黃建文，熊 鑫，陳 瑞，趙可欣，王 放，張迎鋒

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)水電工程施工與管理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北 宜昌 443002；4.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司白鶴灘施工局，四川 涼山 615400)

0 引 言

高拱壩施工周期長(zhǎng)，施工進(jìn)度直接影響工程的建設(shè)工期及防洪發(fā)電效益。由于施工過(guò)程中受人為因素、澆筑機(jī)械、質(zhì)量要求、自然條件、施工組織等眾多因素的影響，各個(gè)因素之間相互作用且呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的特征，導(dǎo)致施工進(jìn)度控制異常復(fù)雜[1]。尤其是在高拱壩混凝土初期澆筑階段(即基礎(chǔ)約束區(qū)施工)，該階段備倉(cāng)、混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、卸料、澆筑等施工環(huán)節(jié)正處在磨合期，銜接度低，施工機(jī)械間的配合度不高，施工效率低下，加之混凝土基礎(chǔ)塊施工工序繁雜，單倉(cāng)澆筑方量大，溫度控制等質(zhì)量要求嚴(yán)格，導(dǎo)致施工進(jìn)度極其復(fù)雜且不確定性強(qiáng)。因此，研究高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于提升進(jìn)度管理水平具有重要意義。

目前，在水利水電工程施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)研究方面，馬志峰[2]采用施工仿真方法分析了碾壓混凝土壩進(jìn)度偏差和進(jìn)度趨勢(shì)；鐘登華[3- 4]基于堆石壩施工過(guò)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)影響施工進(jìn)度的因素進(jìn)行了識(shí)別；黃建文[5]、張社榮[6]基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和貝葉斯理論對(duì)地下洞室施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)管理和預(yù)測(cè)進(jìn)行研究；劉金飛[7]采用仿真分析技術(shù)對(duì)影響白鶴灘拱壩施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素和部位進(jìn)行了識(shí)別。以上研究為水利水電工程施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)分析提供了豐富的解決方法，但是涉及高拱壩混凝土初期澆筑階段的施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)研究較少，然而該階段的施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)極其復(fù)雜且不確定性強(qiáng)。因此，本文以初期混凝土澆筑階段為研究對(duì)象，從備倉(cāng)到混凝土運(yùn)輸、澆筑的過(guò)程中，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別建立高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度影響因素指標(biāo)體系，針對(duì)因素間復(fù)雜作用關(guān)系，結(jié)合DEMATEL和ISM構(gòu)建施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)分析模型，明確風(fēng)險(xiǎn)因素屬性，揭示各因素的作用程度，并成功識(shí)別出關(guān)鍵因素，探明復(fù)雜因素間內(nèi)在聯(lián)系和層次結(jié)構(gòu)，為高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度管理提供重要的理論支撐和決策參考。

1 高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度影響因素指標(biāo)體系的建立

確定風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)體系是分析高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的前提和基礎(chǔ)?；谙到y(tǒng)完整、層次分明、簡(jiǎn)明科學(xué)的原則[8]，結(jié)合文獻(xiàn)[3,7,9-13]和實(shí)際工程中所面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素，采用定性分析，確定對(duì)高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)有極大參考價(jià)值的關(guān)鍵因素。最后，按照風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的起源將關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素從人、機(jī)、物、環(huán)境和管理因素五個(gè)風(fēng)險(xiǎn)維度進(jìn)行歸類，建立高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)體系，具體如表1所示。

2 集成DEMATEL-ISM模型

2.1 模型介紹

決策試驗(yàn)與評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)是通過(guò)目標(biāo)因果關(guān)系圖和矩陣運(yùn)算相結(jié)合用于解決復(fù)雜系統(tǒng)中多因素間相互影響程度的一種方法[14]。解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretative Structural Modeling，ISM)是一種多層遞階結(jié)構(gòu)模型，用于分析具有多種影響因素的復(fù)雜系統(tǒng)，幫助決策者明確各影響因素在系統(tǒng)中的地位[15]。高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度影響因素眾多、關(guān)系復(fù)雜，本文利用DEMATEL法在區(qū)分因素屬性、作用程度以及相互影響關(guān)系方面的優(yōu)勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合ISM對(duì)各影響因素進(jìn)行層次劃分，使因素間相互作用路徑更加清晰，其具體步驟如圖1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

圖1 基于DEMATEI-ISM的高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)分析流程

2.2 DEMATEI-ISM法建模步驟

基于DEMATEI-ISM法的高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)分析建模步驟如下所示。

