装配式建筑施工系统脆弱性影响因素研究

杨慧迎，陈为公,2,*，高志国

(1.青岛理工大学 管理工程学院，青岛 266525；2.山东省高校智慧城市建设管理研究中心，青岛 266525)

现阶段，推动装配式建筑的可持续发展已成为我国加速建筑业转型升级的重要举措。与传统建筑相比，装配式建筑具有工期短、资源利用率高、绿色环保等优势，但因其高空作业多、吊装操作多等施工工艺的特殊性，在实际工程中暴露出较多安全隐患，对现场人员的生命安全造成严重威胁，使得装配式建筑的优势不能发挥到极致。装配式建筑施工系统作为一个开放的复杂系统，系统内外多方因素都会影响到其正常作业，但究其根本，是系统自身的脆弱性导致的。因此，准确地识别脆弱性影响因素，探究其相互作用关系，寻求降低系统脆弱性的有效途径，对科学地进行装配式建筑施工安全评价、有效提升其安全水平具有重要意义。

脆弱性起源于自然灾害学领域，其用来反映灾害发生时对系统产生不利影响的程度[1]。经过诸多专家学者的不断探索，其概念逐渐从“风险”“损失”的代名词发展成为研究系统安全的全新视角，成为系统产生风险、发生安全事故及表现出不可靠、不稳定性的本质原因。在隧道[2]、道路交通[3]、油气管网[4]等基础设施系统以及绿色建筑[5-6]、PPP项目[7]等领域得到广泛关注，对于开放、复杂的装配式建筑系统的研究却尚未涉及。目前，脆弱性影响因素作为进行脆弱性评估及控制应对的重要基础，其相关研究已有一定成果。如张蕾等[2]针对隧道施工安全管理问题，采用ISM方法剖析了脆弱性因素间的耦合关系，并构建了脆弱性评价的层级体系；在此基础上，段晓红等[3]将脆弱性因素间的耦合关系进一步划分为3种类型，通过构建N-K模型对体系中各层级脆弱性因素之间的耦合关系进行量化，最终获得影响道路交通系统脆弱性的关键耦合作用方式；尹洪英等[8]通过识别路网脆弱性的相关影响因素并分析因素间的关系，构建了影响路网脆弱性的因素递阶层次模型，提出了降低路网脆弱性的有效建议；李静茹等[9]在研究复杂的高速公路路段脆弱性影响因素时，采用ISM分析了各因素间的关系，将复杂的路段脆弱性影响因素转化为良好的层次结构，探索了导致路段脆弱性的深层因素和直接因素；孙剑等[10]运用Delphi法与ISM模型相结合，得到脆弱性影响因素递阶层次结构，为提升城市基础设施系统脆弱性提出了建议。

目前对于脆弱性影响因素的研究多采用ISM模型构建因素层级结构，该模型简单实用，取得了一定的效果。但是，部分研究都是从宏观角度对各因素间的关系进行梳理，未对因素本身的特征及其相互作用机理进行深入分析，导致其对策建议缺乏一定的针对性，实际工程指导性略显不足。鉴于此，本文将脆弱性概念引入事故多发的装配式建筑施工系统，通过因子分析等方法定量筛选出装配式建筑施工系统脆弱性影响因素，并采用ISM模型分析梳理各因素间关系的内在层次结构，在此基础上结合MICMAC模型将各脆弱性影响因素进行依赖性和驱动力分析，探究各因素的本质特征及其相互作用机理，以期为更加科学地评估装配式建筑施工脆弱性奠定基础，为降低施工系统脆弱性、提升安全水平提供更有针对性的对策建议。

1 脆弱性影响因素识别

脆弱性影响因素的识别是进行因素间相互关系分析的基础，本文以装配式建筑施工系统为研究对象，在综合考虑研究对象特点及方法适用性的基础上，将识别过程分“两步走”：一是基于文献研究并结合专家意见对装配式建筑施工脆弱性相关的全部影响因素进行初步识别；二是通过问卷调查和因子分析对影响因素进行筛选，提取关键影响因素，以保证识别的全面性和准确性。

