基于FTA-SPA-灰色聚类的装配式建筑施工安全测评.pdf

文章编号 基于 灰色聚类的装配式建筑施工安全测评 王志强 张樵民 王国强 李健 崔金海 青岛理工大学管理学院 山东 青岛 中建八局第一建设有限公司 山东 济南 摘要针对装配式建筑施工的特点 采用事故树分析法 对装配式建筑施工安全事故及原因进行了梳理 将基本事件进行归纳并构建了评价指标体系 利用集对分析法 确定指标权重 运用灰色聚类分析方法对装 配式建筑项目的施工安全进行测评 并根据对危险因子的识别提出相应的安全防范措施 从而构建了装配式建筑 施工安全测评模型通过在青岛万达小学的实例应用 结果表明 施工人员技术水平与安全意识 吊点的确定 构 件节点连接强度为主要安全影响因素 需要采取相应的安全防范措施以减少事故的发生 从而验证了该模型的有 效性 关键词装配式建筑 施工安全测评 事故树分析法 集对分析法 灰色聚类分析 中图分类号 文献标识码 收稿日期 修回日期 基金项目 国家自然科学基金项目 作者简介 王志强 男 硕士 副教授主要从事工程项目的安全管理和安全技术等方面的研究 装配式建筑是由预制构件通过可靠的连接方式 装配而成的结构 包括了预制混凝土结构 木结构 钢结构等形式发展装配式建筑有利于提高生产效 率 改善施工安全和工程质量 能极大地改变传统粗 放建造模式下破坏环境 浪费资源 频发事故等现 象 可谓是 一劳多得 装配式建筑符合绿色建筑 与节能建筑的要求 既是两者的结合升级 又是建设 领域响应国家 供给侧结构性改革 化解产能过剩 的重要举措 还是培育新型产业 加快我国新型城镇 化建设模式转变的重要途径 已得到国家和地方政 第 卷第期 年月 安 全 与 环 境 工 程 府的重视和大力支持 年月 国务院办公厅 印发的 关于大力发展装配式建筑的指导意见 中指 出 力争用 年左右的时间 使装配式建筑占新建 建筑面积的比例达到 年 月 青岛市 在印发的 关于进一步加强城市规划建设管理工作 的意见 中指出 到 年 装配式建筑占新建建 筑的比例要达到 装配式建筑在我国的迅猛 发展 必将掀起一场建筑领域的重大变革 近年来在建筑领域 国内外学者 运用层次分 析法 模糊层次分析 与模糊理论相 结合的方法 对以现浇混凝土为代表的传统大型建 筑工程的施工安全评价方法进行了研究 目前已趋 于成熟装配式建筑虽然在政府的大力支持下得到 了迅猛发展 但是由于装配式建筑在构件生产 物流 运输 现场施工等方面与传统现浇方式存在着显著 差异 使得应用于传统施工模式的评价模型不再适 用于装配式建筑国外装配式建筑起源较早 发展 与应用已相对趋于成熟 对其研究的内容主要集中 在材料节能减排 构件应力分析等方面但由 于装配式建筑现场施工中安全事故频发 施工风险 之间经常发生耦合 一定程度上阻碍了装配式建筑 在我国的发展严小丽等 研究认为人的不安全行 为是导致事故发生的首要因素 并基于人因视角对 建设项目施工安全的风险耦合机理进行了研究 李 颖等 尝试将事故树分析法 应用于解决装 配式建筑施工安全问题中 但因为缺少概率数值而 只能进行定性分析 杨爽 从事故致因理论 危险源 辨识理论分析出发 构建了基于属性数学的装配式 建筑施工安全评价模型 但在应用理论对指标体系 进行约简得到的结果可能不唯一 对评价结果的准 确度有一定的影响 汤彦宁 从企业的立场将系统 动力学理论应用于装配式结构住宅施工阶段的安全 风险状况评价中 但由于对各变量之间的数量关系 只是做了简单的评估工作 难以具有说服力 付杰 等 运用灰色理论的评价方法构建了装配式建筑 工程安全状态测评模型 但评价指标选取跨度过大 综上所述 我国现阶段对现浇混凝土建筑的施工 安全控制研究较多 对装配式建筑现场施工安全研究 虽有涉及 但由于评价指标体系不适合或者模型的缺 陷而难于对装配式建筑现场施工安全进行有效的评 价因此 探索一套指标相对健全 方法便捷的装配 