(1)確定高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)體系A(chǔ)={ai/i=1，2，…，15}。

(2)獲得初始直接影響矩陣B=[bij]15×15并構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素因果關(guān)系圖。設(shè)定因素影響標(biāo)度值0(無(wú)影響)、1(弱影響)、2(一般影響)、3(強(qiáng)影響)、4(很強(qiáng)影響)，根據(jù)行因素對(duì)列因素的影響程度進(jìn)行打分(通常采用問(wèn)卷調(diào)查的方式進(jìn)行)，得到初始直接影響矩陣B，并利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立因果關(guān)系圖。

(3)初始直接影響矩陣規(guī)范化。初始直接影響矩陣B=[bij]15×15通過(guò)行歸一化得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣C=[cij]15×15，即

(1)

(4)計(jì)算綜合影響矩陣T=[tij]15×15。確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)體系中最高水平因素的綜合影響，計(jì)算公式如下

(2)

式中，I為單位矩陣，由于Cij∈[0，1]，所以，當(dāng)n→∞時(shí)，Cn-1→0，故有

T=C(I-C)-1

(3)

(5)計(jì)算因素的影響度ri和被影響度ej。ri越大表示因素ai對(duì)其他因素的作用程度越大；ej越大表示因素ai受其他因素的作用程度越大，計(jì)算公式如下

(4)

(5)

(6)計(jì)算因素中心度mi和原因度ni。mi表示因素ai在所有因素中的重要程度；ni的正負(fù)將因素劃分為兩種屬性因素，為正的因素為原因因素，為負(fù)的因素為結(jié)果因素，原因因素對(duì)其他因素產(chǎn)生影響，結(jié)果因素被其他因素影響。

mi=ri+ej，i=j

(6)

ni=ri-ej，i=j

(7)

(7)計(jì)算整體影響矩陣H=[hij]15×15。考慮DEMATEL法得到綜合影響矩陣T的因素自身影響計(jì)算整體影響矩陣H=I+T。

(8)選取合理閾值λ和計(jì)算可達(dá)矩陣F=[fij]15×15。引入閾值λ是為了去掉系統(tǒng)中影響程度較小的值，使得系統(tǒng)層次劃分更加清晰和直觀。

(8)

式中，λ∈[0，1]；fij為節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的關(guān)聯(lián)值，fij=1表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j相關(guān)聯(lián)。

(9)劃分因素層級(jí)。對(duì)可達(dá)矩陣F進(jìn)行式(9)的計(jì)算可以得到各因素的可達(dá)集合S(ai)、前因集合Q(ai)、最高級(jí)要素集合L(ai)，在得到3個(gè)集合的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證S(ai)=S(ai)∩Q(ai)是否成立，若成立劃去因素ai所對(duì)應(yīng)的行和列。重復(fù)以上步驟，直到所有的因素被劃掉為止。

(9)

(10)構(gòu)建多層遞階結(jié)構(gòu)模型。首先，根據(jù)步驟(6)計(jì)算的中心度和原因度，繪制出各因素的原因結(jié)果圖，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)步驟(9)的層次結(jié)構(gòu)分析結(jié)果并結(jié)合因果關(guān)系圖中的相互作用路徑構(gòu)建多層遞階結(jié)構(gòu)模型。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

我國(guó)西南地區(qū)某混凝土高拱壩壩高289 m，壩頂高程834m，混凝土澆筑方量約803萬(wàn)m3。大壩壩頂弧長(zhǎng)約709 m，分30條橫縫，共31個(gè)壩段，部分壩段的基礎(chǔ)約束區(qū)劃分見(jiàn)表2。該高拱壩所在地區(qū)為干熱河谷，冬季干燥、風(fēng)速大，夏季氣溫高、多雨，施工環(huán)境惡劣?；A(chǔ)約束區(qū)的施工過(guò)程中，單倉(cāng)澆筑方量大、纜機(jī)運(yùn)行效率低、各施工工序間相互干擾。

表2 壩段基礎(chǔ)約束區(qū)劃分

3.2 集成DEMATEL-ISM計(jì)算過(guò)程

通過(guò)初始直接影響矩陣B=[bij]15×15，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立風(fēng)險(xiǎn)因素因果關(guān)系圖，可直觀反映出各風(fēng)險(xiǎn)因素間相互影響關(guān)系和作用路徑。高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)因果關(guān)系如圖2所示。

