《武汉工程大学学报》 2020年06期
669-673，705
出版日期：2021-01-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于多级可拓的装配式建筑质量安全风险评估
随着我国城镇化建设政策的提出，装配式建筑以高效率、高质量、低污染逐步取代一部分现浇建筑方式。目前，国家和地方都推出相应的政策来增大新建建筑的装配率。福建省2019年印发的装配式建筑工作要点中提出，福建地区全年装配率指标为15%，一些发达地区全年的装配率指标为30%。如何推行装配式建筑的发展，质量安全是关键。国内外专家学者总结了装配式建筑在工程全寿命周期中遇到的质量问题，并提出解决方案［1-7］，Chen等［8］提出了影响质量安全的风险因素，利用信息技术解决质量管理问题。Safe等［9］将预制构件质量管理划分为生产前、生产后和施工现场保证系统3大类，运用先进自动化监测技术收集施工数据。质量安全管理也是一个信息管理的过程，Chen和曹江红等［10-11］将信息集成技术BIM与质量管理结合，为高效质量管理提供思路。王继华等［12］引入ITP技术，建立一种基于检查和实验计划的质量管理体系，该技术主要应用于施工方管理。齐宝库等［13］提出了装配式建筑施工中出现的叠合板断裂、转角板折断等施工现场重难点问题，根据问题提供解决方案，并对我国装配式建筑的发展提供意见。以上学者研究重点是提出质量问题和提供解决思路，未对影响质量安全的问题进行定量分析。李颖等［14］运用事故树分析法识别影响质量安全因素，对其进行层次分析，评定风险权重。吴水根等［15］将质量安全管理划分为施工前、施工中和施工后3个阶段，采用模糊综合的评价方法对质量问题进行层次划分和全面评价。现有对装配式质量安全评估的方法主要是层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）和模糊综合评价法［16］，这些方法对权重分析较多依赖主观经验，计算较为复杂。从装配式建筑的建造方式和管理特点应用AHP初步确定风险因子权重，进一步运用多级可拓评估方法分析影响装配式建筑质量因子的内在联系，使得评估结果更加客观［17］。1 装配式建筑质量安全风险因素分析配式建筑构件需要在工厂预制完成后运输至施工现场。现阶段，工厂生产的预制构件主要是预制叠合板、预制墙体、预制楼梯、预制梁和预制柱。预制构件的质量直接影响后期工程的质量和进程。依据系统、客观、全面的评估原则，从施工前、施工中、施工后三个阶段确定影响装配式建筑质量风险因素。1.1 施工前施工前的准备工作对后续工程的施工必不可少，施工准备工作对工程质量的影响贯穿整个施工阶段。该阶段风险因素主要有：1）制作质量（原材料的质量不过关，成型构件尺寸偏差超过标准值，构件平整度达不到要求且存在构件不全）；2）配筋质量（钢筋预留位置设计不合理，钢筋的下料尺寸、焊接、绑扎质量、钢筋间距及保护层厚度达不到安全要求）；3）敷设配管（敷设管道与预埋构件冲突，配管困难；管道设计不合理，常常出现90°直弯角）；4）模板质量（模板质量不好导致涨模，影响构建质量，脱模剂不够导致内部结构外露）；5）运输过程（运输过程中构件挤压从而碰撞破坏内部结构，钢筋缺少保护措施产生弯曲位移，构件尺寸过大无法安全运输，运输途中容易发生结构破坏等）。1.2 施工中施工中的质量问题一直以来都是专家学者关注的重点，装配式建筑能否顺利发展的关键是解决施工中的质量问题。该阶段风险因素主要有：1）堆放管理（构件堆放时间长导致钢筋锈蚀、强度受损；缺乏堆放支架的安全分析，不能有效防止倾覆）；2）吊运定位（构件跨度大、吊点设计不合理导致挠度过大，构件内部损坏；吊装设备不满足安全和精度要求，定位困难）；3）节点施工（预制构件施工连接时，砂浆不饱满、套筒错位问题；墙板拼接接缝达不到标准要求；后浇段质量达不到设计要求）；4）临时支撑（临时支撑设备安全措施设计及安全性）。