式建筑施工安全评价模型则成为本文研究的目标 为此 本文拟以装配式建筑现场施工安全为主题 首 先从安全事故致因理论出发 结合事故树分析方法 探寻影响装配式建筑施工安全的危险因子 并建立评价指标体系 然后运用集对理论 和灰 色聚类分析方法 对装配式建筑施工安全进行整体评 价 并从指标中筛选出对施工安全影响较大的危险因 子作为控制对象 最后 以青岛市黄岛区万达小学为 例 证明此种方法的可行性 并对影响装配式建筑施 工安全的重要因素提出针对性的风险控制措施 以期 为施工方的安全管理提供思路与借鉴 装配式建筑施工安全的影响因素分析 装配式建筑施工流程大致可以分为四个部分 构件生产 构件运输 现场吊装 构件安装与一般 的住宅建筑相比 装配式建筑高空作业多 吊装作业 量大 机械化程度高 对施工安全的影响因素难以把 握 因而导致施工安全隐患较多文敏等 通过项 目的实地调查 将预制装配式住宅楼施工过程中的 安全风险主要分为高空临边作业风险 构件吊装及 安装风险 触电风险 高空坠落风险 构件装运卸载 风险五类 见图由图可见 装配式建筑的施工 安全风险主要发生在构件吊装及安装过程中 30 31 13 19 7 图装配式建筑施工安全事故类别统计图 此外 在大量阅读与装配式建筑施工安全相关 文献的基础上 本文对我国 年房屋市政 工程生产安全事故类型进行了统计 见图 从中 遴选出了发生概率较大的类安全事故 分别为高 处坠落事故 物体打击事故 起重伤害事故 坍塌事 故 同时 考虑到装配式建筑构件安装对机械化 电 12.05 11.96 8.04 15.12 52.85 图我国 年房屋市政工程生产安全事故 类型统计图 第期王志强等 基于 灰色聚类的装配式建筑施工安全测评 气化程度的要求较高 故将 机械伤害 事故也列入 其内 装配式建筑施工安全测评与控制理 论分析 事故树分析法 事故树分析 又称 故障树分析 是美国贝尔实验室的 等提出 和发展起来 的一门 定量与 定性 分 析 相 结 合 的 方 法 法因其科学的分析和便捷的计算而被 我国广泛应用于矿山 船舶 城市交通等复杂系统工 程的安全问题分析由于装配式建筑在我国刚刚发 展起来 缺少大量的实际统计数据 因此运用规范完 整的 法对装配式建筑施工风险进行分析在短 时间内难以实施但是 法在定性分析中 既 可以对已发生的事故进行追溯 探究事故发生的原 因 也可以对即将展开的工程进行危险因素分析预 测 为制定专项安全施工方案和安全技术措施提供 重要的参考依据 以防范事故的发生 集对分析法 集对分析 是用联系 度将问题的不确定性转换成具体的数学问题 统一 处理模糊性 随机性等问题的系统理论和方法 与模糊理论 数理统计等方法相比 集对分析法在处 理不确定因素问题上因其清晰地反映了研究对象集 对之间的同异反联系 而广泛应用于城市生态 经济 的评价中 若将其应用于装配式建筑施工安全评价 中 则可大大减少专家的主观随意性集对分析的 联系度可表示为 其中 同一性联系 差异性联系 对立性联系 式中 表示联系度 表示同一度表示差异度 表示对立度 且 满足归一性 表示不确定性系数 且 的取值 影响 制约于 的取值 是事件问题中的核心 问题 表示对立系数 恒取值 以表示的 对立性 灰色聚类分析 灰色聚类分析理论来自于灰色系统理论 而 中心点三角白化权函数是在端点三角白化权函数基 础上改进而来的 它以某灰类程度最大的点为该 灰类的中心点 辅以左延拓值和右延拓值来测度白 化权函数 不存在两个灰类交叉的现象根据灰类 划分最大原则可评价装配式建筑施工的安全状态 并可通过危险因子识别与分析 对危险因子风险系 数进行排序 进而提出相应的安全防范措施 基于 灰色聚类分析的装 配式建筑施工安全评价模型的建立 事故树分析 过程 本文运用 法 建立了装配式建筑施工安 全的事故树 详见图 T S1S2S3S4S5 