基于G1-COWA組合賦權(quán)的裝配式建筑施工風(fēng)險評價

李 楊，侯曉娜

(華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

與傳統(tǒng)施工項目相比，裝配式建筑施工具有工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工、現(xiàn)場管理制度等方面的顯著特點，風(fēng)險評價是裝配式建筑安全高效施工的關(guān)鍵保障。目前，我國對裝配式建筑施工風(fēng)險的研究，主要從施工安全風(fēng)險[1]、預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量風(fēng)險[2]、施工進(jìn)度風(fēng)險[3]、施工技術(shù)風(fēng)險[4]4個方面進(jìn)行，從理論框架上缺乏研究的整體性和全面性[5]。在工程實踐中，有效的施工整體性風(fēng)險評價能夠降低施工事故發(fā)生率、提高施工規(guī)范化和決策科學(xué)化水平，因此從系統(tǒng)性視角對裝配式建筑施工進(jìn)行整體風(fēng)險評價具有較強的研究意義。

由于裝配式建筑的施工特性和自身風(fēng)險的復(fù)雜性，風(fēng)險評價體系的指標(biāo)賦權(quán)和不確定性表達(dá)成為兩大關(guān)鍵問題。指標(biāo)賦權(quán)的合理程度直接影響裝配式建筑施工風(fēng)險等級的確定，為降低單一賦權(quán)方法的局限性，常采用組合賦權(quán)法進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)。目前，組合賦權(quán)法較多選取層次分析法進(jìn)行主觀賦權(quán)，主要包含基于層次分析和因子分析的組合賦權(quán)法[6]、基于AHP -熵權(quán)的組合賦權(quán)法[7]、基于層次分析和CRITIC的組合賦權(quán)法[8]、基于AHP -灰關(guān)聯(lián)分析的組合賦權(quán)法[9]等。這些組合賦權(quán)方法具有系統(tǒng)性和邏輯性、在一定程度上降低了賦權(quán)的主觀性，但在應(yīng)用時易出現(xiàn)一致性檢驗不通過的現(xiàn)象。該研究提出G1-COWA組合賦權(quán)法，利用序關(guān)系法(G1法)[10]避免數(shù)據(jù)處理時一致性檢驗不通過現(xiàn)象、COWA算子[11]通過位置加權(quán)可削弱極端值對賦權(quán)結(jié)果的影響。同時考慮到風(fēng)險的不確定性，引入云模型，構(gòu)建基于G1-COWA組合賦權(quán)的風(fēng)險評價模型，并將其應(yīng)用于裝配式建筑施工風(fēng)險評價研究中，為規(guī)避裝配式建筑施工風(fēng)險提供了新思路。

1 裝配式建筑施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系構(gòu)建

通過梳理裝配式建筑施工風(fēng)險評價文獻(xiàn)[5，12-14]，遵循全面性、科學(xué)性、客觀性等原則，將裝配式建筑施工風(fēng)險劃分為人、物、技術(shù)、管理、環(huán)境5個方面風(fēng)險，提出具有施工階段全面性、整體性風(fēng)險的評價指標(biāo)體系，見表1。

表1 裝配式建筑施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系

針對裝配式建筑施工階段生產(chǎn)和裝配精度要求高、吊裝作業(yè)多等特點，該指標(biāo)體系增加了預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、定位和節(jié)點連接技術(shù)不成熟、運輸和吊裝機械的選擇不當(dāng)?shù)蕊L(fēng)險因素，且較全面、系統(tǒng)地考慮了裝配式建筑施工階段的成本、進(jìn)度、質(zhì)量、安全、環(huán)境風(fēng)險。

2 G1-COWA組合賦權(quán)法

2.1 G1法

郭亞軍教授提出的序關(guān)系法(G1法)是對層次分析法(AHP法)的優(yōu)化，是融資模式、城市公交安全、醫(yī)療設(shè)備安全等領(lǐng)域風(fēng)險評價常用的主觀賦權(quán)方法。

G1法賦權(quán)步驟如下[10]：

(1)專家對風(fēng)險評價指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，進(jìn)而確定指標(biāo)的序關(guān)系。

(2)相鄰2個風(fēng)險評價指標(biāo)相對重要性判斷。專家對相鄰指標(biāo)Xk-1和Xk進(jìn)行判斷比較，賦值為rk。rk取值范圍是{1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8}，取值為1.0時代表指標(biāo)Xk-1和指標(biāo)Xk的重要性程度趨于一致，取值越大代表指標(biāo)Xk-1比指標(biāo)Xk越重要。rk表示為：

rk=ωk-1/ωk,k=n,n-1,n-2,…,3,2

(1)

