基于相互作用矩陣的裝配式建筑施工安全測評

王志強(qiáng)，劉 碩，王陶陶，馬婷婷

(1. 青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院，山東 青島 266520；2. 智慧城市建設(shè)管理研究中心(新型智庫)，山東 青島 266520)

隨著我國建筑工業(yè)化程度的不斷推進(jìn)，裝配式建筑憑借其施工周期短、資源消耗低、節(jié)約勞動(dòng)力等優(yōu)勢特征，成為推動(dòng)建筑業(yè)結(jié)構(gòu)升級、實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措.2016年國務(wù)院頒布的《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》中指出，力爭用十年左右時(shí)間使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%[1].雖然我國裝配式建筑迎來了高質(zhì)量快速發(fā)展，但是由于我國施工環(huán)境與作業(yè)人員素質(zhì)難以滿足裝配式建筑施工階段機(jī)械化程度高、裝配技術(shù)復(fù)雜的安全要求，導(dǎo)致安全施工狀況與發(fā)達(dá)國家仍存在一定的差距.因此，建立科學(xué)的評價(jià)體系準(zhǔn)確的對裝配式建筑施工階段安全評價(jià)具有一定必要性.

近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者為提高裝配式建筑施工安全管理水平進(jìn)行了有益探索.國外對于裝配式建筑的研究起源較早，關(guān)于其施工安全評價(jià)研究已經(jīng)趨于成熟.Li[2]等為了建立裝配式建筑施工安全評價(jià)指標(biāo)體系，提出借助系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對裝配式建筑施工安全評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選.Shin[3]與Chang[4]等借助層次分析法構(gòu)建裝配式建筑施工安全評價(jià)指標(biāo)體系.在國內(nèi)，有關(guān)裝配式建筑施工安全評價(jià)研究同樣取得了一系列的豐碩成果.王志強(qiáng)[5]等綜合應(yīng)用事故樹分析法、集對理論與灰色聚類分析法，構(gòu)建裝配式建筑施工安全評價(jià)指標(biāo)體系，并從中篩選出威脅施工安全的關(guān)鍵影響因子進(jìn)行控制.閆帥平[6]等運(yùn)用ICUOWGA-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對裝配式建筑施工安全進(jìn)行評估，并應(yīng)用實(shí)例證明該方法使得安全評估結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確.馮亞娟[7]等針對裝配式建筑施工階段風(fēng)險(xiǎn)因素的多樣性，通過聯(lián)合運(yùn)用熵權(quán)法與集對分析法建立裝配式建筑施工安全評價(jià)模型，使其實(shí)用性更強(qiáng).

前述文獻(xiàn)只考慮各風(fēng)險(xiǎn)因素對裝配式建筑施工安全的影響，并未綜合考慮多因素交互耦合作用下對于裝配式建筑施工安全的影響.Pan[8]與Zhao[9]等通過應(yīng)用貝葉斯方法構(gòu)建系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)模型，描述了多因素交互耦合作用下產(chǎn)生的重要影響.然而，目前關(guān)于多因素交互耦合作用影響的研究主要集中在地鐵[10]、煤礦[11-12]以及工程場址選取[13]等領(lǐng)域，卻鮮有關(guān)于裝配式建筑施工安全領(lǐng)域的研究.因此，本文旨在探索一套方法科學(xué)便捷、指標(biāo)客觀準(zhǔn)確的裝配式建筑施工安全評價(jià)模型.基于此，本文擬緊密圍繞裝配式建筑施工安全主題，從安全事故致因理論出發(fā)，建立安全事故多維軌跡風(fēng)險(xiǎn)交互作用模型；借助事故樹分析法(FTA)識(shí)別出裝配式建筑施工過程中16個(gè)非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子，建立裝配式建筑施工安全評價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合相互作用矩陣方法，對裝配式建筑施工安全進(jìn)行客觀測評；借助青島華皓·悅城項(xiàng)目案例，驗(yàn)證此方法實(shí)用性，以期對裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)防范提供思路與借鑒.

