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基于ANP的深水桥梁基础工程施工风险评估.pdf

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'第42卷,第2期公路工程Vol.42,No.22017年4月HighwayEngineeringApr.,2017基于ANP的深水桥梁基础工程施工风险评估王丹,赵辉(黄冈师范学院建筑学院,湖北黄冈438000)[摘要]深水桥梁基础工程的施工中风险因素复杂繁多,各风险因素之间并不独立而是相互制约、影响,并形成网络。针对此问题,建立多准则、多层次的ANP(网络层次分析法)结构模型,阐述深水桥梁基础工程风险因素,详细的介绍ANP模型算法,并结合某桥梁工程进行风险评估,对分析过程进行了描述和计算,求得风险因素的主次排序,为风险管理提供依据,得出结果符合工程客观实际,可为其它同类工程提供借鉴。研究表明,运用ANP结构模型能够帮助工程管理人员识别关键风险因素,构建工程和谐管理的逻辑框架,从而针对性的进行风险控制。[关键词]桥梁工程;ANP;三角模糊数;风险控制;工程管理[中图分类号]U445.55[文献标识码]A[文章编号]1674—0610(2017)02—0238—06RiskAssessmentofDeepwaterBridgeFoundationEngineeringBasedonANPWANGDan,ZHAOHui(SchoolofArchitecture,HuanggangNormalUniversity,Huanggang,Hubei438000,China)[Abstract]intheconstructionofdeepwaterbridgefoundationengineering,theriskfactorsarevarious,andtheriskfactorsareinterrelatedandinfluenceeachother,soitisdifficulttoquantifyandcontrolthedifficulty.Tosolvethisproblem,amulticriteriaandmultihierarchyANP(analytichierarchyprocess)model,describestheDeepwaterbridgefoundationprojectriskfactors,themodelofANPalgorithmindetail,andacombinationofthebridgeengineeringriskassessment,analysisoftheprocesswasdescribedandcalculated,obtainedprioritizationofriskfactors,providethebasisfortheriskmanagement,theresultsaccordwiththeengineeringreality,whichcanprovidereferenceforothersimilarprojects.ResearchshowsthattheuseofANPstructuremodelcanhelpprojectmanagerstoidentifykeyriskfactors,andconstructthelogicframeworkofengineeringmanagement,soastocontroltheriskoftheproject.[Keywords]bridgeengineering;ANP;triangularfuzzynumber;riskcontrol;projectmanagement各种桥梁类型特别是跨越水域的大跨度桥梁日这不符合现实世界中一些决策问题的实际情况,因益涌现,得益于桥梁技术的不断突破。而处于深水而AHP的应用受到局限。接着T.L.Saaty教授区域中修建大型桥梁的墩台基础,即水深在5~6在AHP的基础上提出了一种适应非独立的递阶层m以上,由于其施工环境的特殊性,因而施工技术次结构的决策方法,即网络分析法(TheAnalytic特别复杂,施工过程中风险因素众多且相互影NetworkProcess),简称ANP。针对ANP法在决策[1,2]响。现代管理分析技术能为这类问题提供了解方面的应用,已有一些学者进行了探讨。卢亚琼等决方法。其中应用较广的是由美国运筹学家托马分析了影响国际水利工程投标决策的指标体系,并斯.赛德(T.L.Saaty)提出的层次分析法(The应用改进的ANP法构建了决策模型,减少了评估的[3]AnalyticHierarchyProcess),简称AHP。它是一种不确定性;舒欢等将熵理论与ANP进行结合应用定性与定量相结合的、层次化的分析方法。