1.1 确定脆弱性影响因素清单

考虑到装配式建筑施工工艺的特殊性以及系统脆弱性作为固有属性存在于施工作业的各个环节，将装配式建筑施工系统细分为构件生产、构件运输、现场存放、构件吊运、构件安装五个子系统。在此基础上进行相关文献检索，由于目前对装配式建筑施工脆弱性的研究尚未涉及，因此以“装配式建筑施工风险”“装配式建筑施工安全”等为关键词在Science Direct，Web of Science，CNKI等数据库进行检索，通过对检索出的142篇相关文献与本研究主题进行契合分析，筛选出28篇涉及影响因素的文献，随后对文献中涉及的影响因素进行总结，结合实际案例及专家咨询的方式对因素进行删减、合并，最终得到装配式建筑施工脆弱性影响因素初步识别清单，见表1。

表1 装配式建筑施工系统脆弱性影响因素清单

1.2 提取关键因素

1.2.1 问卷数据搜集

基于表1脆弱性影响因素清单，采用Likert Scale五点量表设计问卷，通过调查对象对问题陈述的回答准确地表明态度，将各因素对装配式建筑施工脆弱性的影响程度进行量化处理。调查问卷选用线上、线下两种方式同时进行，方式灵活，可迅速扩大范围。调查对象以从事装配式建筑现场施工人员、管理者以及相关研究人员为主，发放城市选取山东省内首批国家装配式建筑示范城，即济南、青岛、济宁、潍坊、烟台五个城市。本次调查共发放问卷500份，收回327份，通过对打分态度不严谨、评分结果规律明显等无效问卷的剔除，共筛选出有效问卷263份，有效回收率为80.43%。

1.2.2 信度、效度检验

采用Cronbachα系数进行信度分析，经SPSS 21.0软件计算得出问卷数据的Cronbachα系数为0.824，问卷具有较高的稳定性和可靠性。通过KMO值和Bartlett球形度进行效度分析，经SPSS 21.0软件统计分析后显示KMO值为0.792，介于0.7～0.8之间，指标变量适合进行因子分析，同时，sig为0.000，小于0.01显著性水平，单位矩阵和相关关系矩阵之间差距显著，问卷具有良好的效度。因此，本次问卷调查数据可信、有效，适合进一步的因子分析。

1.2.3 因子分析

考虑到各装配式建筑项目的实际需求不同，其具体施工工艺也会有所差异，因此可总结、提炼出导致各子系统脆弱性的共性因子，探究共性因子间相互作用关系，具体实践可根据共性因子所包含的具体因素进行更深入的探讨。因子分析即是一种从变量群中提取共性因子的统计方法，其本质就是通过少数几个因子去描述众多指标或因素之间的联系，通过把关联紧密的变量进行归类处理，将每一类变量命名为几个不同的公因子，以较少的几个公因子反映原始变量的大部分信息。通过因子分析，以特征值>1且累计方差贡献率≥80%为准则确定公因子。结合相关性系数矩阵可得出共有9个公因子的特征值大于1，说明这9个公因子影响力度均超过原有变量，且累计贡献率为86.98%，表明公因子能够基本反映原始变量的全部信息。在此基础上，为进一步明确公因子的实际含义，通过对因子的正交旋转处理将原解释方差和方差贡献率得到更加均匀的分配，缩小了各公因子所含因素的差距，其相关性系数矩阵见表2。根据进一步明确的方差结果提取公因子，并对其进行命名，见表3。

表2 方差解释

表3 公因子命名及方差解释

2 ISM模型构建

解释结构模型(Interpretative Structural Modeling, ISM)是1974年由WARFIELD教授开发的一种用于系统分析的结构化模型技术。其基本思路就是将复杂的系统分解成若干个系统要素的基础上，充分利用人们的知识与经验分析各因素两两之间的关系，通过计算机辅助处理，最终将复杂系统转化为一个多级分阶、具有良好结构关系的模型[16]。将其运用在本研究中，可通过层级图的方式直观地了解装配式建筑施工系统脆弱性影响因素间的因果层次、递阶结构。因此，为了更加清晰直观地描述系统内脆弱性影响因素间关系，本文借助ISM模型对装配式建筑施工脆弱性影响因素间关系进行探究。

2.1 脆弱性影响因素相互关系分析

装配式建筑施工系统是一个开放、动态的复杂系统，其脆弱性不是单一因素作用的结果，而是由多个相互影响、相互关联的影响因素共同作用导致的，因此，各脆弱性影响因素之间相互关系的确定是构建结构模型的首要前提。邀请6位从事装配式建筑相关研究的课题组专家组成本次研究的ISM小组，各位专家结合自身经验对9个关键影响因素的相互影响关系进行充分讨论，最终得到影响装配式建筑施工系统脆弱性的关键影响因素关联矩阵，见表4。

