基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法的建筑關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)定量分析

姚 浩（上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200032）

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑施工技術(shù)不斷進(jìn)步，建筑高度及建筑規(guī)模也不斷提升。作為社會高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)之一的建筑業(yè)，發(fā)生安全事故的可能性相當(dāng)大。施工現(xiàn)場一旦發(fā)生安全事故，極有可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，給社會帶來極壞的影響。根據(jù)住建部統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我國建筑工程安全事故近年來發(fā)生率仍高居不下，并且造成了經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡的嚴(yán)重后果。風(fēng)險(xiǎn)是造成安全事故的潛在因素，建筑施工過程中風(fēng)險(xiǎn)事件間的關(guān)聯(lián)性和風(fēng)險(xiǎn)影響的傳遞性即風(fēng)險(xiǎn)耦合效應(yīng)，可能會加劇風(fēng)險(xiǎn)的損失程度[1]，識別引發(fā)事故的根源并對關(guān)鍵安全隱患進(jìn)行整改，可以有效避免重大事故的發(fā)生，因而對建筑工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析至關(guān)重要。鑒于目前國內(nèi)外學(xué)者對建筑施工風(fēng)險(xiǎn)管理的研究仍不夠深入，留下的研究資料也不多，有必要開展系統(tǒng)性研究工作。本文結(jié)合事故數(shù)據(jù)庫信息對建筑工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識別，采用故障樹結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法，針對具體項(xiàng)目現(xiàn)場施工情況進(jìn)行分析，提出一種量化風(fēng)險(xiǎn)耦合效應(yīng)和表達(dá)風(fēng)險(xiǎn)因素重要性的方法，能夠提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確率，快速篩選出可能導(dǎo)致事故發(fā)生及蔓延的關(guān)鍵因素，為建筑施工階段的風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。

1 建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)耦合

筆者查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，收集了近 1 000 起建筑工程施工事故，整合形成事故案例庫，包含項(xiàng)目名稱、地點(diǎn)、類型、發(fā)生時(shí)間、事故類型、事故原因和事故后果等信息。依據(jù)案例庫中的事故報(bào)告及其他相關(guān)信息，統(tǒng)計(jì)得出建筑施工過程中各類重大安全事故風(fēng)險(xiǎn)事件清單和不同事故的風(fēng)險(xiǎn)因素清單。分析結(jié)果表明：影響施工安全的風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，且事故的發(fā)生不只是與單一風(fēng)險(xiǎn)因素相關(guān)，往往是多因素如管理人員失職、施工人員操作失誤或機(jī)械老化等共同作用的結(jié)果。

借用物理學(xué)中對耦合的定義，將建筑施工風(fēng)險(xiǎn)管理領(lǐng)域的各類不安全因素間互為作用的復(fù)雜關(guān)聯(lián)程度稱為風(fēng)險(xiǎn)耦合。建筑施工安全系統(tǒng)中各組分的耦合特性決定系統(tǒng)狀態(tài)，項(xiàng)目施工過程中事故的發(fā)生與各風(fēng)險(xiǎn)因素間的相互聯(lián)系、相互影響密切相關(guān)，因而在對事故致因分析時(shí)應(yīng)充分考慮風(fēng)險(xiǎn)因素間的耦合效應(yīng)。耦合對象間的關(guān)系可簡單分為物理關(guān)聯(lián)、邏輯關(guān)聯(lián)和空間關(guān)聯(lián)。

（1）物理關(guān)聯(lián)是指耦合對象之間存在有形的或物質(zhì)的聯(lián)系[2]。例如：汛期降雨量過大導(dǎo)致塔吊基礎(chǔ)不均勻沉降，腳手架荷載超限導(dǎo)致腳手架坍塌事故發(fā)生，等等。

（2）邏輯關(guān)聯(lián)是指事物之間存在邏輯推演規(guī)律。例如，因管理人員安全程序監(jiān)管不力和安全技術(shù)交底不到位而對安拆工的施工作業(yè)產(chǎn)生影響。

（3）空間關(guān)聯(lián)是指事物空間上存在相互影響的關(guān)系。例如，2019年3月21日 13 時(shí) 10 分左右，揚(yáng)州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)發(fā)生較大事故，附著式升降腳手架在下降作業(yè)時(shí)發(fā)生墜落，墜落過程中與落地式腳手架相撞，造成 7 人死亡、4 人受傷。

建筑施工過程是一個(gè)動態(tài)變化的過程，在考慮風(fēng)險(xiǎn)因素間不同類型耦合關(guān)系的同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合具體項(xiàng)目現(xiàn)場情況，增加事件間的聯(lián)系，從而進(jìn)一步提高關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素識別的準(zhǔn)確性。