但是于工程施工联合体风险分担问题,求解了ANP模型AHP应用的前提是各层次中元素之间相互独立,的客观权重与主观权重,保证了不同偏好信息的融[收稿日期]2016—11—18[基金项目]2016年度湖北省教育厅科研计划项目(Q20162905)[作者简介]王丹(1986—),女,湖北宜昌人,硕士,讲师,主要从事工程项目管理理论与方法研究工作。 第2期王丹,等:基于ANP的深水桥梁基础工程施工风险评估239[4]合,实现了风险的最优分担比例;钟登华等基于2深水桥梁基础工程风险因素识别网络分析法,建立了多准则多层次的工程风险模型,[5]并求得风险因素排序。本文将应用ANP法对桥梁在深水中修筑埋于河床很深的大型桥梁墩台基深水基础工程所涉及的风险问题进行分析,建立础的技术复杂,深水环境对它产生许多直接作用,ANP模型,用三角模糊数来增加判断矩阵的客观性,如果竣工后产生质量问题,由于掩埋于水土中,维以期在风险控制方面提供更准确的参考。修难度大,属于隐蔽工程。在学者对桥梁施工风险研究的基础上,考虑深水基础工程的施工特点,筛1ANP结构原理选出5组影响施工的风险指标,如下:ANP相对AHP的优势在于,前者计算的因素自然与环境方面,深水基础工程除了受常见的权重考虑了因素间的关联性与反馈性,能够与被决暴雨、洪水风险影响外,陆地或浅水桥梁较少受到策问题所涉及的众多因素是相互影响的这一实际情的水流冲击力和船撞力也构成了深水桥梁的风险威况相适应。ANP将系统元素划分为两个部分。首胁。同时水文条件也在一定程度上影响着深水桥梁先是控制层,这一层包括了系统要达成的目标及做基础的稳定性与安全性。因此要综合分析工程所处出决策时需要考虑的评价准则两部分。这些准则相环境的水流流速、水深深度及由深水所带来的其他互独立且只受目标影响,每个准则的权重都可以通影响因素,并在设计及施工阶段采取对策;勘察设过传统的AHP法获得。整个控制层可以缺少决策计方面,深水基础应具有高抗自然灾害能力,这就准则,但至少有一个决策目标。在控制层的影响下要求大量、细致的勘测工作。为获得真实准确的数是网络层,它由所有受系统目标及评价准则控制的据,在水下进行原位勘测是深水基础必须采用的勘元素(node)及其相互影响关系组成,其中具有测方法,但由于工作环境限制,导致作业条件差,某一相同特征的元素被归纳为一个元素组(clus难度大,风险高。而由于长大深水桥梁建设工艺复ter)。典型的ANP结构模型如图1所示。杂,技术含量高,所处自然环境多变,设计工作的变更,错误,图纸提供不及时,设计交底不全面等是设计方面的主要风险;施工方面,深水桥梁建设施工技术复杂,如何设计合理可行的施工方案,安排科学的施工组织,保证施工质量是建设成功的关键。同时也要预防各类施工事故;组织管理方面,桥梁建设参与单位、人员众多,人员专业素质参差不齐,还可能同时涉及到各种分包合同的管理与索赔,管理风险较大;最后桥梁建设周期长,还应该考虑利率变化,物价上涨,成本控制等经济风险。图1典型ANP结构模型具体的风险因素见图2。Figure1TypicalANPstructuremodel图2深水桥梁基础工程风险因素Figure2Riskfactorsofdeepwaterbridgefoundationengineering 240公路工程42卷判断矩阵。可采用传统的“1-9”标度法来进行3ANP的深水桥梁基础工程风险模型求解两两因素对比,但这种形式没有考虑人判断的模糊步骤性.有些问题在进行专家咨询时,评价结果完全取构造一个风险ANP模型还应当对风险因素间决于专家的主观喜好,使得评价结果偏主观化。专的互相影响情况进行分析,这也是ANP与AHP模家们往往会无法给出确定的值而是给出可能的取值型最大的区别。采用天津大学钟登华设计的表格形范围,因此,本文采用三角模糊数的方法来对因素式,通过小组讨论或专家调查的方法来获得风险因的两两比较给予判断。素之间的依赖与反馈关系,见表1所示,如果左列三角模糊数是指给定论域U上的一个模糊集,因素会影响或支配顶部因素则在相应表格内打钩。对任何x∈U,都有一个数μ(x)∈[0,1]与之比如暴雨的发生可能诱发洪水及水流速度过快等不对应,则μ(x)称为x对U的隶属度,μ称为x的[6]利水文条件的出现,而这种不利自然现象会增加勘隶属函数。察预测的复杂性,导致勘测不足等。设:l和U分别为模糊数的下限和上限,k为表1风险因素影响关系表可能性最大的值,那么模糊数用(l、k、u)表Table1Riskfactorstable示,其隶属函数为:影响因素R11R12R13R14R15R21R22R23…x/(k-l)-l/(k-l)x∈[l,k]被影响因素不良不利μ(x)=x/(k-u)-u/(k-u)x∈[k,u]暴洪地勘测设计设计水下水文…{雨水震不足变更错误0x=其它地质条件R11暴雨×√√√√√√√(1)R12洪水××√×√√√√步骤1:首先以p1“发生概率”为主准则,分R13不良水下地质√√×√√√√√R14地震√√√×√√√√别以各个元素组Ri(cluster)为次准则,对影响该R15不利水文条件××√××√√√元素组的其他元素组进行两两比较。