装配式建筑施工安全风险评估与控制的BN-MNA模型及应用

丁 垚， 王人龙， 李灵芝， 袁竞峰， 申 玲

(1. 南京工业大学 土木工程学院， 江苏 南京 211816； 2. 东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 211189)

2020年，我国新开工装配式建筑共计6.3亿m2，较2019年增长50%，约占新建建筑面积的20.5%，超额完成了《“十三五”装配式建筑行动方案》制定的工作目标[1]。装配式建筑摒弃传统粗放落后的建筑生产方式，具有建造速度快、劳动效率高、生产成本低、绿色环保等优点[2～4]。装配式建筑施工虽然以现场装配为主，但在构件生产、构件运输、构件吊装、构件安装等全过程都存在安全管控要点，施工安全风险因素更为复杂，这对建筑施工安全管理提出了新的挑战[5,6]。如何系统、有效地对装配式建筑施工安全风险进行评估与控制是亟需解决的难题。

装配式建筑施工安全风险管理是一项由多主体构成的具有层次性的复杂系统问题[7,8]。近年来，学者们将多种方法应用于施工安全管理，主要包括基于指标体系的评价方法与复杂网络分析方法等。例如李文龙等人提出了基于可信性测度理论和结构熵权法的施工安全风险客观评估方法，并针对10个典型案例实证应用[9]。陈伟等联合应用层次分析法(AHP)及灰色聚类评价方法，构建施工安全评价指标体系以实现对装配式建筑施工安全的定性评估[10]。Li等[11]采用模糊综合评价法建立综合评价模型，并在层次分析法结果的基础上，就主要影响因素提出装配式建筑安全提升策略。以往研究表明基于指标体系的安全风险评价模型，能够识别影响施工安全的关键因素，指出风险控制的方向，但无法厘清安全风险因素之间的作用机理，以致尚不能提出安全风险控制的精准对策与实施路径[9～11]。为了进一步探求施工安全事故相关因素之间的关联，薛楠楠等基于贝叶斯网络实施诊断推理和敏感性分析，得到施工安全事故发生的最大可能性路径和关键因素，为安全管控和事故预防提供依据[12]。Jin等[13]基于贝叶斯网络进行敏感性分析和风险计算，得到装配式施工安全风险评估中的重要风险因素并提出策略。姚浩等[14]针对安全风险演化过程构建网络拓扑结构模型，提出基于系统模型推演的耦合安全风险评估方法。这些网络分析方法虽然一定程度上分析了风险要素之间的关联，但是仍不能映射施工安全管理这一系统的多主体特征与复杂关联特性，无法将安全风险控制与责任主体精准匹配，对实际施工安全风险问题解决的作用有限[12～14]。

现有的装配式建筑施工安全风险评价相关研究内容具有以下共性：(1)一般基于典型的安全系统构成要素(人、物、环境与管理)进行风险因素划分;(2)较多考虑组织管理、操作行为等相关的直接安全风险源等，对技术工种、时间空间等关注较少[7～14]。基于此，本研究创新性地通过贝叶斯网络(Bayesian Networks，BN)的原理将概率引入元网络分析(Meta-network Analysis，MNA)模型中，综合考虑风险因素之间的关联关系、系统多主体以及风险事件发生概率等问题，构建BN-MNA模型，就装配式建筑施工安全风险展开实证研究，并以“吊装阶段”为例，对装配式建筑施工安全风险展开定量评估。最后，针对风险性较大风险源节点，从风险事件“正向传递”与“反向诊断”双视角提出安全风险控制路径，明确相关责任主体，实现了评估与控制一体化。

