基于变权集对-可拓耦合模型的脚手架安全评价.pdf

Jun.2023Journalof EiManagement2023年0 6 月No.3Vol.37第3 7 卷第3期理程报学管基于变权集对-可拓耦合模型的脚手架安全评价闫建文，张钰贵，任劫，吴向男，刘余昶（西安理工大学土木建筑工程学院，陕西西安7 10 0 48，E-mail：1311545596 q q.c o m）摘要：脚手架安全评价是建筑工程安全管理的重要部分，为准确判断脚手架工程安全等级和等级转变趋势，建立了脚手架变权集对-可拓耦合评价模型。通过变权理论对指标的常权权重进行修正，考虑了评价指标值的水平组态对指标权重的影响；将集对分析和可拓理论相结合，建立了脚手架集对-可拓耦合评价模型，运用三分原理对可拓集合论域进行划分，有效地刻画了评价指标的不确定性并克服了评价中的不相容问题。将该模型应用于某脚手架工程，结果显示：脚手架工程安全等级为级，但略有偏向级的趋势。与传统脚手架安全评估方法相比，评估结果更精确，同时也验证了模型的可行性。关键词：脚手架；安全评价；变权理论；集对-可拓耦合中图分类号：TU714文献标识码：A文章编号：16 7 4-8 8 59（2 0 2 3)0 3-130-0 6D0I:10.13991/ki.jem.2023.03.023Scaffold Safety Evaluation Based on Variable WeightSet Pair-Extension Coupling ModelYAN Jianwen,ZHANG Yugui,REN Jie,WU Xiangnan,LIU Yuchang(SchoolofCivil and Architecture Engineering,Xian University ofTechnology,Xian 710048,China,E-mail:)Abstract:Scaffold safety evaluation is an important part of the safety management of construction engineering.To accuratelyjudge the safety level and level change trend of scaffold engineering,a variable weight set pair-extension coupling evaluation modelof scaffold has been established.Considering the influence of the horizontal configuration of the evaluation index value on the indexweight,the constant weight of the index is modified by variable weight theory.Combining set pair analysis with extension theory,thescaffolding set pair-extension coupling evaluation model is established.The extension set domain is divided by the three-partprinciple,which effectively describes the uncertainty of evaluation index and overcomes the incompatibility problem in theevaluation.The model is applied to a scaffold project.The results found that the safety level of the scaffold project is II,but with aslight tendency toward IIl.Compared with the traditional scaffold safety evaluation methods,this evaluation results are moreaccurate,and the feasibility of the model is also verified.Keywords:scaffold;safety evaluation;variable weight theory;set pair-extension coupling我国自改革开放以来，经济快速发展，大量人员涌人城市，城市建设飞速发展。伴随城镇化快速推进，建筑产业也在飞速发展。