基于组合赋权的混凝土泵送施工堵管风险模糊综合评价

鲁惠敏， 杜 婷， 王本武

(华中科技大学 土木工程与力学学院, 湖北 武汉 430074)

近年来我国高层建筑发展迅猛，混凝土泵送施工技术已成为混凝土运送的主要方式[1]，该技术大幅提高了混凝土浇筑的施工效率和施工速度[2]。由于泵送施工涉及到商品混凝土性能和运输及现场的一些技术和管理因素，泵送施工中堵管现象时有发生[3]。堵管显然会影响到现场施工进度，严重时会影响混凝土的浇筑质量甚至可能导致爆管，引发安全事故。而引发堵管的原因是多方面的，包括混凝土材料、泵送施工人员的操作水平以及现场管理水平、泵送管道布设安装、自然环境与现场环境等[4]。因此本文对混凝土泵送施工堵管的风险评价进行研究具有很重要的理论意义和工程应用价值。

1 泵送堵管风险评价体系

1.1 泵送堵管风险影响因素及评价指标体系

基于事故致因理论[5]和泵送施工流程，本文分别从操作人员、混凝土材料、机械设备及实施方案、泵送管道、施工管理、环境六个方面对混凝土泵送施工堵管的风险影响因素进行分析。

(1)操作人员因素

人的缺点是事故发生的最主要因素。泵送操作人员的生理、心理、专业技术水平、工作责任心都是影响混凝土泵送的重要因素，因此由人的因素引发堵管的主要因素包括：泵送操作人员身体状态，专业技能掌握程度，泵送速度、压力的选择，停机时间控制，余料量控制[6]。

(2)混凝土材料因素

混凝土组成材料、配合比和和易性是混凝土可泵性的重要指标，因此由材料引起堵管的主要因素包括：粗细骨料级配、粗骨料粒型、拌合物凝胶材料含量、外加剂的选择、混凝土现场坍落度、坍落度经时损失和泌水率。

(3)机械设备及施工方案

当混凝土泵送设备发生故障而中止泵送超过一定时间，混凝土泵车以及输送管道内残留的混凝土有可能会出现泌水离析甚至凝结的现象，这时很容易发生堵管。因此机械设备及施工方案中堵管的主要影响因素包括：机械设备的选配(混凝土泵的选配、混凝土泵车的选配、混凝土输送管的选配等)、泵送机械安全质量合格证、机械设备定期维护保养、混凝土泵送实施方案。

(4)泵送管道因素

混凝土泵送管道的布设、泵送管道的安装固定和密封、管道清洗和管道润滑是混凝土泵送施工堵管的主要风险源[7]。

(5)施工管理因素

施工现场若管理不到位，极易引发各类风险。因此施工管理导致堵管的因素有：泵送施工现场调度指挥、相关法规标准执行情况和堵管预防及处理对策等。

(6)环境因素

夏季高温、冬季低温会影响泵送混凝土的和易性从而影响混凝土泵送；此外，混凝土罐车从搅拌站运输到泵送现场需经过长距离运输，运输距离太长和运输时间太长混凝土有可能会产生离析，因此，由环境因素引发堵管的主要因素包括：夏季高温、冬季低温、施工现场及周边道路环境。

综合以上分析，可以得到混凝土泵送施工堵管风险评价指标体系如图1所示。

图1 混凝土泵送施工堵管风险评价指标体系

1.2 层次分析法确定评价指标的主观权重

(1)层次分析法简介

层次分析法的基本原理是先将研究问题系统化，再将系统层次化[8]。具体步骤为：1)模糊判断矩阵；2)一致性检验；3)计算权重。

(2)确定堵管风险指标的主观权重

本研究共邀请43位专家对评价指标的重要性进行打分，专家包括搅拌站技术人员14位，施工单位技术人员18位，相关行业研究学者11位。应用1～7标度法对图1中同一准则下指标的相对重要性进行赋值，这些赋值即为判断矩阵的元素，用MATLAB软件中编码程序对专家判断矩阵进行一致性检验和权重计算，MATLAB运算结果表明所有专家打分都通过了一致性检验。将专家打分计算得出的各指标权重取均值后得到指标主观权重向量。经计算的一级指标主观权重向量w′为：

w′=(0.0957,0.2765,0.1422,0.2946,0.1041,0.0869)；对应二级评价指标C1～C6的主观权重向量分别为w1′～w6′，其值为：

w1′=(0.0795,0.2067,0.3706,0.1908,0.1524)；

w2′=(0.2976,0.1307,0.2126,0.1385,0.0998,0.1208)；

w3′=(0.3848,0.1867,0.1642,0.2643)；

w4′=(0.3365,0.3159,0.1805,0.1671)；

w5′=(0.2621,0.3185,0.4194)；

w6′=(0.5190,0.2999,0.1811)。

1.3 熵权法确定评价指标的客观权重

(1)熵权法简介

熵权法的基本原理是信息熵理论，是一种通用的客观权重的计算方法。具体步骤如下[9]：

1)建立待评价矩阵

(1)

