基于模糊层次分析法的高层建筑工程施工安全风险评价.pdf

第 54 卷第 20 期 2023 年 10 月Vol.54 No.20 Oct.20232529 建 筑 技 术 Architecture Technology基于模糊层次分析法的高层建筑工程施工安全 风险评价王松岩，刘文杰，焦 红（山东建筑大学土木工程学院，250100，济南）摘要：为对高层建筑施工安全风险进行准确的评价，从源头消除施工安全隐患，将 WBSRBS 风险辨识法与“4 M”风险管理理论相结合构建了包含 4 个一级指标和 13 个二级指标的安全风险评价指标体系。将层次分析法与模糊综合评价法相结合，在此基础上构建了高层建筑施工安全的模糊层次分析法模型。应用此模型对某房地产开发项目进行安全风险实证研究，结果显示，该项目施工安全风险等级为 4 级（较安全），并且针对性地对后续施工安全提出了整改措施和建议。评价结果与施工现场安全情况相符，验证了该模型对高层建筑施工安全风险评价的合理性。关键词：高层建筑施工；安全风险评价；WASRBS；层次分析法；模糊综合评价法中图分类号：TU 714 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)20-2529-06THE RISK ASSESSMENT OF HIGH-RISE BUILDINGS CONSTRUCTION SAFETY BASED ON FUZZY ANALYTIC HIERARCHY PROCESSWANG Song-yan,LIU Wen-jie,JIAO Hong(School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,250101,Jinan,China)Abstract:In order to make accurate evaluation of construction safety risks of high-rise buildings and eliminate construction safety hazards from the source,the article adopted WBSRBS risk identification method combined with 4M risk management theory to systematically construct a safety risk evaluation index system with 4 primary indicators and 13 secondary indicators.The analytic hierarchy process method was combined with fuzzy comprehensive evaluation method,and on this basis,a fuzzy hierarchical analysis model was constructed.Applying this model to the safety risk empirical study of the real estate development project,the results show that the construction safety risk level of the project is 4(safer),and put forward corrective measures and suggestions for the subsequent construction safety.The evaluation results are consistent with the construction site safety situation,which verifies the reasonableness of the model for the evaluation of the safety risk of high-rise building construction.Keywords:high-rise building construction;safety risk assessment;WBSRBS;analytic hierarchy process method;fuzzy comprehensive evaluation method建筑工程具有单件性、流动性、周期性，在地下、高空、露天作业多，并且与建筑施工人员的素质、施工环境、材料设备及施工工艺的复杂程度有关，这就导致与其他行业相比，建筑工程施工安全事故发生的概率更高，这既是政府安全监管部门关注的重点，也是学术界研究的热点之一。