1.3 施工后施工后是项目建造基本完成阶段，该阶段风险因素主要有：1）成品保护（装配式建筑构件保护不到位导致工程质量问题）；2）检测验收情况（装配式工程结构检测情况，隐蔽工程的验收情况）；3）资料情况（验收资料的完整性和真实性）。2 预制装配式建筑质量安全风险评估运用AHP进行影响预制建筑的质量和安全风险因素评估，如表1所示，可以获得每个风险因素的权重。对于AHP风险权重值，进一步采用多级可拓模型建立多指标评价模型，减弱主观因素对评价结果的影响，确定质量风险水平。通过调查问卷得到10位相关领域专家风险评分结果，整理数据获得判断矩阵[I]。[I=a11a12a13a14a21a22a23a24a31a32a33a34a41a42a43a44] （1）用方根法计算可得判断矩阵特征向量[W=W1,W2,?,WnT]和最大特征值[λmax]，特征向量经过归一化处理即为风险因子等级权重。对矩阵I做一致性检查如下：1）计算一致性指标Ci＝λmax-n/（n-1） （2）2）根据表2取平均随机一致性指标Car，得到一致性比率Cr＝Ci /Car （3）表2 平均随机一致性指标Tab. 2 Average random consistency index[阶数n\&1\&2\&3\&4\&5\&6\&7\&8\&9\&10\&Car\&0.00\&0.00\&0.58\&0.90\&1.12\&1.24\&1.32\&1.41\&1.45\&1.49\&]Cr<0.1时判断矩阵符合一致性要求；反之，则不满足。[λmax]的特征向量经过归一化处理即为各级风险因素对目标的权重值，二级指标的相对权重为：Xn=uiwj，其中Xn是二级风险因素相对于总目标的权重值，ui是一级风险因素相对于目标的权重值，wj是二级风险因素相对于一级风险因素的权重。3 多级可拓模型的建立设C为物元，R为评判因素集，R=｛r1，r2，…，ri｝，其中i为评判因素的个数，根据被评价对象风险因素大小进行风险级别划分，建立风险级域U=｛u1，u2，…，uj｝，其中j为风险级别数。3.1 确定经典域与节域[Cj=Mj,R,Vj=Mr1(aj1,bj1)r2(aj2,bj2)??ri(aji,bji)] （4）式（4）中：Vj为C关于Uj所规定的量值域；Vm为R对于全部等级的U的量值域。3.2 确定待评价物元第i个待评估一级指标评价物元为：[Ci=Sri1vi1ri2vi2??rikvik] （5）式（5）中：Ci为评价对象；Vik为N关于rik的量值。3.3 建立关联函数将待评价对象与风险等级进行关联度计算，确定待评价对象的关联度：[Kj(rik)=p(vik,Vj)p(vik,Vm)-p(vik,Vj)] （6）式（6）中，[p(vik,Vj)=vik-aji+bji2-12bji-ajip(vik,Vm)=vik-aUi+bUi2-12bUi-aUi] （7）kj（cik）为一级指标i下的二级指标k与风险等级j的关联度。3.4 多级可拓评价将各二级指标与各级风险等级组成的关联函数计算得出评价指标的风险等级矩阵K（ri）=［kj（rik）］，与经过归一化处理的权重向量wi=（wik）相乘可得一级指标关于各级风险的关联矩阵[K(ri)]如下：[K(ri)=[kj(rik)]=(wi1,wi2,?win)k1(ri1)k2(ri2)?km(ri1)k1(ri2)k2(ri2)?km(ri2)???k1(rin)k2(rin)?km(rin)] （8）将各一级指标与各级风险等级组成的关联函数计算得出评价指标的风险等级矩阵[K(s)=][[k(ri)]]乘以权重向量wi＝（wik）可得目标层关于各级风险的关联矩阵K（s）如下：[ K(s)=[k(ri)]=(w1,w2,?wp)k1(r1)k2(r2)?km(r1)k1(r2)k2(r2)?km(r2)???k1(rp)k2(rp)?km(rp)] （9）3.5 确定安全等级规定有：[kj(s)=maxj=(1,2,?,m)kj(N)]，关联度最大值所对应的j值即为该评价对象的风险等级。4 实例分析截至2019年5月底，福建省新建楼房共有67个预制建筑项目，总建筑面积3.98×104 m2。