基于TOPSIS-GRA法的装配式混凝土建筑施工质量风险评价

刘青云，周盛世，李 梦

(1.青岛理工大学 管理工程学院，青岛 266525；2.山东碧桂园房地产开发有限公司，济南 250100)

装配式混凝土建筑采用的是正规化设计、机械化生产和装配化施工，其受气候条件的制约比较小，建造速度快、节约劳动力、节省资源、改善生态环境[1]。但是与其相关的建筑市场在我国刚兴起，施工技术缺乏系统性、整体性，难以满足施工质量要求，预制构件在运输及吊装过程中，容易出现板面龟裂、转角板折断、预制构件连接不到位、预埋件遗漏、节点拥堵等施工质量问题[2]。为了促进行业的良性发展，有必要加快相关产业基地和示范工程的建设，提升装配率，提高预制构件制作水平，创新施工组织方式，推行绿色施工。

装配式混凝土建筑存在的施工质量问题所造成的风险制约了装配式建筑的快速发展，其风险评价已成为业内关注的重点。曹江红等[3]构建了一种基于BIM技术的建筑质量测验方法进行相关的质量检验。其主要是针对建筑物具体施工中不同质量检验阶段的实际情况而创建的，具有较强的实用性。桑培东等[4]从建筑市场、信息技术、管理水平、风险等方面分析了装配式工程建设中的质量问题，提出了企业应该通过建立完整的结构体系加强预制构件的质量检查，降低建设施工中质量风险。曹新颖等[5]将BIM-RFID技术引入质量管理，明确当前装配式材料对施工的影响。齐宝库等[6]从施工准备、施工、竣工验收3个阶段分析了装配式建筑施工质量的影响因素，采用AHP模糊综合评价法对建筑施工质量风险进行评价。刘杏红等[7]运用TQM概念来分析装配式建筑的人员、机器、材料、方法和环境等因素，为防范建筑风险提供了理论支持。

综合以上的研究成果发现：装配式混凝土建筑存在着施工质量问题，现有的风险评价指标体系不是很全面，因此为了更好地评估装配式混凝土建筑施工质量风险，建立一套适用性强、便于操作的评价指标体系很有必要。本文结合相关建筑施工现场存在的风险问题确立指标体系，选取更加全面、灵活的熵值法(Entropy)、逼近理想值测序法(TOPSIS)和灰色关联方法(GRA)的组合进行风险评价指标研究。采用熵值法分析影响因素，处理指标的相关计算问题，确立指标的权重。再运用TOPSIS-GRA方法进行风险指标评价。结合某居民楼项目对存在的施工质量风险指标进行分析，确定其影响程度，以期为防范建筑施工质量风险提供参考。

1 装配式混凝土建筑施工质量风险评价指标的确立

从人员-材料-管理-环境4个维度来分析装配式混凝土建筑施工质量风险影响因素，并结合其施工的特点，在专家咨询和文献综述的基础上，得出影响其施工质量的风险：作业区域文明施工状况、安装过程临边作业防护状况、自然环境变化、恶劣天气和照明情况等重要的外部风险；从业人员的健康状况、施工人员的技术水平、质量以及安全管理、预制(PC)构件的精度等主要的内部风险。基于以上装配式混凝土建筑施工质量的影响因素和相关文献的总结，将风险评价指标归结为4个方面：建筑人员风险、建筑材料风险、建筑管理风险、建筑环境风险，再进一步分解4个一级指标，可以得16个子指标，见表1。

表1 装配式混凝土建筑施工质量风险评价指标及权重

2 装配式混凝土建筑施工质量风险测评模型建立

装配式混凝土建筑项目能否顺利推进受多种复杂因素的影响，传统的指标权重测定和指标评价方法往往假设指标因素之间是相互独立的，容易受到专家主观偏好的干扰，在反映数据变异方面准确程度比较低，体现数据之间的相关性方面不够合理，各要素之间的层次关系和依赖关系不明确，不同层级指标之间的关联度不够。为了达到更好的加权效果，体现指标之间的逻辑关系，采用熵值法确定指标的客观权重，结合TOPSIS-GRA法评价装配式混凝土建筑施工质量风险，使得评价结果更加地具有实际意义。