20 世纪 80 年代，汪培庄1教授将模糊数学中的隶属度理论应用到模糊反应过程中，将难以定性的问题数学化、定量化，并且应用到各个学科。宋战平等2将非线性算子与模糊层次分析（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP）法结合确立指标权重，建立了隧道 TBM 施工风险评价模型，得到了最终风险等级。杜婷等3运用模糊综合评价法确定评价指标的权重，引入安全评分置信度参数进行修正，构建了施工安全模糊综合评价模型。李文龙等4构建了基于熵权 未知测度理论，对装配式建筑进行施工安全风险评估。谢尊贤等5从人员、设施设备、环境、方案及技术和管理 5 个方面构建高层建筑施工安全评价指标体系，创新性地建立了优化 AHP 物元可拓 模型。本研究运用 WBSRBS 建立影响施工安全的风险辨识清单，基于 FAHP 法和 19 标度法主观赋值权重的方法构建综合风险评价模型，基于模糊综合评价法构建高层建筑工程施工安全风险评价模型，有利于预防和减少高层建筑施工安全事故的发生。收稿日期：20230808作者简介：王松岩（1964），男，山东烟台人，教授级高级工程师，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 20 期25301 WRSRBS 高层建筑施工安全风险辨识高层建筑项目施工安全风险辨识是整个工程建设的基础，是预防和减少安全事故发生的前提，其内部错综复杂，各类风险相互耦合、相互作用，并且会受到外部风险因素的影响。HILLSON 等6最先将WBS 法与 RBS 法相结合，使用风险因素对每个细化的工作单元进行风险识别，既能从工程整体把握安全风险，又能从工作单元细节兼顾施工安全，是一种全面系统的风险识别方法。1.1 高层建筑工程施工作业分解 WBS 树建立以全面覆盖不交叉重复为原则，根据 GB 503002013建筑工程施工质量验收统一标准7，从纵向施工角度出发，对建筑工程主要施工阶段进行划分。准则层即安全风险评价的一级指标，主要包括地基与基础工程、主体结构工程、建筑装饰装修工程、屋面工程、全周期作业工程 5 个一级指标，在此基础上细分出指标层的 23 个二级指标。具体的施工作业分解WBS 树如图 1 所示。作业分解 WBS 树 W桩基施 工W11混 凝土 支 护 施 W13承 台 复 合 土 钉 墙 支 护 施 工W12基坑开挖和降排水施 工W14边坡支护W15地基与基础工程 W1 建筑地面铺设W31门窗安装工程W33抹灰工程W32水性涂料涂饰W34细部安装工程W35建筑装饰装修工程 W3钢筋工程W22混凝土工程W21砌体工程W23模板工程W24主体结构工程 W2保温与隔热工程W42基层与保护层工程W41瓦面与板面工程W43防水与密封工程W44屋面工程 W4脚手架工程W51物料提升安拆与作业W53塔式起重机安拆与作业W52施工电梯安拆与作业W54临时用电施工W55全周期作业工程 W5图 1 高层建筑施工作业分解 WBS 树1.2 高层建筑工程施工风险分解 RBS 树建立建筑工程施工是一个系统过程，为全面准确地进行风险识别，采用“4M”安全管理理论将准则层分为4类，即人员（Men）的不安全行为、物料（Machine）的不安全状态、管理（Manage）缺陷、环境（Medium）的不安全条件8，通过文献研究、专家访谈和安全事故分析并结合实际的工程案例，在准则层基础上细分出13个风险识别要素作为二级指标，内容如图2所示。1.3 构建 WBSRBS 耦合矩阵编写关键风险辨识清单根据 WBSRBS 法应用原则，以 WBS 树的工作单元为矩阵的列，以 RBS 树风险因素为矩阵的行，进行矩阵耦合。以某房地产开发项目为依托，建立高层建筑施工安全风险 WBSRBS 耦合矩阵，见表 1。在表 1 中，行与列的每一个交叉点 aij为一个风险点，若第 i 个工作单元在第 j 个风险因素下存在风险，则记为“1”；若存在的风险很小或无风险，则记为“0”。通过对表 1 分析、归类、总结，整理出高层建筑施工关键风险清单，见表 2。2 高层建筑施工安全模糊综合评价模型建筑施工安全影响因素多，模糊性强是建筑施工安全系统的主要特点，模糊层次分析法是在模糊综合风险分解 RBS 树 U人员风险 U1操作层专业技术水平U11人员的安全意识U12人员身心健康状态U13物料风险 U2安全防护设施U21机械设备维护与保养U22材料质量可靠性U23环境风险 U4气候条件U41施工现场环境U42生活环境U43管理风险 U3安全教育与培训U31安全制度制订与落实U32安全检查及处理U34安全方案管理U33图 2 高层建筑施工风险分解 RBS 树评价法的基础上结合层次分析法的一种模糊数学算法，可以有效地量化复杂抽象的系统指标，对模糊不确定的问题进行准确的评判。