基于物元可拓理论的建筑施工安全风险评价

许芸芸

(唐山学院 土木工程学院，河北 唐山 063000)

0 引言

建筑行业是我国经济发展的重要支柱产业之一，改革开放40多年来为我国经济发展作出了重大贡献。目前建筑行业仍处于较快发展进程中，总体规模不断扩大。然而近些年来建筑施工生产事故频发，不仅造成了人员伤亡和财产损失，而且还对行业以及社会发展带来了不良影响。建筑施工过程复杂，影响因素众多，各系统立体交叉，且施工周期较长，其复杂性与多样性决定了建筑施工是一个高危行业。因此有必要对影响施工安全的各类风险因素进行辨识与评价，以便采取相应措施保证施工安全。

近些年来不少学者从不同角度对建筑施工过程中的风险识别与评价方法进行了研究。如Choudhry等[1]通过对建筑工地事故进行调查分析，研究发现人的不安全行为以及施工环境存在的风险是导致建筑施工过程事故发生的主要因素；施式亮等[2]研究了建筑施工过程中高处坠落事故的风险评价指标体系，分层确定了人员素质、环境条件、生产设备、安全管理4个一类因素和23个二类因素，构建了AHP-Fuzzy评价模型，并进行应用，证明了其可靠性与实用性；杜婷等[3]引入置信度参数对安全检查评分进行修正，运用层次分析法并结合Matlab软件确定评价指标的权重，构建了建筑项目施工安全模糊综合评价模型；黄雄飞等[4]建立了以安全制度管理、安全设备管理、安全技术管理、现场安全管理为准则层的指标体系，并通过G1赋权法确定指标权重，构建了建筑施工安全管理模糊综合评价模型，证明了模糊综合层次分析法对建筑施工安全评价的适用性；冯亚娟等[5]针对装配式建筑施工过程的复杂性，联合应用熵权(EW)法和集对分析(SPA)法，构建了基于EW-SPA的装配式建筑施工安全评价模型。

综上可以看出，各学者针对建筑施工安全风险评价进行了深入研究，但由于受风险的复杂性与评价方法的主观性影响，评价结果缺乏客观性，准确度也有待提高。物元可拓理论由我国蔡文[6]教授在1983年首次提出，并于1994年进行了较为系统的描述，其主要任务是研究物元关系与可拓性，然后采用定性定量结合的方式提供决策依据。目前，关于物元可拓理论的研究已经取得了不少成果[7-9]。本研究将物元可拓理论应用于建筑施工安全风险评价中，构建适用于建筑施工安全风险的评价指标体系，并选用操作简便、客观性良好的G1法确定指标权重，构建G1法-物元可拓理论综合评价模型，对建筑施工安全进行定性定量的风险评价，以提高建筑施工过程的安全性。

1 建筑施工安全风险评价指标体系

为建立科学、系统的建筑施工安全风险评价指标体系，通过查阅资料，分析建筑施工事故的影响因素，在初步筛选指标后，结合专家访谈，设计构建了多因素的建筑施工安全风险评价指标体系，见表1。指标体系中归纳了包括人员因素、技术因素、设备与材料因素、环境因素、管理因素5个一级指标，之后进一步对一级指标进行细致划分，归纳了15个二级指标，指标涵盖较为全面，具有可操作性。

表1 建筑施工安全风险评价指标体系

根据建筑施工领域法律法规，对建筑施工过程风险等级进行分级，共分为4级，依次为低风险、中等风险、高风险、极大风险，表示方式对应为U={U1，U2，U3，U4}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}，具体风险等级划分见表2。

表2 风险等级划分

2 G1法-物元可拓理论综合评价模型

2.1 物元可拓理论模型的建立

物元是描述事物的有序三元组，用R=(N，C，V)表示，其中N是事物名称，C是事物特征，V是事物特征的量值。

2.1.1 经典域与节域

(1)

式中，Nj表示待评对象的第j等级；Ci表示待评对象的特征指标；Vji表示各指标的量值范围，即经典域；aji表示对应指标特征的下限取值，bji表示上限取值。

(2)

式中，Np表示全部风险等级；Vpi表示Np对Ci的量值范围，即节域；api表示对应指标特征在全体等级的下限取值，bpi表示上限取值。

2.1.2 待评物元

(3)

式中，N0为待评物元；Ci表示待评物元的特征指标；Vi表示各指标的实际量值。

2.1.3 G1法确定权重

对于多指标的综合评价，目前应用较为广泛的是AHP法。然而AHP法却存在一些不足，例如实际操作复杂、在研究多指标问题时可能无法满足一致性检验等。G1法是东北大学郭亚军[10]教授基于AHP法改良提出的，它通过确定指标序关系并对其进行重要度赋值，确定权重。G1法的优点主要在于计算量较AHP法大大减少，并且无须构建判断矩阵和进行一致性检验，可操作性高。

