基于系統動力學的建筑施工安全系統脆弱性仿真分析

羅 聰,綦春明,卜 波

(南華大學土木工程學院,湖南 衡陽 421000)

據住房和城鄉建設部的通報數據顯示，2016—2019年房屋市政工程無論是事故起數還是死亡人數都呈逐年上升趨勢，我國的建筑施工安全形勢依舊嚴峻復雜。

近年來，為了減少建筑施工事故的發生，國內外學者對建筑施工安全系統中事故致因交互機理進行了研究，并積累了不少研究成果，主要集中在三個方面：①事故致因的統計描述性分析，如Chi等根據建筑施工事故報告對事故有關的環境因素、人的因素、傷害來源和事故類型等方面進行了統計分析研究；②各事故致因重要性程度的定量分析，如徐姣姣等對裝配式建筑施工安全風險因素的關鍵程度進行了度量研究；③多層次事故致因間的交互分析，如Eteifa等采用社會網絡分析來研究事故致因間的聯系性，Wong等運用HFACS對事故鏈進行分析。從現有研究來看，研究成果多從靜態的角度出發來研究事故致因間的關系，難以綜合反映建筑施工安全系統中多重要素間的變化規律及反饋機制，不能有效地分析建筑施工安全系統中不同資源投入對系統自身抵御風險能力的動態提升過程，而這正是系統脆弱性研究中需要重點關注的問題。

鑒于此，本文考慮到建筑施工事故的發生是系統的動態涌現行為，擬從建筑施工安全系統脆弱性角度為切入點來構建系統動力學模型，并通過考慮不同子系統的投入方案來對建筑施工安全系統脆弱性的暴露度、敏感度和適應度的影響程度進行動態仿真分析，研究不同子系統影響因素對建筑施工安全系統脆弱性的影響程度，以期為減少建筑施工事故提供管理決策思路。

1 建筑施工安全系統脆弱性的系統動力學模型

1.1 建筑施工安全系統在社會技術系統下子系統和因素劃分

社會技術系統(Sociotechnical Systems)是由英國Tavistoc人際關系研究所提出來的概念。該理論認為一個系統的成功運行，依賴于個人子系統、技術子系統、組織管理子系統和內外部環境子系統之間的相容性。社會技術系統的子系統各要素之間存在著高接觸和緊耦合性的特點，隨著某要素的變化，會導致系統原有的穩定狀態或秩序出現變化，促使組織或個人出現偏差，當系統自身的適應度無法調節時就會導致系統失調，甚至導致事故的發生。目前社會技術系統理論已被運用于航空、核電、能源如煤炭開采等領域，但較少運用于建筑施工領域。而建筑施工安全系統是典型的社會技術系統，其作為社會系統受到作業人員、組織管理機構項目部、作業環境和自然環境等因素的影響；其作為技術系統，建筑物的建成都受到各分部分項工程的工序、施工組織方案以及各種工器具設備的影響。

社會技術系統的運用優勢，一是相較其他系統事故致因模型，它將事故過程理解為多事件構成的復雜互聯網絡而不是簡單的因果事故鏈，更符合系統動力學的特點；二是其子系統劃分詳實，有較好的適用性。通過專家研討和文獻分析，對建筑施工安全系統的各子系統進行定義和因素劃分，個人子系統指實施具體工作的人員狀態，主要包括工人違規操作、防護用品使用不當、安全心理水平和安全意識水平等因素；技術子系統指幫助任務順利、安全完成的技術和工器具設備，主要包括各項施工組織技術方案制定、個人防護設備到位情況、現場檢測監控設備、警告標記到位情況和作業設備運行情況等因素；組織管理子系統指機構對項目的管理和監督，主要包括施工現場安全檢查與監督、安全教育培訓和企業安全生產責任制度等因素；內外部環境子系統指環境對施工作業的影響，主要包括政府主管部門監督情況、天氣情況、作業面穩定情況和作業面照明情況等因素。

1.2 建筑施工安全系統的脆弱性分析

脆弱性理論源于對自然災害的研究，反映系統在內外部擾動下的變化程度，以及從負面影響中恢復正常作業的能力。目前脆弱性理論發展為一種跨學科、綜合性的研究視角并已運用到諸多領域。在我國安全工程領域，有關對脆弱性的研究多集中于應急管理和公共安全等方面，而在建筑施工安全管理領域脆弱性的研究多集中在項目安全管理系統脆弱性評價方面，缺乏考慮系統安全和動態分析。