表4中，行元素用Fi表示，列元素用Fj表示，各因素间关系则可表示为：O即Fi与Fj互无影响；E即Fi与Fj相互影响；D表示Fi对Fj有影响，反之无影响；A表示Fj对Fi有影响，反之无影响。

表4 装配式建筑施工系统关键影响因素关联矩阵

2.2 邻接矩阵建立与可达矩阵计算

将表4关联矩阵进行量化，用“0”和“1”分别表示各因素间有无关系，即当Fi对因素Fj有影响时，aij=1；当Fi对因素Fj没有影响时，aij=0，i≠j。经过量化处理，关联矩阵就转化为一个9×9的邻接矩阵A：

可达矩阵是通过描述邻接矩阵中Fi与Fj是否存在影响，表明各因素间相互作用关系的路径。将邻接矩阵A与单位矩阵I9×9相加构成新的矩阵(A+I)，对(A+I)进行若干次布尔运算，直到(A+I)n-1≠(A+I)n=(A+I)n+1。借助MATLAB计算最终得到可达矩阵M：

2.3 可达矩阵分解

在可达矩阵的基础上，对其进行级间分解，以进一步了解各因素间影响路径。其基本思路为：首先通过梳理得到各因素的可达集P(Fi)={Fi|aij=1}与先行集Q(Fj)={Fj|aji=1},然后计算两集合的交集C(Fi)，当C(Fi)=P(Fi)时，表示从其他因素可以到达该因素，即可确定第一层级因素。将第一层级因素从可达集中去除，继续按照以上方式依次确定第二层级、第三层级等其他层级因素。第一层级因素分析见表5。

表5 第一层级因素分析

装配式建筑施工系统脆弱性影响因素经级间分解可得5个层级：第1层级为F1；第2层级为F2，F4，F7；第3层级为F3，F6，F8；第4层级为F5；第5层级为F9。

2.4 多层递阶结构图

在以上层级划分的基础上，将可达矩阵中的关键因素按照层级顺序重新排列，即可得到可达矩阵的标准形式M′：

标准形式M′中，对角线上的每一个单位矩阵分别对应一个层级。通过标准形式，可清晰地划分出各影响因素的层级关系及影响路径。如因素防护措施F2对应的列中值为1的因素均对其产生影响，而对应行中为1的因素F1则被其所影响，同理可得到其他因素间的影响路径。则可据此绘制出该系统脆弱性影响因素的多层级因素层递阶结构图，如图1所示。

根据图1可将5层关键脆弱性影响因素划分为三组，分别为：顶层因素、中层因素和底层因素。

图1 脆弱性影响因素递阶结构

顶层因素只包含操作缺陷F1一个因素，是最直观、最容易被发现的因素，此类因素的出现会直接作用于装配式建筑施工系统，改变系统脆弱性水平。

中层因素包含第2，3，4层级的因素，是承上启下的一组因素。此类因素推动直接因素的发展、变化，同时也受到深层因素的影响，但其对装配式建筑施工系统的影响必须通过直接因素才可发生作用，进而影响系统的脆弱性。根据上文分析可知，顶层和中层因素均来源于施工系统构件、设备、人员、管理等方面，是系统的内部因素，其相互作用共同构成了系统的固有脆弱性。

底层因素相关规章制度F9，是隐性、不容易感知的因素，属于外界干扰因素。此类因素只有通过直接或间接作用于其他因素才可影响系统的脆弱性，因其隐藏较深常常被忽视，但越是深层、不容易发现的因素越应得到重视。

3 MICMAC分析与对策建议

3.1 MICMAC分析

通过脆弱性影响因素递阶结构图初步确定了各因素之间的结构层次关系，在宏观上了解了各影响因素的层次排位，但对于具体实践意义的指向性略显微弱，无法提出针对性较强的对策建议，为此应在其基础上进一步分析，以期提供指向性更明确、针对性更强的应对措施。交叉影响矩阵相乘法(MICMAC)是通过应用矩阵相乘原理分析因素间相互关系的一种方法，其主要思路是通过计算各因素的驱动力值和依赖度，以此为依据绘制驱动力-依赖性分类图，从而更清晰直观地了解各因素特征[17]。该方法常用来识别系统中具有高度动力性和高度依赖性的变量，有助于探究各因素本质，进而结合其自身特点提出具有针对性的改进措施。

