基于优化AHP与物元可拓模型的高层建筑施工安全风险评价

谢尊贤， 徐 宝a， 骆信慧a， 姚 聪b

(1. 西安建筑科技大学 a. 管理学院； b. 公共管理学院； c. 高教研究所, 陕西 西安 710055)

随着我国城镇化建设步伐的不断加快，以及经济发展的转型和人口结构的变化[1]，城市土地资源变得越来越稀缺，高层、超高层建筑在各个城市的建设必不可少。但高层建筑在施工上具有高(楼层多而高，高处作业多)、长(工期紧周期长，跨越四季)、深(基础深，基坑支护和地基处理复杂)、大(工程量大，工序多，立体交叉作业多，垂直运输量大，配合复杂，施工准备工作量大)等显著特点，其施工安全问题突出，惨重的人员伤害甚至死亡事故频发。只有注重施工过程中的安全管理，辨识高层建筑施工过程中可能出现的重大危险源[2]，通过系统评价高层建筑施工的安全性，才能在建筑施工安全风险管理中做到防微杜渐，防患于未然，从而预防安全事故的发生。

建筑施工安全事故具有很大的偶然性和随机性，如何防范施工事故的发生，确保建筑施工安全的问题，一直以来是学者研究的热点。虽然学者们在高层建筑施工项目的安全风险评价上已有一定的研究，如：Ng等[3]提出了一个安全绩效评估体系，用来控制和监测施工企业的安全行为；田琼[4]结合 “根地·中山城” 工程项目实际情况建立指标体系，运用模糊层次分析法对其进行了安全评价；齐锡晶等[5]根据我国相关标准选取了16项安全风险因素，运用粗糙集理论进行了安全评价。但学者们目前就高层建筑施工安全风险评价研究的文献尚少。由于物元可拓模型[6～9]是定性与定量相结合的方法，可以将诸多因素的评价最终转化为单目标的决策，评价结果客观，避免了主观性，已被广泛成功应用于多个领域的安全评估。物元可拓模型权重的客观准确性对评价结果影响很大。层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是客观确定权重的常用方法之一，为使确定的指标权重客观准确，通常采取由若干评价专家组成专家组的方式确定权重，其核心是判断矩阵的构造及其特征向量的一致性检验，在应用中判断矩阵一般是采取由评价专家组共同商定或由专家组各成员独立构造后再求相应元素平均值的方式构造，但无论采用何种方式，若所构造的判断矩阵通不过一致性检验，则要重新构造，不便之处不言而喻。但在既有研究文献中，对于以此方式确定权重的表述，一般只有结果而无计算过程，究竟是如何确定的权重，不得而知，读者往往会产生不必要的疑虑和困惑。基于此，为提高AHP确定权重的科学性和客观性，本文优化AHP的权重计算方法，并将其与物元可拓模型有机结合构建高层建筑施工安全风险评价的优化AHP-物元可拓模型，进行高层建筑施工安全风险评价，提出相应安全管理措施，对于指导高层建筑安全施工，防范并减少施工安全事故的发生及AHP的广泛应用具有重要意义。

1 高层建筑施工安全风险评价指标体系构建及等级划分

1.1 施工安全风险评价指标体系构建

高层建筑施工安全风险评价指标体系构建是一项复杂的系统工程，本文本着科学、客观和系统的原则，结合高层建筑施工的特点，参考《建筑施工现场安全检查标准》、JGJ 592019《建筑施工安全检查标准》、《工程建设标准强制性条文》(房屋建筑部分)、GB 50352-2005《民用建筑设计通则》等文献资料，根据事故致因理论分析高层建筑施工安全事故的成因，并咨询听取专家意见，运用DEMATEL(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)方法分析遴选，从“人员 - 设备 - 环境 - 管理 - 技术”角度着手，系统构建了由人员因素、设施设备因素、环境因素、管理因素、方案及技术因素5个一级指标和施工安全管理岗位设置与专业人员配备等25个二级指标构成的高层建筑施工安全风险评价指标体系，见表1。

表1 高层建筑施工安全风险评价指标体系及某案例计算值

续表1

1.2 高层建筑施工安全风险等级划分

根据国家规定的《建筑施工现场安全检查标准》、JGJ 592019《建筑施工安全检查标准》，以及施工安全检查经验，并征求相关专家意见，将建筑施工的安全风险等级划分为安全、较安全、不安全、严重不安全4个等级，以U={u1,u2,u3,u4}表示高层建筑施工安全风险等级域，见表2。