在事故致因理論基礎上，將脆弱性理論運用到建筑施工安全系統，能更好地反映不同因素擾動下安全系統的變化與恢復情況。因此，本研究采用被廣泛認可的脆弱性理論模型中的VSD(Vulnerability Scoping Diagram)模型來對建筑施工安全系統的脆弱性進行分析，該模型將脆弱性分為“暴露度—敏感度—適應度”3個特征要素。暴露度是指系統在擾動情況下的暴露程度，包括暴露位置、暴露時間和暴露頻率等，在安全工程領域可理解為事故隱患程度，體現了系統受到外界擾動危害的幾率。暴露度越高，受到危害的幾率越大，系統脆弱性越高，事故發生頻率的可能性也就越大。敏感度反映系統受到擾動時的反應程度，即反應時間、幅度和限度等。敏感度越高，系統脆弱性越大，在建筑施工事故分析中體現為對事故傷亡情況和事故經濟損失造成的影響。適應度是指系統抵抗外界擾動的能力大小，包括恢復速度、恢復時間和恢復程度等。適應度越大，系統脆弱性越小，在建筑施工事故分析中體現為對預備系統完備性、應急救援有效性和事故處理成本產生的影響。

本研究采用VSD模型的三個特征要素來反映建筑施工安全系統在內外部擾動下(例如事故致因的發生)產生變化的程度，以及從擾動的負面影響中(偏離安全狀態)恢復正常運行的能力。據此建立了建筑施工安全系統脆弱性概念模型，見圖1。

圖1 建筑施工安全系統脆弱性概念模型圖Fig.1 Conceptual model diagram of the vulnerability of the building construction safety system

事故發生是圖1中建筑施工安全系統、社會技術系統和脆弱性三者交互作用的結果，即社會技術系統中各子系統的不利影響因素(如安全培訓不到位)的存在會促使系統暴露度、敏感度和適應度的變化，進而導致系統脆弱性增加，影響整個安全系統的穩定性。當不利因素的暴露時間和頻率達到一定閾值時，安全系統將失穩。為了避免系統失穩而發生事故，安全系統將采取必要的措施來提高自身抵御風險和恢復正常工作的能力。總之，建筑施工安全系統的事故演變是子系統各影響因素脆弱性聯系不斷被激發的過程。

1.3 建筑施工安全系統脆弱性的系統動力學仿真模型構建

1.3.1 建筑施工安全系統脆弱性的系統動力學流圖

建筑施工安全系統是多個子系統及影響因素相互作用影響的整體，其中每個影響因素對系統的暴露度、敏感度和適應度都會產生不同程度的影響，進而影響整個安全系統的脆弱性。為了反映各影響因素的正負變化對系統的影響，揭示系統中存在的反饋作用機制，本文結合社會技術系統的影響因素劃分和概念模型，運用Vensim構建了包含34個影響因素的建筑施工安全系統脆弱性的系統動力學流圖，見圖2。

圖2 建筑施工安全系統脆弱性的系統動力學流圖Fig.2 System flow diagram of the vulnerability of the building construction safety system

由圖2可以看出系統因素與脆弱性之間的相互作用關系，如以個人子系統為例，當作業人員的安全意識和安全心理水平薄弱時，工人的違規作業和防護用品使用不當等不安全行為增加，導致系統潛在的隱患增加，進而造成暴露度和敏感度提高，適應度降低，系統脆弱性增加，達到一定閾值將導致事故發生，事故傷亡情況等將影響政府主管部門的監督情況，事故處理成本等將影響安全規章制度的制定，以此來形成反饋機制，促進各子系統的投入增加。本文以個人子系統、技術子系統、組織管理子系統和內外部環境子系統的投入方案作為輸入控制變量，來分析各子系統對建筑施工安全系統脆弱性的影響程度。

1.3.2 系統動力學模型各仿真參數及方程的確定

對模型相關變量的影響關系參數進行設定，是構建建筑施工安全系統脆弱性系統動力學模型的重要過程。需要考慮的是影響建筑施工安全系統脆弱性的多個影響因素存在一定的模糊性和主觀性，一般難以用精確數值來度量，因此本文擬采用三角模糊數與層次分析法相結合的方法以盡量減少主觀誤差。其具體步驟如下：①將影響因素的重要度劃分為9個等級，選取3名專家(分別為研究工程安全管理的教授、建筑施工現場的技術負責人和安全管理員)進行權重判定，并形成三個兩兩因素對比的矩陣

P

=(

l

，

m

，

u

)[其中,

y

=1,2,3;

i

,

j

和

k

同上;

u

為模糊集的上界，

m

為一般值，

l

為下界];②運用模糊數求平均值的公式[見公式(1)]，得到一個三角模糊數;③參考Chamodrakas等的去模糊化方法[見公式(2)]，得到因素權重判斷的清晰值，形成最終的判斷矩陣

P

=(

x

,

x

,

x

);④根據判斷矩陣，運用求根法得到各指標的權重，并進行一致性檢驗。具體計算公式如下：

(1)

(2)

