基于熵权-未确知测度理论的装配式建筑施工安全风险评估

李文龙，李慧民，孟 海 ,2 ，裴兴旺

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055; 2.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

随着建筑业的快速发展，建筑工业化进程在不断推进，各个地区的装配式建筑得到了长足的发展.对于传统的现浇式结构，具有良好的整体性能，但存在着施工工期长、费工费料、生产较难实现工业化、管理复杂等缺点.装配式建筑的出现大力改善了这一状况，装配式建筑结构中的梁、板、柱乃至楼梯、阳台等构件均能在工厂进行加工，实现完全的工业化生产，在施工现场进行拼装即可.

装配式建筑实现了设计标准化、制造工业化、安装机械化，具有建设速度快、施工时间短、节约劳动力、节约材料等优点，能最大限度地满足环保节能、绿色施工的要求.但装配式建筑施工过程的安全风险问题一直是建筑工业化进程中的亟待解决的重点问题.目前，国内专家学者对装配式建筑安全管理等方面进行了深入的研究，并取得了一系列的成果.吴凤平[1]等深入分析混凝土装配式住宅施工危险源及存在的安全问题，并提出一系列安全预防措施；黄桂林等[2]将可拓学理论运用于装配式住宅施工安全风险评价中，以评价装配式住宅施工过程中的安全风险状况；汤彦宁[3]通过运用系统动力学理论，对装配式结构住宅施工阶段安全风险进行评价；李高锋等[4]对装配式住宅施工安全影响因素及相应管理应对措施进行研究，并在工程实例中得以运用；李颖等[5]在施工危险源分析的基础上，对预制装配式建筑施工的安全和质量问题进行分析和评估；刘迪等[6]深入研究了装配式建筑施工各阶段存在的安全风险，并提出了影响装配式建筑安全管理的因素和“人、机、料、法、环”5个方面的控制措施；陈伟等[7]联合应用层次分析法及灰色聚类评价方法，对装配式建筑工程实际施工安全状态进行测评；罗杰等[8]通过从多个方面剖析装配式建筑施工安全管理的关键问题，以指导安全生产管理工作；杨爽[9]在事故致因理论、危险源辨识理论分析的基础上，研究了属性数学在装配式建筑施工安全评价中的应用；田黎[10]运用风险矩阵的评估方法和管理策略，在各种风险分析、识别、量测、评估的基础上建立了系统的风险管理体系；张文佳等[11]通过构建基于结构熵权-可信性测度理论的风险性评估模型，以掌握当前的不安全因素，从而展开安全预防及控制.上述学者虽然采用了不同方法对装配式建筑施工安全风险问题进行了大量研究，但由于影响装配式建筑的施工过程安全风险的因素众多，并且存在着诸多的复杂性和不确定性，装配式建筑施工安全风险的评估与管理还存在着不足，传统的评估体系难以得到满意的结果.

未确知信息及其数学处理理论是由我国学者王光远于1990年提出的一种新的不确定性信息理论[12].未确知测度理论能够处理多因素的不确定信息，已在多个领域得到广泛应用并取得良好效果[13-16].基于此，本文构建熵权-未确知测度理论的装配式建筑施工过程安全风险评估模型，以期为今后装配式建筑施工过程安全风险评估和管理提供了新的方法和思路.

1 基于熵权-未确知测度理论

设评估对象X={X1,X2,…,Xn}，评估指标集I={I1,I2,…,Im}；若xij表示第i个评估对象Xi关于第j个评估指标Ij的测量值，则有m维向量Xi={Xi1,Xi2,…,Xim}.设评估等级空间C={C1,C2,…,Cp}，第k个评估等级Ck为xij的等级值；设第k级比第k+1级安全风险高，记为Ck>Ck+1若C1>C2>…>Cp，或C1

1.1 确定单指标未确知测度矩阵

若μijk=μ(xij∈Ck)表示测量值xij属于第k个评估等级Ck的程度，且μ满足：

0≤μ(xij∈Ck)≤1
(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;k=1,2,…,p)

(1)

μ(xij∈U)=1
(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(2)

(3)

称式(1)为“非负有界性”，式(2)为“归一性”，式(3)为“可加性”.满足式(1)～式(3)的μ称为未确知测度，简称测度.

构造单指标测度函数μ(xij∈Ck)(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;k=1,2,…,p)求出评估对象Xi的各个指标测度值μijk，则称(μijk)m×p为单指标测度评估矩阵，即

(4)

1.2 熵权法确定指标权重

若在n个评估对象m个评估指标评估中，有p个评估等级，则第j个评估指标的熵Hj为

(5)

第j个评估指标的偏差度dj=1-Hj，第j个评估指标的熵权wj为

(6)

1.3 确定多指标未确知测度矩阵

(7)

1.4 置信度识别准则

为了得出最终评估结果，引入置信度识别准则.设λ为置信度(λ≥0.5，通常取λ=0.6或0. 7)，若C1>C2>L>Cp，且令

(8)

则认为评估对象的风险性等级为Cp0.

2 装配式建筑施工安全风险评估指标体系的建立

根据常见的施工安全风险因素，并结合装配式建筑施工的特点，在广泛调研和文献综述的基础上，将影响施工安全风险的因素分为五大类：人为风险因素，技术风险因素，物料、设备风险因素，管理风险因素，环境风险因素，将上述五大类因素进行深入分析、筛选得到次级因素.

人为风险因素：人是施工过程的直接参与者，作业人员的身体与心理状况、专业技术水平以及安全意识会对施工安全风险起着决定性的作用，因此发挥人的主导作用，提高人的活动能力，才能保证装配式建筑的施工安全.