表2 安全等级及对应分值

2 高层建筑施工安全风险物元多级可拓评价模型构建

2.1 物元构建及其经典域、节域、待评价物元确定

(1)构建物元

记以事物N、特征名称c和相应的量值v构成的有序三元组r=[N,c,v]为描述事物N的基本元(一维物元)，其中由c和v构成的二元组[c,v]为事物N的特征元。令R=[N,C,V]表示事物N具有多个特征元的多维参变量物元，其中特征C={c1,c2,…,cm}(m为N的特征数)，对应的量值V={v1,v2,…,vm}。

本文以高层建筑施工安全风险程度为事物N构建多维物元：R=[N,C,V]，C为高层建筑施工安全风险评价的指标集，V为C的量值。

(2)确定经典域Rg

令Rg为物元R的经典域，即：

(1)

式中：Ug为高层建筑施工安全风险等级域U中g安全级别(g=1,2,…,l)；Vg为评价指标集C关于安全等级Ug的量值范围；agi,bgi分别为指标ci在g安全等级的下限值和上限值。

(3)确定节域Ru

令Ru为物元R的节域，即：

(2)

式中：Vu为评价指标集C关于安全等级域U的量值范围；aui，bui分别表示指标ci在全部安全等级的下限值和上限值。

(4)确定待评价物元Ri

Ri为物元R的待评物元，即：

(3)

式中：ci为高层建筑施工安全风险程度的第i个待评价一级指标；Ci={ci1,ci2,…,cin}为ci的二级评价指标集，其中cij为ci的第j个二级待评价指标；vij为专家对于cij的评价赋值，Vi为专家对ci各二级评价指标评价赋值的集合。

2.2 AHP应用优化与指标权重确定

本文优化AHP计算评价指标权重的基本原理为：由专家组各成员独自构造评价指标判断矩阵并采用求根法求出其特征向量，再对其进行一致性检验，由此评判各专家在判断指标重要性时是否前后矛盾；凡通过一致性检验的专家所构造判断矩阵的特征向量即为其对各评价指标所赋的有效权重向量；对所有通过一致性检验的专家所赋的有效权重按指标分别进行算术平均后，即可得出专家组确定的各评价指标权重。

(1)构造判断矩阵与确定特征向量

1)构造判断矩阵A

专家组成员根据表3所示AHP的国际通用标度表取值，各自独立对高层建筑施工安全风险因素进行两两对比，分别构造判断矩阵A。

表3 AHP标度

A=(aij)mn

(4)

式中：aij为专家对指标因素i与j的对比结果。

2)将判断矩阵A按行求积后再求根得到向量V：

(5)

3)将向量V=[v1,v2,…,vm]T归一化处理得到判断矩阵A的特征向量W：

(6)

(2)对判断矩阵A进行一致性检验

1)计算判断矩阵A的最大特征值λmax：

(7)

式中：(AW)i为向量AW的第i个元素。

2)计算判断矩阵A的一致性指标CI：

(8)

3)计算随机一致性比率CR，并判断矩阵A的一致性。

(9)

式中：RI为平均随机一致性指标，见表4。

表4 平均随机一致性指标

若一致性比率CR小于0.1，则通过一致性检验，否则不然。

(3)确定评价指标权重

凡通过一致性检验者即为对评价指标有效赋权的专家，其所构造的判断矩阵A的特征向量W=[w1,w2,…,wm]为其对评价指标所赋的有效权重向量，而未通过一致性检验者为对评价指标无效赋权的专家。按评价指标分别计算出专家组中各有效赋权专家对相应指标所赋有效权重的算术平均值，即为专家组对各评价指标所赋的权重。

2.3 高层建筑施工安全风险多级可拓评价

(1)一级评价

1)计算二级评价指标关联度。关联度表示待评物元与经典域的贴近度，引入经典数学中距的概念，建立高层建筑施工安全风险评价的二级待评价指标cij关于施工安全风险等级Ug的关联函数，即可计算出一级指标ci的第j个二级指标关于安全风险等级Ug(g=1,2,…,l)的关联度Kg(cij)。

(10)

式中：ρ(vij,Vg)，ρ(vij,Vu)分别为vij到Vg，Vu的距，即：

若某二级指标为《建筑施工安全检查标准》规定的保证项目，且在评价时被评价专家一票否决，即赋以0分，则其关于各等级的关联度均为-1，超出了关联度的临界值，为存在有不允许的极端安全风险，应立即停工整改，无需继续进行评价工作。

