基于DEMATEL-ISM的高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险分析

黄建文，熊 鑫，陈 瑞，赵可欣，王 放，张迎锋

(1.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学水电工程施工与管理湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002；3.三峡大学科技学院，湖北 宜昌 443002；4.中国葛洲坝集团股份有限公司白鹤滩施工局，四川 凉山 615400)

0 引 言

高拱坝施工周期长，施工进度直接影响工程的建设工期及防洪发电效益。由于施工过程中受人为因素、浇筑机械、质量要求、自然条件、施工组织等众多因素的影响，各个因素之间相互作用且呈现出动态变化的特征，导致施工进度控制异常复杂[1]。尤其是在高拱坝混凝土初期浇筑阶段(即基础约束区施工)，该阶段备仓、混凝土生产、运输、卸料、浇筑等施工环节正处在磨合期，衔接度低，施工机械间的配合度不高，施工效率低下，加之混凝土基础块施工工序繁杂，单仓浇筑方量大，温度控制等质量要求严格，导致施工进度极其复杂且不确定性强。因此，研究高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险对于提升进度管理水平具有重要意义。

目前，在水利水电工程施工进度风险研究方面，马志峰[2]采用施工仿真方法分析了碾压混凝土坝进度偏差和进度趋势；钟登华[3- 4]基于堆石坝施工过程监控数据，对影响施工进度的因素进行了识别；黄建文[5]、张社荣[6]基于系统动力学和贝叶斯理论对地下洞室施工进度风险管理和预测进行研究；刘金飞[7]采用仿真分析技术对影响白鹤滩拱坝施工进度的关键因素和部位进行了识别。以上研究为水利水电工程施工进度风险分析提供了丰富的解决方法，但是涉及高拱坝混凝土初期浇筑阶段的施工进度风险研究较少，然而该阶段的施工进度风险极其复杂且不确定性强。因此，本文以初期混凝土浇筑阶段为研究对象，从备仓到混凝土运输、浇筑的过程中，通过风险识别建立高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度影响因素指标体系，针对因素间复杂作用关系，结合DEMATEL和ISM构建施工进度风险分析模型，明确风险因素属性，揭示各因素的作用程度，并成功识别出关键因素，探明复杂因素间内在联系和层次结构，为高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度管理提供重要的理论支撑和决策参考。

1 高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度影响因素指标体系的建立

确定风险因素指标体系是分析高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险的前提和基础。基于系统完整、层次分明、简明科学的原则[8]，结合文献[3,7,9-13]和实际工程中所面临的风险因素，采用定性分析，确定对高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险有极大参考价值的关键因素。最后，按照风险发生的起源将关键风险因素从人、机、物、环境和管理因素五个风险维度进行归类，建立高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险因素指标体系，具体如表1所示。

2 集成DEMATEL-ISM模型

2.1 模型介绍

决策试验与评价实验室(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)是通过目标因果关系图和矩阵运算相结合用于解决复杂系统中多因素间相互影响程度的一种方法[14]。解释结构模型(Interpretative Structural Modeling，ISM)是一种多层递阶结构模型，用于分析具有多种影响因素的复杂系统，帮助决策者明确各影响因素在系统中的地位[15]。高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度影响因素众多、关系复杂，本文利用DEMATEL法在区分因素属性、作用程度以及相互影响关系方面的优势，并在此基础上结合ISM对各影响因素进行层次划分，使因素间相互作用路径更加清晰，其具体步骤如图1所示。

表1 风险指标体系

图1 基于DEMATEI-ISM的高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险分析流程

2.2 DEMATEI-ISM法建模步骤

基于DEMATEI-ISM法的高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险分析建模步骤如下所示。

(1)确定高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险因素指标体系A={ai/i=1，2，…，15}。

(2)获得初始直接影响矩阵B=[bij]15×15并构建风险因素因果关系图。设定因素影响标度值0(无影响)、1(弱影响)、2(一般影响)、3(强影响)、4(很强影响)，根据行因素对列因素的影响程度进行打分(通常采用问卷调查的方式进行)，得到初始直接影响矩阵B，并利用系统动力学建立因果关系图。

(3)初始直接影响矩阵规范化。初始直接影响矩阵B=[bij]15×15通过行归一化得到标准化矩阵C=[cij]15×15，即

(1)

(4)计算综合影响矩阵T=[tij]15×15。确定各个风险因素对高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险体系中最高水平因素的综合影响，计算公式如下

(2)

式中，I为单位矩阵，由于Cij∈[0，1]，所以，当n→∞时，Cn-1→0，故有

T=C(I-C)-1

(3)

(5)计算因素的影响度ri和被影响度ej。ri越大表示因素ai对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，计算公式如下

(4)

(5)

(6)计算因素中心度mi和原因度ni。mi表示因素ai在所有因素中的重要程度；ni的正负将因素划分为两种属性因素，为正的因素为原因因素，为负的因素为结果因素，原因因素对其他因素产生影响，结果因素被其他因素影响。

mi=ri+ej，i=j

(6)

ni=ri-ej，i=j

(7)