1 多維軌跡風(fēng)險(xiǎn)交互作用模型

裝配式建筑施工過程主要?jiǎng)澐譃闃?gòu)件預(yù)制、構(gòu)件運(yùn)輸、吊裝作業(yè)以及現(xiàn)場安裝.與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑施工過程相比，裝配式建筑施工過程存在較多的高空吊裝作業(yè)，對施工環(huán)境以及作業(yè)人員機(jī)械化水平都有著極大的考驗(yàn)，施工現(xiàn)場非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素存在復(fù)雜性，導(dǎo)致施工現(xiàn)場存在嚴(yán)重安全隱患.

安全對于建筑行業(yè)的重要性不言而喻，因而運(yùn)用安全事故致因理論對裝配式建筑安全事故進(jìn)行客觀分析，可以為裝配式建筑施工安全管理在一定程度上提供科學(xué)依據(jù).傳統(tǒng)的安全事故致因理論只考慮單一因素對安全事故產(chǎn)生的不良影響，亦或是考慮多因素簡單疊加作用下對事故產(chǎn)生的不良影響.然而，考慮到裝配式建筑施工過程中風(fēng)險(xiǎn)因素的復(fù)雜性，再用傳統(tǒng)安全事故致因理論分析則顯得不恰當(dāng).因此，本文基于裝配式建筑施工過程風(fēng)險(xiǎn)因素復(fù)雜性考慮，借助4M1E系統(tǒng)安全理論，選取人員、設(shè)備、管理、環(huán)境4個(gè)安全維度，其中人員因素作為貫穿安全施工的始終，為了避免重復(fù)計(jì)算，特將技術(shù)因素歸納到人員因素中.同時(shí)，借助風(fēng)險(xiǎn)耦合理論以及軌跡交叉理論，構(gòu)建人-設(shè)備-管理-環(huán)境4維安全事故多維軌跡風(fēng)險(xiǎn)交互作用模型，如圖1所示.

圖1 安全事故多維軌跡風(fēng)險(xiǎn)交互作用模型

從圖1可以看出，由于人員技術(shù)、素質(zhì)等引起的不安全行為可以導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，由于設(shè)備故障、管理失效、不良施工環(huán)境皆會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生.這些單一風(fēng)險(xiǎn)因素在達(dá)到自身風(fēng)險(xiǎn)閾值時(shí)，將會(huì)直接導(dǎo)致事故的發(fā)生.然而，安全事故的發(fā)生往往并不是單一風(fēng)險(xiǎn)因素直接影響.由于裝配式建筑施工過程中風(fēng)險(xiǎn)因素的復(fù)雜性，在單一風(fēng)險(xiǎn)因素未達(dá)到自身風(fēng)險(xiǎn)閾值時(shí)，通常會(huì)與其他潛在風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生耦合，在耦合作用影響下造成事故的發(fā)生.如管理層由于風(fēng)險(xiǎn)偏好，在面臨潛在危機(jī)時(shí)常會(huì)選擇風(fēng)險(xiǎn)追求，未對作業(yè)人員進(jìn)行有效管理，致使作業(yè)人員安全意識(shí)薄弱，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生.因此，科學(xué)地識(shí)別出裝配式建筑施工過程中的非安全風(fēng)險(xiǎn)因素顯得尤為重要.

2 裝配式建筑施工安全評價(jià)模型

2.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

為了科學(xué)有效的對裝配式建筑施工過程中的非安全風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別，本文引進(jìn)了事故樹分析方法.事故樹分析法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)，又稱故障樹分析法，由于其科學(xué)便捷的特征被廣泛應(yīng)用于煤礦、交通、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的安全問題研究.事故樹分析法作為一種定性分析與定量分析相結(jié)合的方法被廣泛推廣，然而裝配式建筑作為我國新興事物，缺乏大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對裝配式建筑進(jìn)行規(guī)范的定量分析在短時(shí)間實(shí)現(xiàn)的難度較大.但是，對裝配式建筑進(jìn)行定性分析，既可以汲取以往事故案例的慘痛經(jīng)驗(yàn)，又可以對未來項(xiàng)目非安全風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評估預(yù)測，為安全施工技術(shù)的實(shí)施與安全管理措施的制定提供重要參考，防范安全事故的發(fā)生.