1 BN-MNA模型

BN-MNA模型的核心是MNA模型。MNA是一种能够处理大规模、多维度、多关系、多主体的复杂系统内部关联关系的新兴网络分析方法[15～17]。Pestov认为社会、组织等任何现实系统都可以使用MNA方法进行建模[18]。已有多位学者将MNA模型分别用于项目风险评估[19]、施工安全事故致因分析[20]和风险控制[21]等研究。而BN则是一种模拟人类推理过程中因果关系的不确定性处理模型[22]。基于BN的建模原理，将概率引入MNA模型建立的BN-MNA模型可在进一步厘清复杂系统中各异质与同质要素之间的复杂关联关系的基础上，将系统演化过程中的不确定性问题转化为可量化的概率问题，满足装配式建筑施工安全系统中多主体参与的复杂建模需求，实现安全风险评估与控制的一体化目标。

BN-MNA模型的建模与应用流程如图1所示。

图1 建筑施工安全风险评估与控制BN-MNA模型

根据装配式建筑施工安全风险演化的特点，应用BN-MNA模型进行装配式建筑施工安全风险评估与控制，详细步骤如下：

Step 1：建筑施工安全风险系统构建

采用工作分解结构法，基于典型的安全系统构成要素，从系统结构、关联关系与目标三个维度，将建筑施工安全风险要素进行解构[23]。并将解构所得要素重组为结构化的建筑施工安全风险系统[24]。

Step 2：装配式建筑施工安全风险元网络的构建。

基于建筑施工安全风险系统，识别拟建元网络的关键节点，并结合专家访谈确定节点间的关联关系，并根据不同节点间的关联关系建立不同的装配式建筑施工安全风险关联矩阵。在关联矩阵中，“1”代表所在行对应的要素与所在列对应的要素有单向关联关系，反之“0”代表没有关联关系。将所有的关联矩阵导入ORA软件转换为由多个子网络组成的元网络。

Step 3：装配式建筑施工安全风险评估

(1)计算元网络中风险源交互子网络中各节点的原因度和接近中心性，以表征风险源的重要度。原因度代表一个节点在整个有向网络中所起到的作用，接近中心性则代表一个节点在控制网络中与其他节点之间进行交互的能力[25,26]。

节点i的原因度Ri计算公式见式(1)：

(1)

式中：n为网络中的总节点数;Outdegreei，Indegreei分别为节点i的出度和入度。如果Ri>0，则节点i为原因型节点；反之，则节点i为结果型节点。

节点i接近中心性Ci计算公式见式(2)：

(2)

式中：n为网络中的节点数；k为网络中任意一个非节点i的节点；d(i,k)是节点i和节点k之间的最短距离。

(2)使用GeNIe2.1软件分阶段构建与元网络同构的贝叶斯网络，通过数据采集、离散化处理和概率修正，确定各根节点的先验概率、子节点与父节点的链接概率和各节点的条件概率。

其中节点i的先验概率计算见式(3)：

(3)

式中：P为概率；Y表示与Xi关联的上级节点。

P(Xi=Y|R=Y)的值越大，表示该风险源成为事故致因的可能性越大。

(3)将概率计算结果与施工安全风险源重要度计算结果相结合，计算装配式建筑安全风险评估值。

节点i对应的风险评估值Di计算公式如下(4)：

(4)

Step 4：装配式建筑施工安全风险控制。

最后模拟特定风险源的发生，输出相关施工安全风险控制回路，识别关键风险源、相关工种和管理责任单位，进行预防式关联事件控制。同时运行GeNIe2.1软件，对关键风险源进行后验概率推演，实现施工安全风险的反向诊断控制。

2 装配式建筑施工安全风险系统

在装配式建筑施工安全风险评估与控制的过程中，人、组织、事件等众多因素之间存在着不可忽视的关联关系。本文采用工作分解结构法，从预制构件施工流程的角度，将装配式建筑施工安全风险按构件生产阶段、运输与存放阶段、吊装阶段和安装阶段进行解构。以能量意外释放理论为依据，将解构所获得的零散的、非结构化的信息重组为系统的、结构化的建筑施工安全风险系统，概念图如图2所示。

