基于FISM-MICMAC的裝配式預制構件吊裝安全風險因素研究

祝連波， 張燁盈， 林陵娜， 許小進， 石振群

(1. 蘇州科技大學 土木工程學院， 江蘇 蘇州 215009； 2. 杭州涌都房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 浙江 杭州 311400)

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部統(tǒng)計的2020年度全國裝配式建筑發(fā)展情況顯示，全國31個省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產(chǎn)建設兵團，新開工裝配式建筑共計6.3億m2，較2019年增長50%，占新建建筑面積的比例約為20.5%[1]。雖然裝配式建筑在我國建筑市場逐年增長，但在裝配式建筑施工過程中，由于對重型、超重型吊裝設備的需求和使用，裝配式現(xiàn)場吊裝施工中頻頻發(fā)生安全事故，而裝配式預制構件吊裝作業(yè)是裝配式建筑施工過程中的重大危險源。識別裝配式預制構件吊裝安全風險因素，研究安全風險因素之間的邏輯關系將為裝配式預制構件吊裝安全風險評價和控制提供基礎。

目前，已有不少國內(nèi)外學者對吊裝安全風險進行了研究，成果頗豐。王軍武等[2]從關聯(lián)性視角出發(fā)對裝配式建筑工程吊裝事故的致因機理展開研究；李強年等[3]基于BIM+NB-IoT技術構建裝配式建筑吊裝安全風險管理系統(tǒng)，為裝配式吊裝安全風險智能化、信息化的管理方式提供理論框架；田學澤等[4]基于改進組合賦權 - 動態(tài)模糊理論模型準確評價了裝配式建筑吊裝施工安全風險等級并反應其變化趨勢；李文龍等[5]在多個工程實例中運用結構熵權 - 可信性測度理論的裝配式建筑吊裝施工安全風險評估模型；劉名強等[6]基于相關向量機建立裝配式建筑吊裝安全預警模型，能夠準確判斷吊裝作業(yè)安全狀況，提高裝配式建筑施工安全水平；Liu等[7]在數(shù)字孿生的基礎上提出吊裝安全風險管理框架，可實現(xiàn)吊裝現(xiàn)場的可視化管理；Chang等[8]基于層次分析法構建施工安全風險評價模型，并結合實例對模型的可行性與有效性進行驗證；Toole[9]主要聚焦吊裝作業(yè)前的安全管理階段，做到有備無患；Jespen[10]認為標準化說明書可以在一定程度上減少因操作失誤造成的各種安全事故，并初步提出了四類基本吊裝作業(yè)指令及指南。在風險間關系研究方面，模糊解釋結構模型(Fuzzy Interpretive Structural Model,FISM)是一種常用于研究風險間關系的分析方法。彭軍龍等[11]將FISM與網(wǎng)絡層次分析模型相結合，建立了裝配式建筑成本影響因素分析模型，將影響裝配式建筑成本因素之間的內(nèi)部邏輯關系用直觀圖的形式表示出來；張煒等[12]為準確分析重大工程項目社會穩(wěn)定風險發(fā)生過程中風險因素間的相互影響，基于Fuzzy-ISM提出風險關系遞階模型；Su等[13]建立了混凝土梁橋劣化的模糊解釋結構模型，便于對坍塌因素進行進一步分析，對橋梁生命周期各個階段的參與者提出管理建議。

綜上所述，雖然國內(nèi)外學者對吊裝安全風險進行了深入的研究，取得了豐碩成果，但是對裝配式預制構件吊裝安全風險因素的研究，還僅停留在識別和劃分階段，缺乏對安全風險因素的層次結構及相互之間作用關系的研究。因此本文為了識別裝配式預制構件吊裝安全風險因素并厘清各因素之間的邏輯關系，首先應用文獻分析和專家訪談法，得到裝配式預制構件吊裝安全風險因素指標體系。為有效克服經(jīng)典解釋結構模型的主觀性及隨機性，將模糊數(shù)學與經(jīng)典ISM模型相結合，在FISM的基礎上構建裝配式預制構件吊裝安全風險因素多級遞階模型[14]。然后，運用交叉影響矩陣相乘(Matriximpacts Cross-Reference Multiplication Applied to a Classification,MICMAC)法，計算得出風險因素的驅動力和依賴性的大小并繪制風險因素驅動力 - 依賴性分布圖，分析安全風險因素之間的作用機理。研究成果一方面為降低裝配式預制構件吊裝安全風險管理提供理論依據(jù)，另一方面為管理者從作用機理角度針對性地制定吊裝安全管理措施提供參考。

