基于ISM-MICMAC的建筑坍塌事故致因分析

趙慶華 張琳 曹慶

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

建筑業是事故多發型高危行業，危險性大，突發性強，容易產生傷亡事故[1]。其中，坍塌事故的平均死亡率為1.9，遠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于防控坍塌事故具有重要意義。

坍塌事故的發生是多種因素耦合作用的結果，要有效防控坍塌事故，需要進一步分析建筑坍塌的形成機理和原因。目前，關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系。孫世梅等[4]采用2-4模型對坍塌事故的行為原因進行了分析，指出人為不安全動作的行為原因是作業人員和管理人員安全知識、意識和習慣欠缺。也有不少學者運用ISM研究相關施工安全管理的問題。仇國芳等[5]使用ISM模型研究了高處墜落事故致因因素間的關系。鄭霞忠等[6]用ISM和D-S證據理論分析了導致發生腳手架坍塌的因素，指出安全責任制度不健全是事故的深層原因?，F有研究關注的是事故發生的原因，未考慮各因素間的相互關系及作用機理，進而導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、環境、管理、其他5個方面構建ISM梳理層級關系；運用MICMAC繪制依賴性-驅動力圖識別事故的關鍵致因，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、直轄市)應急管理局發布的事故調查報告，界定坍塌事故發生原因，從2000—2020年的584個案例中提取86個典型的建筑坍塌事故調查報告。從事故調查報告中抽取事故原因的關鍵詞，初步列出27種致因要素，結合文獻分析法，從人、物、管理、環境、其他5個方面進行歸納總結，最終得到19種因素，見表1。

表1 坍塌事故致因因素說明

2 方法簡介與模型構建

1973年，Warfield提出解釋結構模型(ISM)方法[7]，借助計算機將復雜的要素關系進行區域和層次劃分，用有向拓撲圖的方式呈現出系統要素間的相關性[5]。交叉影響矩陣相乘法(MICMAC)以要素間的關系為基礎[8]，計算各因素的驅動力與依賴性，把所有的系統要素分成4類，從而提出相應的策略。

2.1 方法簡介

綜合運用ISM-MICMAC模型對系統中眾多要素進行層級劃分和屬性判別，可以全面系統地研究建筑坍塌事故致因各要素間的復雜關系。具體步驟如下。

2.1.1 確定研究問題，合理選擇因素

根據專業知識、文獻參考和案例分析等整理系統要素，建立影響要素集{S1，S2，…，Sn}。

2.1.2 列舉各導致因素的相關性，建立鄰接矩陣

判斷各因素之間有無相關性，生成鄰接矩陣A=(aij)n×n。計算公式如下

(1)

2.1.3 生成可達矩陣

根據布爾運算規則，采用python軟件按照式(2)迭代計算鄰接矩陣[9]，最終生成可達矩陣M=mij(n×n)。計算公式如下

M=(A+I)k

(2)

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

2.1.4 影響因素區域劃分

分解可達矩陣，得可達集R(Si)、先行集A(Si)及共同集C(Si)[10]，劃分要素并確立層級關系。計算公式如下

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 影響因素層級劃分，繪制解釋結構模型

以可達矩陣為基礎，依據因素的層級劃分結果和邏輯關系，繪制解釋結構模型。

2.1.6 繪制驅動力依賴圖

在ISM確定建筑坍塌事故致因要素的層級結構后，以可達矩陣為基礎，運用MICMAC分析致因要素的驅動力Di與依賴性Rj并繪制驅動力依賴圖，進一步確定影響因素所處的地位和作用。計算公式如下[11]

(3)

(4)

式中，aij為可達矩陣M中的元素。

2.2 建筑坍塌事故致因模型構建

2.2.1 建立鄰接矩陣

由19個致因要素邏輯關系和式(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 生成可達矩陣

用式(2)對矩陣A+I進行布爾運算。當k=4時，(A+I)1≠(A+I)2≠(A+I)3≠(A+I)4=(A+I)5，得到可達矩陣M=(A+I)4。生成的可達矩陣M如下