式中：

ωk-1—評價指標(biāo)Xk-1的權(quán)重；

ωk—評價指標(biāo)Xk的權(quán)重。

(3)計算指標(biāo)權(quán)重系數(shù)：

(2)

ωk-1=rkωk,k=n,n-1,…,3,2

(3)

2.2 COWA算子

COWA算子通過對決策數(shù)據(jù)進(jìn)行降序排列并進(jìn)行位置加權(quán)處理，進(jìn)而削弱極端值對賦權(quán)結(jié)果的影響。而裝配式建筑施工風(fēng)險具有不確定性，專家進(jìn)行主觀賦權(quán)時易出現(xiàn)極端現(xiàn)象，故采用COWA算子對指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán)，步驟如下[11]：

(1)對決策數(shù)據(jù)進(jìn)行降序排序及編號，得到b0≥b1≥bj≥…≥bn-1。

(2)計算數(shù)據(jù)bj的加權(quán)向量ωj+1：

(4)

式中：

(5)

(4)計算指標(biāo)的相對權(quán)重值ωi：

(6)

2.3 G1-COWA組合賦權(quán)法

合理評價應(yīng)既體現(xiàn)決策者的主觀性，又能避免賦權(quán)的極端性，故該項研究利用G1法解決層次分析法中的一致性檢驗不通過現(xiàn)象、COWA算子可避免極端值對賦權(quán)結(jié)果的影響，進(jìn)而提出G1-COWA組合賦權(quán)法。同時，為確保施工風(fēng)險評價結(jié)果的科學(xué)有效，引入博弈論思想進(jìn)行組合賦權(quán)。

通過尋求不同賦權(quán)法所得權(quán)重間的均衡點，實現(xiàn)組合權(quán)重與各個權(quán)重間離差極小化，進(jìn)而得到最優(yōu)組合權(quán)重，其賦權(quán)步驟如下[8]：

(7)

(8)

3 裝配式建筑施工風(fēng)險評價云模型

3.1 云模型

云模型通過云發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)定性概念與定量數(shù)值之間的相互轉(zhuǎn)化，利用逆向云發(fā)生器輸出風(fēng)險指標(biāo)的數(shù)字特征值，進(jìn)而通過正向云發(fā)生器結(jié)合Matlab軟件得到風(fēng)險評價云圖，使得風(fēng)險評價結(jié)果更加直觀形象。

3.1.1 云模型定義及其數(shù)字特征

設(shè)U為具體數(shù)值表示的論域，C是論域U對應(yīng)的定性概念，則論域U的任意一個云滴x對C的隸屬度為u，且u∈[0,1][15]。

云模型的數(shù)字特征表示為C(Ex,En,He)。Ex是n個云滴的期望，位于云圖的中心；熵值En反映Ex的可靠度，云滴的分布滿足“3En”規(guī)則，即對C的定量描述有影響的云滴主要位于[Ex-3En,Ex+3En]；超熵He是En的熵值，反映En的不確定度。

3.1.2 云發(fā)生器

云發(fā)生器是云模型實現(xiàn)評價價值的重要手段，分為正、逆向云發(fā)生器。正向云發(fā)生器輸入端為Ex、En、He、n，輸出端為隸屬度u，從而實現(xiàn)定性到定量的轉(zhuǎn)換，利用下式生成評價云圖：

(9)

式中：

u—隸屬度。

逆向云發(fā)生器與正向發(fā)生器計算原理截然相反，可利用其計算評價指標(biāo)的數(shù)字特征值。某樣本點xi(i=1,2,3,…,n)的期望Ex、熵En、超熵He計算方法見下式：

(10)

式中：

S2—樣本方差。

3.2 評價步驟

3.2.1 風(fēng)險指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)

將裝配式建筑施工風(fēng)險劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，對應(yīng)的評語取值區(qū)間分別為[0，2)、[2，4)、[4，6)、[6，8)、[8，10]。風(fēng)險等級的云模型數(shù)字特征計算方法參考文獻(xiàn)[16]，則Ⅰ級～Ⅴ級風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)分別為(1,0.8,0.1)、(3,0.8,0.1)、(5,0.8,0.1)、(7,0.8,0.1)、(9,0.8,0.1)。

3.2.2 基于G1-COWA組合賦權(quán)的裝配式建筑施工風(fēng)險評價

依據(jù)專家對評價指標(biāo)的打分值，通過浮動云算法[15]，實現(xiàn)對單因素評價云的合成，進(jìn)而得到裝配式建筑施工風(fēng)險評價的綜合數(shù)字特征值：