2.1 层次分析法确定指标权重在所得安全评价指标体系递阶层次图的基础上，以上一层的某因素为目标，对下一层的指标进行重要程度判断，给不能量化的风险因素赋予数值，两两比较得出权重大小，层层递进最终得出所有指标对总目标的权重值，具体步骤如下。（1）构造判断矩阵。2023 年 10 月2531王松岩，等：基于模糊层次分析法的高层建筑工程施工安全风险评价表 2 高层建筑工程关键风险清单风险环节风险代码钻孔灌注桩施工W11U11/W11U22/W11U32/W11U34/W11U41/W11U43支护作业W12U11/W12U32/W13U11/W13U33/W15U11/W15U33/W15U43混凝土振捣养护W13U21W13U34/W21U11/W21U34/W21U41钢筋的加工成型 及接头处理W22U11/W22U21/W22U22砌体保管验收 及砌筑要求W23U11/W23U21/W23U33模板预留预埋 及特殊节点处理W24U11/W24U23/W24U32/W24U33工程质量管理 与控制W31U33/W32U23/W33U41/W35U11/W41U12/W43U21/W44U41高处作业W51U12/W52U31/W53U32/W54U21/W43U31临时用电作业W55U34/W54U22/W53U22根据高层建筑项目施工的实际情况，邀请 s 名专家对准则层和指标层进行权重系数打分，采用 19 标度法910确定分值，最终得到判断矩阵A，对应的元素为 aij，矩阵A具有如下特点。1）aij表示与指标 j 相比，i 的重要程度。2）当 i=j 时，两个指标相同，因此同等重要，111212122212nnnnnnaaaaaaaaa=A（1）记为1，即主对角线元素为1。3）aij0 且满足 aijaji=1。（2）计算权重。确定权重的方法主要有算数平均法、几何平均法、特征值法等，基于实用性，本研究采用特征值法，计算过程中使用 MATLAB 软件进行数据处理，计算步骤如下。步骤 1：求出矩阵A每一行元素的乘积。()11,2,3,niijjMain=（2）步骤 2：计算 Mi的 n 次方根。()1,2,3,niiWMin=（3）步骤 3：对 Wi进行标准化（归一化）处理。WBS 风险分解体系人员风险 U1物料风险 U2管理风险 U3环境风险 U4U11U12U13U21U22U23U31U32U33U34U41U42U43地基与基础工程 W1W111111111111111W121111100101110W131111010111011W141111110111110W151011111111011主体结构工程 W2W211111111101110W221111011101111W230111111111011W241111111111100建筑装饰装修 工程 W3W311011111111111W321100111111110W331111101111011W340111111111011W351111011111110屋面工程 W4W410111111101111W421111111111111W431111111111010W440101011111111全周期作业工程 W5W511111111111111W521101011101111W531111111111011W541111111111110W551111111111111表 1 高层建筑施工安全风险 WBSRBS 耦合矩阵建 筑 技 术第 54 卷第 20 期2532()11,2,3,iinjjWWinW=（4）则()T12,nW WW=W为所求的特征向量。步骤 4：求解判断矩阵 A 的最大特征值。()max11niiinW=AW（5）（3）一致性检验。各因素的复杂性和各专家打分的主观性导致判断结果不一致性，为保证各元素之间的协调性，需要进行一致性检验，检验步骤如下。步骤 1：计算一致性指标 CI。max1nCIn=（6）式中：max为判断矩阵的最大特征值；n 为判断矩阵的阶数。步骤 2：查找对应的随机一致性指标 RI。对应判断矩阵 A 的阶数 n，选取表 3 中的 RI 值。表 3 随机一致性指标 RInRI102030.5240.8951.1261.2071.3681.3691.41步骤 3：计算一致性指标 CR。一致性指标 CI 与 n 阶判断矩阵平均随机一致性指标 RI 的比值为 CR。