方成寬，鐘春玲

1吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118 2吉林建筑大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院,長春 130118

0 引言

國務(wù)院辦公廳發(fā)表關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑指導(dǎo)意見后,各省市政府及相關(guān)單位紛紛響應(yīng),目前裝配式建筑在國內(nèi)發(fā)展略顯起色[1].由于裝配式建筑作為一種新型的施工方式,施工難度高于傳統(tǒng)建筑,導(dǎo)致安全事故發(fā)生率高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑[2-3].因此,研究裝配式建筑施工安全問題來減少裝配式建筑施工風(fēng)險具有一定的現(xiàn)實意義.

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對裝配式建筑施工技術(shù)及安全風(fēng)險問題進(jìn)行了一系列研究,也取得一定的成果.Aminbakhsh等通過層次分析法確定了施工項目前最重要及最不重要的安全風(fēng)險項目[4].不同學(xué)者通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)對施工安全進(jìn)行耦合評估，或者利用IHFACS-BN模型進(jìn)行安全風(fēng)險評價[5-6].雖有一些學(xué)者運用熵權(quán)法與AHP相結(jié)合或改進(jìn)層次分析法對傳統(tǒng)現(xiàn)澆式建筑進(jìn)行風(fēng)險分析管理[7-8],但這些都未能上升到裝配式建筑.對于裝配式建筑,李皓燃等[9]人采用結(jié)構(gòu)方程模型對裝配式建筑施工安全關(guān)鍵風(fēng)險分析,得出裝配式建筑施工各階段施工排序，也有不同學(xué)者運用層次分析模糊綜合評價法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等建立了相應(yīng)的評估模型[10-11].現(xiàn)有研究對于裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估均過于主觀.為此,本文結(jié)合云模型和熵權(quán)法,利用云模型方法有效地考慮了風(fēng)險評估過程中的隨機和模糊不確定性,評估數(shù)據(jù)的規(guī)律性，通過確定指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),避免專家賦權(quán)法的主觀性，為裝配式建筑施工安全的風(fēng)險評估及風(fēng)險管理提供新的參考依據(jù).

1 風(fēng)險評估理論

1.1 云模型

云模型是一種用來解決定性與定量相互轉(zhuǎn)換問題的模型[12].其定義如下:設(shè)有一個數(shù)值表示的定量域R,U是R上的定性概念,若定量數(shù)值x∈R是定性概念U的一次隨機實現(xiàn),x對U的確定度CU(x)∈[0,1]是具有穩(wěn)定傾向的隨機數(shù),即:

CU(x)：R→[0,1]?x∈Rx→CU(x)

則x在R上的分布稱為云,記為drop(x,CU(x))P,每一個x稱為一個云滴[12].

云模型包括期望Ex、熵En和超熵He這3個數(shù)字特征.Ex表示該域內(nèi)云滴空間分布的期望,表示定性概念的點或?qū)υ摳拍钸M(jìn)行量化的最典型樣本;En能綜合測度定性概念的模糊度范圍和概率密度,反映定性概念的不確定性;He用于測量熵的不確定性,反映云滴在數(shù)域中的分散程度[12].

云發(fā)生器是計算云模型的具體算法,對于正常的云模型,有很多種云生成器.本文主要采用前向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器.

(1) 正向云發(fā)生器. 前向云生成器是從定性概念到定量值的映射.通過輸入云的3個數(shù)字特征(Ex,En,He)及想要產(chǎn)生的云滴的數(shù)量N,利用輸出的N個云滴的值形成云圖像[13].

具體算法如下:

通過云模型的數(shù)字特征(Ex,En,He)及生成的云滴數(shù)N,得出N個云滴與x確定CU(x),稱為drop(xi,CU(xi)).

(a) 生成一個期望值為En,方差為He的正態(tài)隨機數(shù)En′;

(b) 生成一個期望值為Ex,方差為En′的正態(tài)隨機數(shù)x(x是域內(nèi)的云滴);

(d) 重復(fù)上述步驟,直到產(chǎn)生N個云滴.

(2)x條件云發(fā)生器(Ex,En,He,x0,N). 在給定域的數(shù)域空間中,已知云的3個數(shù)字特征值(Ex,En,He),通過在域內(nèi)設(shè)置條件x=x0下實現(xiàn)的云發(fā)生器稱為條件云發(fā)生器[14].

其具體算法如下:

通過云模型的數(shù)字特征值(Ex,En,He),具體值x0和要生成的云滴數(shù)N,得出對應(yīng)特定值x0的N個云滴及其確定性.

(a) 生成一個期望值En,方差為He2的正態(tài)隨機數(shù)En′;

(c) 生成N個特定值x0對應(yīng)的云滴,即為drop(x0,CU(x)).