R21勘测不足××××××√×假设有P个专家,每个专家利用模糊数1~9R22设计变更××××××××R23设计错误√√××××××来表达判断,记为(lemn,kemn,uemn),lemn,……kemn,uemn分别为针对元素组R,第e个专家对i同时任何一个风险本身,我们认为具有“发Rm相较于Rn影响程度或重要性的判断值的最低生概率”及“损失程度”两个方面的属性,这两值,最可能值和最大值。其中e=1,2,…,P,m个属性分别作为整个ANP模型控制层的评价准则=1,2,…,5,n=1,2,…,5。P1,P2。P1、P2的权重可通过AHP法获得。按此将两两比较的元素组的P个三角模糊数整合方法分析所有因素间的影响关系后即可建立网络内成一个,记为:部具有依存关系的ANP模型,如图3所示。(amn,bmn,cmn)=PiPiPi(∑i=1lmn/P,∑i=1kmn/P,∑i=1umn/P)(2))*+,由此得到基于元素组R作为次准则下的模糊!"#$R1i#$R2判断矩阵,并求出影响R的每个元素组的综合模i糊值(ai,bi,ci),记为D:i-./0D=S(a+b+c)÷%&#$R3#$Ri∑n=1ininin4SS[∑i=1∑n=1(ain+bin+cin)](3)"(#$R5定义1:D(am,bm,cm)和D(an,bn,mncn)是三角模糊数,Dm≥Dn的可能度用三角模糊图3ANP结构模型数定义为:Figure3ANPstructuremodelV(Dm≥Dn)=由于该模型有“发生概率”与“损失程度”SUP{min(μ(x),μ(y))}x≥yDmDn两个控制准则,所以应分别在两个控制准则下构造V(Dm≥Dn)=μ(x)= 第2期王丹,等:基于ANP的深水桥梁基础工程施工风险评估2411bm≥bn元素为次准则的控制下,元素组Ri中每个因素进行an-cm比较判断得到的权重向量。如果R中某个因素对bm≤bn,cm≥an(4)i(b-c)-(b-a)mmnnRj中某个因素没有影响,则对应的排序权重值为0。0otherwise步骤3:超矩阵中每一子块W都是列归一化ij根据定义1,将影响元素组R每一个元素组综i的,但是该矩阵并不是列归一化的。因此将超矩阵合模糊值进行比较,求出V(Dm≥Dn)的可能度。W的各子矩阵w分别乘以加权矩阵A中对应的ij定义2:一个模糊数D大于其他n个模糊数ma,即得到加权超矩阵W′:ij的可能度,被定义为V(Dm≥D1,D2,…,Dn)aWaWaWaWaW11111212131314141515=minV(Dm≥Dn),据此定义对影响元素组Ri的aWaWaWaWaW21212222232324242525每一个元素组R的综合模糊值D去模糊化,并记mmW′=a31W31a32W32a33W33a34W34a35W35为di(Rm)。得到di(Rm)=minV(Dm≥D1,D2,…,D)=am,am表示在元素组R为次准则下,a41W41a42W42a43W43a44W44a45W45niR元素组的模糊权重。再将各元素组模糊权重归一a51W51a52W52a53W53a54W54a55W55m化,得到R控制下各元素组最终权重=(a1i,a2i,(7)i∞ta3i,a4i,a5i)T。步骤4:求解超矩阵。当W=linW存在时,t∞依次以各个元素组(cluster)为次准则进行比W′的第j列就是网络层中每个元素对元素j的极限较判断,得到五个模糊判断矩阵,并计算每个矩阵排序向量。可将加权超矩阵W′进行自乘,直到每行的各元素组权重,最后可组成权矩阵A:数字一样为止。也可利用SuperDecisions软件求解。aaaaa1112131415步骤5:再以P2“损失程度”为主准则对各风aaaaa2122232425险因素按照第(1)至第(4)步进行权重向量求A=a31a32a33a34a35(5)解,再用通过层次分析法得到的控制准则的权重合aaaaa4142434445成各风险因素权重,即可得到风险因素在工程项目a51a52a53a54a55中的风险大小排序。其中:a表示以P“发生概率”为主准则,ij1R为次准则的情况下,R对其影响程度的权重值。4实例分析ji步骤2:以P“发生概率”为主准则,以网络1以四川某跨越渠江的桥梁工程为例,运用层中一个元素R为次准则(称之为父节点,parentijANP对风险因素进行评估。该桥梁为主跨256mnode),对受该元素(parentnode)影响或支配的的钢管混凝土拱桥,其中一主墩位于江中,水深6所有元素(称之为子节点,childrennodes),参照~7m;基础为桩基础、承台。设计描述江底地质表1进行两两比较。