基于ISM-MICMAC的建筑坍塌事故致因分析

趙慶華 張琳 曹慶

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

建筑業(yè)是事故多發(fā)型高危行業(yè)，危險(xiǎn)性大，突發(fā)性強(qiáng)，容易產(chǎn)生傷亡事故[1]。其中，坍塌事故的平均死亡率為1.9，遠(yuǎn)高于其他事故的平均死亡率1.2[2]。由此可見，坍塌事故屬于易造成人員重大傷亡的事故類型，開展坍塌事故的致因研究對(duì)于防控坍塌事故具有重要意義。

坍塌事故的發(fā)生是多種因素耦合作用的結(jié)果，要有效防控坍塌事故，需要進(jìn)一步分析建筑坍塌的形成機(jī)理和原因。目前，關(guān)于建筑坍塌事故的研究已頗有成果。李華等[3]基于STAMP模型剖析了事故致因各因素間的邏輯關(guān)系。孫世梅等[4]采用2-4模型對(duì)坍塌事故的行為原因進(jìn)行了分析，指出人為不安全動(dòng)作的行為原因是作業(yè)人員和管理人員安全知識(shí)、意識(shí)和習(xí)慣欠缺。也有不少學(xué)者運(yùn)用ISM研究相關(guān)施工安全管理的問題。仇國(guó)芳等[5]使用ISM模型研究了高處墜落事故致因因素間的關(guān)系。鄭霞忠等[6]用ISM和D-S證據(jù)理論分析了導(dǎo)致發(fā)生腳手架坍塌的因素，指出安全責(zé)任制度不健全是事故的深層原因?，F(xiàn)有研究關(guān)注的是事故發(fā)生的原因，未考慮各因素間的相互關(guān)系及作用機(jī)理，進(jìn)而導(dǎo)致因素分析不夠徹底，無法為防控坍塌事故提供借鑒。

鑒于此，本文選取86例典型的坍塌事故，從人、物、環(huán)境、管理、其他5個(gè)方面構(gòu)建ISM梳理層級(jí)關(guān)系；運(yùn)用MICMAC繪制依賴性-驅(qū)動(dòng)力圖識(shí)別事故的關(guān)鍵致因，為防控坍塌事故提供參考。

1 坍塌事故致因要素的提取與分析

本研究通過查詢各省(自治區(qū)、直轄市)應(yīng)急管理局發(fā)布的事故調(diào)查報(bào)告，界定坍塌事故發(fā)生原因，從2000—2020年的584個(gè)案例中提取86個(gè)典型的建筑坍塌事故調(diào)查報(bào)告。從事故調(diào)查報(bào)告中抽取事故原因的關(guān)鍵詞，初步列出27種致因要素，結(jié)合文獻(xiàn)分析法，從人、物、管理、環(huán)境、其他5個(gè)方面進(jìn)行歸納總結(jié)，最終得到19種因素，見表1。

表1 坍塌事故致因因素說明

2 方法簡(jiǎn)介與模型構(gòu)建

1973年，Warfield提出解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)方法[7]，借助計(jì)算機(jī)將復(fù)雜的要素關(guān)系進(jìn)行區(qū)域和層次劃分，用有向拓?fù)鋱D的方式呈現(xiàn)出系統(tǒng)要素間的相關(guān)性[5]。交叉影響矩陣相乘法(MICMAC)以要素間的關(guān)系為基礎(chǔ)[8]，計(jì)算各因素的驅(qū)動(dòng)力與依賴性，把所有的系統(tǒng)要素分成4類，從而提出相應(yīng)的策略。

2.1 方法簡(jiǎn)介

綜合運(yùn)用ISM-MICMAC模型對(duì)系統(tǒng)中眾多要素進(jìn)行層級(jí)劃分和屬性判別，可以全面系統(tǒng)地研究建筑坍塌事故致因各要素間的復(fù)雜關(guān)系。具體步驟如下。

2.1.1 確定研究問題，合理選擇因素

根據(jù)專業(yè)知識(shí)、文獻(xiàn)參考和案例分析等整理系統(tǒng)要素，建立影響要素集{S1，S2，…，Sn}。

2.1.2 列舉各導(dǎo)致因素的相關(guān)性，建立鄰接矩陣

判斷各因素之間有無相關(guān)性，生成鄰接矩陣A=(aij)n×n。計(jì)算公式如下

(1)

2.1.3 生成可達(dá)矩陣

根據(jù)布爾運(yùn)算規(guī)則，采用python軟件按照式(2)迭代計(jì)算鄰接矩陣[9]，最終生成可達(dá)矩陣M=mij(n×n)。計(jì)算公式如下

M=(A+I)k

(2)

當(dāng)(A+I)≠(A+I)2≠(A+I)3≠……≠(A+I)k=(A+I)k+1，可達(dá)矩陣為M=(A+I)k，k≤n-1(n為矩陣階數(shù))。