式中：m为风险评价指标的个数；n为对混凝土泵送施工堵管风险评价指标权重赋值的专家个数。

2)归一化矩阵

采用最大最小值法对评价矩阵进行归一化，组成归一化矩阵H，矩阵H中的元素hij为：

(2)

式中：hij为归一化之后的指标量。

3)计算各指标值的比重

计算归一化指标量hij组成的归一化矩阵H中各元素所占的比重，组成新的矩阵T，矩阵T中的元素tij为：

(3)

4)计算各评价指标的熵值ej

(4)

5)计算指标权重w

(5)

(2)确定堵管风险指标的客观权重

专家按照1～10分(1：极其不重要，10：极其重要；1～10分重要程度依次递增)打分标准对混凝土泵送施工堵管风险评价指标重要性进行赋值。依据上述43位专家对堵管指标客观权重的赋值，利用式(1)～(5)计算各指标客观权重向量。计算得到堵管风险一级评价指标客观权重向量w″为：

w″=(0.1046,0.2835,0.1192,0.2835,0.1046,0.1046)。

对应二级评价指标C1～C6的客观权重向量分别为w1″～w6″，其值为：

w1″=(0.0973,0.1110,0.2639,0.2639,0.2639)；

w2″=(0.1046,0.1192,0.2835,0.2835,0.1046,0.1046)；

w3″=(0.4747,0.1751,0.1751,0.1751)；

w4″=(0.25,0.25,0.25,0.25)；

w5″=(0.4221,0.4221,0.1558)；

w6″=(0.1988,0.5384,0.2628)。

1.4 堵管风险评价指标的综合权重

通过线性加权确定组合权重最重要的是分配系数的取值，本研究通过引入距离函数确定分配系数，克服了主观权重的主观随意性和客观权重的绝对客观性，数据可靠性较强[10]。距离函数的表达式为：

(6)

设组合权重为wi，组合权重值为两者的线性加权，其表达式为：

(7)

式中：α，β为权重分配系数，满足以下条件：

(8)

α+β=1

(9)

显然混凝土材料因素以及泵送管道因素权重相对较大。

W1=(0.0922,0.1391,0.2952,0.2424,0.2311)；

W2=(0.2875,0.1226,0.2627,0.1146,0.1032,0.1094)；

W3=(0.4483,0.1785,0.1719,0.2013)；

W4=(0.3568,0.3507,0.1482,0.1443)；

W5=(0.3751,0.3917,0.2332)；

W6=(0.2928,0.4683,0.2389)。

显然操作人员因素二级指标中泵送速度、泵送压力选择的权重最大；混凝土材料因素二级指标中现场坍落度和泌水率权重较大；机械设备及实施方案二级指标中机械设备选配的权重最大；泵送管道因素二级指标中管道的布置设计和管道的安装、固定、密封权重较大；施工管理因素二

级指标中相关法规标准执行情况权重最大；环境因素二级指标中冬季低温所占权重较大。

2 模糊综合评价模型

2.1 确定堵管风险评价标准集

采用风险矩阵法[11]作为混凝土泵送施工堵管风险评价标准，将混凝土泵送堵管风险量R定义为：

R=f(L,S)=LS

(10)

式中：L为泵送施工堵管事件发生的可能性大小；S为混凝土泵送施工堵管风险事件的发生对堵管风险的影响程度。

混凝土泵送堵管发生的可能性和后果见表1，通过式(10)可得出堵管风险量的大小。基于模糊综合评价法，将混凝土泵送施工堵管风险量等级划分为三个等级：V={低，中，高}，堵管风险等级划分和处理措施见表2。

表1 混凝土泵送施工堵管风险发生可能性和后果

表2 混凝土泵送施工堵管风险等级、接受准则和处理措施

2.2 确定风险等级的隶属度函数及模糊合成算子

(1)构建隶属度函数。

根据表1，2，采用专家打分法，设混凝土泵送施工堵管风险指标评分值为xij，xij∈[1,9]，为了方便研究，xij值取整数，指标越小越优型，利用距离来构造隶属度函数。堵管风险为低、中、高的隶属度函分别为i1(x)，i2(x)，i3(x)：

i1(x)