技术风险因素：在装配式建筑施工中，施工技术与工艺与一般施工技术有很大差别，包括PC构件安装、吊装作业等都会存在极大地安全隐患，必须严把安全关.

物料、设备风险因素：物料设备对施工安全的影响主要体现在作业区域内PC构件的运输及堆放是否合理，机械设备是否定期检验及临时支撑的防护情况等.

管理风险因素：安全管理涉及的因素很多，包括建立健全安全生产责任制、监督使用安全防护措施、定期进行安全检查和安全隐患排查等，科学的安全管理也是保证装配式建筑施工安全的重要环节.

环境风险因素：施工现场环境也会对装配式建筑施工安全产生一定程度的影响，包括气候条件文明施工情况及安全防护状况等.

基于影响装配式建筑施工安全的因素，建立装配式建筑施工过程安全风险评估指标体系，一级指标即人为风险因素(I1)、技术风险因素(I2)、物料、设备风险因素(I3)、管理风险因素(I4)、环境风险因素(I5)，由一级指标经过细化、分析、整合，选取作业人员技术水平(I11)、作业人员安全意识(I12)、作业人员健康状况(I13)、作业人员安全防护佩戴情况(I14)、PC构件连接可靠程度(I21)、PC构件拼装定位准确程度(I22)、吊点设置合理程度(I23)、塔吊交叉作业干扰程度(I24)、其他技术复杂程度(I25)、时变结构的安全监测技术(I26)、作业区域PC构件堆放情况(I31)、机械设备定期检验情况(I32)、临时支撑及防护情况(I33)、安全防护措施使用情况(I41)、安全生产责任制落实情况(I42)、安全定期检查到位情况(I43)、安全风险管理及控制情况(I44)、作业区域气候条件(I51)、作业区域文明施工状况(I52)、四口、五临边防护状况(I53)作为二级评估指标，如图1所示.

图1 装配式建筑施工安全风险评估指标体系Fig.1 Construction safety risk assessment index system of prefabricated building

装配式建筑施工安全风险评估中，通过分级标准量化法将每个指标分为4个等级，将定性指标转化为半定量指标，每个等级评分标准见表1.

表1 安全风险分级标准Tab.1 Safety risk grading standards

根据上述有关单指标测度函数的定义和评估指标的评分标准，可构建装配式建施工安全风险评估指标的测度函数.本文所研究的未确知测度函数采用直线型，构造出的各单因素评估指标的未确知测度函数如下：

(9)

(10)

(11)

(12)

本文单因素指标测度函数，用图形来表示，即如图2所示.

图2 单因素指标测度函数Fig.2 Single factor index measurement function

3 工程实例分析

为验证模型的有效性和可行性，本文选用本人实际参与的某ZT装配式住宅为案例，进行未确知测度理论模型的运用和分析.通过邀请9位相关专家进行打分，并采取去头、去尾再均分的数据统计原则，最后得出各个评估指标的取值，见表2.

表2 某装配式住宅施工安全风险评估指标取值Tab.2 Construction safety risk assessment index value of prefabricated house

3.1 计算单指标未确知测度矩阵

根据单指标测度函数的定义和表1的分级标准，运用表2中的各个指标值带入图2构造的未确知测度函数，得到该装配式住宅楼的单指标未确知测度矩阵.

(13)

3.2 确定指标权重

根据熵权法的思路，由单指标测度矩阵中的数据计算各指标的权重为：w=(0.051，0.051，0.045，0.046，0.044，0.056，0.071，0.048，0.062，0.046，0.061，0.051，0.044，0.048，0.044，0.046，0.044，0.048，0.044，0.051).

3.3 计算多指标综合测度评估向量

根据单指标未确知测度矩阵和各指标权重，可得到该装配式建筑施工安全风险的多指标综合测度评估向量为

μ1×4={0.075，0.564，0.361，0.000}

(14)

3.4 置信度识别

取置信度λ= 0. 6，根据式(8)，结合已得到的多指标综合测度评估向量，当p0=2时，从小到大，0.075+0.564=0.639>0.6，即施工安全风险等级为II级；从大到小0.036 1+0.564=0.925>0.6，即施工安全风险等级为II级.综合两次结果，判定该装配式建筑施工安全风险评估等级为II级.

3.5 结果分析

由结果可知，该ZT装配式住宅施工过程安全风险评估等级为II级，即安全风险一般，处于可接受的状态.本文采用置信度识别准则，评估结果与实际情况吻合度较高，结果合理可信.

说明基于熵权-未确知测度理论可用于装配式建筑施工过程中的安全风险评估.

4 结论

(1)不同于一般现浇式建筑施工，装配式建筑施工安全的影响因素众多且具有复杂性和不确定性.本文选用涉及人，技术，物料、设备，管理，环境等方面的诸多因素作为评估指标，进行装配式建筑的施工过程安全风险评估.

(2)采用熵权法来确定各个评估指标的权重，充分利用了单指标未确知测度矩阵的数值，减少了很多主观因素对评估结果的影响，克服了传统方法确定权重的主观性、局限性问题，使评估结果更加客观科学.

(3)考虑到装配式建筑施工中的诸多不确定性，将未确知测度理论应用于装配式建筑施工安全风险评估中，建立了基于熵权-未确知测度理论的装配式建筑施工安全风险评估模型，并将其应用于工程项目，结果合理可信，能为有效进行装配式建筑施工安全风险评估提供了新的思路，并能为安全管理工作提供可靠依据.