1 預制構件吊裝安全風險因素識別

目前，在裝配式預制構件吊裝安全風險因素的研究方面，有許多學者已經(jīng)對其進行了劃分和選取。首先，通過CNKI和萬方等論文數(shù)據(jù)庫對“裝配式建筑吊裝安全風險”、“裝配式建筑預制構件吊裝”等關鍵詞進行檢索，從檢索出的文獻中選擇15篇具有代表性的文獻進行分析，綜合考慮裝配式預制構件吊裝作業(yè)特征并根據(jù)“4M1E”原理，從人的風險、構件風險、機械設備風險、管理風險及環(huán)境風險五個方面著手，初步得到23個裝配式預制構件吊裝安全風險因素。然后，在分析文獻資料的基礎上，邀請了15位經(jīng)驗豐富的專家(均有5年以上的施工經(jīng)驗并且均與研究團隊合作關系密切)，通過郵件、電話、訪談的方式進行深入訪談，專家對裝配式預制構件吊裝安全風險因素進行優(yōu)化。最后，從23個安全風險因素中剔除“預制構件之間連接的牢固程度”，將“吊裝作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)督巡邏情況”并入“吊裝作業(yè)現(xiàn)場工作人員值勤情況”，將“施工現(xiàn)場能見度”并入“吊裝作業(yè)的天氣狀況”，最終梳理出20個裝配式預制構件吊裝安全風險因素，并得出裝配式預制構件吊裝安全風險因素指標體系，如表1所示。

表1 裝配式預制構件吊裝安全風險因素指標體系

2 預制構件吊裝安全風險因素的FISM模型構建

FISM模型是將經(jīng)典ISM模型進行模糊化處理，它能將因素之間簡單的0-1關系轉化為二元模糊關系，建立更切合實際的鄰接矩陣，更精確地反映出系統(tǒng)內(nèi)各因素間的復雜關系[15]。因此，本文運用模糊關系處理分析了預制構件吊裝安全風險因素間的內(nèi)在聯(lián)系。首先建立裝配式預制構件吊裝安全風險因素的模糊鄰接關系矩陣，計算可達矩陣，再分解可達矩陣，形成層次清晰的裝配式預制構件吊裝安全風險的多級遞階結構模型[16]。

2.1 構建模糊鄰接矩陣

在風險識別的基礎上建立模糊鄰接關系矩陣，用于判斷安全風險因素之間相互作用的強度。本文將裝配式預制構件吊裝安全風險因素相互作用關系劃分為5個等級，并基于此構件模糊鄰接矩陣A。假設風險因素二元模糊關系矩陣A=(aij)n×n，aij為風險因素Ri對Rj的影響關系，則定義為：

為確保數(shù)據(jù)的合理性和準確性，邀請20位經(jīng)驗豐富的項目管理專家或相關研究人員對表1的20個風險因素進行評分，取算數(shù)平均值以體現(xiàn)裝配式預制構件吊裝安全風險影響因素兩兩之間的影響程度大小，得到模糊鄰接關系矩陣A，如表2所示。

表2 模糊鄰接關系矩陣A

2.2 模糊關聯(lián)強度矩陣建立

選取隸屬度函數(shù)，建立裝配式預制構件吊裝安全風險因素的模糊關聯(lián)強度矩陣B=(bij)n×n。

(1)

式中：aij為因素i對因素j的模糊關聯(lián)強度；ai為模糊鄰接矩陣A第i行的和；aj為模糊鄰接矩陣A第j列的和；i,j=1,2,…,n。由此可建立模糊關聯(lián)強度矩陣B。

2.3 確定閾值λ

模糊關聯(lián)強度矩陣中的各個元素必須先抽象成0-1關系，否則不能直接確定元素間的可達關系。其方法是選取一個閾值λ，使得

(2)

風險因素間關系的復雜程度直接受到λ的影響，進而影響風險因素之間的層級劃分。當λ取值較小時，風險因素較弱的模糊關系會被反映出來；當λ取值較大時，風險因素間的強關系會被反映出來。因此，為了能準確反映出不同因素之間的合理關系，λ的取值既不能太大，也不能太小。經(jīng)反復測算，當λ取值為0.11時，模型能反映出較強的風險關聯(lián)程度，此時得到鄰接關系矩陣C。

2.4 計算可達矩陣

基于系統(tǒng)工程理論，將鄰接矩陣C與單位矩陣I相加，當滿足式(3)時，矩陣M即為可達矩陣。在鄰接關系矩陣的基礎上，借助MATLAB軟件計算出可達矩陣M，結果如表3所示。

