基于FAHP的工程施工安全BIM应用效果评价

彭 来，崔 玉，李程程，李博勤

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

近年来，随着信息化理念不断普及和深入，BIM技术在建筑行业各领域中的应用受到众多学者专家的普遍关注，其三维可视化、信息全面性和模拟优化性等特性得到业内人士的一致认可。随着建筑规模不断扩大，施工技术变得复杂，工程施工难度也随之增加，施工安全问题日益凸显，高空坠物(人)，物体打击、结构坍塌等事故时常发生。为减少安全事故的发生，众多专家学者陆续开展BIM技术应用于施工安全的相关研究，殷瑶[1]考虑施工过程中员工安全教育、施工场地布置、风险监控与预警和安全应急管理，构建基于BIM技术的建筑施工安全管理系统；王婷[2]研究基于BIM技术模板支撑体系坍塌事故及高处坠落事故的安全预警与管理系统，实现实时监测与预警；裴巧玲等[3]研究创建基于BIM的深基坑风险预警模型，辨析隐含的风险信息,预判可能发生的风险并制订预防方案；刘芳等[4-5]研究基于Revit软件二次开发，研制面向施工现场危险源安全管理插件，对施工现场的机械设备、危险物品和安全标识等方面实施信息化管理，并创新提出基于BIM技术施工安全检查新模式，在实践使用中取得良好应用效果；笔者团队[6]结合BIM技术特点和工程实践应用，提出基于BIM技术的桥梁施工安全监理策略，有效提升安全监理信息化管理水平。

施工安全的BIM应用在一定程度上有利于指导施工安全管理，促进安全管理信息化水平的有效提升[7]，但其应用效果评价目前还未有定性和定量探讨。本文研究建筑施工安全BIM应用效果评价，围绕施工安全管理组织保障、BIM建模质量、施工安全BIM应用和BIM安全教育与培训4个维度构建工程施工安全BIM应用评价指标体系，采用模糊层次分析法综合评价其应用效果，结合实际工程案例应用研究成果。结果表明，其操作简单，评价客观，具有良好的应用效果和推广价值，可为信息技术背景下施工安全综合评价提供方法参考和借鉴。

1 模糊层次分析法(FAHP)理论

模糊层次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，简称FAHP)是由美国运筹学T.L.Saaty教授于20世纪70年代提出的，是一种定性与定量结合的系统分析方法。该方法有效地将层次分析法和模糊综合评价法有机结合[8]，并将人的主观判断过程数字化、程序化，具有系统、灵活、简洁等优点，有利于决策者做出有效决策，同时还可以有效解决指标过于复杂而导致思维一致性难以保证的问题，用模糊数(Fuzzy Number)衡量元素之间的关系，能较好地保证评价结果的准确性和客观性。

2 分析步骤

FAHP模糊层次分析法的本质就是把问题按层次分解多种要素，构成一个自下而上的层次递阶结构模型，然后定量分析各要素之间的重要度并优先排序，最后做出评价，其具体实施步骤如下[9]：

第一步：建立多层次递阶结构模型。深入研究问题，提炼问题内部存在各种要素，系统分析各种要素之间存在的因果关系，并围绕这些要素，建立多层次递阶结构模型。

第二步：构建模糊判断矩阵。两两比较上述分析出的各要素，根据标准评定尺度，确定其相对重要程度，构建模糊判断矩阵，并判断是否通过一致性检验。

第三步：计算相对重要度。计算矩阵特征权向量，确定评价等级集合，计算各要素的相对重要度。

第四步：综合考虑评价意见。计算各要素隶属度，对所得结果进行分析和优先排序，按最大隶属度原则得出综合评价结论。

3 工程概况

本研究案例选址为某市轨道交通X号线终点站，为地下两层明挖岛式站台车站，内设2组风亭、3个出入口和1组冷却塔。车站总长594.235 m，标准段总宽19.2 m，主体基坑深约18.2～20.7 m；车站顶板覆土厚约2.8 m，局部7～8 m；建筑面积近24 000 m2，土建造价约为3.1亿元，BIM模型如图1所示。本项目积极采用BIM技术服务施工管理，通过BIM技术实现工程施工可视化，有效促进项目质量、安全、进度、商务与资源等领域的信息化管理，提升施工管理效益。该项目积极采取校企合作方式，组建学生BIM团队，创建BIM模型，完成三维场布、漫游模拟和管综碰撞检查等基础应用，结合项目需求稳步推进BIM深度应用，为项目实施信息化管理提供技术支持；同时积极协助开展三维安全交底、BIM技术培训等活动，有效促进工程建设的稳步推进。

图1 某地铁车站BIM模型东北向鸟瞰图

4 基于FAHP的施工安全BIM应用效果评价模型

4.1 建立评价体系的递阶层次结构

建立3层16个指标的评价指标体系，分别是目标层(总指标)、准则层(一级指标)、方案层(二级指标)，具体如表1所示。得出评价指标集合如下：

Xi=[X1i,X2i,X3i,X4i]

式中：X1i——施工安全管理组织保障；

X2i——BIM建模质量；

X3i——施工安全BIM应用；

X4i——BIM安全教育与培训。

二级指标构成的隶属度矩阵：

X1i=[X11,X12,X13,X14]

式中：X11——安全管理制度；

X12——安全文件管理；

X13——安全设备管理；

X14——人才队伍建设。

X2i=[X21,X22,X23,X24]

式中：X21——BIM模型构件完整性；

X22——BIM安全信息全面性；

X23——BIM模型数据维护与更新；

X24——BIM模型与现场的吻合度。

X3i=[X31,X32,X33,X34,X35]