最新数据显示，从20112021年10 年间，我国建筑业总产值从最初116463.32亿元增长至2 930 7 8.30 亿元，增长1.52 倍。脚手架作为建设工程中重要的临时设施，对工程安全有着重要影响。虽然经过多年发展应用，但由于脚手架杆件节点数量众多、受力复杂再加上当收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 9.基金项目：陕西省自然科学基金项目（2 0 2 1JQ-472）；陕西省教育厅自然科学专项项目（2 0 JK0793）.下建筑物逐渐向大跨度、高层化、个性化发展，工艺难度逐步提高，脚手架施工导致的工程安全事故仍时有发生。鉴于此，进行脚手架安全评价，有助于决策者了解脚手架工程的安全状态，以做出有效的改进措施，对减少脚手架工程事故和完善脚手架安全理论具有重大意义，脚手架的安全影响因素包含人员行为、材料质量、现场管理、不利环境等12。目前脚手架安全评价方面，相关学者已取得一定成果：郑屹峰等3从建筑脚手架施工特点出发，进行脚手架施工安全风险因素识别，并运用层次分析法和专家调查法，131闫建文，等基于变权集对真型的脚手架安全评价第3期计算各指标权重，确定各指标对脚手架安全的影响程度，从而对脚手架安全影响因素重要性进行排序，实现了对脚手架风险的重点防范。黄宏伟等4从脚手架工程施工环境和施工过程两个维度，结合工程实际情况进行安全风险因素的识别。在此基础上，运用风险评价指数矩阵法，参照安全生产相关规范，判断风险因素与规范的符合程度、发生可能性及事故严重程度，来实现脚手架安全预评价。景玉华等5 考虑实际施工中，脚手架的安全评价主要通过检查表打分结合实际施工经验来进行，虽然操作简单，但并不科学，主观性太强。为此，将模糊数学引人脚手架安全评价中，通过计算模糊隶属度对脚手架安全状态加以量化，从而判断脚手架安全等级。裴兴旺等1 通过对前人关于脚手架安全的研究梳理后发现，脚手架安全管理研究中关于安全评价方面的研究较少，考虑到脚手架安全评价中，影响因素的不确定性会导致信息缺失问题，引人灰色系统理论，建立了灰色欧几里得脚手架评价模型，客观地刻画了脚手架安全状态。黄莺6 就评价指标与评价等级隶属工程中的交叉不相容问题，建立了基于可拓学的脚手架安全评价模型。郝宏超7 通过文献研究法建立了高支模碗扣式脚手架安全风险评价指标体系，在此基础上运用贝叶斯网络结合专家知识，确定各风险之间的关系，构建了脚手架安全风险评价模型，实现了脚手架安全的动态管理。脚手架评价中存在较多的不确定性风险因素，以上评价方法在确定评价指标对评价等级隶属过程中，均将评价指标的不确定性转化为确定性来分析，没有考虑评价指标的确定性与不确定性之间的转换，未能客观地判断安全等级和安全等级转变趋势，具有一定的局限性。并且，以上评价方法中指标权重均为固定权重，虽然在一定程度上反映了评价指标的相对重要性，但考虑到实际工程中，单一指标较好并不会使脚手架整体安全性增加，但单一评价指标较差却会使脚手架安全性显著降低，故应考虑评价指标值的水平组态对指标权重的影响。鉴于此，本文引人变权理论，运用状态变权向量对指标的常权权重进行修正，使指标权重由指标相对重要度和评价指标量值的水平组态共同确定。考虑到集对理论8 可以有效刻画脚手架安全评价中指标的不确定性。本文将集对分析和可拓理论相耦合，运用三分原理对可拓集合论域进行划分，建立脚手架变权集对-可拓耦合评价模型，有效地刻画脚手架的安全状态和脚手架安全状态的转化和趋势，丰富了脚手架安全评价理论。将该模型应用于某水利工程脚手架工程中，结果显示该评估方法精确，验证了模型的可行性。1脚手架安全指标体系和安全等级划分由事故致因理论可知，安全事故的发生是多种因素交叉作用下的结果。为此本文以轨迹交叉论（人的不安全行为、物的不安全状态）和4M1E（人、机、料、法、环）理论为基础9，从人的不安全行为、架体材料状态、架体工作环境、施工方法（架体搭设、荷载与计算）安全管理几个方面对近10年脚手架事故进行了分析，并参考建筑施工脚手架安全技术统一标准（GB51210-2016）施工脚手架通用规范（GB55023-2022）、建筑施工安全检查标准（JGJ59-2011）和现有研究文献，汇总归纳了6 项一级指标和36 项二级指标。经过专家论证，筛选出2 4项二级评价指标构成评价指标体系，具体如表1所示。表1评价指标体系目标层准则层指标层脚架体搭设A1杆件间距A11脚手架安全剪刀撑设置A12连墙件设置A13脚手板设置A14基础处理A15架体防护A16杆件节点A17安全管理BI安全保障金的投入BI1架体安全检查B12技术交底B13安全验收B14安全管理机构和制度B15安全教育B16材料质量Ci构配件质量Cu构配件的磨损C12材料的锈蚀C13荷载与计算D架体超载、偏载D架体计算D12施工人员行为E无证上岗E管理人员违章指挥E12施工人员违章作业E13带病上岗E14不利工作环境FI大风大雪等自然天气F1工作面狭窄F12在确定脚手架安全评价体系的基础上，划分脚手架安全等级，从而量化评价指标，进行脚手架安全评价。