2 建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)識別

故障樹是一種廣泛運(yùn)用于系統(tǒng)故障分析的工具，運(yùn)用樹狀圖可以描述事件的邏輯關(guān)系。在故障樹中，頂事件表示系統(tǒng)的狀態(tài)，基本事件描述可能引發(fā)系統(tǒng)故障的因素。運(yùn)用故障樹可對建筑施工安全事故進(jìn)行定性和定量分析，其中，定量分析法大多采用根據(jù)底事件的發(fā)生概率推算頂事件的發(fā)生概率或其他定量指標(biāo)，而底事件的發(fā)生概率主要取決于專家調(diào)查法的結(jié)果或歷史事故案例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

在基于案例庫信息整合的風(fēng)險(xiǎn)因素清單中，風(fēng)險(xiǎn)因素被分為人員、機(jī)械和環(huán)境三大類別。其中，人員相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)主要是指人的不安全行為，又細(xì)分為管理人員、安拆工、維保工和特種工等不安全行為；機(jī)械相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)主要是指機(jī)械的質(zhì)量缺陷、安裝缺陷、安全裝置缺陷和維保缺陷等不安全狀態(tài)；環(huán)境相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)主要是指施工地點(diǎn)不利的環(huán)境條件，如強(qiáng)風(fēng)、暴雨等。運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)清單建立故障樹，羅列不同類別風(fēng)險(xiǎn)事故的誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)因素并描述因素間的因果關(guān)系。

3 建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)

建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)是由一系列不同類別風(fēng)險(xiǎn)子系統(tǒng)相互連接而成的，擬用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)描述建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)，將各個(gè)子系統(tǒng)視為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，子系統(tǒng)間的聯(lián)系視為邊，將建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)研究轉(zhuǎn)化為一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析問題。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜性科學(xué)研究的研究方法之一。將各類故障樹通過頂事件間聯(lián)系、因素間聯(lián)系和因素共現(xiàn)情況轉(zhuǎn)化成一個(gè)整體復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的角度分析研究建筑安全系統(tǒng)，能夠從整體上把握網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的動力學(xué)特性。利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論和方法能更具體地描述建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和風(fēng)險(xiǎn)因素彼此間的相關(guān)性。

4 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法

圖論是研究復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的有力工具。在圖論與網(wǎng)絡(luò)分析中，中心性是判定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)重要性的指標(biāo)，是對節(jié)點(diǎn)重要性的量化。中心度算法是社會網(wǎng)絡(luò)、生物蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的主要分析方法之一，中心度指標(biāo)用于考察網(wǎng)絡(luò)中個(gè)體的地位?；诰W(wǎng)絡(luò)屬性的中心性算法主要包括度中心性算法、接近中心度算法、中介中心度算法和特征向量中心度算法等（見圖1）。

圖1 中心性方法應(yīng)用

在識別不同工程安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素過程中，各風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互影響容易被忽視，而各類安全隱患的級聯(lián)效應(yīng)最終會導(dǎo)致發(fā)生更為嚴(yán)重的事故。在建筑安全事故網(wǎng)絡(luò)中，由于不同因素造成的事故風(fēng)險(xiǎn)存在明顯差異，在控制各風(fēng)險(xiǎn)因素和降低事故發(fā)生概率的過程中需要考慮核心節(jié)點(diǎn)；同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)用要求，事故網(wǎng)絡(luò)分析需要考慮系統(tǒng)動態(tài)的全局信息[3-4]。因此，選用中介中心度指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素的定量表達(dá)，能夠識別工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從而提高安全隱患的排查效率。中介中心度是一個(gè)以經(jīng)過某個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑數(shù)目反映節(jié)點(diǎn)重要性的指標(biāo)，是由美國社會學(xué)家林頓·弗里曼（Freeman，1979）教授提出來的概念。它是指網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過某點(diǎn)并連接兩點(diǎn)的最短路徑占這兩點(diǎn)的最短路徑線總數(shù)之比，能夠用于揭示網(wǎng)絡(luò)中具有連接橋作用的節(jié)點(diǎn)，從而發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接中的關(guān)鍵點(diǎn)或脆弱點(diǎn)。計(jì)算表達(dá)式如式 1 所示。

式中：gjk（ni）表示節(jié)點(diǎn)對j和k最短路徑經(jīng)過i點(diǎn)的路徑數(shù)，gjk表示節(jié)點(diǎn)j和節(jié)點(diǎn)k之間存在所有最短路徑的路徑數(shù)。

5 實(shí)例分析

以上海市某高層建筑項(xiàng)目為例，采用故障樹結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行施工安全風(fēng)險(xiǎn)的定量分析。該項(xiàng)目現(xiàn)階段核心筒內(nèi) 1 臺 600 t·m 內(nèi)爬塔吊塔身高度為 56 m，處于爬升狀態(tài)；1 臺 SC200/200 施工升降機(jī)，處于運(yùn)行狀態(tài)，整體爬升腳手架及鋼平臺均處于使用狀態(tài)。