2.1 Entropy确定指标权重

假设评价对象有m个评测指标和n个评价指标，则可以创建以下决策矩阵：

(1)

为了消除由于不同指标引起的量纲变化，并实现指标的趋势变化，使用极差法将各项指标xij转化为无单位的相对值rij，同时将数值大小规范在[0,1]范围内：

(2)

式中：xij为第i个评测对象的第j个指标数值，i=1,2,…,n。

第j个指标的标准归一化熵权wj为

(3)

2.2 基于TOPSIS-GRA法装配式混凝土建筑施工质量风险评价

找出有限个方案的正负理想值。所谓的正理想值就是最优解，每个属性值在候选方案中达到最佳值，负理想值是最差解。然后计算每个方案与最优解和最差解之间的欧几里得距离，最后将TOPSIS法中的欧几里得距离和GRA法的正负关联度用一个偏好系数进行组合得到一个综合评分。

1) 构建初始决策矩阵。假设存在m个评测方案，n个评价指标，则候选集是Y={Y1,Y2,…,Ym}，指标集为X={X1,X2,…,Xn}。因此，初始决策矩阵R为

(4)

2) 构建加权标准化矩阵。为了避免认识上的模糊性对指标之间的关系产生不必要的影响，由式 (3) 得到的评价指标权重向量wj={w1,w2,…,wn} 代入到归一化后的决策矩阵中[18]，构造加权决策矩阵Z。

(5)

3) 计算加权决策矩阵的正理想值V+和负理想值V-：

V+={(maxzij|j∈J1),(minzij|j∈J2)|i=1,2,…,m}

(6)

V-={(minzij|j∈J1),(maxzij|j∈J2)|i=1,2,…,m}

(7)

式中：J1为效益型属性；J2为成本型属性。

4) 为了更好地分析评测指标中指标之间的相关程度，采用GRA法算出评测指标与正负理想值之间的灰色关联程度[19]：

(8)

式中：minmin|V±-zij|为两级最小差；maxmax|V±-zij|为两级最大差；V∈[V+,V-]；xi为比较数列；ρ为分辨率系数(0<ρ<1)，一般取ρ=0.5，ρ越大，分辨率越小，ρ越小，分辨率越大。

对于不同的初始值和维度序列，在计算相关系数之前，必须初始化索引值，即将该序列所有数据分别除以第1个数据。

5) 计算各评价对象与正理想值和负理想值的欧几里得距离：

(9)

(10)

(11)

式中：α和β为偏好系数，反映形状和位置的偏好程度，满足α+β=1,α,β∈[0,1]，本文取α=β=0.5；Si为

每个评估单元的终值，体现了每个评估单元与理想单元的接近度，Si值越大，该评价单元越好。

7) 计算综合风险指标。将相对接近度转换成10分量表进行评分。最大得分的相对接近度设置为10，其他得分依此折算并取整[20-21]：

(12)

根据得分进行排序等级划分，评价各项指标的界定能力，见表2。

表2 装配式混凝土建筑施工质量风险等级划分

3 实例分析

为了有效地分析装配式混凝土建筑施工质量风险，结合所建立的评价指标体系和评估模型，以青岛某居民楼项目为例进行风险分析。邀请8位与预制建筑相关的专家使用专家评分法进行评分。通过Matlab2014a软件对模型进行编码分析，评估了建筑工程的施工质量风险水平，分析了风险因素之间的相关性。

3.1 指标权重的确定

根据自然环境、地理位置、技术水平等标准，基于表1所示的风险评价指标体系，对定性指标采用专家评判法进行量化，8位专家对装配式建筑中这些指标影响的重要程度进行打分，根据评价体系的定量标准，采取五点打分法。基于得到的数据，通过式(1)(2)得到归一化决策矩阵X=|xij|。

