0 引言

隨著各專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目的發(fā)展和施工技術(shù)能力的提升，注重施工效率和綠色可持續(xù)發(fā)展理論的深入，裝配式項(xiàng)目具有資源統(tǒng)籌管理使用、損耗低污染小、環(huán)境負(fù)荷低、施工速度快等有優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)普遍應(yīng)用于建筑工程、橋梁工程、水利工程等項(xiàng)目中。目前，裝配式建筑成為行業(yè)重點(diǎn)推廣的建造模型，但是推行和時(shí)間過程中，相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不夠規(guī)范，各施工企業(yè)施工水平參差不齊，使得施工中安全問題比較突出。為此許多技術(shù)人員針對裝配式施工項(xiàng)目開展了安全評(píng)價(jià)的研究，基于層次分析法（AHP）、樹狀分析法、G1-物元分析法等研究方法都為裝配式施工項(xiàng)目安全管理實(shí)踐提供了參考價(jià)值，但仍存在一些不足之處，例如未樣本數(shù)據(jù)不足、某些評(píng)價(jià)指標(biāo)不全面等問題。本文利用小樣本數(shù)據(jù)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對裝配式施工項(xiàng)目進(jìn)行安全因素篩選并對安全指標(biāo)分析，以此搭建安全評(píng)價(jià)體系框架的形成和完善。

1 BIM技術(shù)對裝配式施工安全評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)

1.1 BIM建模為裝配式施工項(xiàng)目搭建數(shù)據(jù)平臺(tái)

目前BIM技術(shù)的應(yīng)用趨于成熟，其參數(shù)化、可視化、可模擬性等特點(diǎn)能夠與小樣本項(xiàng)目相結(jié)合，通過BIM技術(shù)的參數(shù)化建模，并結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)研究，對裝配式建筑施工階段常見事故危險(xiǎn)源的識(shí)別，并通過BIM技術(shù)將分析信息共享的優(yōu)勢應(yīng)用于裝配式建筑的施工安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域。（圖1）

圖1 基于BIM模型的小樣本提取出可用信息數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

通過BIM技術(shù)建模，在設(shè)計(jì)過程中，將各類預(yù)制構(gòu)件及所有需要預(yù)留的埋件集中通過三維模型展示，可以很立體地觀察出預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件的位置關(guān)系及預(yù)留埋件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)及預(yù)制構(gòu)件的關(guān)系，很大程度上減少了生產(chǎn)和施工過程中出現(xiàn)的問題。

1.2 BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式施工中安全管控優(yōu)勢凸顯

在BIM數(shù)字模型技術(shù)應(yīng)用在施工項(xiàng)目的今天，已經(jīng)克服了傳統(tǒng)紙質(zhì)載體對施工造成的不準(zhǔn)確、不清晰和不可控等影響，逐步實(shí)現(xiàn)了施工前期可視，施工過程可控，施工后期可查等優(yōu)勢。借助BIM技術(shù)的三維模型，能夠在未開始施工前就將建設(shè)計(jì)信息、建筑構(gòu)造信息、建筑施工需求等以三維直觀的形式展現(xiàn)，給施工技術(shù)人員提供模型施工的平臺(tái)，對潛在的安全隱患和施工技術(shù)的應(yīng)提供可視化的判斷。同時(shí)，BIM三維模型還可以模擬動(dòng)態(tài)施工過程，為現(xiàn)在施工的管控和技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估提供參考。隨后，BIM模型可以準(zhǔn)確地提供局部節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的詳細(xì)技術(shù)信息，為施工后項(xiàng)目的驗(yàn)收和評(píng)測提供技術(shù)的參考。BIM技術(shù)的應(yīng)用使得建筑信息的展示和傳遞更加清晰和明確，給施工技術(shù)人員提供了避免安全風(fēng)險(xiǎn)因素的預(yù)判和評(píng)估，特別是講究準(zhǔn)確、穩(wěn)定、安全的裝配式施工項(xiàng)目，BIM技術(shù)的引入更是凸顯了其優(yōu)勢，為裝配式施工項(xiàng)目提質(zhì)增優(yōu)提供重要幫助。

2 小樣本數(shù)據(jù)的理論基礎(chǔ)

2.1 小樣本問題的定義

在工程實(shí)踐中，我們通常把小樣本問題的閾值n定義為小于30。裝配式建筑的施工安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域中，廣泛存在著典型負(fù)類樣本不足的問題。負(fù)類樣本大多偶然發(fā)生，例如“從高處墜下”、“打落下的材料”、“基坑崩塌”、“吊機(jī)使用失誤”、“觸電”等事件，要在事故發(fā)生現(xiàn)場實(shí)地采集樣本數(shù)據(jù)是不太可能實(shí)現(xiàn)的，因此此類事件歸類于小樣本問題。