(2)二级评价

1)计算一级评价指标关联度。高层建筑施工安全风险一级评价指标ci对各安全风险等级的关联度矩阵K(ci)由其各二级评价指标的权重向量Wi与二级评价指标对各安全风险等级的关联度矩阵K(cij)相乘而得。即：

K(ci)=WiK(cij)=(wij)(kg(cij))

=(wi1,wi2,…,win)·

=(kg(ci))

(11)

(3)三级评价

1)计算高层建筑施工安全综合关联度。高层建筑施工关于各安全风险等级的综合关联度K(c)由其各一级指标的权重向量W=(wi)与各一级指标对各安全风险等级的关联度矩阵K(ci)相乘确定。即：

K(c)=WK(ci)=(wi)(kg(ci))

=[w1,w2,…,wm]·

=(kg(c))

(12)

3 实证分析研究

以西安某高层建筑施工为例，应用本文构建的高层建筑施工安全风险评价指标体系和模型对该工程施工安全风险进行评价。邀请施工安全管理专家共10人，对高层建筑施工安全风险评价指标体系中各指标的实际安全状况采用10分制进行匿名量化赋分，并按指标分别求出的算数平均值，即为各二级评价指标的专家赋值，见表1。

3.1 经典域、节域及待评价物元确定

(1)确定经典域Rg

依据本文所建立的高层建筑施工安全风险等级域U和式(1)确定各等级的经典域Rg分别为：

(2)确定节域Ru

由式(2)确定节域Ru为：

(3)确定待评物元Ri

3.2 评价指标权重计算

(1)一级评价指标权重计算

由受邀的10位专家各自独立根据表3和式(4)对各一级风险指标进行两两比对，各自独立构造其判断矩阵从而求出高层建筑施工安全风险一级评价指标的权重。以专家1为例介绍专家赋权方法如下：

1)构造判断矩阵及确定其特征向量

①构造一级评价指标的判断矩阵A。该专家根据表3和式(4)所构造的判断矩阵A为：

②将判断矩阵A按行求积后再求根得到矩阵V。V=[3.4375 1.6438 1.0456 0.6683 0.2532]T。

③将向量V归一化处理得到判断矩阵A的特征向量W。W=[0.4877 0.2333 0.1483 0.0948 0.0359]T。

2)对判断矩阵A的一致性检验与权重确定

①计算A的最大特征值λmax：

由式(7)计算出判断矩阵A的最大特征值：

③计算随机一致性比率CR。由表4可查知随机一致性指标RI=1.12。由式(9)可求得：

因CR=0.0369<0.1，则专家1所构造的判断矩阵A通过一致性检验。

3)确定评价指标权重

因专家1所构造的判断矩阵A通过了一致性检验，故其对评价指标的赋权为有效赋权，其所构造的判断矩阵的特征向量W为其对该高层建筑施工安全风险一级评价指标所赋的权重，即：w11=0.4877，w12=0.2333，w13=0.1483，w14=0.0948，w15=0.0359。

同理，可计算出专家组中其他专家成员所构造判断矩阵的特征向量，其中所构造的判断矩阵通过一致性检验的专家有7位，其对各一级安全评价指标所赋权重见表5。

表5 各有效赋权专家所确定的权重

对上述7位专家所赋权重按指标分别算术平均，则可得出专家组对该高层建筑施工安全风险一级评价指标的权重为：w1=0.4329，w2=0.2777，w3=0.1449，w4=0.0793，w5=0.0651。

(2)二级评价指标权重计算

同理，由受邀的10位专家各自对该高层建筑施工安全风险评价的人员因素、设施设备因素、环境因素、方案及技术因素、管理因素等一级指标的各二级评价指标分别独立构造判断矩阵，并通过计算可得出各二级评价指标的权重见表1。

3.3 该高层建筑施工安全风险多级可拓评价

(1)一级评价

依次类推，可计算出c11关于其他各风险等级的关联度为：K2(c11)=-0.1296，K3(c11)=0.1750，K4(c11)=-0.4125。

同理，可计算出其它各二级指标关于各安全风险等级的关联度值，见表1。

(2)二级评价

以一级指标c1为例，介绍一级指标关联度计算方法。由式(11)确定其关于各风险等级的关联度值为：K(c1)=W1K(c1j)=(w1j)(kg(c1j))=[-0.2700 0.1720 -0.1604 -0.5802]。