5.1 風(fēng)險(xiǎn)識別

結(jié)合事故案例庫中類似項(xiàng)目的較大施工安全事故，列舉本項(xiàng)目現(xiàn)階段可能發(fā)生的 4 類重大事故（案例庫里未搜集到與鋼平臺相關(guān)的較大安全事故）：塔吊坍塌、施工升降梯梯籠墜落、施工升降梯垮塌和整體提升腳手架坍塌。在所搜集的案例庫歷史事件信息的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，塔吊坍塌事件達(dá) 210 起，施工升降梯垮塌或墜落事件 19 起，整體爬升腳手架坍塌 24 起，均屬于建筑施工重大安全風(fēng)險(xiǎn)事故；內(nèi)爬塔吊坍塌所致的發(fā)生率較高，風(fēng)險(xiǎn)損失后果較為嚴(yán)重。對風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)清單進(jìn)行篩選整合，運(yùn)用故障樹整理事故致因機(jī)理，得出 4 類事故故障樹（見圖2～圖5）。

圖2 塔吊坍塌故障樹

圖3 施工升降梯垮塌故障樹

圖4 施工升降機(jī)梯籠墜落故障樹

圖5 整體腳手架坍塌故障樹

5.2 構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，利用風(fēng)險(xiǎn)耦合矩陣描述風(fēng)險(xiǎn)事件之間的物理、邏輯和空間耦合效應(yīng)，結(jié)果如表1 所示。其中，“1”表示行事件對列事件可能具有風(fēng)險(xiǎn)連鎖反應(yīng)，“0”則表示行事件的發(fā)生對列事件的發(fā)生未產(chǎn)生直接影響。

將以上 4 類事故故障樹進(jìn)行整合，由 29 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素間聯(lián)系構(gòu)成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，利用 UCINET 軟件繪制所對應(yīng)的施工風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖（見圖6）。

圖6 施工安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

表1 事故風(fēng)險(xiǎn)耦合結(jié)構(gòu)矩陣

5.3 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素分析

采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法中的中介中心度指標(biāo)對該建筑現(xiàn)施工階段風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度進(jìn)行量化表達(dá)，按數(shù)值進(jìn)行排序（見表2），數(shù)值高的個(gè)體通常被認(rèn)為在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)控制資源和信息流通的位置。

表2 風(fēng)險(xiǎn)因素中介中心度

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各類風(fēng)險(xiǎn)因素的中介中心度分布不均勻，風(fēng)險(xiǎn)因素中介中心度處于 0～79.607 范圍內(nèi)，80% 的風(fēng)險(xiǎn)因素的中介中心度 ＜30，因而存在少數(shù)對網(wǎng)絡(luò)具有較大控制力的重要節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)是安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)因素，即關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

表2 中風(fēng)險(xiǎn)因素“構(gòu)件局部變形過大”的中介中心度數(shù)值最大，重要度最高。結(jié)合故障樹層級可知，“構(gòu)件局部變形過大”是導(dǎo)致發(fā)生 4 類事故的最重要的直接因素，其次為“結(jié)構(gòu)受力異?！?。因此，工程施工階段機(jī)械的安全性能對風(fēng)險(xiǎn)的傳播具有較大的控制力。

從風(fēng)險(xiǎn)因素中介中心度的排序結(jié)果和故障樹中的事件及因素層級中可以看出（由上至下）：在 4 類重大事故中，“塔吊坍塌”是該項(xiàng)目現(xiàn)階段應(yīng)采取措施加以重點(diǎn)控制的風(fēng)險(xiǎn)事故，其對本工程施工風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)具有較高的控制能力，與案例庫歷史事件數(shù)據(jù)相吻合；低層級因素“工人操作失誤”“工人違規(guī)操作”具有較高的中介中心度，表明施工人員的不安全操作會造成或加劇機(jī)械的不安全狀態(tài)，而做好對施工過程中人員的管控是實(shí)施現(xiàn)場安全管理的關(guān)鍵。

6 結(jié) 語

（1）依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件、因素間耦合效應(yīng)和因素共現(xiàn)情況，將各類故障樹轉(zhuǎn)化成一個(gè)整體風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法中的中介中心度指標(biāo)，對該建筑現(xiàn)施工階段風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度進(jìn)行量化分析，以彌補(bǔ)風(fēng)險(xiǎn)管理中評價(jià)指標(biāo)難以量化的缺陷，從而提高安全管理效率。此方法能夠?qū)κ┕わL(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分階段評估，動態(tài)提取關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素。

（2）在本工程施工現(xiàn)階段，機(jī)械的不安全狀態(tài)最易引發(fā)重大事故，對風(fēng)險(xiǎn)傳播具有較大的控制力。因此，日常加強(qiáng)對機(jī)械設(shè)備及構(gòu)件的維護(hù)與管理，在很大程度上能夠控制工程的安全隱患并提高工程的安全水平。

（3）在本工程施工現(xiàn)階段，對塔吊風(fēng)險(xiǎn)的控制和對安全隱患的排查尤為重要。這也驗(yàn)證了事故案例庫事故的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?，F(xiàn)場人員的工作疏忽極易成為事故發(fā)生的導(dǎo)火索，因而控制安全事故的關(guān)鍵在于重視對現(xiàn)場人員的安全教育。