1.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)的方法.熵權(quán)法的基本思想是根據(jù)各變量的變異程度確定各變量的權(quán)重,然后通過修正得到相對客觀權(quán)重[15].其計算過程如下：

設(shè)由m個評價對象有n個相應(yīng)評價指標(biāo)構(gòu)成評價矩陣:

R(rij)m*n,i=1,2,…,m;j=i=1,2,…,n

計算各評價指標(biāo)的熵值Ej:

當(dāng)kij≤0時,

計算各指標(biāo)權(quán)重ωj:

2 裝配式建筑吊裝安全施工的風(fēng)險評估模型的構(gòu)建

2.1 評估指標(biāo)體系及評估模型

通過對相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)研究[16-22],構(gòu)建了裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系,如圖1所示.通過風(fēng)險識別、風(fēng)險分析及風(fēng)險應(yīng)對中的一系列風(fēng)險評估理論,構(gòu)建了裝配式建筑施工風(fēng)險評估模型,如圖2所示.

圖1 裝配式吊裝施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系Fig.1 Safety risk evaluation index system of assembly hoisting construction

圖2 裝配式建筑吊裝施工風(fēng)險評估模型Fig.2 Risk assessment model of assembly building hoisting construction

2.2 風(fēng)險接受標(biāo)準(zhǔn)

參照相關(guān)規(guī)范將裝配式建筑施工風(fēng)險等級分為四級,即為一級、二級、三級及四級,其中一級為極高風(fēng)險,二級為高風(fēng)險,三級為中風(fēng)險,四級為低風(fēng)險.其風(fēng)險接受標(biāo)準(zhǔn)見表1.

表1 風(fēng)險接受標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Risk acceptance criteria

2.3 評估指標(biāo)對應(yīng)不同風(fēng)險等級量化值

評估指標(biāo)對應(yīng)不同風(fēng)險等級的評估標(biāo)準(zhǔn).對于由模糊語言變量描述的離散指標(biāo),采用模糊區(qū)間數(shù)法賦值可以保留數(shù)據(jù)的模糊性.表2給出了不同風(fēng)險水平下每個指標(biāo)的模糊語言描述及量化值的處理結(jié)果.

表2 不同風(fēng)險水平下各評價指標(biāo)模糊語言描述及其量化值Table 2 Fuzzy language description and quantitative value of each evaluation index under different risk levels

續(xù)表2

2.4 風(fēng)險評估指標(biāo)的云模型

為了分析風(fēng)險的不確定性,該評價指標(biāo)將不同風(fēng)險等級的量化值處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)云模型的3個數(shù)字特征(Ex,En,He).3個數(shù)字特征的計算方法如下:

(1)

(2)

He=β

(3)

以機械設(shè)備安拆及定位技術(shù)Z24為例,利用式(1)～式(3)計算了不同等級Z24的云模型的數(shù)字特征.結(jié)果如下: 一級(0.05,0.1,0.005),二級(0.35,0.1,0.005),三級(0.7,0.117,0.005),四級(0.9,0.067,0.005).通過正向云發(fā)生器算法,利用Matlab軟件生成相應(yīng)的云模型圖,如圖3所示.

圖3 Z24不同風(fēng)險等級的云模型Fig.3 Cloud models of different risk levels in Z24

2.5 計算風(fēng)險水平的綜合確定性

通過實測及施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計和專家評估咨詢,得出評價裝配式建筑施工所需的各項評價指標(biāo)的實際數(shù)據(jù).再根據(jù)本文2.4的計算結(jié)果及本文1.1條件云發(fā)生器算法,得到各指標(biāo)實測數(shù)據(jù)的不同風(fēng)險等級的確定度μp,ij.

綜合確定性是用來表示測量數(shù)據(jù)的隸屬度.根據(jù)各指標(biāo)的實測數(shù)據(jù)對應(yīng)的各風(fēng)險等級μp,ij的確定度及評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的計算結(jié)果,利用加權(quán)求和法計算各風(fēng)險等級的綜合確定度Gp,i，其計算公式如下:

(4)

根據(jù)最大隸屬度原則,各風(fēng)險等級綜合確定度的計算結(jié)果的最大值對應(yīng)的風(fēng)險等級為裝配式建筑施工安全的風(fēng)險等級.

3 工程實例

3.1 工程概況

某裝配式項目位于合肥市肥東縣,總建筑面積約為48 641.74 m2,其中包含4棟高層住宅.住宅樓均采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu),其預(yù)制率約為47 %,其中1#樓1層以上,2#樓2層以上,3#樓、4#樓4層以上為預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu),其余部分均為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu).預(yù)制構(gòu)件有預(yù)制外墻板,預(yù)制內(nèi)墻板,預(yù)制陽臺板,預(yù)制樓梯,預(yù)制疊合樓板.