(11)

式中：

ωi—由式(8)確定的基于G1-COWA組合賦權(quán)法的組合權(quán)重。

結(jié)合一級指標(biāo)數(shù)字特征值，利用正向云發(fā)生器通過Matlab編程得到綜合評價云圖。

4 模擬驗證

以北京市某裝配式混凝土建筑項目為例，基于G1-COWA組合賦權(quán)法構(gòu)建裝配式建筑施工風(fēng)險評價云模型，模擬驗證該組合賦權(quán)法以及評價模型的可行性。

4.1 基于G1-COWA組合賦權(quán)法的指標(biāo)權(quán)重確定

采用專家打分法，分別利用式(1)～(3)、式(4)～(6)得出基于G1法、COWA算子的二、三級指標(biāo)權(quán)重；按式(7)、式(8)得出基于G1-COWA組合賦權(quán)法的二、三級指標(biāo)組合權(quán)重，計算結(jié)果見表2。

4.2 裝配式建筑施工風(fēng)險綜合評價

采用專家賦值法對三級指標(biāo)的打分，代入式(10)轉(zhuǎn)化為特征值。例如，專家對指標(biāo)預(yù)制構(gòu)件不達(dá)標(biāo)的打分為(5,4,4,4,3,2,3,4,4,4)，則其數(shù)字特征值為(3.700,0.777,0.272)；同理，代入式(11)計算二級、一級指標(biāo)數(shù)字特征值，得本項目整體數(shù)字特征值為(3.103,0.679,0.311)，計算結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重及數(shù)字特征計算結(jié)果

根據(jù)一級指標(biāo)的數(shù)字特征和標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)，按式(9)通過 Matlab 編程得到施工風(fēng)險綜合評價云及評價標(biāo)準(zhǔn)云圖(圖1)。圖1中紅色為項目的綜合評價云圖，藍(lán)色為施工風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)云圖，可清晰看出項目為Ⅱ級風(fēng)險，云滴大多聚集于為3.103附近、區(qū)間[2，4]之間。

圖1 施工風(fēng)險綜合評價云及評價標(biāo)準(zhǔn)云圖

4.3 評價結(jié)果綜合分析

表3分別列出基于G1法、COWA法、G1-COWA組合賦權(quán)法的二級指標(biāo)評價結(jié)果，可知利用G1-COWA組合賦權(quán)法與G1法、COWA法所得評價結(jié)果趨于一致，而該方法充分結(jié)合G1法、COWA法的優(yōu)點，且利用博弈論對其組合，實現(xiàn)了賦權(quán)結(jié)果離差最小化，因此由該組合賦權(quán)法得到的評價結(jié)果較合理。

表3 評價結(jié)果對比表

由該項目三級指標(biāo)的期望可知，構(gòu)件定位和連接技術(shù)不成熟A31、施工方案設(shè)計不合理A32、安全技術(shù)交底不到位A34、自然環(huán)境不良A51、施工現(xiàn)場及周邊環(huán)境不良A52、構(gòu)件運輸環(huán)境不良A536項風(fēng)險指標(biāo)均處于Ⅲ級風(fēng)險，對技術(shù)風(fēng)險A3、環(huán)境風(fēng)險A5均產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而提升了本項目的整體施工風(fēng)險，應(yīng)引起項目負(fù)責(zé)人足夠重視。此外，預(yù)制構(gòu)件不達(dá)標(biāo)A21、臨時支撐體系失穩(wěn)A23、深化設(shè)計風(fēng)險A33、構(gòu)件現(xiàn)場堆放不合理A44風(fēng)險指標(biāo)的期望值在區(qū)間(3，4)中，風(fēng)險評價值較大，應(yīng)進(jìn)行科學(xué)合理地控制。

5 結(jié)論

(1)針對裝配式建筑施工風(fēng)險問題，建立施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系，將G1法、COWA法組合賦權(quán)的同時融入云模型進(jìn)行風(fēng)險評價，實現(xiàn)了賦權(quán)結(jié)果離差最小化、評價結(jié)果可視化，為裝配式建筑施工風(fēng)險評價研究提供了新方向。

(2)模擬驗證表明，使用G1-COWA組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重、云模型對裝配式建筑施工風(fēng)險進(jìn)行評價具有可行性和合理性，通過評價結(jié)果綜合分析風(fēng)險指標(biāo)，為裝配式建筑項目的施工風(fēng)險管控提供了有效的決策依據(jù)。