定的參考價(jià)值。