根据式(3)运用Matlab2014a 软件，采用熵值客观加权法确定每个评估指标权重，得到指标权重：

3.2 基于TOPSIS-GRA法的装配式混凝土建筑施工质量风险分析

根据式(4)(5)可求得加权标准化矩阵Z=(zij)m×n。

根据式(6)(7)和上述加权归一化矩阵Z=(zij)m×n分别明确了相同测评指标的正理想值和负理想值：

V+=(0.0020,0.0006,0.0001,0.0001,0.0013,0.0016,0.0010,0.0016,0.0004,0.0003,0.0000,0.0019,0.0000,0.0029,0.0013,0.0000)

V-=(-0.0008,-0.0017,-0.0030,-0.0009,-0.0016,-0.0012,-0.0007,0.0000,-0.0021,
-0.0031,-0.0026,-0.0001,-0.0033,0.0000,-0.0022,-0.0029)

根据式(8)分别算出样本项目装配式建筑质量风险关联度的16个二级指标与正理想值的灰色数值：

δ+=(0.5836,0.7095,0.4785,0.4473,0.4774,0.5814,0.4924,0.5039,0.4312,0.4967,0.4959,0.5091,0.4457,0.6309,0.5061,0.5602)

根据式(9)—(11)分别计算装配式建筑项目中建筑人员风险、建筑材料风险、建筑管理风险、建筑环境风险与正理想值和负理想值的欧几里得距离，得出装配式建筑施工质量风险的综合得分，结果见表3。

将表3中的数据通过式(12)计算得出单项指标的综合得分及其施工质量风险等级，结果见表4。

表4 单项指标的等级得分

从表4中可以看出影响装配式混凝土施工质量最大的是PC构件的质量以及连接的可靠性、项目相关管理人员的能力、监管人员到位程度、现场的施工管理。为了降低其对装配式混凝土建筑施工质量所造成的风险，应该做好以下4个方面的防范措施。

1) 提高PC构件的质量。PC构件是整个装配式建筑的核心组件，PC构件的质量及其运输和装载的稳定性及安全性要求远高于传统的散装建筑材料。增强运输的平稳性对提升构件的质量有着重要作用，对其使用的原材料按照《建设工程质量管理条例》中的相关规定进行检测，并根据检测结果及时调整配合比，这也是保证构件质量重要的一环。

2) 增强建筑与构件连接的可靠性。为了增强装配式建筑的安全，预制构件的连接处必须可靠，对构件连接处的精准度必须严格按照《装配式混凝土建筑技术标准》(GB/T 51231—2016)执行。如果构件安装有偏差，会导致墙壁不平坦，更不能保证上下楼层的垂直度及结构的稳定性。在预制构件连接施工前，要确保钢筋连接强度并保持节点的清洁，在其施工时，要确保混凝土混合料的质量及密实度。

3) 提高相关作业人员的技术与管理水平。装配式建筑从计划生产到修筑安装，现场施工人员熟练程度、管理模式与水平至关重要。相关企业可以聘请专家对一线作业人员进行手把手的技术指导，通过定期开展技术知识学习活动等方法来提高作业人员的技术水平，使得作业人员可以在实际操作的过程中利用先进的技术提高作业效率，降低施工质量风险。

4) 完善施工现场管理体系。制定合理的施工现场管理体系，做好施工质量管理工作。加强施工现场巡查、专项检查频次，确保建设、总包、监理、设计、分包等参与单位责任落实。机械设备要不定时地进行安全检查，确保机械设备的正常使用与施工精度，保证施工质量。

4 结束语

从建筑人员、材料、管理、环境4个维度出发，分析影响装配式混凝土建筑施工质量的风险因素，是可行与有效的，这在相关文献中也得到证实。建立建筑施工质量风险评价指标体系，运用TOPSIS-GRA法计算装配式混凝土建筑施工质量评价得到风险综合值的分值与风险高低的排序，提出的防范措施也是有成效的。通过分析实际案例对装配式混凝土建筑进行施工质量风险评价，明确了影响较大的风险指标依次是PC构件的质量及其连接的可靠性、项目相关管理人员的经验及能力和现场的施工管理，同时还揭示了各种影响因素的内在逻辑关系，评价结果与实际情况基本相符，提出的改善我国装配式混凝土建筑施工质量建议，以期为降低相关领域的施工质量风险提供参考，为相关装配式混凝土建筑风险评价管理提供借鉴。