图2 装配式建筑施工安全风险系统

(1)系统构成子系统维度：本文将建筑施工安全风险系统划分为三大内部子系统(风险源子系统、工种子系统和管理责任子系统)和外部环境(时间和空间)。危险源子系统是指导致安全风险的状态因素的集合，是风险评估与风险控制的对象，风险源的识别与风险源子系统的建立将直接关系到安全风险评估与控制的效果，因此风险源子系统是安全风险系统的基础核心。工种子系统是具有专业技能的施工人员的集合，工种既是安全风险产生的诱因，又是安全风险发生的直接被伤害对象，是装配式建筑施工安全风险控制的主导性支撑系统。管理责任子系统是安全事故的直接责任对象。管理责任单位是安全风险控制的决策核心，也是事故追责的对象，明确安全事故的管理责任是装配式建筑施工安全风险有效控制的重要前提。时间和空间环境分别对应装配式建筑施工阶段和作业空间，是装配式建筑施工安全风险控制的主要依据。

(2)系统关联关系维度：关联是施工安全风险系统的子系统之间通过某一介质所建立的特定风险关系，如管理责任 - 工种关联。内部系统不断地与外部环境进行物质、能量和信息传递，形成某种协同效应，进而获得系统在特定施工阶段、施工作业空间下的安全风险作用结构，塑造建筑施工安全风险系统模型可描述系统受到风险冲击后在内外环境下的运作机理。

(3)系统目标维度: 根据系统安全风险内涵，以建筑施工安全风险评估与控制为目标，构建系统运行体系框架。

3 装配式建筑施工安全风险元网络的构建

根据装配式建筑施工安全风险系统，依据相关技术规范、政府文件和相关文献[9,27～29]，并结合装配式建筑施工现场的考察和专家访谈记录，共识别出28个风险源(R)、12个工种(A)、3个管理责任单位(O)、4个施工阶段(P)和4个施工作业空间(S)。将上述要素转化为元网络节点，网络节点代码及其含义见表1。

表1 装配式建筑施工网络节点代码及其含义

续表1

本文根据已建立的建筑施工安全风险系统、工地调研等，初步梳理各节点对应实体之间的关联关系，并通过专家访谈法进一步对其修正。专家访谈对象包括6名具有博士学位的相关领域的高校教授，5位具有五年以上相关经验的装配式建筑生产单位负责人以及6位具有五年以上装配式建筑施工经验的项目经理共17位专家。访谈的主要内容是对数据进行辅助修正。最终将已确认的节点及关联关系转换为关联矩阵，并用ORA软件构建装配式建筑施工安全风险元网络模型，见图3。

图3 装配式建筑施工安全风险元网络

在元网络模型中，不同类型节点之间存在着不同意义的关联关系。本文构建的装配式建筑施工安全风险评估与控制元网络模型由九个子网络构成，分别映射风险源、工种、管理责任单位、施工阶段和施工作业空间之间的九种关联关系，见表2与图4。

表2 节点及网络类型

图4 装配式建筑施工安全风险元网络的子网络

其中，RR网络为单模单向风险源交互网络，表示风险源之间可能存在的传递关联，即某个风险源的产生可能导致其他风险源的产生。RA网络，为双模单向风险源 - 工种危险传递网络，其现实意义是风险源对各类工种产生的直接安全隐患，为施工安全风险控制的目的之一。AR网络，为双模单向工种 - 风险源因果网络，代表工种的违规操作或操作失误与风险源产生之间可能存在的因果关系，是施工安全事故追责的重要依据。AA网络，为单模单向工种交互网络，代表工种之间的协同关系。RO网络，为双模单向风险源 - 责任单位交互网络，其意义是风险源与其所属管理责任单位的匹配，是实现安全事故预警与追责的重要依据。AO网络，为双模单向工种 - 责任单位交互网络，表示工种与所属管理责任单位的对应关系，是工种违规操作或操作失误导致风险实际追责的参考。RP网络与RS网络，分别为双模单向风险源的时间与空间定位网络，代表风险源与所在施工阶段、施工作业空间的映射关系，是排查风险源的首要参考范围。 AS网络，为双模单向工种的空间定位网络，代表各工种与作业时空的对应关系，是在系统中对工种进行空间定位的依据。