在ANP中,元素之间可能互情况有约2m的覆盖层,并打算采用内径17.5相影响,所以一个节点既可是父节点也可在另一组m、外半径18.5m的钢围堰隔水,然后钻孔、施比较中成为子节点,但每一组被比较的子节点必须工承台。分析得深水桥梁基础工程风险因素ANP来自同一个元素组。在这一步中,要回答下面的问模型如图3所示。题:针对R准则的“发生概率”,两个元素哪个ij根据ANP模型求解步骤,决策者组织10名专更重要或者影响更大,并对“重要性”或“影响家分别在P1“发生概率”,P2“损失程度”两个程度”赋予一定数值。同样采用步骤1中三角模主准则下,并以每一个元素组为次准,对影响该元糊数的方法来对因素的两两比较给予判断,并计算素组的其他元素组构造基于三角模糊数的两两比较每个模糊矩阵的权向量。由此得到一个超矩阵W:判断矩阵,并进行去模糊化处理,得到元素组的相WWWWW1112131415对权重矩阵:WWWWW21222324250.56100.29500.16720.11500.3167W=W31W32W33W34W35(6)0.20330.27990.21090.24520.2084WWWWW4142434445A=0.13970.23620.39870.38760.2733(8)W51W52W53W54W550.06840.11170.15910.19440.1143其中:Wij的列向量是指在元素组Rj中的一个0.02660.07690.06390.05760.0871 242公路工程42卷首先分别以P1“发生概率”,P2“损失程度”然后将权重矩阵中A中的每个元素乘以超矩阵中两个主准则下,以网络层中每一个元素为次准则,的每个对应的子矩阵,得到加权超矩阵,见表2所同样采用三角模糊数的方法来对因素的两两比较给示。最后利用SuperDecisions软件对加权超矩阵进予判断,并计算每个模糊矩阵的权向量,得到未加行相对排序向量求解,得到各风险元素排序,见表权超矩阵,(鉴于文章篇幅有限,在此不作赘述。)3所示。表2加权超矩阵Table2Weightedsupermatrix指标R11R12R13R14R15R21R22R23R24R25R31R110.08140.15880.06330.01410.12560.06530.06730.07540.15480.06430.0563R120.10750.06930.24520.38190.11260.02810.02210.07140.03120.01010.0191R130.12860.13470.04020.06530.24120.06630.18390.09550.02510.17090.0101R140.00500.07840.15280.07540.01610.02110.01010.00600.02210.02210.0442R150.24720.12860.06730.03220.07340.11460.01310.04820.06230.02910.0392R210.06630.05330.03320.02810.06530.02610.01110.00700.03220.10550.0261R220.01210.07440.09250.04220.05830.03420.08740.10850.10050.06330.0533R230.03120.02310.00900.01810.05330.06130.04920.13770.02010.07140.0613R240.00700.01510.02510.00700.00700.09850.11760.01010.07940.01010.0302R250.08640.03820.04420.10950.02010.06130.01510.01810.04820.03120.0201R310.00900.00700.01610.02810.03320.07040.03520.09050.00500.05830.0171R320.03420.02010.04720.02310.01710.00300.09450.06230.03520.03220.0553R330.03720.04420.02210.02810.04320.07440.01810.01110.08040.09650.1879R340.04020.06030.04420.05230.00600.06230.05830.05930.02110.03820.0774R350.01710.00600.00800.00600.03820.02710.03020.01510.09650.01310.0633R410.00800.00100.00800.04520.01510.02510.00700.00400.00300.02410.0935R420.02010.01410.02310.01810