(11)

i2(x)

(12)

i3(x)

(13)

式中：s1=3，s2=6，s3=9。

(2)构造隶属度矩阵[12]。

根据隶属度函数构造的二级指标风险等级隶属度矩阵A1～A6分别如下：

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(3)选择合适的合成算子。

通过引入距离函数确定混凝土泵送施工堵管风险评价指标综合权重，然后通过合成算子M(·,⨁)将综合权重与不同风险等级的隶属度矩阵合成。

3 实证分析

3.1 项目概况

某在建住宅小区项目位于武汉市光谷广场附近，项目区域交通方便，但交通车流量极大。以13号楼为例，该栋建筑地上58层，高169.60 m，为剪力墙结构，混凝土的主要强度为C40，C50，C60，现场商品混凝土输送采用泵送方式。

3.2 气候条件

武汉市一般每年六月份会进入梅雨季节，常年雨量充沛。历史最高温为41.3 ℃，近年来夏季高温可达到40 ℃，冬季低温最低在零下10 ℃左右。

3.3 项目泵送施工堵管风险定量分析

(1)隶属度矩阵分析

邀请10位相关专家根据混凝土泵送施工堵管风险评价标准对该项目泵送施工堵管风险等级赋值，取10位专家的打分均值为综合评分，具体见表3。

表3 施工现场堵管风险评价专家赋分表

根据式(14)和专家综合评分，得到操作人员因素C1的风险隶属度矩阵A1：

从隶属度矩阵A1可以看出，泵送施工操作人员因素对混凝土泵送的影响很小，诱发堵管的概率极低，说明泵送操作人员的身体状态和工作状态良好。

根据式(15)和专家综合评分，得到混凝土材料因素C2的风险隶属度矩阵A2：

从矩阵A2可以发现混凝土现场坍落度、坍落度经时损失、泌水率等因素对混凝土泵送影响较大，因此现场在入泵前应实时测试混凝土坍落度，保证混凝土坍落度满足泵送要求；合理规划混凝土罐车运输路线，减少坍落度经时损失。

根据式(16)和专家综合评分，得到机械设备及实施方案因素C3的风险隶属度矩阵A3：

从矩阵A3可以看出，泵送机械安全质量、定期维护修养、混凝土泵送实施方案都满足要求。

根据式(17)和专家综合评分，得到泵送管道因素C4的隶属度矩阵A4：

从矩阵A4可以看出，管道的清洗、润滑等都满足泵送要求；但管道布置设计、管道安装、固定、密封等因素存在一定隐患，应予以增强和增加管道支撑点，并对泵送管道重点部位进行实时监测，采取措施预防和消除堵管隐患。

根据式(18)和专家综合评分，得到施工管理因素C5的风险隶属度矩阵A5：

从矩阵A5可以看出现场调度指挥人员工作负责，但现场堵管风险应对措施需进一步完善和到位。

根据式(19)和专家综合评分，得到环境因素C6的指标隶属度矩阵A6：

从矩阵A6可以看出，环境因素对混凝土泵送的影响较小，但仍需注意夏季高温和冬季低温混凝土浇筑问题，此外应尽量避开交通高峰期运输混凝土。

(2)模糊关系合成

选择合适的合成算子M(·,⨁)，将1.4中组合赋权法确定的权重和以上构建的隶属度矩阵合成，得到对应的模糊合成算子M如下：

M1=W1×A1=(1.0000,0,0)；

M2=W2×A2=(0.3328,0.6672,0)；

M3=W3×A3=(0.7042,0.2958,0)；

M4=W4×A4=(0.4713,0.5287,0)；

M5=W5×A5=(0.5016,0.4984,0)；

M6=W6×A6=(0.8914,0.1086,0)；

根据最大隶属度原则，该项目的堵管风险等级为I级，说明混凝土泵送施工堵管风险低，混凝土泵送施工正常。但仍应继续加强现场管理，定期对泵送现场安全和混凝土泵送各环节堵管的风险因素进行检查，制定混凝土堵管的预防方案和处理对策。

4 结 论

(1)基于事故致因理论和泵送施工工艺流程，从操作人员、混凝土材料、机械设备及实施方案、泵送管道、施工管理、环境等六个方面建立了混凝土泵送施工堵管风险评价指标体系；

(2)建立了混凝土泵送施工堵管风险模糊综合评价模型，根据最大隶属度原则确定泵送施工现场的堵管风险等级；

(3)结合工程实例，运用堵管风险模糊综合评价模型确定了项目混凝土泵送施工堵管风险等级，并提出了相应的堵管风险预防措施和处理对策。