表3 模糊可達矩陣M

M(C+I)k+1=(C+I)k≠(C+I)k-1

(3)

式中：k為可達矩陣的結束次冪。

2.5 FISM模型構建及風險層級劃分

風險層級劃分，即將各風險因素劃分為不同層級。首先根據(jù)可達矩陣M確定可達集P(Ri)和先行集Q(Ri)，可達集是M中該因素所在行元素為“1”的對應列的集合，先行集是M中該因素所在列元素為“1”的對應行的集合，共同集C(Ri)為可達集與先行集的交集[17]。找出M中不影響其他因素而只受其他因素影響的因素，即符合P(Ri)=P(Ri)∩Q(Ri)=C(Ri)條件，并將其抽取，然后將該因素所在的行與列刪除。依此規(guī)則逐層抽取，直至完成風險因素層級結構劃分[18]，劃分結果如表4所示。

基于上述分析，裝配式預制構件吊裝安全風險因素共分為6級，分別為L1={R3，R6，R8，R10，R11，R14，R17，R19}；L2={R1，R7，R9，R12，R13，R15，R16}；L3={R2}；L4={R4}；L5={R5，R18}；L6={R20}。根據(jù)表4劃分的層級結構，結合可達矩陣M中各風險因素間的相互關系，對關聯(lián)因素進行連線，構建出裝配式預制構件吊裝安全風險因素FISM模型，如圖1所示。

圖1 裝配式預制構件吊裝安全風險FISM模型

表4 預制構架吊裝安全風險因素劃分

按照各風險因素在FISM模型中所處的位置可將它們分為3個層級，L1為表層，L2，L3，L4，L5為中間層，L6為深層。不同層級代表對裝配式預制構件吊裝安全風險有不同的影響程度。越高層級的風險因素對裝配式預制構件吊裝安全風險的影響越直接[19]。

(1)位于深層的“現(xiàn)場安全管理人員配備的完善程度”是影響其他層級風險因素的根本原因，應在裝配式預制構件吊裝過程中給予首要關注[20]。

(2)位于中間層的11個風險因素會直接或間接地對表層或深層的風險因素造成影響，且風險因素之間關系復雜。因此，中間層的風險因素是風險管理的重點和難點，應得到充分的重視。

(3)位于表層的8個風險因素對裝配式預制構件吊裝有直接影響，通常需要通過解決中間層及深層風險因素的問題以使表層風險因素產(chǎn)生的問題得到最終解決。

3 預制構件吊裝安全風險MICMAC分析

通過使用FISM方法，已對預制構件吊裝過程中安全風險影響因素間的層級結構關系進行了分析。為了使各因素之間的邏輯性及作用機理更加清晰明確，使用MICMAC方法對各安全風險因素的驅動力和依賴性進行分析，以便對裝配式預制構件吊裝安全風險的管理提出更有針對性的建議。

3.1 MICMAC法

利用MICMAC方法，對可達矩陣M中各風險因素所在的行和列分別求和，得出風險因素的驅動力和依賴性的大小，據(jù)此將風險因素分為自治簇、獨立簇、聯(lián)系簇及依賴簇，并繪制風險因素象限劃分圖[21]。一般地，依賴性的大小表示該風險因素受到其他風險因素影響的程度，依賴性越大說明其他風險因素所產(chǎn)生的的各種改變更容易對該風險因素造成影響；驅動力的大小表示該風險因素對其他風險因素造成影響的程度，驅動力越大說明該風險因素所產(chǎn)生的的各種改變更容易對其他風險因素造成影響[7]。根據(jù)模糊可達矩陣M計算得出驅動力和依賴性的大小，如表5所示。

表5 各風險因素驅動力及依賴性程度大小

再依據(jù)計算結果對20個風險因素進行分類，結果如圖2所示。其中風險因素R1，R6，R7，R8，R9，R10，R11，R12，R13，R15，R17屬于自治簇，該類風險因素依賴性及驅動力均較弱；風險因素R3，R14，R16，R19屬于依賴簇，該類風險因素依賴性較強，驅動力較弱；風險因素R2，R4，R5，R18，R20屬于獨立簇，該類風險因素依賴性較弱，驅動力較強。

圖2 風險因素驅動力 - 依賴性分布

3.2 FISM-MICMAC結果分析

由圖2可知，裝配式預制構件吊裝安全風險因素主要分布于自治簇Ⅰ、獨立簇Ⅱ及依賴簇Ⅳ，未有風險因素出現(xiàn)在聯(lián)系簇Ⅲ中。通過綜合分析裝配式預制構件吊裝安全風險因素FISM-MICMAC模型可知：