在對裝配式建筑安全事故相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜合梳理基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)主要包括高空臨邊作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、高空墜物風(fēng)險(xiǎn)、構(gòu)件吊裝風(fēng)險(xiǎn)以觸電風(fēng)險(xiǎn).但是，追根溯源，從安全事故致因角度出發(fā)，裝配式建筑施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)主要來源于人員因素、設(shè)備因素、管理因素以及環(huán)境因素四大類.本文借助事故樹分析法，建立了裝配式建筑安全事故樹，如圖2所示.

圖2 裝配式建筑施工安全的事故樹分析

2.2 建立裝配式建筑施工安全評價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)上文運(yùn)用事故樹分析法(FTA)識(shí)別出裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素，結(jié)合行業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[14]和裝配式建筑工程項(xiàng)目施工特點(diǎn)，借助4M1E系統(tǒng)安全理論，同時(shí)遵循指標(biāo)建立的原則，將風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為4個(gè)一級指標(biāo)，16個(gè)二級指標(biāo)，得到裝配式建筑施工安全評價(jià)指標(biāo)體系，如圖3所示.

圖3 裝配式建筑施工安全評價(jià)指標(biāo)體系

2.3 相互作用矩陣

裝配式建筑施工過程中風(fēng)險(xiǎn)源眾多，因此在對施工安全事故致因分析時(shí)，不能只考慮單一風(fēng)險(xiǎn)因素對安全事故的影響，而應(yīng)考慮在多風(fēng)險(xiǎn)因素耦合作用下對安全事故的影響.相互作用矩陣方法不僅考慮安全系統(tǒng)中單個(gè)非安全風(fēng)險(xiǎn)因素對系統(tǒng)的影響，還綜合考慮多個(gè)非安全風(fēng)險(xiǎn)因素交互作用條件下對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響.因此，在研究裝配式建筑安全系統(tǒng)中多因素耦合作用影響時(shí)，運(yùn)用相互作用矩陣能夠使問題得到很好的解決.

構(gòu)建相互作用矩陣，首要步驟是對影響裝配式建筑施工安全的風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行綜合分析，確定非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子；然后對非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子進(jìn)行定量描述，作為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而組成裝配式建筑施工安全多因素相互作用矩陣，對裝配式建筑施工階段的安全程度進(jìn)行定量分析.構(gòu)建相互作用矩陣需要遵循的原則是：將裝配式建筑施工非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子放置于矩陣主對角線上(位置可以顛倒)，其值大小表示該影響因子對安全系統(tǒng)產(chǎn)生的影響程度；多個(gè)影響因子之間的耦合作用放置在次主對角線的位置上，其值的大小表示多個(gè)影響因子之間耦合作用下對安全系統(tǒng)的影響程度.其具體的矩陣表示如下：

上述相互作用矩陣中，pi表示第i個(gè)非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子；pij表示第i個(gè)非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子對第j個(gè)非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子的影響程度；n表示非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子的個(gè)數(shù).在完成上述步驟之后，可以通過式(1)～(3)進(jìn)一步計(jì)算出裝配式建筑施工過程中非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子i的權(quán)重K.

(1)

其中:

(2)

(3)

其中：Ri表示裝配式建筑施工階段的非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子i對其他影響因子產(chǎn)生耦合作用的系數(shù)之和，在數(shù)值上等于pi所在行之和；Ci表示其他影響因子對裝配式建筑施工階段的非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子i產(chǎn)生耦合作用的系數(shù)之和，在數(shù)值上等于pi所在列之和.通過上述公式計(jì)算出所有非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子i的權(quán)重K之后，再運(yùn)用式(4)進(jìn)一步計(jì)算出裝配式建筑施工階段的安全程度.

(4)

其中：SD是用于對裝配式建筑項(xiàng)目施工安全進(jìn)行評價(jià)的無量綱數(shù)值，稱為裝配式建筑施工安全評價(jià)系數(shù)；Vi表示裝配式建筑施工階段的非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子i的值，Vi=pi/4.

2.4 風(fēng)險(xiǎn)衡量

為了對裝配式建筑施工安全系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行客觀有效的定量描述，首先構(gòu)建出裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)多因素相互作用矩陣，通過式(1)～(4)計(jì)算出某裝配式建筑項(xiàng)目施工安全評價(jià)系數(shù)；然后依據(jù)文獻(xiàn)[15]中對風(fēng)險(xiǎn)等級的描述，按照SD值的大小進(jìn)行排序，在對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性識(shí)別與定量評價(jià)后，結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)際情況對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行劃分并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施，確保將風(fēng)險(xiǎn)后果控制在可接受范圍內(nèi)，如表1所示.