福建省长乐市某住宅群建设中有3栋装配式建筑工程，地上建筑面积为4×104 m2。其中2#楼为34层，建筑高度95.62 m，20#和21#楼为34层，建筑高度为97.07 m。工程中外墙、楼梯、阳台板和阳台隔板、排水沟均采用预制构件，2#楼项目预制率为17.2%，20#和21#楼项目预制率为16.2%。项目经过模数化设计，在预制工厂统一生产，配合现场施工进度调整预制厂生产进度。工程项目力图实现无外模、无脚手架、无砌筑、无抹灰的绿色装配建筑。4.1 风险权重根据10位专家对影响装配式建筑质量风险因素打分表，整理数据如下所示：[I=1342431212121]4.1.1 一级指标权重计算与一致性检验 根据式（1）得出U1-U3的权重B=｛0.362 1，0.438 6，0.199 3｝，根据式（2）和式（3）进行一级指标的一致性检查。检验结果显示Cr=0.079＜0.1，一致性符合标准，该矩阵有效。4.1.2 二级指标权重计算与一致性检验 根据专家打分结果，以施工前质量风险评价为例列出风险判断矩阵如表3所示。表3 施工前质量风险判断矩阵Tab. 3 Judgment matrix for quality risk of pre-construction[U\&U11\&U12\&U13\&U14\&U15\&W1\&制作质量U11\&1\&1/2\&3/2\&1\&3\&0.195 5\&配筋质量U12\&2\&1\&3\&2\&7\&0.403 3\&敷设配管U13\&2/3\&1/3\&1\&1/3\&2\&0.113 5\&模板质量U14\&1\&1/2\&3\&1\&3\&0.224 6\&运输过程U15\&1/3\&1/7\&1/2\&1/3\&1\&0.063 2\&]4.1.3 指标层对目标层的组合权重 依次求出了装配式建筑质量风险一级指标权重和二级指标权重，可得各风险因素对目标层的权重，见表4。表4 装配式建筑质量安全风险因素权重Tab. 4 Weighting of risk factors of safety for prefabricated building quality[一级指标\&权重\&二级指标\&二级权重\&总权重\&施工前U1 \&0.362 1\&制作质量U11\&0.195 5\&0.070 8\&配筋质量U12\&0.403 3\&0.146 0\&敷设配管U13\&0.113 5\&0.041 1\&模板质量U14\&0.224 6\&0.081 3\&运输过程U15\&0.063 2\&0.022 9\&施工中U2\&0.438 6\&堆放管理U21\&0.070 3\&0.030 8\&吊运定位U22\&0.199 5\&0.087 5\&拼接节点U23\&0.453 4\&0.198 9\&临时支撑U24\&0.276 8\&0.121 4\&施工后U3\&0.199 3\&成品保护U31\&0.122 0\&0.024 3\&工程检验验收U32\&0.558 4\&0.111 3\&工程资料的完整性和真实性U33\&0.319 6\&0.063 7\&]4.2 多级可拓评价将所列影响装配式建筑质量风险因素建立风险域M，[M=m1,m2,??,mn]，n为风险级别数，风险等级划分如表5所示。4.2.1 确定经典域和节域 通过式（4）和式（5）确定U1的经典域C1（r1），C2（r1），C3（r1）和节域C（r1）。