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X1 X2 X3 X5 X9 X10 X13 X14 X15 X16 X1 X2 X3 X4 X5 X8 X9 X11 X1 X2 X3 X12 X17 X18 X19 图装配式建筑施工安全的事故树 注作业人员技术水平及安全意识施工组织设计与管理人员安排安全施工方案现场安全文明施工吊装 现场安全防护与检查吊装现场自然环境安装现场气候状况安装现场防护与检查施工机具设备及附属用品选 用 吊点的确定 承载力校验 构件临时固定 支撑 起重机具选用 起重机具安装与试吊 塔吊顶升 与附着 塔吊交叉干扰碰撞 构件精度与强度 构件定位与复核 构件节点连接强度 集对分析 过程 建立装配式建筑施工安全评价指标体系 装配式建筑的 构件多在构件厂提前完成 在施工工序上做了重大调整 因此在准则层的确定 上主要参照了施工流程 即施工准备 吊装作业 构 件安装而指标层则是参照了传统建筑施工安全影 响因素 同时结合装配式建筑施工的特点 最终将事故树中的基本事件划分为 个指标层 安 全 与 环 境 工 程 第 卷 人员因素贯穿于装配式建筑现场施工的始终 是施 工安全控制的主要目标 而 作业人员技术水平及安 全意识 是 吊装作业 和 构件安装 过程中重要的 影响因素 因此将这一指标放在准则层 施工准备 中可避免重复计算基本事件与目标层 准则层 指 标层的对应关系见表 表基本事件与评价指标体系的对应关系 目 标 层 准 则 层 指标层基本事件 装 配 式 建 筑 现 场 施 工 安 全 评 价 施 工 准 备 吊 装 作 业 构 件 安 装 施工组织设计与管理人员组织设计不合理 安排监管人员不到位 吊装人员缺乏安全意识 作业人员技术水平及安全安装人员安全意识薄弱 意识吊车司机操作水平有限 机械操作人员操作不当 安全施工方案安全施工方案编制不合理 施工机具设备及附属用品设备质检不合格 选用施工机具性能不足 施工现场缺乏安全标志 危险源及构件堆放不合理 现场安全文明施工防护设施缺失 操作棚不到位 劳保产品发放不齐全 起重机具选用 起重设备选择不合理 起重机具安装与试吊 吊装前未进行检查和实验 吊点的确定 吊点不能满足整体要求 塔吊顶升与附着 顶升不合规程 附着不满足力学要求 塔吊交叉干扰碰撞 安装前未进行碰撞检查 承载力校验 超载吊运 吊装现场安全防护与检查防护缺失 吊装现场自然环境天气恶劣 遇到不可抗力 安装现场气候状况雨 雪等天气 安装现场防护与检查 安装防护措施不到位 脚手架搭设不合理 构件精度与强度 构件强度达不到要求 构件定位与复核 构件定位与复核有偏差 构件临时固定 支撑 构件临时固定 支撑不牢固 支架承载力不足 构件节点连接强度 构件节点连接不牢固 混凝土强度不够 构造比较矩阵 设专家组由个专家组成 评价指标集 在模型中 根据专家等人员的 经验使用标度方法进行标度 构造判断矩阵 并将指标两两比较得到的结果作 为判断矩阵元素 构建比较矩阵和比较矩阵集第 个专家所得到的评价矩阵 为 确定联系度矩阵 对评价对象进行评价时 考虑到专家组的意见 存在截然相反的可能性不大 在不考虑集合 对立性 联系 的情况下 可采用 的同异模型当 然 意见相左的情况也可能存在 此时需要对专家评 价矩阵进行一致度检验 若结果具有很高的一致 度 则可以认为不存在截然相反的意见 否则就需要 邀请专家对指标重新进行比较 利用联系度的 矩阵形式建立描述指标相对重要性的联系度模型 即 其中 因为 所以有 式中 表 示 同 一 性 矩 阵 表 示 差 异 性 矩 阵 同异反联系矩阵一致化 使用相容矩阵法对同异反联系矩阵进行一致 性处理 得到相容矩阵 其中 槡 且 计算指标权重 采用下式计算指标权重 第期王志强等 基于 灰色聚类的装配式建筑施工安全测评 式中 槡 灰色聚类分析过程 划分灰类 灰类划分的详细程度可由评价指标的复杂程度 