鉴于脚手架安全评价等级并没有统一的划分，参考建筑施工安全检查标准（JGJ59-2011）和前人的研究成果10 。将脚手架安全等级划分为五132理报程学管第37 卷级。安全等级描述如表2 所示。表2脚手架安全等级安全等级量值区间等级描述190100脚手架无安全隐惠8090 脚手架存在安全隐患，需要进行局部微调7080脚手架存在安全隐患，需制定对应的控制措施，并在限期内整改IV6070 架体存在隐患，需停工整改后才可施工V060脚手架存在重大隐患，需要立即停工2变权集对-可拓耦合模型变权集对-可拓耦合模型是在传统物元可拓模型基础上，结合变权理论，对常权权重进行动态修正，确定指标的权重，然后运用集对分析中“同异反”三分原理对可拓集合论域进行划分，计算架体集成联系隶属度和等级特征变量，确定脚手架工程安全评价等级和等级转变趋势的模型。按照最大集成联系隶属度原则，确定脚手架的安全等级2.1变权权重的确定脚手架评价指标权重反映了风险因素对脚手架安全的影响程度，在脚手架安全评价指标体系中，由于每个评价指标与其他指标相比，其对脚手架安全的影响程度不尽相同，必须根据每个指标的影响程度赋予不同的权重。只有合理确定脚手架各评价指标权重，才能更精准地确定脚手架安全状态。考虑到实际脚手架工程施工中，若某一指标安全状态较差，即使其权重较低，脚手架整体安全状态也会降低。为避免指标权重为固定值，影响评价的有效性，本文引入变权理论1112，用指标数值确定状态变权向量，进而对指标的常权权重进行修正，使指标权重确定更科学，为脚手架安全状态的合理确定打下基础。设X-(x1,x2，,x m)是因素状态变量、W=(w1,w2,wm)是因素常权变量、S(X)=(Si(M),S2(M),Sm(X)是状态变权向量、W(X)=(Wi(M),W2（X),Wm(M)是变权向量。第 i 个指标的变权权重 W(M)可表示为：w.S,(X)W,(X)=(1)mw.S,(X)相比于经验型和求和型状态变权向量，指数型状态变权向量具有拟合性好、原理清晰、参数易于确定的优点13。故本文设：S,(X)=eax;（2）式中，xi是第i项评价指标的量值；是变量因子。当0时生成的是激励型状态变权向量，意在突出指标值较大的评价指标，对指标均衡性的要求不高；当0时生成的是惩罚型状态变权向量，意在突出指标值较小的评价指标，对各评价指标有一定的均衡性要求；当=0为常权权重模型。脚手架安全评价中，各评价指标的值越小，表示架体的安全程度越低。考虑到实际工程中，即使某个评价指标权重较低，但其评价值较小时，也会让脚手架安全性显著降低。因此，为了体现脚手架安全评价中评价指标的均衡性和突出指标值较小的评价指标，本文采用惩罚型状态变权变量。又因为当-1时，表示评价者已走向极端，故本文取=-114。2.2集对-可拓耦合模型的建立为了充分认识脚手架工程的整体风险水平，在评价指标体系建立的基础上，须采用科学的安全评价模型，对脚手架工程风险进行综合分析，进而通过评价结果来发现工程薄弱环节，最终确定脚手架工程的安全状况。由上文所建评价指标体系可知：脚手架安全评价指标涉及众多不确定性因素。以往脚手架评价模型均将脚手架安全评价指标的不确定性转为确定性来分析，没有考虑二者的转换，有一定局限性。为此，为了有效刻画评价指标的不确定性，精准确定脚手架工程安全等级和向其他安全等级转变的趋势。鉴于集对理论中通过三分原理进行同异反分析，可以有效刻画脚手架安全评价中不确定性指标的优势。本文将集对理论和物元可拓方法相耦合，构建集对-可拓耦合评价模型。2.2.1确定经典域、节域、待待评价物元物元-可拓理论是以可拓集合和物元理论为核心15。可拓集合描述了事物的“动态”，即研究对象性质的转变，物元概念则克服了评价中的不相容问题16 。考虑到脚手架安全影响因素多为定性指标且分属多个维度，本文利用物元概念来描述问题将脚手架安全评价这一复杂的多维不相容问题转换为量化、可解决的问题模型。对于脚手架安全评价，设脚手架安全等级集N=Ni，N2，N;，Nn ，架体安全评价指标集C=Ci,C2，Ci，Cm，由上文对脚手架安全等级的划分和量化来确定脚手架各安全等级的经典域，得出经典域R如下：NN2NC(a,bu)(a2,b12)ain，R=C2(a21,b21)a22,b2（3）177mn2mn133闫建文，等：基于变权集对莫型的脚手架安全评价第3期式中，是评价指标C就安全等级N,的量值区间。相应评价指标的节域Rm表示为：NC(aj.b)7Rm.=C,(a2,b2)（4)mCmam,bmmm式中，N为待评价脚手架的所有安全等级；脚手架全部安全等级下，评价指标Cm的取值范围。待评价物元Ro为：N。