3.2 風(fēng)險評估指標(biāo)統(tǒng)計及權(quán)重計算結(jié)果

通過選取在建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理及質(zhì)量檢測單位等相關(guān)單位的5名安全管理人員對該項目設(shè)計方案、施工方案、施工資料及評價指標(biāo)的實際調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，得到的各風(fēng)險評估指標(biāo)實際數(shù)據(jù)和權(quán)重系數(shù)計算結(jié)果見表3.

表3 肥東縣裝配式建筑施工項目各風(fēng)險指標(biāo)數(shù)據(jù)計算結(jié)果Table 3 Calculation results of risk index data of prefabricated construction projects in Feidong county

3.3 指標(biāo)實際數(shù)據(jù)對應(yīng)風(fēng)險等級的確定程度

由式(1)～式(3)及表3分別可得到的各評估指標(biāo)的云模型數(shù)字特征和實際數(shù)據(jù)處理結(jié)果,再通過條件云發(fā)生器算法,可得出各評估指標(biāo)的實際數(shù)據(jù)對應(yīng)風(fēng)險等級的確定程度μp,ij.還是以機械設(shè)備安拆及定位技術(shù)Z24為例,其不同等級的云模型數(shù)字特征分別為:一級(0.05,0.1,0.005),二級(0.35,0.1,0.005),三級(0.7,0.117,0.005),四級(0.9,0.067,0.005).利用條件云發(fā)生器算法計算各指標(biāo)數(shù)據(jù),并通過Matlab軟件生成對應(yīng)的條件云模型圖,如圖4所示.Z24對應(yīng)的每個風(fēng)險等級的確定度μp,ij分別為:一級(0),二級(0.000 3),三級(0.895 8),四級(0.096 9).各風(fēng)險指標(biāo)實際數(shù)據(jù)對應(yīng)風(fēng)險等級的確定程度見表4.

圖4 Z24不同級別的條件云模型(x0=0.755)Fig.4 Z24 Conditional cloud models of different levels(x0=0.755)

表4 各風(fēng)險指標(biāo)實際數(shù)據(jù)對應(yīng)風(fēng)險等級的確定程度Table 4 Determination of the actual data of each risk index corresponding to the risk level

3.4 實例各風(fēng)險等級的綜合確定性計算結(jié)果

根據(jù)表3中各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)計算結(jié)果,結(jié)合表4中各指標(biāo)的風(fēng)險等級的確定程度,利用式(4)計算各指標(biāo)對應(yīng)風(fēng)險等級的綜合確定程度,其計算結(jié)果位于表4.

由最大隸屬度原則可知,各風(fēng)險等級綜合確定度的計算結(jié)果的最大值對應(yīng)的風(fēng)險等級為裝配式建筑施工安全的風(fēng)險等級.計算結(jié)果表明，該項目綜合確定度的最大值為0.658 0,即該裝配式建筑施工安全風(fēng)險等級為三級.再根據(jù)本文2.2風(fēng)險接受標(biāo)準(zhǔn),得出該裝配式建筑施工風(fēng)險是可能出現(xiàn)的,需要進(jìn)行風(fēng)險監(jiān)控,但一般不需要采取風(fēng)險管理措施.

4 結(jié)論

本文將云模型與熵權(quán)法相結(jié)合,對裝配式建筑施工安全風(fēng)險進(jìn)行了評估,現(xiàn)主要結(jié)論如下:

(1) 通過對裝配式建筑相關(guān)論文、規(guī)范及相關(guān)事故研究,從4個方面提出20個相應(yīng)的裝配式建筑施工安全評價指標(biāo),同時構(gòu)建了裝配式建筑施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系,為裝配式建筑施工風(fēng)險評價提供一種新的方法.

(2) 將云模型方法與熵權(quán)法相結(jié)合使用,通過給出各個指標(biāo)對應(yīng)的不同風(fēng)險等級的量化范圍,利用云模型有效地將裝配式建筑施工中安全風(fēng)險的模糊語言轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)值,實現(xiàn)了定性語言到定量數(shù)值的轉(zhuǎn)換,解決了定性語言的模糊性.同時利用熵權(quán)法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),有效地避免了專家賦權(quán)法的主觀性.再通過逆向云模型確定各風(fēng)險指標(biāo)綜合確定程度,以此達(dá)到對裝配式建筑施工安全的評價.

(3) 本文評估結(jié)果與施工現(xiàn)場評估風(fēng)險情況一致,表明將云模型與熵權(quán)法相結(jié)合能夠客觀、準(zhǔn)確地評估裝配式建筑施工的風(fēng)險水平.將其運用于裝配式建筑施工中,能夠為施工安全管理提供一定的參考.