同理，可分别计算出其它各一级指标关于各安全风险等级的关联度值为：

K(c2)=[-0.3293 0.0364 0.0112 -0.4944]，

K(c3)=[-0.3165 0.1040 -0.0429 -0.5215]，

K(c4)=[-0.3359 -0.0126 0.0187 -0.4900]，

K(c5)=[-0.2652 0.1627 -0.1626 -0.5813]。

(3)三级评价

根据式(12)确定该高层建筑施工安全风险针对各安全风险等级的综合关联度值为：K(c)=WK(ci)=(wi)(kg(ci))=[-0.2981 0.1092 -0.0816 -0.5407]。

3.4 评价结果分析及其整改建议措施

经评价得出该高层建筑施工的总体安全风险为2级，即属于“较安全”，但存在一定安全隐患。具体由二级评价结果来看，在5个一级评价指标中除方案及技术因素所处的安全风险等级为3级(不安全)外，其余各一级指标所处的安全风险等级均为2级(较安全)，这表明各一级评价指标均存在一定安全隐患。再由一级评价结果来看，除人员因素中的施工安全管理岗位设置与专业人员配备、作业人员的遵规守纪和特种作业人员持证上岗，设施设备风险因素中的“四口”等高处防护及隔离措施，环境因素中的作业环境情况，方案及技术因素中的起重吊装设备使用和高大模板工程与基坑支护等专项施工，以及管理因素中的施工安全管理制度和施工安全事故应急预案与演练等二级安全评价指标的安全风险等级为3级(不安全)外，其余各二级安全评价指标的安全风险等级为2级(较安全)。

根据评价结果及针对上述分析结果，为确保该工程项目的施工安全，做到防微杜渐，防患于未然，建议该高层建筑施工项目，在全面做好安全风险整改的同时，着重做好下述整改工作：(1)在人员因素方面，要加强施工安全管理人员配备并提升专业能力，加强对作业人员的遵规守纪教育，杜绝特种作业人员无证上岗情况的发生；(2)在设施设备风险因素方面，要严格做好“四口”等高处防护及隔离工作, 尤其是“四口”“五临边”的防护及其防护设施的制作必须按照规范要求实施，不应流于形式；(3)在环境因素方面，要进一步加大作业环境治理工作，对施工照明、临时设施标准化和职业卫生管控等诸多方面加强巡查，制定安全检查制度，将不定期检查、周检和月检相结合，及时公布检查结果和对不合理现象进行更改；(4)在方案及技术因素方面，要指派专人监守岗位并监护，禁止非作业人员入内，在吊装现场设置安全警戒标志，在进行高大模板专项施工时须重视施工现场扣件和脚手架钢管的安全使用，应重视模板支撑体系搭设的构造要求；(5)在管理因素方面，要进一步完善施工安全管理制度并严格贯彻执行，进一步完善施工安全事故应急预案，并加强应急演练工作。

4 结 论

(1)本文结合高层建筑施工实际情况，从人员、设备、环境、技术及管理角度着手，系统构建了由人员因素、设施设备因素、环境因素、方案及技术因素、管理因素5个一级指标和施工安全管理岗位设置与专业人员配备等25个二级指标构成的高层建筑施工安全风险评价指标体系。

(2)优化了AHP应用于权重计算的方法并与物元可拓模型有机结合，构建了高层建筑施工安全风险评价的优化AHP - 物元可拓模型。

(3)运用该指标体系和模型对西安某高层建筑施工工程项目安全风险评价的案例进行了实证研究，所得安全风险等级为2级(较安全)，与实际状况相符，验证了该指标体系和模型的可靠性和适用性。

(4)通过多级可拓评价为该高层建筑施工工程项目针对性地提出了进一步加强施工安全工作的整改建议措施。

(5)提出了将AHP应用于客观计算评价指标权重的优化方法，为AHP应用于计算评价指标权重提供了一种新的视角和手段：由专家组各成员独自构造评价指标判断矩阵，求出其特征向量，并对其进行一致性检验，由此评判各专家在判断指标重要性时是否前后矛盾；凡通过一致性检验的专家所构造判断矩阵的特征向量即为其对各评价指标所赋的有效权重向量；对所有通过一致性检验的专家所赋的有效权重按指标分别进行算术平均后，即可得出专家组确定的各评价指标权重。