CVRo=CV（5)CmVmm式中，No为脚手架安全风险的待评价等级；Vi为评价指标C就待评价等级No的专家评判量值。2.2.2计算联系隶属度将集对分析和可拓理论相结合。采用集对分析的同、异、反三分原理划分可拓集合的论域17 ，如图1所示。正E人人小21Fu-2+2鞋摩件图1集对-可拓集合论域关系图判断评价指标C的量值V,与架体各安全等级的关系：当评价指标C的量值Vi位于讨论等级j的可拓集合的标准正域内时，评价指标C与安全等级j的关系为同一，表明从这一评价指标角度来分析，脚手架处于第j安全等级。联系隶属度公式如下2(Fj1-V)(FiI+F)VzM;(V):FuI-F,2(6)2(V-F)(FuI+F)Fu-F2式中，Fij+1,Fi;是评价等级的界限值；u(V)为架体对所讨论安全等级j中i指标构成的标准正域的联系隶属度17 当评价指标C,处于讨论等级j的相邻等级j-1（j 1）或j+1内且Vi位于可拓集合过渡正域Xi=(Fij1,Fi)或X2=(Fij1,Fij+2)内，则其与讨论的安全等级j的关系为差异。表明从该评价指标角度来看，脚手架有向第安全等级转化的趋势，联系隶属度公式如下：p(V,Xo)p(V,Xo)*p(V,X)p(V,X)-p(V,Xo)M,(V)=-p(V,Xo)p(V,X)=p(V,X)VeX(7)-1p(V,Xo)=p(V,X)V,Xo(Fj+2+Fj-L)Fi2-Fil(8)p(Vi,X)=V,-22(Fj+I+F,)FiI-Fi(9)p(Vi,Xo)=22式中，Fij-1,Fij+2是评价等级的界限值，p(Vi,Xo)是评价指标C的量值V对评价等级j中指标i的标准所构成的标准正域和可拓正域的距。当j=1，则取Fj-I=-Fj；当j=n，则取Fij+2=Fin。当评价指标C;落人讨论等级j的相邻等级j-2(2)或j+2内或不在任何评价等级内，则其位于安全评价等级组成的可拓集合的负域，评价指标Ci与安全等级j的关系为独立性。此时，联系隶属度如下：,(V)=-1(10)表明从该评价指标角度来看，脚手架不处于第i安全等级且无向该安全等级转化的可能性。2.2.3确定安全等级按照下式计算脚手架对各安全等级N（j-1，2，3，4，5）的架体集成联系隶属度uj。M,=Zw:(X)u;(V)m(11)1式中，wi(X)为评价指标变权权重。在架体集成联系隶属度计算的基础上，按照最大集成联系隶属度原则，确定脚手架的安全等级如下式所示：j=max(u,z,.,un)(12)式中，为脚手架安全评价等级。2.2.4确定安全趋势在实际工程中，脚手架的安全状态会随着工程的安全管理而改变，为更科学地确定脚手架安全状态。本文运用脚手架就各安全等级的集成联系隶属度18 ，建立待评价脚手架的等级特征变量。Mj-min uj(13)max,-min jJnj*=(14)1式中，n为脚手架评价等级划分个数；j为等级名称，j=（1，2，3，4，5），利用*来确定脚手架向临近安全134：第37 卷理程报学管等级转化的趋势。3实例分析3.1工程概况某水利工程中，左岸布置缆机副塔，其模板支撑系统采用碗扣式脚手架。横杆层高根据荷载等要求定为0.9m，水平框架尺寸定为0.9m0.9m。脚手架钢管为48 3.2 5mm。本文以此碗扣式脚手架工程为研究对象，应用变权集对-可拓耦合模型进行安全评价。3.2定性指标的量化指标体系中指标的量值由10 位相关专家进行评估，其中4位来自高校（工程安全领域方面的教师），6 位来自该工程相关单位（工程设计、管理和施工3个方面）。以评价指标在施工现场的实际情况为参照，结合其对脚手架工程的重要性及风险发生概率等，将得到的评估结果去掉最高分和最低分后取其平均值为最终分值。各指标量值如表3所示。表3指标量值和权重指标量值常权变权指标量值常权变权A1182.40.03650.0325B1677.00.02060.0314A1285.00.02940.0202Cil84.00.07090.0537A1383.60.03540.0279C1280.00.04770.0539A1482.00.02150.0199Ci382.00.04100.0380A1580.00.05020.0568Dil82.00.07630.0706A1679.00.02540.0317D1282.00.10340.0957A1781.00.04190.0429Eil76.00.03790.0639B1178.50.03060.0402E1280.00.04300.0486B1280.00.03340.0378E1379.00.03100.0387B1384.00.04300.0326E1489.00.02450.0113B1486.00.02380.0148FiI88.00.06130.0311B1580.00.02620.0296F1276.00.04520.07623.3结果分析与对比3.3.1权重计算与分析针对2 4个评价指标，采用结构熵权法19 计算指标的常权权重（见表3），将指标的常权权重和指标得分值带人式（1）、式（2）求得指标变权权重（见表3）。