(1)位于自治簇Ⅰ的風險因素有R1，R6，R7，R8，R9，R10，R11，R12，R13，R15，R17，大部分位于FISM模型中間層的上部，對表層和深層風險因素具有承上啟下的作用且風險因素之間的關系較為復雜[22]。因此，該類風險因素應得到充分的重視，通過有效治理從而減少裝配式預制構件吊裝安全事故的發(fā)生。

(2)位于獨立簇Ⅱ的風險因素有R2，R4，R5，R18，R20，位于FISM模型的深層及中間層的下部，其驅動力較高，依賴性較低，通常對其他風險因素產(chǎn)生影響，包含根本因素及對其他因素有較大影響的間接因素。其中現(xiàn)場安全管理人員配備的完善程度R20是影響裝配式預制構件吊裝安全的根本因素，具有最強的驅動力，對該因素給予重點管控能夠在一定程度上有效減少表層及中間層風險因素的發(fā)生[23]。

(3)位于依賴簇Ⅳ的風險因素有R3，R14，R16，R19，位于FISM模型的上層，其驅動力較低，依賴性較高。該類風險因素產(chǎn)生的概率與其他風險因素是否得到有效控制密切相關，包含直接因素及受其他因素影響較大的間接因素。吊裝視野的開闊程度R14依賴性最強，且受到吊裝作業(yè)空間大小、吊裝作業(yè)交叉程度及吊裝作業(yè)天氣狀況等因素的直接影響，而這些因素又受到吊裝設備位置選擇的合理性、吊裝設備操作人員安全意識等因素的間接影響。因此，保證吊裝過程中視野開闊是預制構件吊裝安全管理的關鍵。

3.3 預制構件吊裝安全風險管理對策建議

基于對FISM-MICMAC模型的分析，裝配式預制構件吊裝安全風險因素之間存在一定的邏輯關系,可對裝配式吊裝作業(yè)階段風險管控提出建議。

(1)吊裝設備操作人員及吊裝現(xiàn)場安全管理人員必須持證上崗，并定期進行安全教育培訓，增強安全意識，減少不安全行為的發(fā)生。在預制構件吊裝作業(yè)前及作業(yè)過程中，應定期檢查吊裝設備、吊裝用具的完好程度及吊裝設備的運行狀況，確保預制構件與吊裝設備之間連接牢固，預防因預制構件脫落、吊裝設備運行不正常造成的安全事故。在吊裝作業(yè)進行前應確認天氣狀況，天氣惡劣不得吊裝。在進行高空交叉作業(yè)時，應做好交叉作業(yè)人員的協(xié)調(diào)與聯(lián)系，明確應采取的防范措施與配合要求。

(2)相關監(jiān)管部門應加強預制構件吊裝現(xiàn)場的監(jiān)督管理及安全檢查力度，完善安全生產(chǎn)管理制度，一旦發(fā)現(xiàn)潛在危險應要求及時整改，提高安全管理及風險防控水平，消除安全隱患。

4 結 論

本文結合裝配式預制構件吊裝作業(yè)的特征，根據(jù)“4M1E”原理，并通過文獻分析法和專家訪談識別出20個裝配式預制構件吊裝安全風險因素。為了克服專家打分時的主觀性和隨意性，將模糊數(shù)學與經(jīng)典ISM模型相結合，利用FISM模型及MATLAB軟件，構建了裝配式預制構件吊裝安全風險因素的層級結構模型，依此繪制了6級遞階有向圖。并通過MICMAC法對各風險因素的驅動力和依賴性進行分析，進一步探究各風險因素間的邏輯性和作用關系。

研究結果表明：現(xiàn)場安全管理人員配備的完善程度R20是裝配式預制構件安全風險產(chǎn)生的根本因素，有較強的驅動力，對其他風險因素影響較強，應作為首要風險因素進行優(yōu)先、重點治理。吊裝設備操作人員精神狀態(tài)R3、預制構件加工質(zhì)量R6、預制構件與吊裝設備之間連接的牢固程度R8、吊裝設備的完好程度R10、吊裝設備運行狀態(tài)R11、吊裝作業(yè)視野的開闊程度R14、安全生產(chǎn)管理制度完善程度R17、安全用具使用規(guī)范程度R19為直接影響因素，并受其他風險因素影響較大，有較強的依賴性，在裝配式預制構件吊裝作業(yè)過程中應作為安全風險事件發(fā)生前兆的重點監(jiān)控對象，也是進行風險預警的重要指標。未來的研究可以通過定量的方法，更深層次地對安全風險因素之間存在內(nèi)在聯(lián)系的影響程度進行探索。