CICRRI=（7）CR0.1表明专家填写的判断矩阵协调性良好，具有满意的一致性。CR0.1 表明专家填写的判断矩阵存在偏差，无法满足一致性，需要进行修改。2.2 构建模糊综合评价模型（1）安全评价因素集。根据图 2 确定因素集，具体如下。一级因素集：U=u1，u2，u3，u4。二级因素集：u1=u11，u12，u13；u2=u21，u22，u23；u3=u31，u32，u33，u34；u4=u41，u42，u43。（2）确定安全评价评语集。结合项目特点，将评语集划分为5个等级V=V1，V2，V3，V4，V5=高风险，较高风险，一般风险，较低风险，低风险。（3）确定模糊综合判断矩阵。对于因素集 ui来说，各个评语的隶属度为 V 上的模糊子集，对 ui的评判记为：12345,iiiiii=Rr rrrr（8）各指标的模糊综合判断矩阵为：11121512122252125nnnn=rrrRrrrRRrrrR（9）式中：0 rij 1。R 是一个从 U 到 V 的关系矩阵，每一列表示各个指标对于对应评语的隶属度。（4）综合评判。如果有一个从 U 到 V 的模糊关系()5ijn=Rr，那么利用 R 结合层次分析法得到的权重 W 就可以得到一个模糊变换()()RTF UF V：。由此变换就可得到综合评判结果：B=WR（10）综合后的评判可看作 V 上的模糊向量，记为：12345,b b b b b=B（11）式中：bi为评价对象对于评语 i 的隶属度。根据最大隶属度原则，12345max b,b b b bkb=，则评价的对象要划分到评语 k 这一类。3 案例分析3.1 工程概况项目总占地面积约 14.69 万 m2，总建筑面积约30.77 万 m2，包括 6 栋洋房、6 栋双拼、11 栋合院、15 栋落地高层及带商业网点高层、8 栋叠墅。3.2 评价过程及结果3.2.1 确定因素隶属度为合理评估项目施工安全风险水平，邀请 12 名现场管理人员，其中政府部门人员 2 名、项目经理及项目工程师各 1 名、监理及安全员各 3 名、现场施工人员 2 名。按照去掉最高值、最低值，然后取平均分的方式计算评估因素的值，取值越大表示风险发生的概率和风险的危害性越大，根据式（8）构建的模糊综合判断矩阵如下：2023 年 10 月2533王松岩，等：基于模糊层次分析法的高层建筑工程施工安全风险评价 00.230.160.61000.410.380.120.0900.140.210.520.13=1R（12）00.120.430.45000.240.390.37000.080.220.70=2R（13）00.210.390.350.0500.070.450.290.1900.070.280.520.1300.090.530.240.14=3R（14）00.490.190.32000.130.620.25000.650.270.180=4R（15）3.2.2 层次分析法确定权重准则层指标权重计算。由受邀的 12 名人员根据式（1）及 19 标度法对准则层指标进行比对，各自独立构造出判断矩阵后，去掉最大值及最小值，取其算数平均得到准则层判断矩阵 A，利用 MATLAB 软件进一步求出权重并进行一致性检验。33141/33121/3 1/2121/4 1/31/21A=（16）将准则层判断矩阵 A 每一行求积后再开根号得到矩阵 V=2.449 5，1.189 2，0.759 8，0.451 8T。将V归一化后得到 A 的特征向量 W=0.505 0，0.245 2，0.156 7，0.093 1T。计算判断矩阵 A 的最大特征值 AW=2.083 1，1.006 2，0.633 8，0.379 4T。根据式（5）求出判断矩阵 A 的最大特征值：max=4.087 1。根据式（6）式（7）及表 3 进行一致性检验，CI=0.029 0，CR=0.032 6。因 CR=0.032 60.1，表明专家填写的判断矩阵 A协调性良好，对准则层指标的赋权为有效赋权，故归一化后求得的特征向量 W 即为准则层权重。同理可求出指标层的权重及检验结果，见表 4表 7。