(7)计算整体影响矩阵H=[hij]15×15。考虑DEMATEL法得到综合影响矩阵T的因素自身影响计算整体影响矩阵H=I+T。

(8)选取合理阈值λ和计算可达矩阵F=[fij]15×15。引入阈值λ是为了去掉系统中影响程度较小的值，使得系统层次划分更加清晰和直观。

(8)

式中，λ∈[0，1]；fij为节点i到节点j的关联值，fij=1表示节点i与节点j相关联。

(9)划分因素层级。对可达矩阵F进行式(9)的计算可以得到各因素的可达集合S(ai)、前因集合Q(ai)、最高级要素集合L(ai)，在得到3个集合的基础上，验证S(ai)=S(ai)∩Q(ai)是否成立，若成立划去因素ai所对应的行和列。重复以上步骤，直到所有的因素被划掉为止。

(9)

(10)构建多层递阶结构模型。首先，根据步骤(6)计算的中心度和原因度，绘制出各因素的原因结果图，并在此基础上根据步骤(9)的层次结构分析结果并结合因果关系图中的相互作用路径构建多层递阶结构模型。

3 实例分析

3.1 工程概况

我国西南地区某混凝土高拱坝坝高289 m，坝顶高程834m，混凝土浇筑方量约803万m3。大坝坝顶弧长约709 m，分30条横缝，共31个坝段，部分坝段的基础约束区划分见表2。该高拱坝所在地区为干热河谷，冬季干燥、风速大，夏季气温高、多雨，施工环境恶劣。基础约束区的施工过程中，单仓浇筑方量大、缆机运行效率低、各施工工序间相互干扰。

表2 坝段基础约束区划分

3.2 集成DEMATEL-ISM计算过程

通过初始直接影响矩阵B=[bij]15×15，运用系统动力学建立风险因素因果关系图，可直观反映出各风险因素间相互影响关系和作用路径。高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险因果关系如图2所示。

在标准化影响矩阵C的基础上利用MATLAB软件计算可得综合影响矩阵T，如下所示。对综合影响矩阵T进行步骤(5)、(6)的计算，计算结果见表3。

图2 高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险因素因果关系

表3 各因素DEMATEL分析结果

选取合理的阈值λ是构建可达矩阵F的关键，本文在高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险分析中对λ的取值进行多次检验，最后得出当λ=0.05时，因素间的逻辑关系及因素等级更加清晰明了，其对应的可达矩阵F如下所示。

在得出可达矩阵F的基础上，根据步骤(8)对可达矩阵F进行层次化处理，计算出可达集合S(ai)、前因集合Q(ai)、最高级要素集合L(ai)；再根据步骤(9)依次得出层次划分结果，即L1={a4，a7}；L2={a9，a12，a13，a14}；L3={a8，a11，a15}；L4={a3，a6}；L5={a2，a5}；L6={a1，a10}。

综上，在计算出的各因素DEMATEL分析结果中，可构建以中心度为横坐标，原因度为纵坐标的高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度因素的原因结果图，如图3所示。在此基础上，根据因素的层级划分结果，构建反映各层级间影响因素作用途径的多层递阶结构模型，如图4所示。

图3 高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度因素原因结果

图4 高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度因素多层递阶结构模型

3.3 模型结果分析

(1)从图3可知：高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度影响因素主要分布在第Ⅱ和第Ⅳ象限。第Ⅱ象限的因素中心度较低、原因度较高，属于易影响其他因素的“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和机械故障a23，这两个因素是引起施工进度风险比较关键的原因因素。第Ⅳ象限的因素中心度较高、原因度较低，属于易受其他因素影响的“结果型”因素。按照因素原因度的绝对值(即被影响度)排名，排名第一、第二且中心度靠前的是混凝土的生产及运输a31和缆机运行效率a21，这两个因素是直接导致施工进度风险的结果因素。

(2)由图4可知：各因素被划分为6个层级，位于第1层级的因素称为直接影响因素；第2、3、4、5层级的因素称为过渡影响因素；第6层级的因素称为基础影响因素。通过各层级因素间的作用路径，可知身体状况、气候因素(大风、暴雨、高温等)通过中间层级过渡影响因素的传导作用，多种途径影响到顶层直接影响因素，从而导致高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险的发生，其中一条重要的途径是“身体状况→工作态度→操作技能水平→机械故障→施工现场安全管理→混凝土的生产及运输”。

4 结 论

本文在构建高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险因素指标体系的基础上，将集成DEMATEL-ISM方法应用到高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险分析中，识别出7个原因因素，8个结果因素。其中，人员身体状况和气候因素是最本质的原因因素，位于多层递阶结构模型最底层，容易被忽略；操作技能水平和机械故障是最关键的原因因素，处于多层递阶结构图模型承上启下的中间层，对其他因素的影响程度大且与其他因素作用关系密切；混凝土的生产及运输和缆机运行效率是最直接的结果因素，位于多层递阶结构模型最顶层，受其他因素影响显著，对高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险有直接影响。

基于DEMATEL-ISM的高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险分析模型计算简便，实用性强，解决了复杂因素间相互作用程度定量计算的问题，并可清晰得出关键因素所处层级和作用路径，为高拱坝混凝土初期浇筑阶段施工进度风险分析提供了一种新的解决思路。