其取评分值相对较大的指标E14、F11、B14和评分值相对较小指标B16、E11、F12 的常权和变权，对比如所图2 所示。0.10.080.060.040.020E14FilB14B16Fi2评价指标口常权权重口变权权重图2脚手架评价指标的常权权重与变权权重对比图分析得出，通过变权理论激励了评分值相对较小的指标的常权权重，对评分值相对较大的指标的常权权重进行了惩罚，避免了得分值较低的指标对脚手架安全的影响被评分值相对较大的指标“吞没”，导致脚手架安全性评价偏高。3.3.2评价结果分析与对比由式（3）式（10）计算出该脚手架工程的联系隶属度，再结合表3中评价指标的变权权重按式（11）、式（12）求得一级指标和评价架体的集成联系隶属度及风险等级如表4所示。表4集成可拓联系隶属度以及风险等级集成联系隶属度安全等级安全安全安全安全安全评价对象等级I等级等级等级IV等级V10090(9080)(8070)(7060)(600)架体搭设A1-0.195700.06930-0.02990-0.22870-0.2319安全管理B-0.164480.022470.00898-0.17095-0.1864材料质量C-0.116500.05820-0.02910-0.14560-0.1456荷载与计算DI-0.133000.06650-0.03330-0.16630-0.1663施工人员行为E-0.15230-0.027200.04870-0.13310-0.1625不利工作环境F-0.08240-0.018000.03610-0.07680-0.1073脚手架工程-0.844400.171200.00150-0.92140-1.0000由表4可得，该脚手架工程安全等级为II级，将表中集成联系隶属度数值带入式（13）、式（14）可得等级特征变量*=2.416（大于2）。表明该脚手架工程安全状态有偏向第三安全等级的趋势。且由表4可知，架体搭设A1、安全管理B1、材料质量C1、荷载与计算D1的风险等级评级为II级，与工程整体评价等级持平。主要风险为施工人员行为Ei、不利工作环境F1，风险等级大于工程整体评价等级。其中，施工人员行为中无证上岗、违章作业，不利工作环境中工作面狭窄，均处于第三安全等级，故应就无证上岗、违章作业和工作面狭窄这三方面进行改善，确保脚手架工程安全施工。为检验变权-集对可拓耦合模型用于脚手架安全评价的可行性，利用常用的安全评价方法：物元可拓方法、模糊综合评价方法对该脚手架工程进行安全评价，评价结果对比如表5所示。表5安全评价结果对比安全等级隶属度安全等安全安全安全安全安全评价方法等级1等级等级等级IV等级V10090(9080)(8070)(7060)(600)级变权集对-可拓-0.84440.17120.0015-0.9214-1.0000物元可拓-0.31440.09540.0007-0.3589-0.5192模糊综合0.15550.92140.8444-0.07850.0000可知变权集对-可拓耦合模型对脚手架安全性评价结果和当下脚手架评价模型所得评价结果相135第3期闫建文，等：基于变权集对-可拓耦个模型的脚手架安全评价吻合，说明该模型用于脚手架安全评价是可行的。同时基于集对-可拓耦合模型除了可更好地刻画评价中的不确定性外，更能直观地反映该项目安全状态略有偏向II级的趋势，做到提前反馈，有助于安全管理人员建立健全预防机制，及时、有针对性地进行安全隐患的排查，确保脚手架工程安全施工。4结语本文在脚手架安全研究的基础上，构建了变权集对-可拓耦合模型并将该模型应用于脚手架工程安全评价中。结合结构权法和变权理论，客观有效地确定了脚手架评价指标的权重，克服了评价指标取极值时对脚手架安全的影响被忽视的问题，使脚手架安全评价结果更符合实际。基于集对分析和可拓理论，建立了变权集对-可拓耦合脚手架安全评价模型，有效地刻画了脚手架安全评价中的不确定性，确定了脚手架的安全等级。并通过等级特征变量定量地描述了脚手架安全状态的转变趋势，丰富了脚手架安全评价理论。将该模型用于某脚手架工程安全评价，确定该脚手架工程处于第安全等级，与其他评价模型所得结果和实际相符，验证了模型的有效性和可行性。且由等级特征变量可得该脚手架状态向第安全等级转变，故应采取措施加强架体安全管理，防止脚手架安全状态降低，确保脚手架工程安全施工。参考文献：1裴兴旺，赵向东，周崇刚，等基于灰色欧几里得的全钢型附着升降脚手架安全性评价 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