来决定假设要将评估对象划分为个灰类 据此 将二级指标的取值范围也相应地划分为个灰类 根据需要 这里将装配式建筑现场施工安全划分为 极不安全 不安全 安全 非常安全个灰类 相应的 量化值采取十分制 详见表 表灰类划分与取值范围 极不安全 不安全 安全 非常安全 计算指标的中心点三角白化权函数 令 为灰类的中心点 同时连接第个灰类 中心点 与第个灰类中心点 和第 个灰类中心点 则指标所属的灰类 的取值范围为 则可得到 指标关于灰类的中心三角白化权函数为 特别地 当 时 采用下限三角白化权函数 向左延拓至 当时 采用上限三角白化权函数 向 右延拓至 见图 0123kk 1k1s 1s1s y f 1 i x y f 2 i xy f k i xy f s i x x y 1 0 图基于中心点的三角白化权函数示意图 当时 采用下限三角白化权函数 向左延拓至 当时 采用上限三角白化 权函数 向右延拓至 对于指标的分值 可分别 计算出其属于灰类 的中心点白化 权函数值 具体公式如下 式中 分别为指标关于第灰 类第灰类 第灰类的三角白化权函 数 为指标的分值分别为第个灰 类的中心点 的值分别为 计算综合聚类系数 准则层指标关于灰类的综合聚类系数 的 计算公式为 式中 为指标层指标的权重 计算综合评价系数 装配式建筑施工安全综合评价系数 的计算 公式为 式中 为准则层指标的权重 由 可判断装配式建筑施工安全 综合评价属于灰类 从而得到其安全评价等级 危险因子识别 通过白化权函数值 对关键安全隐患进行 识别与分析 由 判断指标为影响装 配式建筑施工安全的潜在危险因子 计算指标危险 因子系数 的公式为 式中 表示安全分数值 表示不安全分数 值 表示进行归一化处理 应对措施 根据危险因子系数的大小 将对应的危险因子 进行排序 从事故树中找出其可能引起的相应安全 事故 并有针对性地提出应对措施 以防范安全事故 的发生 安 全 与 环 境 工 程 第 卷 装配式建筑施工安全评价流程 综上分析可见 将事故树分析法 与集对 分析法 相结合 一方面弥补了事故树方法由 于发生概率缺失而无法准确确定各基本事件影响度 的缺陷 保证指标的系统性 另一方面用集对分析法 确定指标权重 大大减少了专家的主观意见 差异性 提高了结果的精确性因此 本文建立了基 于 灰色聚类分析的装配式建筑措施施工 安全评价流程 详见图 图装配式建筑措施施工安全评价流程 基于 灰色聚类分析的装 配式建筑施工安全测评与控制模型 的实例应用 实例概况 青岛万达游艇产业园 班小学位于青岛市黄 岛经济开发区西海岸最东端是青岛市第一个装配 式公共建筑 该建筑项目包括综合教学楼和体育馆 以连廊连接 其中综合教学楼面积为 体育馆地上面积为 地下面积为 总 面 积 为 小 学 用 地 面 积 为 总工期为 该装配式建筑教学 楼主次梁 楼板 梯板均采用预制构件 总体预制率 为 装配率为 基于 法构建评价指标体系 根据表构建青岛市万达小学装配式建筑施工 安全评价指标体系 基于 法确定指标权重 本次共邀请了位专家对装配式建筑施工安全 各个评价指标进行两两比较 得到比较矩阵和比较 矩阵集如第一位专家对 施工准备 这一准则层的 指标进行两两比较得到的评价矩阵 为 最终可得到比较矩阵集为 由公式 可分别得到同一性矩阵 和差异 性矩阵 考虑到专家的认识差异性较小可以取为 则同异反联系矩阵 为 对同异反联系矩阵 进行一致化后 得到的相 容矩阵 为 由公式 可计算得到准则层的权重集 为 同样 可求得准则层 的权重集以 及目标层的权重集如下 第期王志强等 基于 灰色聚类的装配式建筑施工安全测评 灰色聚类分析 本次邀请上述位相关专家采用十分制对准则 层指标进行评分 取位专家的平均数为标准值 计 算白化权函数值 其计算结果见表 表万达小学装配式建筑项目灰色聚类测评表 指标层权重分值 白化权函数值 极不安全不安全安全非常安全