4 基于BN-MNA的装配式建筑施工安全风险评估

4.1 装配式建筑施工安全风险源重要度计算

根据式(1)(2)，计算RR网络(风险源交互网络)中的28个风险源节点的原因度和接近中心性，结果如图5。结合RP网络(风险源时间定位网络)和RS网络(风险源空间定位网络)可知，装配式建筑施工安全的风险主要存在于P2(构件运输与存放)和P3(构件吊装)两个阶段。装配式建筑施工过程中垂直运输设备的作业较为频繁，装配式施工过程中的风险将以预制构件作为风险载体进行传导，这就使得作为P2(构件运输与存放)和P3(构件吊装)的交集空间S4(构件堆放空间)成为了重要安全控制区域。利用原因度和接近中心性表征RR网络中的风险源重要度，充分考虑了风险源在网络中的因果属性和交互属性，为实现施工安全风险的全过程评估与控制提供依据。

2.3 高等数学的内容主要是微积分学，对学生来说，数学概念很抽象，比如数列极限的“ε-N”定义，函数极限的“ε-δ”定义等，数学定理的证明逻辑推理很严密，翻转课堂的课前学习环节如果没有教师的及时有效地引导，仅凭观看视频，不易准确把握视频中的重难点，甚至不能听懂授课内容，使学习效果不佳。

图5 风险源重要度

根据计算结果(图5)，R10(风险源预制构件堆放区未采取隔离措施)、R12(预制构件放置不安全)、R14(起重机械操作失误)、R16(吊具与吊点链接不到位)，是装配式建筑施工过程中的关键风险源节点。 R10的原因度和接近中心性较大，说明其在装配式建筑施工安全风险交互传导中起着关键作用。R16的原因度较小，该因素受其他因素影响较大，而该节点的接近中心性较大，可以在一定程度上反映出该节点是构件吊装阶段及其以前阶段各种风险源所产生的共同结果。R12和R14的接近中心性较大，说明这两个风险源在装配式建筑施工风险传导过程中所占的比重更大，需要更多的关注。

4.2 装配式建筑施工安全风险评估

由于篇幅原因，本文仅展示构件吊装阶段(P3)的安全风险评估过程。使用GeNIe2.1软件构建与装配式建筑施工安全风险元网络同构的贝叶斯网络，如图6。贝叶斯网络中每个节点对应元网络中的风险源节点，节点中的关联关系代表着元网络中的风险源交互关系，“Y”对应该节点对应的风险源发生，“N”对应该节点对应的风险源不发生，后面是概率值。

图6 P3阶段安全风险元网络同构贝叶斯网络模型

为揭示装配式建筑施工安全事故的普遍性规律，本文通过文献检索与互联网搜集的方式尽可能广泛地搜集装配式建筑施工安全事故案例。最终从国家应急管理部，各省市应急管理厅、住建部等网站整理得到2019—2020年部分装配式建筑生产安全事故调查报告共计107份，统计的安全事故占比如图7所示。

图7 2019—2020年部分装配式建筑生产安全事故统计

通过对事故报告进行统计分析，运行公式(3)计算并结合专家访谈进行数据修正，最终确定P3(构件吊装)阶段各根节点的先验概率(如表3)、子节点与父节点的连接概率和各节点的条件概率，表4为节点R18(起吊范围内有障碍物)的条件概率示例。