2.1.3.1 确定序关系

若评价指标Xi在某评价准则下判定的重要程度大于(或不小于)Xj，则记Xi>Xj。

若评价指标X1，X2，…Xm相对于某评价准则的重要程度具有以下关系式，

Xi>Xj>…>Xk，i，j，…，k=1，2，…，m。

(4)

则称评价指标之间按“>”确定了序关系。

对于评价指标集{X1，X2，…Xm}，可按以下步骤建立序关系。

在评价指标集中选出认为最重要的一个指标，记为Xi；在剩余的m-1个指标中选出最重要的一个指标，记为Xj；依此方法，在余下的m-(k-1)个指标中选出最重要的一个指标，记为Xn；将最终剩余的指标记为Xk。通过该步骤可确定一个唯一的序关系。

2.1.3.2 确定邻近指标间的重要度

关于邻近指标间的重要度之比rk可以表示为：

rk=ωk-1/ωk，k=m，m-1，…，3，2。

(5)

式中，ωk为第k个指标的权重。

应用此式可以依次得出按序关系排列的各指标间的相对重要度。rk的取值参照表3。

表3 指标相对重要度

2.1.3.3 计算权重系数

由表3和式(5)可得：

rk-1≥rk，k=m，m-1，…，3，2。

(6)

(7)

ωk-1=rkωk，k=m，m-1，…，3，2。

(8)

2.1.4 计算关联度

引入经典数学中距的概念来定义点与区间的关系，构建关联度函数，计算指标关于各级风险的关联度Kj(vi)。设x0为实数域内任一点，x(a，b)为实数域内任一开、闭区间，则x0与区间x(a，b)的距可表达为：

(9)

关联度表达式为：

(10)

式中，Kj(vi)表示第i个指标关于第j风险等级的关联度；ρ(vi，Vij)为待评物元量值与经典域的距离；ρ(vi，Vpj)为待评物元量值与节域的距离。

2.2 风险等级的确定

各等级指标的关联度与其权重的乘积之和视为加权关联度，代表不同层次指标在各风险等级下的综合关联度，计算公式为：

(11)

式中，ωi为评价指标权重。

根据关联度最大原则，若Kj0=max{Kj(N0)}，则确定待评对象的风险等级为j0级。

3 实证研究

以河北省某建筑工程项目为例，运用本文构建的建筑施工安全风险评价指标体系与G1法-物元可拓理论综合评价模型进行风险分析。根据相关标准，邀请专家对评价指标体系的各指标实际状况进行打分，并取平均值，满分为100分。一级、二级各指标得分情况见表4。

表4 建筑施工安全风险指标得分情况及权重

3.1 确定经典域、节域与待评物元

根据表2对风险等级的划分，确定经典域、节域与待评物元。下面以人员因素为例进行介绍。

经典域如下：

(12)

(13)

(14)

(15)

节域如下：

(16)

待评物元如下：

(17)

3.2 G1法计算指标权重

结合资料与现场实际，对一级指标进行排序，得到其重要性排序，从大到小依次为人员因素、技术因素、设备与材料因素、管理因素、环境因素，记为X1，X2，X3，X4，X5。

对一级指标排序后，请专家根据表3对各邻近指标间的重要程度进行赋值，并取平均值，得到一级指标间的重要程度，对应的r={1.3，1.2，1.1，1.3}。依此类推，得到各二级指标间的重要程度。

根据式(7)、式(8)计算一、二级指标权重，结果见表4。

3.3 计算关联度

根据式(10)和式(11)计算指标风险关联度，结果见表5和表6。

表5 二级指标风险关联度

表6 一级指标风险关联度

3.4 确定风险等级

计算总目标关于各等级的关联度，分别得到：K1=-0.212，K2=0.048，K3=0.004，K4=-0.492。

由于max{Kj(N0)}=K2=0.048，因此可以得出结论：该建筑项目施工风险等级为Ⅱ级，与实际情况相符。在影响建筑施工安全的因素中，设备可靠性、设备维护与保养、材料质量、材料运输与堆放、施工现场环境各指标因素危险性较大，需要加强管理。

4 结论

(1)本文通过文献研究与专家论证，构建了多因素的建筑施工安全风险评价指标体系，其中包括5个一级指标和15个二级指标。

(2)将物元可拓理论应用于建筑施工安全风险评价中，构建了G1法-物元可拓理论综合评价模型，进行科学赋权与风险等级计算，最终得出的评价结果与实际情况相符，这表明该方法具有一定的可靠性，可为相关工程安全评价提供参考。