2.1.4 影響因素區(qū)域劃分

分解可達(dá)矩陣，得可達(dá)集R(Si)、先行集A(Si)及共同集C(Si)[10]，劃分要素并確立層級(jí)關(guān)系。計(jì)算公式如下

R(Si)={Sx|Sx∈S,mix=1,x=1,2,…,n}(i=1，2，…，n)

(3)

A(Si)={Sx|Sx∈S,mxi=1,x=1,2,…,n}(i=1，2，…，n)

(4)

C(Si)={Sx|Sx∈S,mix=1mix=1,x=1,2,…,n}(i=1，2，…，n)

(5)

2.1.5 影響因素層級(jí)劃分，繪制解釋結(jié)構(gòu)模型

以可達(dá)矩陣為基礎(chǔ)，依據(jù)因素的層級(jí)劃分結(jié)果和邏輯關(guān)系，繪制解釋結(jié)構(gòu)模型。

2.1.6 繪制驅(qū)動(dòng)力依賴圖

在ISM確定建筑坍塌事故致因要素的層級(jí)結(jié)構(gòu)后，以可達(dá)矩陣為基礎(chǔ)，運(yùn)用MICMAC分析致因要素的驅(qū)動(dòng)力Di與依賴性Rj并繪制驅(qū)動(dòng)力依賴圖，進(jìn)一步確定影響因素所處的地位和作用。計(jì)算公式如下[11]

(3)

(4)

式中，aij為可達(dá)矩陣M中的元素。

2.2 建筑坍塌事故致因模型構(gòu)建

2.2.1 建立鄰接矩陣

由19個(gè)致因要素邏輯關(guān)系和式(1)建立鄰接矩陣A，其中aij為A的元素。得到的鄰接矩陣A如下

2.2.2 生成可達(dá)矩陣

用式(2)對(duì)矩陣A+I進(jìn)行布爾運(yùn)算。當(dāng)k=4時(shí)，(A+I)1≠(A+I)2≠(A+I)3≠(A+I)4=(A+I)5，得到可達(dá)矩陣M=(A+I)4。生成的可達(dá)矩陣M如下

2.2.3 區(qū)域劃分

分解可達(dá)矩陣，劃分致因要素的先行集、可達(dá)集及共同集，區(qū)域劃分結(jié)果見表2。

表2 建筑坍塌事故致因因素區(qū)域劃分

(續(xù))

2.2.4 建立解釋結(jié)構(gòu)模型

將要素層級(jí)分為6層：{1，3，5，7，8，19}為第一層，{2，4，6，9}為第二層，{10，13，15，16}為第三層，{11，12，18}為第四層，{14}為第五層，{17}為第六層。建筑坍塌事故解釋結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2.2.5 繪制驅(qū)動(dòng)力依賴圖

運(yùn)用MICMAC分析致因要素的驅(qū)動(dòng)力與依賴性并繪制驅(qū)動(dòng)力依賴圖，進(jìn)一步確定影響因素所處的地位和作用，如圖2所示。

3 建筑坍塌事故致因要素結(jié)果分析

3.1 ISM分析

由ISM結(jié)果可知，影響建筑坍塌事故的因素構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)，可分為表層、中層和深層因素，反映了事故致因要素間的邏輯關(guān)系。表層因素多為人和物的因素，是坍塌事故發(fā)生的直接原因。中層因素多為管理因素，在ISM結(jié)構(gòu)中起到承上啟下的作用，是坍塌事故發(fā)生的間接原因。深層因素多為其他因素且為根本原因。

表層因素為第一層和第二層，包括S1～S9和S19，是坍塌事故發(fā)生的直接因素，為中層因素和深層因素的直接表現(xiàn)形式。中層因素為第三層和第四層，包括S10、S11、S12、S13、S15、S16、S18，是坍塌事故中承上啟下的因素。中層因素的主要來源是管理因素，如企業(yè)安全生產(chǎn)責(zé)任未落實(shí)從而導(dǎo)致管理人員未進(jìn)行安全隱患排查，進(jìn)而導(dǎo)致材料、設(shè)備問題，進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)或不合理，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。深層因素為第五層和第六層，包括S14和S17，是坍塌事故發(fā)生的根本因素。在坍塌事故的防控中，必須從深層因素出發(fā)采取相關(guān)措施。