表3 P3阶段根节点的先验概率

表4 子节点R18的条件概率

综合考虑风险源的发生概率、原因度、接近中心性，绘制风险源危险性三维示意图，如图8。根据式(4)计算各个风险源的风险评估值，其计算结果与排序如表5所示。

图8 风险源危险性三维示意图

表5 风险评估值与排序

根据风险值评估结果可知，R16(吊具与吊点连接不到位)是构件吊装阶段施工风险控制的首要重点。

5 基于BN-MNA的装配式建筑施工安全风险控制

5.1 装配式建筑施工安全风险关联事件控制

本文以R16(吊具与吊点连接不到位)为例进行施工安全风险关联分析，其他安全风险源的控制方法类同。运行ORA软件，输出与R16相关的BN-MNA风险关联控制路径，如图9。

图9 R16相关的BN-MNA风险控制路径

分析该路径可知，导致R16的风险关联事件主要有两种：一是在P1(构件生产)和P2(构件运输与存放)阶段由于R1(生产单位未对出厂构件进行检查)、R3(吊点设计不合理或生产过程出现较大偏差导致吊点位置偏差较大)或R4(吊点被污染，导致吊钉不能拧紧到位)导致的构件质量问题；二是在P3(构件吊装)阶段由于工种的失误、违规操作等导致R5(施工单位未对进场的预制构件进行检查验收)、R12(预制构件放置不安全)或R15(起吊叠合板时未使用专用安全吊具)。因此，为了实现对R16的风险控制，首先可以从构件设计生产、质量检验、运输存放等关联事件进行监控，确保预制构件的质量；其次，加强对A1(构件装配工)和A2(吊装人员)的安全教育与培训、安全交底落实，以避免失误、违规操作带来不必要的安全风险。

5.2 装配式建筑施工安全风险反向诊断控制

在装配式建筑施工安全风险控制的BN-MNA模型中，安全风险评估与关联事件分析可以作为施工安全风险事前控制的依据。除此之外，还可以通过反向推理进行安全风险诊断，进而实现风险溯源控制。本文以R16(吊具与吊点连接不到位)作为反向诊断示例，运行GeNIe2.1软件，将R16发生概率设定为100%，输出风险后验概率如图10。

图10 P3阶段R16发生的诊断推理结果示例

当R16发生时，R4(吊点被污染，导致吊钉不能拧紧到位)和R14(吊具与吊点连接不到位)发生的概率相对最高，分别为30.30%，22.12%，应是R16发生后的重点检查对象，并应对相关风险负责人A1(构件装配工)、A2(吊装人员)和A6(施工安全员)和O1(施工单位)等相关管理责任单位进行预警、教育、追责有效阻止风险的进一步传递。

6 结 论

(1)本文创新性的提出了可以应用于装配式建筑施工安全风险评估与控制的BN-MNA模型。该模型满足装配式建筑施工安全复杂性和系统性建模需求，可以在厘清该复杂系统中风险源、工种、时间、空间和管理责任单位等各要素之间的复杂关联关系的基础上，将系统演化过程中的不确定性问题转化为可量化的概率问题。

(2)本文采用工作分解结构法，基于典型的安全系统构成要素，综合考虑装配式建筑施工安全风险系统内部风险源子系统、工种子系统和管理责任子系统和外部时空环境之间的关联关系与运作机理，并以施工安全风险评估与控制为系统目标，构建了装配式建筑施工安全风险系统，为BN-MNA模型建立搭建了基础框架。

(3)本文以P3(构件吊装阶段)为例开展BN-MNA实证，并结合各风险源发生的概率，通过计算风险评估值对各风险源进行定量评估。最后以R16(吊具与吊点连接不到位)为例，应用BN-MNA实现了装配式建筑安全控制的双重目标。一方面，依据风险评估结果，确定安全风险的首要控制节点，输出其相关控制路径与相关工种、管理责任单位、时空等要素，实现对装配式建筑施工安全风险的事前精准控制。另一方面，对已经发生的安全风险事故通过概率推演进行反向诊断，可以及时且有针对性地进行预警和追责，以防止安全风险的进一步传递扩散。