2.2 小樣本評(píng)價(jià)方法思想

基于當(dāng)前總體分布信息、樣本分布信息和先驗(yàn)分布信息三種形式，歸類出兩種信息分布形式：先驗(yàn)分布和后驗(yàn)分布。設(shè)定未知變量β為隨機(jī)變量，并將先驗(yàn)分布用一個(gè)概率分布描述；確定樣本指標(biāo)后，利用公式將總體分布信息、樣本分布信息、先驗(yàn)分布信息匯總成后驗(yàn)分布，形成新的β分布。根據(jù)后驗(yàn)分布信息，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和估計(jì)分析，可總結(jié)出Bayes公式并用于解決樣本取樣不足而必須進(jìn)行研究的項(xiàng)目分析。

假設(shè)裝配式施工安全等級(jí)類別V＝（Φ1，Φ2，…，Φn）T是n元總體（n＞2，本文n＝4），其中樣本Φ＝（?1，?2，…，?n）T。令μi＝E（Φi）則總體V均值向量和協(xié)方差矩陣分別為μ＝（μ1，μ2，…，μn）TΣ＝Cov（V）＞0，樣本Φ來自裝配式施工安全等級(jí)類別V的先驗(yàn)概率為m且滿足m＝m1＋m2＋…＋mn＝1。則樣本Φ與裝配式施工安全等級(jí)類別V之間的Mahalanobis距離平方是：

隨機(jī)選取1樣本Φ到總體Vi和Vj的Mahalanobis距離平方差為：

設(shè)要判別K類風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其BDA判別方程為：

式（3）中c為BDA判別系數(shù)pK為已知各裝配式施工安全等級(jí)的先驗(yàn)分布概率（k＝1，2，…，K）。

令各裝配式施工安全等級(jí)類別V的概率密度函數(shù)為[1]：

其中μ、Σ為裝配式施工安全等級(jí)類別的均值向量和協(xié)方差矩陣；│Σ│為Σ的行列式i＝12…k。

計(jì)算各裝配式施工安全等級(jí)類別的概率密度函數(shù)在?處的函數(shù)值，其Bayes判別準(zhǔn)則為[1]：將個(gè)體判為Yk值中最大的類；計(jì)算個(gè)體各危險(xiǎn)性類別的后驗(yàn)概率判為概率最大類。若先驗(yàn)分布概率未知，可用如下2種方式確定：

①令r1＝r2＝…＝rk＝1/k；

②r1，r2，…，rk按訓(xùn)練集的樣本比例匹配，有：ri＝ni/n（i＝1，2，…，k）。

此外，為檢驗(yàn)Bayes準(zhǔn)則的優(yōu)良性，用回代估計(jì)法來計(jì)算裝配式施工安全等級(jí)誤判率pr[2]。

3 裝配式施工項(xiàng)目的安全評(píng)價(jià)小樣本判別模型及應(yīng)用

3.1 確定裝配式施工項(xiàng)目安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前，建設(shè)部頒布的《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51129-2017）中對裝配式建筑的范圍、裝配率、技術(shù)要求、裝配等級(jí)的判斷等提出了指導(dǎo)意見。但是，對于裝配式建筑的施工安全控制沒有提出具體的實(shí)施細(xì)則，許多地區(qū)也沒有出臺(tái)相關(guān)的施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，這就使得許多裝配式施工項(xiàng)目具體實(shí)施過程中安全評(píng)價(jià)得不到有效的控制，因此，結(jié)合實(shí)際施工項(xiàng)目確定安全評(píng)價(jià)指標(biāo)是關(guān)鍵。首先對選取的三個(gè)裝樣本項(xiàng)目進(jìn)行BIM建模，依托RevitArchitecture2013為軟件平臺(tái)，將工程項(xiàng)目建立成三維模型，然后將項(xiàng)目生產(chǎn)設(shè)計(jì)、算法集合和構(gòu)件相關(guān)性組建成模型，將墻、門、柱、屋頂?shù)茸鳛榻ㄖ?gòu)件圖元。同一構(gòu)件的不同類型通過參數(shù)表示出來，這些構(gòu)件存在關(guān)聯(lián)性，模型一旦建立，通過參數(shù)的輸入和調(diào)節(jié)，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)完成復(fù)雜的運(yùn)算，并實(shí)時(shí)輸出設(shè)計(jì)成果。通過清晰直觀的三維模型，篩分出可能存在的風(fēng)險(xiǎn)源為18個(gè)，并根據(jù)其發(fā)生的時(shí)間、發(fā)生的位置和發(fā)生的原因進(jìn)行分類，可分為人為可控因素和人為不可控因素兩大類，并按照其對施工安全影響程度劃分為人員素質(zhì)、工藝設(shè)備及技術(shù)、安全管理、環(huán)境干擾等四個(gè)控制維度。根據(jù)裝配式建筑的特點(diǎn)，并參考相關(guān)裝配式建筑安全評(píng)判指標(biāo)體系研究[2-7]提取23項(xiàng)安全因素作為裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子，見表1。因采集源數(shù)據(jù)各單位不一致，為消除量綱差異，所有指標(biāo)均歸一化到[0，1]取值范圍上。另將其危險(xiǎn)性劃分成極高V1、較高V2、一般V3和較低V4等4個(gè)類別。