[C1(r1)=M1r11(0,88)r12(0,88)??r13(0,88)]，[C2(r1)=M2r11(88,95)r12(88,95)??r13(88,95)][C3(r1)=M3r11(95,100)r12(95,100)??r13(95,100)]，[C(r1)=Mr11(0,100)r12(0,100)??r13(0,100)]4.2.2 确定待评物元计算关联度 装配式施工风险因素的二级指标即为所需要评价的物元，通过式（6）和式（7）计算施工前质量安全因素关联度如下：[P（v11,V1）=92-0+882-88-02=4][P（v11,V2）=92-95+882-95-882=-3][P（v11,V3）=92-100+952-100-952=3][P（v11,Vm）=92-0+1002-100-02=-8][K1(r11)=p(v11,V1)p(v11,Vm)-p(v11,V1)=-0.333 3][K2(r11)=p(v11,V2)p(v11,Vm)-p(v11,V2)=0.6][K3(r11)=p(v11,V3)p(v11,Vm)-p(v11,V3)=-0.272 7]同理可得施工中、施工后的二级指标关联度，具体计算结果见表6。从二级指标风险等级可以看出，福州装配式质量风险因素中的配筋质量和拼接节点为3级风险，是导致装配式建筑质量问题的主要矛盾所在，急需加以整改。其他的二级指标为2级风险，即风险可以被接受，但应当进行合理的整改，以提高装配式建筑在福州地区的质量等级，有利于装配式建筑的推广。4.2.3 进行一级指标评价 根据式（8）可得二级风险因素安全等级的关联度矩阵为：[K(r1)=0.195 50.403 30.113 50.224 60.063 2? -0.333 3 0.600 0-0.272 7-0.500 0-0.111 1 0.142 9-0.272 7 0.600 0-0.333 3-0.384 6 0.333 3-0.200 0-0.200 0 0.333 3-0.384 6= -0.396 80.236 5-0.102 8]将U1风险权重值与关联度相乘得到U1对各安全等级的关联度，同理可得其他一级指标的关联度K（ri）并进行二级评价，评价结果见表7。表7 标层多级可拓评价Tab. 7 Multi-level extensible evaluation of target layer[一级指标\&权重\&关联度\&安全等级\&j=1\&j=2\&j=3\&U1\&0.362 1 \&-0.396 8 \&0.236 5 \&-0.102 8 \&2\&U2\&0.438 6 \&-0.407 5 \&0.171 6 \&-0.075 1 \&2\&U3\&0.199 3 \&-0.395 5 \&0.259 5 \&-0.166 6 \&2\&目标层\&—\&-0.401 2 \&0.212 6 \&-0.103 4 \&2\&]由表7可知，实例项目总风险等级为2级，在可接受的范围内，需要整改。其中施工前、施工中、施工后的质量安全风险均为2级，说明装配式建筑工程项目从前期工厂预制阶段开始到项目交付使用阶段均需要加强质量安全管理。其中二级风险因子配筋质量和拼接节点的风险等级为3级，属于不可接受风险，急需加以整改，其它2级风险因子为2级风险，风险等级属于可接受范围，但需要采取措施，加强管理。施工前工厂预制构件和钢筋配筋达不到要求，对构件质量影响很大，一些不达标的构件运输至施工现场后钢筋误差过大无法施工，现场进行热处理或者直接切断，极大减弱构件的安全性能，预制厂应当在浇筑混凝土时严格检查钢筋位置，使用专用模板定位钢筋。施工中节点连接问题一直是装配式建筑质量安全问题的重难点。目前我国大多采用套筒灌浆连接，当砂浆从上口流出时应及时堵住上封口，设置监督专员进行监理监督，要求做质量检查记录，拍下影像存档，定期进行抽查，加强施工人员的安全教育。5 结 论针对装配式建筑的质量安全，从施工前、施工后和施工后三个方面建立质量风险体系。用AHP确定风险权重，多级可拓评估风险因素的相关程度以确定影响装配式建筑质量的风险因素。运用多级可拓评估方法对福州市装配式建筑进行实例分析，结果显示：二级风险因素钢筋配置和拼接节点评估为3级风险，急需整改。总目标为2级风险，在可接受的范围内，需要整改。工程实例证明将多级可拓原理应用于预制装配式建筑质量安全评估是可行的，该方法解决了模糊评价中构造隶属函数困难的问题，能计算出风险因素的等级及其级别的变量特征值，为企业确定重点质量管理对象提供借鉴。