图2 影响因素依赖性-驱动力分布

表6 影响因素驱动力值、依赖度计算

经过MICMAC分析可将影响因素分为四类：

Ⅰ自发因素包括协调管理F3、构配件问题F4、专业技术水平F5、沟通配合F6、设备用具问题F7、准备工作F8，位于第一象限。此类因素兼具驱动力和依赖性，但程度均较低，作为关键的中间因素，对施工系统各脆弱性因素之间相互影响起到重要的承上启下的作用。因此，此类因素是装配式建筑施工系统中应首先进行控制的脆弱性影响因素。尤其是位于一二象限分界线上的协调管理F3和专业技术水平F5应重点关注，因为其驱动力相对较高，率先解决这两项因素更有助于其他因素的解决。

Ⅱ独立因素包括相关规章制度F9，位于第二象限。该类因素依赖度较低而驱动力较高，即其能够影响较多其他因素，而不易受其他因素的影响。因而可将其看作系统脆弱性的“源头”，较难对其进行间接控制，但若忽视此类因素，则可能导致一系列连环效应，其重要性不容小觑。

Ⅲ联动因素不包含任何因素，位于第三象限。此类因素具有较高的不稳定性，说明本研究中装配式建筑施工系统脆弱性的影响因素都处于相对可控的范围。

Ⅳ依赖因素包括操作缺陷F1和防护措施F2，位于第四象限。此类因素具有较高依赖性，是施工系统脆弱性最直接的影响因素，主要依靠其他因素的解决而逐渐完善。因此，可通过加强对自发因素的控制来解决该类因素。

3.2 对策建议

通过ISM-MICMAC模型分析可知，装配式建筑施工系统脆弱性影响因素间存在复杂的相互作用关系，且层次分明，特征清晰，对施工系统脆弱性有着不同程度的影响。因此，结合各因素本质特征，按照不同层级提出如下建议：

1) 斩草除根，深入落实“源头”问题。相关规章制度、法律法规是降低装配式建筑施工系统脆弱性的根本，一方面政府应尽快完善装配式建筑相关政策和规范标准，建立行业标准；另一方面各参与方应重视自身体系的规章制定，严格遵守行业标准要求，从根本上约束各方行为。只有政府和社会各参与方共同努力，防止独立因素产生一系列“蝴蝶效应”，才能降低外界对系统的干扰，提升系统稳定性。

2) 提升管理，着力解决间接因素。影响装配式建筑施工系统脆弱性的间接因素众多，关系复杂，应率先提升系统的协调管理水平。针对装配技术交底不到位等沟通配合不畅以及缺乏各专项预案等准备工作不当的问题，应加强系统内组织机构建设，提升管理人员素质，建立完善的管理体系。同时，更应注重构配件进出场的检查与保护，设备用具安全检查，保障硬件设施的正常使用，尤其是加强对防护措施的设置和监督，从而有效降低系统固有脆弱性，提升系统自身抵御能力。

3) 实时监管，持续控制表层因素。操作缺陷是导致装配式建筑施工脆弱性水平上升的最直接因素，运输车辆不规范驾驶、临时固定支撑系统不规范拆除等都将直接导致安全事故的产生。因此，应实时监控操作人员工作状态，防止出现纰漏。提升现场施工人员的专业技术水平，尤其是专项工艺操作技能，做好岗前培训教育、资格审查，增强装配式建筑施工系统的抵抗力。同时做好应急预案，以确保事故发生造成的损失最小化。

4 结论

1) 以装配式建筑整个施工系统为研究对象，结合问卷调查、因子分析等方法，对35个装配式建筑施工系统脆弱性影响因素进行筛选、总结归类，确定了9个公因子作为关键因素。综合运用ISM-MICMAC模型，根据各因素间相互作用关系，分别得到了装配式建筑施工系统脆弱性影响因素的递阶结构模型和驱动力-依赖性分布图，从宏观微观两个层面较为全面地分析了脆弱性影响因素，填补了现阶段装配式建筑施工系统脆弱性研究的空白。

2) 降低装配式建筑施工系统的脆弱性，不仅要实时关注施工人员是否存在操作缺陷的直接因素，更应注重解决完善且遵守规章制度的源头问题。从根本因素抓起，步步为营，全面增强施工系统自身的抵御能力，提升安全水平。

3) 在充分了解装配式建筑施工系统脆弱性影响因素的层级关系和本质特征的基础上，提出了有针对性的对策建议，以期能够降低装配式建筑施工系统脆弱性和事故发生率，为科学地进行装配式建筑施工安全评价、有效提升其安全水平奠定基础。