表1 裝配式建筑施工安全評(píng)判體系

3.2 構(gòu)造樣本集并建立BDA模型

本文采用11組裝配式施工安全標(biāo)準(zhǔn)化自評(píng)和正式評(píng)估數(shù)據(jù)為例，將樣本集分成兩部分，一部分（前8組）作為BDA模型訓(xùn)練樣本集，其余3組作為檢驗(yàn)集。各評(píng)價(jià)參量數(shù)據(jù)描述及可視化見表2。因訓(xùn)練集中有4個(gè)類別，則中間層為4個(gè)對應(yīng)的Bayes判別函數(shù)，輸出層為風(fēng)險(xiǎn)水平V1、V2、V3、V4。因各類別先驗(yàn)分布概率未知故其先驗(yàn)概率按樣本比例分布計(jì)算，即r1=6/18，r2=5/18，r3=5/18，r4=2/18，令4個(gè)總體的協(xié)方差相等，即∑1=∑2=∑3=∑4=∑。根據(jù)Bayes判別理論進(jìn)行學(xué)習(xí)遞推而求其判別函數(shù)及后驗(yàn)概率等，進(jìn)而對各個(gè)樣本進(jìn)行歸類判別。

表2 各評(píng)價(jià)參量數(shù)據(jù)描述評(píng)價(jià)參量最小值最大值均值標(biāo)準(zhǔn)差

3.3 BDA模型的檢驗(yàn)與應(yīng)用

根據(jù)小樣本數(shù)據(jù)理論分析，目標(biāo)指標(biāo)具備的樣本共性特點(diǎn)，最終確定的指標(biāo)體系可應(yīng)用到所選取案例作為裝配式建筑樣本，并進(jìn)行驗(yàn)證分析。

誤判率估計(jì)方法有：利用樣本集作檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)判的頻率；將樣本集分成兩部分：一部分作為訓(xùn)練樣本，另一部分作為測試樣本回代估計(jì)錯(cuò)判率；用交叉確認(rèn)方法作檢驗(yàn)逐個(gè)判別再估計(jì)錯(cuò)判率。本文利用回代估計(jì)[1]對訓(xùn)練樣本（1～8）檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表3，得回判估計(jì)[1]誤判率pr為0，可見BDA判別效率高，即認(rèn)為所建立的裝配式施工安全評(píng)價(jià)的Bayes模型穩(wěn)健可靠。

根據(jù)建立好的BDA模型對測試集樣本9～11進(jìn)行預(yù)測，將檢測數(shù)據(jù)分別代入Bayes準(zhǔn)則進(jìn)行一一識(shí)別，以最大后驗(yàn)概率值對應(yīng)的裝配式施工安全類別作為此樣本所歸屬的類別，其最終判別結(jié)果見表3?？梢娮R(shí)別結(jié)果與實(shí)際情況相符。

表3 BDA模型評(píng)價(jià)結(jié)果及對比

4 結(jié)語

本文探討了在小樣本數(shù)據(jù)條件下結(jié)合BIM技術(shù)應(yīng)用的裝配式建筑施工項(xiàng)目的安全評(píng)價(jià)方法，借助Bayes判別明顯的統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢將，Bayes判別分析法應(yīng)用到裝配式施工安全評(píng)價(jià)與預(yù)警中，以定量分析的方法，選取23項(xiàng)安全因素作為評(píng)定指標(biāo)，訓(xùn)練和檢驗(yàn)8組學(xué)習(xí)樣本集的裝配式建筑的特征參數(shù)值獲取裝配式建筑施工安全的BDA模型，并以其余3組測試集樣本測試該模型。實(shí)際情況與測試結(jié)果一致。研究結(jié)果表明，在小樣本數(shù)據(jù)條件下利用Bayes模型評(píng)估裝配式施工安全可靠且有效為裝配式施工安全評(píng)價(jià)與預(yù)警另辟蹊徑。