.02110.03820.07940.02710.03420.04120.0312R430.01610.03720.00500.00300.01410.01010.02310.02210.04420.02210.0121R440.02510.01510.03220.00200.01810.03820.00300.05830.03120.02510.0231R510.00600.00200.01210.00300.00500.01510.02810.00500.01110.00600.0231R520.01210.00700.01010.01710.01310.01410.01810.02410.04920.02510.0131R530.00300.00400.00200.00300.00200.02510.02410.03020.00900.01510.0161R540.00400.01310.00200.00200.00600.02310.00700.01710.00800.03020.0121R32R33R34R35R41R42R43R44R51R52R53R540.02510.02510.06030.02710.02210.00300.00200.02310.06930.08440.20400.11360.01910.01610.02110.01610.01410.01510.01310.01810.04820.02410.04920.03720.05530.05530.02310.05130.03320.04220.02310.00600.04520.11560.01510.10050.01410.01610.01210.01610.01410.02110.02310.03920.06630.03020.01010.04320.05530.05530.05130.05730.03220.03420.05330.02910.08840.06430.04020.02410.03620.03920.11160.06530.04020.02510.06030.08540.02810.01110.00700.08840.02910.03020.01510.04720.04620.01110.06830.08240.03920.00400.05630.01610.09150.07340.03120.02810.07540.08440.01810.02010.05430.07040.03420.02710.01810.02410.03420.02510.06130.07340.08240.02910.07040.08840.08840.06430.03720.04520.02010.04620.02410.05330.01710.03020.01810.03520.02510.01410.21010.02810.13770.05130.10050.19700.01110.06630.09550.12260.00800.01010.08540.18290.07740.11060.01210.03120.07840.15380.09550.00400.01310.05730.01210.12660.02810.05630.02510.05930.20100.08640.02710.04020.18890.11560.03120.01910.06930.14470.24620.01510.06930.05330.03920.03520.01910.01410.06130.04320.08940.03820.00400.08640.02910.02910.01710.07240.04420.07740.08740.06930.08940.01810.02910.00400.06030.01810.03620.03020.00700.00200.00800.04520.05030.03620.07040.06030.02310.05630.03720.04120.06430.05030.04420.03820.00600.07840.08740.09650.08040.06130.02210.00100.01910.05730.01910.00700.01410.02710.00900.03420.03120.06030.01910.04220.02510.00500.02410.00700.00700.02310.02510.02210.00600.01110.01810.00300.03420.01010.01610.01510.01410.02610.01410.02310.02310.02110.03320.03420.03020.05130.01610.01910.03120.00100.00200.01010.01010.02010.00800.00900.01810.02110.00800.02310.01110.01410.01610.00300.01910.00600.02910.04120.00500.0050分析可知:该桥梁工程面临的最大风险前五位依次是:R33施工质量、R31施工组织、R13不良水下 第2期王丹,等:基于ANP的深水桥梁基础工程施工风险评估243表3风险因素排序明自然风险不可控性较强,一旦发生会对工程施工Table3Rankingofriskfactors带来重大影响,所以必须加强风险的事前预测,事风险元素Rij风险元素权重排序中控制,事后补救。