限于文章篇幅，本文以建筑施工安全系統各子系統對適應度影響大小的權重計算為例，假設

F

～

F

分別代表個人子系統、技術子系統、組織管理子系統和內外部環境子系統，去模糊化的判斷矩陣計算結果見表1。

表1 建筑施工安全系統各子系統對適應度影響大小的權重

根據上述方法，計算出建筑施工安全系統脆弱性系統動力學模型中其他指標權重，并建立相應的系統動力學方程，見表2。

表2 建筑施工安全系統脆弱性的系統動力學方程

2 建筑施工安全系統脆弱性的系統動力學仿真分析與對策

本文以某建筑施工項目為研究對象，將分析單位設為1個月，進行12個月的仿真，對該段時間內建筑施工安全系統的脆弱性進行動態監控。在分析社會技術系統下各個子系統對建筑施工安全系統脆弱性的影響程度時，設定個人子系統、技術子系統、組織管理子系統和內外部環境子系統4個變量，并探討每個變量變化1個單位引起暴露度、敏感度和適應度3個特征要素變化的規律。需要注意的是，3個特征要素的初始值由系統實際運行狀態獲得，為無量綱變量，僅用來反映仿真結果中的變化趨勢。最后根據仿真結果對VSD模型的3個特征要素提出相應的預防對策，以期減少建筑施工安全系統的脆弱性，提高安全管理水平。

2.1 建筑施工安全系統暴露度的影響分析

圖3體現了某子系統取值變化1個單位，其他子系統取值不變時，建筑施工安全系統暴露度的變化趨勢。

圖3 建筑施工安全系統暴露度的仿真走勢Fig.3 Simulation trend of exposure degree of building construction safety system

由圖3可見，建筑施工安全系統的暴露度在不采取干預措施的情況下呈現逐步上升趨勢，一個仿真周期內增加幅度達到6.93%，即事故發生的可能性在增加；當采取干預措施即增加子系統投入時，安全系統的暴露度均呈現下降趨勢，其中增加個人子系統和內外部環境子系統的投入對減少安全系統暴露度的作用較大，組織管理子系統和技術子系統則次之。

表3反映了建筑施工安全系統暴露度仿真結果中暴露度的具體數值變化情況。

由表3可知，增加4個子系統的投入都會降低整個建筑施工安全系統的暴露度，減少事故的發生；當個人子系統投入1單位時，安全系統的暴露度6月份下降了8.53%，12月份下降了17.07%，整體下降效果較為明顯，其主要原因可能是工人的行為對暴露度有著重要的影響，有研究也表明工人的不安全行為是導致事故發生的主要原因。在施工現場工人的違規操作和防護用品使用不當等將會導致事故隱患程度增加，使整個系統的暴露度增加。例如在我國各省份的應急管理部(安監局)公布的建筑施工安全事故報告中， 有多起因為高處臨邊作業的工人不系安全帶等違規作業行為， 將自己暴露在危險的作業環境中，最終導致高處墜落事故的發生。技術子系統、組織管理子系統和內外部環境子系統在仿真周期12個月的安全系統暴露度下降率分別為1.33%、7.20%和11.73%，整體下降效果都小于個人子系統。

表3 建筑施工安全系統暴露度的仿真結果

2.2 建筑施工安全系統敏感度的影響分析

圖4體現了某子系統取值變化1個單位，其他子系統取值不變時，建筑施工安全系統敏感度的變化趨勢。

圖4 建筑施工安全系統敏感度的仿真走勢Fig.4 Simulation trend of the sensitivity of building construction safety system

由圖4可見，建筑施工安全系統的敏感度在不采取干預措施的情況下保持著上升趨勢，一個仿真周期內增加幅度達到21.29%(見表4)；但與暴露度的變化趨勢不同，當采取干預措施即增加子系統1個單位投入時，安全系統的敏感度既有上升趨勢也有下降趨勢，即技術子系統和內外部環境子系統的投入使整個仿真周期內安全系統的敏感度呈現下降趨勢，而個人子系統和組織管理子系統的結果卻相反。

表4反映了建筑施工安全系統敏感度仿真結果中敏感度的具體數值變化情況。

表4 建筑施工安全系統敏感度的仿真結果

由表4可知，當技術子系統投入1個單位時，建筑施工安全系統的敏感度6月份下降了5.65%，12月份下降了11.13%，對降低安全系統的敏感度作用明顯，其原因可能在于現場的一些技術條件能增加整個安全系統抵抗的反應能力，例如各項施工組織技術方案的落實，在面對事故發生時，有應急救援方案，會提高整個安全系統的反應速度，最大限度地減少事故的傷亡情況，又如現場監控設備的運用，也能較快地發現事故發生過程，有助于做好事故后處理工作，減少經濟損失；當內外部環境子系統投入1個單位時，安全系統的敏感度12月份下降了2.90%，對降低安全系統的敏感度也有重要的影響。因此，通過加強技術子系統和內外部環境子系統的耦合作用，雙重下力，能有效地降低事故率及事故發生后的災難程度。另外，組織管理子系統和個人子系統的投入雖然對安全系統敏感度的影響程度較低，但相較于初始狀態的第12個月，安全系統的敏感度分別延緩上升了15.32%和8.23%。