3.2.3 确定模糊综合评价安全风险等级3.2.3.1 二级指标风险评价等级将人员风险指标权重 W1及人员因素模糊综合判断矩阵 R1代入式（10）可知人员风险 u1的模糊综合表 4 人员因素 A1权重和检验结果元素A11A12A13权重 W1一致性检验A111650.728 60.082 5，通过A121/6120.162 6A131/51/210.108 8表 5 物料因素 A2权重和检验结果元素A21A22A23权重 W2一致性检验A211570.730 60.062 4，通过A221/5130.188 4A231/71/310.081 0表 6 管理因素 A3权重和检验结果元素A31A32A33A34权重 W3一致性检验A3111/4320.204 80.036 7，通过A3241550.592 1A331/31/511/20.080 1A341/21/5210.123 0表 7 环境因素 A4权重和检验结果元素A41A42A43权重 W4一致性检验A4111/41/20.136 50.017 6，通过A424130.625 0A4321/310.238 5评判B1=W1R1=0，0.249 5，0.201 2，0.520 5，0.028 8。同理，物料风险模糊综合评判 B2=W2R2=0，0.139 4，0.405 5，0.455 2，0。人员风险、物料风险模糊综合安全评价向量隶属度最大值分别为 0.520 5、0.455 2，最大隶属度对应风险等级为 V4，说明项目较安全，施工人员专业技术水平扎实，工作人员安全意识和心理健康状态较好，材料和机械设备满足安全要求，施工现场安全防护设施齐全。管理风险模糊综合评判 B3=W3R3=0，0.101 1，0.433 9，0.314 6，0.150 4；环境风险模糊综合评判B4=W4R4=0，0.303 2，0.477 8，0.242 9，0。管理风险、环境风险模糊综合安全评价向量隶属度最大值分别为 0.433 9、0.477 8，最大隶属度对应风险等级为 V3，风险产生的概率及危害程度一般，调查显示，模糊综合评价结果与该项目现场施工安全状况一致，要进一步加强安全管理层的管理能力，在安全技术措施、培训教育措施、安全生产责任制方面严建 筑 技 术第 54 卷第 20 期2534格管控重大风险源，将责任落实到每一位工作人员身上；此外规范居住环境，使其符合国家劳动卫生标准，并且定期巡查居住和施工现场环境，减少安全隐患。3.2.3.2 一级指标风险评价等级以 Bi（i=1，2，3，4）为第 i 行构成模糊综合判断矩阵 R，依据得到的一级指标权重 W 并结合式（7）式（11）得到准则层模糊综合评判结果 B=WR=0，0.204 6，0.312 8，0.447 0，0.037 9。此项目模糊综合安全评价向量隶属度最大值为0.447 0，最大隶属度对应的风险等级为 V4，综合风险等级 4 级，总体处于较安全状态，可以放心施工。4 结论（1）根据高层建筑项目施工特点和风险问题，引用具有模块化风险分析特点的 WBSRBS 风险辨识方法，弥补了专家评价法风险遗漏和考虑不全面的问题，结合“4M”安全管理理论构建出 4 个一级指标和 13 个二级指标的安全风险指标体系。（2）将层次分析法引入传统的模糊综合评价法，构建基于模糊层次分析法的高层建筑施工安全风险评价模型，反映了高风险因素对施工安全的重要影响，使建筑施工评价结果更准确、更合理。（3）以实际工程项目为依托，运用提出的指标体系和安全评价模型，根据最大隶属度原则得出项目整体处于较安全状态，根据项目实际情况给出整改建议，验证了该指标体系和模型的适用性和可操作性。参考文献1 汪培庄.模糊数学及其应用 J.河南师大学报(自然科学版),1983(2):120.2 宋战平,郭德赛,徐甜,等.基于非线性模糊层次分析法的 TBM施工风险评价模型研究 J.岩土力学,2021,42(5):14241433.3 杜婷,宋艳红,李智莹,等.基于模糊综合评价法的建筑项目施工安全评价 J.土木工程与管理学报,2019,36(6):6166,78.4 李文龙,李慧民,孟海,等.基于熵权 未确知测度理论的装配式建筑施工安全风险评估 J.西安建筑科技大学学报(自然科学版),2019,51(3):369374.5 谢尊贤,徐宝,骆信慧,等.基于优化 AHP 与物元可拓模型的高层建筑施工安全风险评价 J.土木工程与管理学报,2021,38(2):98104.6 HILLSON D,SABRINA G,CARLO R.Managing project risks using a cross risk breakdown matrixJ.Risk Management,2006,8(1):6176.7 建筑工程施工质量验收统一标准:GB 503002013S.8 谭静宇.高层建筑施工安全风险评价及 BIM 技术应用研究 D.镇江:江苏大学,2020.9 魏丹.基于故障树和层次分析法的地铁施工风险评价:以隧道竖井基坑围护结构失稳为例 J.安全与环境工程,2018,25(1):100104.10 裴传飞,田云雨.某高层建筑悬挂结构施工关键技术 J.建筑技术,2023,54(13):15791582.