勘测不足也是重要的风险因R11暴雨0.04527素,该桥梁实际地质情况与设计文件描述不符,最R12洪水0.036910R13不良水下地质0.09383终导致更改设计方案。桥梁工程的勘测不足一方面R14地震0.011420是由于工程所在地地质复杂造成的,另一方面是由R15不利水文条件0.05945于所在地勘测历史资料较少,对地质、自然条件等R21勘测不足0.07664R22设计变更0.024816方面情况的了解不足,也加大了勘测的难度。因此R23设计错误0.035711在施工前要一方面调动尽可能多的资源进行准确勘R24图纸提供不及时0.016319R25设计交底不全面0.027614测,另一方针对可能出现的意外情况制定备选对策R31施工组织0.10972和方案,以将损失降至最低。R32施工方案0.04358R33施工质量0.170315结论R34施工事故0.034212R35材料机械保障0.04816施工风险因素互相影响,对其评价必须考虑因R41组织协调0.04329R42合同风险0.020817素间的相互联系。传统的AHP只适合各因素相互R43违约索赔0.018318独立的情况,ANP法考虑了因素间的互相影响,R44人员素养0.032613更适合此类决策。本文在运用ANP建立施工风险R51利率变化0.006723R52成本控制0.026115模型的同时,加入三角模糊数的方法对原来的判断R53物价上涨0.008222矩阵进行处理,减少了主观判断的不确定性。这一R54宏观经济调控0.010621改进的ANP模型对深水桥梁施工风险进行了评价地质、R勘测不足、R不利水文条件,权重都分2115与排序,对于风险控制有一定的实践价值与理论意别超过了0.05.深水桥梁工程往往工程规模大,义。施工复杂,同时桥梁工程又与人民的生命财产息息相关,因此施工质量是其中的重要风险因素,项目[参考文献]管理人员与施工人员需对施工质量控制有足够的重[1]安和生,陈勇军.基于优化PERT与模糊数学的高速公路工期视,调动所有资源、技术保证施工质量在可控范围风险评价[J].公路工程,2015(04):245-248+254.内[7]。桥梁工程参与方众多,这给建设单位的项[2]杨丽梅.大跨度连续箱梁桥零号块施工水化热监测与计算分析[J].森林工程,2016,32(3):66-72.目管理工作带来挑战。如果组织协调的工作没有高[3]卢亚琼,章恒全.基于改进的ANP的国际水利工程投标决策效开展,势必造成各承包单位互相影响,最终造成[J].水电能源科学,2014(02):147-150.工期拖延以及经济损失,所以组织协调也是非常重[4]舒欢,郑胜强,徐丹.基于熵的工程施工联合体风险分担ANP要的风险因素。不良水下地质、不利水文条件都属模型[J].系统工程,2014(09):137-143.于自然风险因素,这些风险是由工程所处自然环境[5]钟登华,蔡绍宽,李玉钦.基于网络分析法(ANP)的水电工程风险分析及其应用[J].水力发电学报,2008(01):11-17.决定的。该工程河床地质与设计文件描述不符,没[6]范英,李辰,晋民杰,等.三角模糊数和层次分析法在风险评价有覆盖层而直接是岩石,导致原设计的钢围堰韧脚中的应用研究[J].中国安全科学学报,2014(07):70-74.无法入岩止水,最后不得不改变原施工方案,采用[7]陈小波,吴欣,董城.基于ALARP的桥梁风险矩阵决策方法研圆形水下混凝土连续墙的形式进行基础施工。这说究[J].公路工程,2014(01):63-65.櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧(上接第209页)山西建筑,2009(33):307-3081185-1190[9]钱进,王冠水泥稳定碎石基层施工的质量控制要点[J],华[7]王鹏飞,郭忠印,陈崇驹,等基于正交法的水泥稳定碎石试东公路,2001(4)验及抗裂性能研究[J]建筑材料学报,2007,10(5):616-[10]张云帆,闵斌,查旭东郴宁高速公路水泥稳定碎石配合比617设计与施工质量控制[J],公路工程,2013,38(1):154-157[8]杭敏水泥稳定碎石基层(底基层)的施工与质量控制[J]'