表1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)系數(shù)劃分與應(yīng)對措施

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 實(shí)例概況

本文以青島華皓·悅城施工項(xiàng)目為例，利用上述建立的基于FTA-相互作用矩陣的裝配式建筑施工安全評價(jià)方法對該項(xiàng)目進(jìn)行安全測評.

青島華皓·悅城項(xiàng)目位于青島市黃島區(qū)長江東路北、嘉陵江東路東，該項(xiàng)目基地內(nèi)布置6棟18層的高層建筑，規(guī)劃用地面積為14 559 m2，總建筑面積為63 300.46 m2(地上建筑面積43 677 m2，地下建筑面積19 623.46 m2)，綠地率為35%.

3.2 基于FTA法構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)圖3構(gòu)建青島華皓·悅城項(xiàng)目裝配式建筑施工安全評價(jià)指標(biāo)體系.

3.3 基于相互作用矩陣構(gòu)建評價(jià)模型

為了有效地對青島華皓·悅城項(xiàng)目施工非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子與多因子之間耦合作用下對項(xiàng)目施工安全的影響進(jìn)行定量分析，本文采用專家半定量取值法對影響因子及其相互作用下對該項(xiàng)目施工安全的影響程度進(jìn)行等級劃分.將其劃分為0、1、2、3、4五個(gè)等級來描述影響程度的大小，如表2所示.

表2 相互作用矩陣的專家半定量取值法

通過專家打分，可以得到該項(xiàng)目非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子以及多因子耦合作用條件下對項(xiàng)目施工安全的影響程度的取值，將16個(gè)非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子影響程度取值以及其它取值分別填入相互作用矩陣中對應(yīng)的位置，組成如下所示矩陣P.

在得到上述矩陣基礎(chǔ)上，通過前文中式(1)～(3)計(jì)算出該項(xiàng)目16個(gè)非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子的權(quán)重K，權(quán)重排序見表3.由表3可見，作業(yè)人員安全意識(shí)、吊裝作業(yè)環(huán)境、設(shè)備日常檢查維護(hù)以及安全施工文化氛圍所占權(quán)重最大，對于裝配式建筑項(xiàng)目施工安全影響最大，因此在未來的施工過程中要特別做好以下四個(gè)方面的安全防范措施.

表3 影響因子權(quán)重排序

在計(jì)算出16個(gè)非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子權(quán)重后，依據(jù)式(4)可以計(jì)算出該裝配式建筑項(xiàng)目施工安全評價(jià)系數(shù)SD=67.125%.按照表1中的裝配式建筑施工安全評價(jià)系數(shù)劃分得知，該項(xiàng)目施工安全處于極高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài).為了避免該項(xiàng)目重大事故的發(fā)生，在接下來裝配式建筑施工過程中必須加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)并采取一系列措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防范.

4 結(jié) 語

借助事故致因理論，通過建立裝配式建筑安全事故多維軌跡風(fēng)險(xiǎn)交互作用模型可以發(fā)現(xiàn)，裝配式建筑施工安全受到人員、設(shè)備、管理、環(huán)境4維風(fēng)險(xiǎn)因素的影響，同時(shí)受到4維風(fēng)險(xiǎn)因素內(nèi)部之間相互耦合作用的影響.

通過運(yùn)用事故樹分析法(FTA)識(shí)別出裝配式建筑項(xiàng)目施工中16個(gè)非安全風(fēng)險(xiǎn)影響因子，同時(shí)引入相互作用矩陣方法，綜合考量多因子之間的相互作用對該系統(tǒng)的影響.通過在青島華皓·悅城項(xiàng)目的實(shí)例應(yīng)用，驗(yàn)證了該模型的實(shí)用性.

本文在構(gòu)造相互作用矩陣中的專家打分環(huán)節(jié)，主要是基于專家理論儲(chǔ)備與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)考量，對結(jié)果帶來一定程度上的主觀影響，這將會(huì)是下一步研究方向.