2.3 建筑施工安全系統適應度的影響分析

圖5體現了某子系統取值增加投入1個單位，其他子系統取值不變時，建筑施工安全系統適應度的變化趨勢。

由圖5可見， 初始狀態時建筑施工安全系統的適應度呈下降趨勢，一個仿真周期內降低幅度為20.20%(見表5)， 說明不采取干預措施時， 整個安全系統從干擾中恢復正常工作的能力下降較大；而當增加子系統投入時，相較于初始狀態，整個安全系統的適應度都有所上升，其中組織管理子系統和技術子系統的投入使得整個仿真周期內安全系統的適應度呈現上升趨勢，而個人子系統和內外部環境子系統的投入使其呈現緩降趨勢。

圖5 建筑施工安全系統適應度的仿真走勢Fig.5 Simulation trend of the fitness of building construction safety system

表5 建筑施工安全系統適應度的仿真結果

表5反映了建筑施工安全系統適應度仿真結果中適應度的具體數值變化情況。

由表5可知，對建筑施工安全系統適應度影響最大的是組織管理子系統，在仿真的第6個月，整個安全系統的適應度上升了7.80%，12月份上升了15.60%，其原因可能在于組織管理的正向學習作用，當事故發生后，組織管理者負責應急救援和事故調查，并針對事故調查報告展開安全生產教育，以提高整個安全系統的適應度；其次，當技術子系統增加1個單位投入時，整個仿真周期內安全系統的適應度也上升了8.40%，對降低安全系統脆弱性具有重要的影響；雖然個人子系統和內外部環境子系統投入1個單位未能改變安全系統適應度下降的趨勢，但相對于初始狀態，整個仿真周期內安全系統的適應度分別提高了17.40%和14.00%，說明其對于延緩安全系統適應度的下降起到了重要作用。

2.4 對策分析

圖3至圖5的初始狀態線表明建筑施工安全系統具有脆弱傾向性，在不采取干預措施的情況下，隨著時間的增加，安全系統的暴露度和敏感度會不斷提高，適應度會不斷降低，整個安全系統的脆弱性提高，事故發生可能性增大。因此，對建筑施工安全系統脆弱性有關鍵影響的子系統及重要因素提出相應的干預對策具有重要的意義。具體對策如下：

(1) 建筑施工安全系統暴露度的影響分析表明，個人子系統的投入對減少安全系統暴露度的作用最大，建議加強作業人員安全教育培訓力度，并落實好培訓后的考核工作，以期提高作業人員的安全意識水平，最大程度地減少人的不安全行為。

(2) 對減少建筑施工安全系統敏感度作用最大的子系統是技術子系統，建議建設單位、監理單位和施工單位要高度重視各項施工作業技術方案的制定與落實，加強作業設備與警告標記的檢查，以期減少物的不安全狀態。

(3) 為了提高組織管理子系統對建筑施工安全系統適應度的影響，建議施工項目管理者要建立健全現場安全事故排查隱患制度，尤其對已發現的隱患如監理發出的整改通知單要特別重視。

3 結論與建議

(1) 本文結合社會技術系統理論，以脆弱性中暴露度、敏感度和適應度3個特征指標為切入點，采用三角模糊數和AHP方法，構建了包含34個影響因素的建筑施工安全系統脆弱性的系統動力學仿真模型，分析了社會技術系統理論中各子系統影響因素與暴露度、敏感度和適應度的相互作用關系。

(2) 建筑施工安全系統具有脆弱傾向性，在不采取干預措施的情況下，安全系統的脆弱性會逐步提高，一個仿真周期內安全系統的暴露度和敏感度分別增加了6.93%和21.29%，適應度下降了20.20%。

(3) 影響建筑施工安全系統暴露度、敏感度和適應度的關鍵子系統分別為個人子系統、技術子系統和組織管理子系統，在整個仿真周期內，個人子系統、技術子系統和組織管理子系統每增加1個單位投入時，對降低安全系統暴露度、敏感度和提高安全系統適應度的變化幅度分別為17.07%、11.13%和15.60%。此外，圍繞起關鍵作用的子系統，本文提出了加強落實作業人員培訓考核制度、重視各項施工作業技術方案和建立健全現場安全事故隱患排查制度等建議，以期降低建筑施工安全系統的脆弱性風險，減少事故的發生。

(4) 本研究主要采用單變量控制法研究單個子系統變化對建筑施工安全系統脆弱性的影響程度，具有一定的局限性，后續將研究多個變量同時變動對安全系統脆弱性的影響。