在標(biāo)準(zhǔn)化影響矩陣C的基礎(chǔ)上利用MATLAB軟件計(jì)算可得綜合影響矩陣T，如下所示。對(duì)綜合影響矩陣T進(jìn)行步驟(5)、(6)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)因素因果關(guān)系

表3 各因素DEMATEL分析結(jié)果

選取合理的閾值λ是構(gòu)建可達(dá)矩陣F的關(guān)鍵，本文在高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)分析中對(duì)λ的取值進(jìn)行多次檢驗(yàn)，最后得出當(dāng)λ=0.05時(shí)，因素間的邏輯關(guān)系及因素等級(jí)更加清晰明了，其對(duì)應(yīng)的可達(dá)矩陣F如下所示。

在得出可達(dá)矩陣F的基礎(chǔ)上，根據(jù)步驟(8)對(duì)可達(dá)矩陣F進(jìn)行層次化處理，計(jì)算出可達(dá)集合S(ai)、前因集合Q(ai)、最高級(jí)要素集合L(ai)；再根據(jù)步驟(9)依次得出層次劃分結(jié)果，即L1={a4，a7}；L2={a9，a12，a13，a14}；L3={a8，a11，a15}；L4={a3，a6}；L5={a2，a5}；L6={a1，a10}。

綜上，在計(jì)算出的各因素DEMATEL分析結(jié)果中，可構(gòu)建以中心度為橫坐標(biāo)，原因度為縱坐標(biāo)的高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度因素的原因結(jié)果圖，如圖3所示。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)因素的層級(jí)劃分結(jié)果，構(gòu)建反映各層級(jí)間影響因素作用途徑的多層遞階結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示。

圖3 高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度因素原因結(jié)果

圖4 高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度因素多層遞階結(jié)構(gòu)模型

3.3 模型結(jié)果分析

(1)從圖3可知：高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度影響因素主要分布在第Ⅱ和第Ⅳ象限。第Ⅱ象限的因素中心度較低、原因度較高，屬于易影響其他因素的“起源型”因素。按照因素的原因度排名，排名第一、第二且中心度靠前的因素是操作技能水平a13和機(jī)械故障a23，這兩個(gè)因素是引起施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)比較關(guān)鍵的原因因素。第Ⅳ象限的因素中心度較高、原因度較低，屬于易受其他因素影響的“結(jié)果型”因素。按照因素原因度的絕對(duì)值(即被影響度)排名，排名第一、第二且中心度靠前的是混凝土的生產(chǎn)及運(yùn)輸a31和纜機(jī)運(yùn)行效率a21，這兩個(gè)因素是直接導(dǎo)致施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)果因素。

(2)由圖4可知：各因素被劃分為6個(gè)層級(jí)，位于第1層級(jí)的因素稱為直接影響因素；第2、3、4、5層級(jí)的因素稱為過(guò)渡影響因素；第6層級(jí)的因素稱為基礎(chǔ)影響因素。通過(guò)各層級(jí)因素間的作用路徑，可知身體狀況、氣候因素(大風(fēng)、暴雨、高溫等)通過(guò)中間層級(jí)過(guò)渡影響因素的傳導(dǎo)作用，多種途徑影響到頂層直接影響因素，從而導(dǎo)致高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，其中一條重要的途徑是“身體狀況→工作態(tài)度→操作技能水平→機(jī)械故障→施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理→混凝土的生產(chǎn)及運(yùn)輸”。

4 結(jié) 論

本文在構(gòu)建高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，將集成DEMATEL-ISM方法應(yīng)用到高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)分析中，識(shí)別出7個(gè)原因因素，8個(gè)結(jié)果因素。其中，人員身體狀況和氣候因素是最本質(zhì)的原因因素，位于多層遞階結(jié)構(gòu)模型最底層，容易被忽略；操作技能水平和機(jī)械故障是最關(guān)鍵的原因因素，處于多層遞階結(jié)構(gòu)圖模型承上啟下的中間層，對(duì)其他因素的影響程度大且與其他因素作用關(guān)系密切；混凝土的生產(chǎn)及運(yùn)輸和纜機(jī)運(yùn)行效率是最直接的結(jié)果因素，位于多層遞階結(jié)構(gòu)模型最頂層，受其他因素影響顯著，對(duì)高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)有直接影響。

基于DEMATEL-ISM的高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)分析模型計(jì)算簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)，解決了復(fù)雜因素間相互作用程度定量計(jì)算的問(wèn)題，并可清晰得出關(guān)鍵因素所處層級(jí)和作用路徑，為高拱壩混凝土初期澆筑階段施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)分析提供了一種新的解決思路。