式中：X31——三维场布；

X32——漫游模拟；

X33——碰撞检查；

X34——疏散模拟；

X35——应急预案。

X4i=[X41,X42,X43]

式中：X41——BIM安全教育；

X42——BIM安全交底；

X43——BIM技能培训。

表1 工程施工安全BIM应用效果评价指标体系表

4.2 构造比较判断矩阵和一致性检验

分析准则层对目标层的影响，围绕两者之间相对重要程度(见表2)，采用德尔菲法，邀请经验丰富的专家学者给出判断矩阵，对准则层中的4个一级指标，即施工安全管理组织保障、施工安全BIM建模质量、施工安全BIM应用和施工安全BIM教育与培训的内容进行评判，可近似得到以下一级指标系数矩阵X：

表2 相对重要程度Xij取值情况表

通过Matlab软件求一级指标系数矩阵X的最大特征值λ=4.021 1，对该矩阵进行一致性检验，采用T.L.Saaty一致性指标CI=(λ-n)/(n-1)=0.007 0，其中n=4，根据Saaty的随机一致性指标(见表3)，得RI=0.90，一致性比例CR=CI/RI=0.007 0/0.90=0.007 8<0.1，即通过了一致性检验；然后经过Matlab软件的归一化处理，得到标准化准则层特征权向量：W=(0.081 3,0.154 4,0.288 4,0.475 8)，即当前专家对隶属于方案层的4个一级指标的重视程度分别是0.081 3、0.154 4、0.288 4、0.475 8。

表3 T.L.Saaty的随机一致性指标RI取值表

4.3 计算方案层特征权向量

采用前文相同方法对施工安全管理组织保障、BIM建模质量、施工安全BIM应用和BIM安全教育与培训等二级指标进行专家评判，得出二级指标系数矩阵Xi：

分别计算其方案层的特征权向量得：

W1=(0.138 4,0.156 3,0.258 9,0.446 4)；

W2=(0.176 9,0.139 8,0.264 4,0.419 0)；

W3=(0.091 8,0.106 0,0.175 9,0.250 5,0.375 8)；

W4=(0.548 5,0.240 9,0.210 6)。

且均通过一致性检验。

4.4 确定评价等级集合

在施工安全BIM应用效果评价指标体系中，将每个二级指标的评价设置为优秀、良好、合格和不合格4个等级，建立评价等级集合：

Vi=[V1,V2,V3,V4]

式中：V1——优秀；

V2——良好；

V3——合格；

V4——不合格。

4.5 计算应用效果评价

同样另邀请5名专家，围绕指标描述和项目BIM应用资料(文本、视频、图片、模型文件和应用展示文件等)，对施工安全BIM应用效果评价的各指标进行综合评价，经统计，其结果如表4所示。

表4 施工安全BIM应用效果评价结果表

由表4可知，综合考虑专家评价结果，用整体结果除以5作为隶属度，得Ri的单因素评价矩阵：

通过以下公式计算各个模糊关系子矩阵：

Q1=W1R1=(0.317 0,0.548 2,0.134 8,0)；

Q2=W2R2=(0.311 7,0.382 5,0.305 8,0)；

Q3=W3R3=(0.166 3,0.343 6,0.490 1,0)；

Q4=W4R4=(0.206 1,0.509 7,0.284 2,0)。

由各个模糊关系子矩阵得出模糊关系总矩阵:

最后将前文计算出来的一级指标系数矩阵W=(0.081 3,0.154 4,0.288 4,0.475 8)与评价矩阵R进行模糊变换得到模糊评判集S=WR=(0.220 1,0.445 2,0.334 8,0)。

按最大隶属度原则得出综合结论，即M=max(S)=0.445 2，为第二个指标值最大，得出该项目施工安全，BIM应用效果评价等级为良好。

5 结语

本文研究施工安全BIM应用效果评价，围绕施工安全组织保障、BIM建模、BIM应用、BIM安全教育与BIM培训等模块构建3层16个指标评价体系，采用模糊层次分析法(FAHP)进行综合评价，通过具体的工程实例应用其研究成果。结果表明，其操作便捷，评价客观，具有良好的应用效果和推广价值，可为信息技术背景下施工安全综合评价提供参考和借鉴。另外，结合专家评判结果得出以下几点结论和建议，以期促进提升工程施工安全信息化管理水平：

(1)BIM安全教育与培训占比极大，加强施工安全教育，积极开展基于BIM技术的三维安全交底和BIM技能培训有利于显著提升施工安全管理信息化水平，提高施工安全管理效率。

(2)BIM模型维护和更新、BIM模型与施工现场的吻合度受到专家们的普遍重视，BIM模型的信息全面性对于安全管理而言处于次要地位。建议分阶段建模，创建BIM模型过程中积极对比实际施工现场的差异，实时更新，确保虚拟模型与实际建筑高度匹配。

(3)重视施工安全BIM应用，特别是BIM疏散模拟和应急预案对实际施工安全具有重要指导意义。其中，应急预案要与相关应用模拟密切关联，充分结合施工现场制定，考虑周全，积极开展实际演练，全员参与，进一步增强施工人员安全意识和责任，从根源上树立安全第一思维，从而有效减少安全事故的发生。

(4)人才队伍建设是组织保障中的重要组成部分，积极培养信息化人才，组建BIM团队，提升团队信息化水平和安全责任意识有助于提升施工安全管理质量，为企业高质量发展奠定雄厚的人才基础。