3.2 MICMAC分析

由MICMAC分析得出建筑坍塌事故致因要素驅(qū)動(dòng)力-依賴度矩陣。違規(guī)章操作(S1)、未使用個(gè)人安全防范用品(S3)、未掌握安全操作技術(shù)(S5)、應(yīng)急救援處理不當(dāng)(S19)位于第二象限，屬于依賴因素；矩陣中，安全生產(chǎn)管理主體責(zé)任制長(zhǎng)期不落實(shí)(S11)、施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理混亂(S12)、未進(jìn)行安全技術(shù)交底(S13)、施工組織設(shè)計(jì)方案不規(guī)范(S14)、行政監(jiān)管不力(S17)、違法承發(fā)包(S18)位于第四象限，屬于獨(dú)立因素，即驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)且依賴性低；本矩陣沒有負(fù)面影響的聯(lián)系因素，說明本文選取的19個(gè)致因要素較為穩(wěn)定；其余因素驅(qū)動(dòng)力和依賴性都相對(duì)較弱，均在矩陣的第一象限，為自治因素，與系統(tǒng)關(guān)聯(lián)不多，但關(guān)聯(lián)較強(qiáng)，可以在建筑坍塌事故致因中獨(dú)立處理。因此，在對(duì)致因要素進(jìn)行分析時(shí)需要對(duì)該類因素進(jìn)行單獨(dú)考慮。

通過研究ISM-MICMAC模型可知，坍塌事故致因要素間具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，宜分層次進(jìn)行重點(diǎn)管理。依賴要素S1、S3、S5、S9位于ISM中的表層因素，受系統(tǒng)中下層因素影響較大且對(duì)其他因素影響小，優(yōu)先級(jí)較低，依賴下層因素解決而得到解決。其中，違規(guī)章操作(S1)出現(xiàn)頻率最高，查找S1發(fā)生的致因鏈條是：行政監(jiān)管不到位(S17)→未編制施工組織設(shè)計(jì)方案或方案不合理(S14)→施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理混亂(S12)→安全教育培訓(xùn)工作不到位(S16)→安全意識(shí)薄弱(無證上崗)(S2/S4)→違規(guī)章操作(S1)→建筑坍塌事故。因此，要重點(diǎn)培養(yǎng)作業(yè)人員的安全意識(shí)和安全知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)作業(yè)人員的安全教育，管理人員多走訪施工現(xiàn)場(chǎng)，有效實(shí)地管理建設(shè)項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目自身情況編寫合理規(guī)范的施工組織設(shè)計(jì)方案。此外，施工組織設(shè)計(jì)方案不規(guī)范(S14)、行政監(jiān)管不力(S17)位于ISM的深層因素，對(duì)系統(tǒng)中其他因素影響較大且受其他因素影響小，為建筑坍塌事故關(guān)鍵致因要素。對(duì)S14、S17因素重點(diǎn)管控，將對(duì)防控建筑坍塌起到積極作用。由此可見，企業(yè)編制規(guī)范合理的施工組織設(shè)計(jì)方案，從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合各種生產(chǎn)要素在真正意義上指導(dǎo)施工。政府盡快完善法律法規(guī)，增強(qiáng)外部行政監(jiān)管力度，嚴(yán)格審批把關(guān)各施工文件和方案，加大巡查力度和處罰力度，有助于提高對(duì)事故的安全管理水平。另外，政府職能部門應(yīng)加大科研經(jīng)費(fèi)的投入，鼓勵(lì)科研單位研發(fā)高精度安全監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)，如創(chuàng)建安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)，使用電子監(jiān)測(cè)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)施工安全狀況。雖然S11、S12、S13、S18為ISM的中層因素，但屬于獨(dú)立要素，需重點(diǎn)管控。

4 案例分析

2015年11月8日，蘇州市吳中區(qū)水岸清華高層二期工程發(fā)生較大坍塌事故[12]。經(jīng)調(diào)查分析，事故發(fā)生的原因主要有：結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)、不合理(S8)，違規(guī)章操作(S1)，安全教育培訓(xùn)工作不到位(S16)，施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理混亂(S12)，未進(jìn)行安全技術(shù)交底(S13)，安全意識(shí)薄弱(S2)，行政監(jiān)管不力(S17)。厘清這7個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素邏輯關(guān)系后，將數(shù)據(jù)輸入ISM-MICMAC模型，層級(jí)圖和依賴性-驅(qū)動(dòng)力矩陣如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，ISM-MICMAC模型中最深層因素和獨(dú)立要素均為行政監(jiān)管不力，即行政監(jiān)管不力(S17)為該案例最關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素。由此可知，以86例案例為基礎(chǔ)，運(yùn)用模型對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別的結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，從而驗(yàn)證了模型的有效性和實(shí)用性。

5 結(jié)語

本文綜合運(yùn)用文獻(xiàn)分析法和案例分析識(shí)別出建筑坍塌事故的19種致因要素，運(yùn)用ISM模型對(duì)致因要素進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)劃分，使用MICMAC分析法對(duì)致因要素的驅(qū)動(dòng)力與依賴性進(jìn)行分類，并選取典型案例對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證，證明該模型識(shí)別結(jié)果與案例調(diào)查分析結(jié)果基本一致。