2.2.3 區域劃分

分解可達矩陣，劃分致因要素的先行集、可達集及共同集，區域劃分結果見表2。

表2 建筑坍塌事故致因因素區域劃分

(續)

2.2.4 建立解釋結構模型

將要素層級分為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構模型如圖1所示。

2.2.5 繪制驅動力依賴圖

運用MICMAC分析致因要素的驅動力與依賴性并繪制驅動力依賴圖，進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果分析

3.1 ISM分析

由ISM結果可知，影響建筑坍塌事故的因素構成了一個系統，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系。表層因素多為人和物的因素，是坍塌事故發生的直接原因。中層因素多為管理因素，在ISM結構中起到承上啟下的作用，是坍塌事故發生的間接原因。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，是坍塌事故發生的直接因素，為中層因素和深層因素的直接表現形式。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，如企業安全生產責任未落實從而導致管理人員未進行安全隱患排查，進而導致材料、設備問題，進一步導致結構體系失穩或不合理，最終導致事故的發生。深層因素為第五層和第六層，包括S14和S17，是坍塌事故發生的根本因素。在坍塌事故的防控中，必須從深層因素出發采取相關措施。

3.2 MICMAC分析

由MICMAC分析得出建筑坍塌事故致因要素驅動力-依賴度矩陣。違規章操作(S1)、未使用個人安全防范用品(S3)、未掌握安全操作技術(S5)、應急救援處理不當(S19)位于第二象限，屬于依賴因素；矩陣中，安全生產管理主體責任制長期不落實(S11)、施工現場安全管理混亂(S12)、未進行安全技術交底(S13)、施工組織設計方案不規范(S14)、行政監管不力(S17)、違法承發包(S18)位于第四象限，屬于獨立因素，即驅動力強且依賴性低；本矩陣沒有負面影響的聯系因素，說明本文選取的19個致因要素較為穩定；其余因素驅動力和依賴性都相對較弱，均在矩陣的第一象限，為自治因素，與系統關聯不多，但關聯較強，可以在建筑坍塌事故致因中獨立處理。因此，在對致因要素進行分析時需要對該類因素進行單獨考慮。

通過研究ISM-MICMAC模型可知，坍塌事故致因要素間具有強關聯性，宜分層次進行重點管理。依賴要素S1、S3、S5、S9位于ISM中的表層因素，受系統中下層因素影響較大且對其他因素影響小，優先級較低，依賴下層因素解決而得到解決。其中，違規章操作(S1)出現頻率最高，查找S1發生的致因鏈條是：行政監管不到位(S17)→未編制施工組織設計方案或方案不合理(S14)→施工現場安全管理混亂(S12)→安全教育培訓工作不到位(S16)→安全意識薄弱(無證上崗)(S2/S4)→違規章操作(S1)→建筑坍塌事故。因此，要重點培養作業人員的安全意識和安全知識，加強對作業人員的安全教育，管理人員多走訪施工現場，有效實地管理建設項目，根據項目自身情況編寫合理規范的施工組織設計方案。此外，施工組織設計方案不規范(S14)、行政監管不力(S17)位于ISM的深層因素，對系統中其他因素影響較大且受其他因素影響小，為建筑坍塌事故關鍵致因要素。對S14、S17因素重點管控，將對防控建筑坍塌起到積極作用。由此可見，企業編制規范合理的施工組織設計方案，從實際出發，結合各種生產要素在真正意義上指導施工。政府盡快完善法律法規，增強外部行政監管力度，嚴格審批把關各施工文件和方案，加大巡查力度和處罰力度，有助于提高對事故的安全管理水平。另外，政府職能部門應加大科研經費的投入，鼓勵科研單位研發高精度安全監測設備和技術，如創建安全監測平臺，使用電子監測設備遠程監測施工安全狀況。雖然S11、S12、S13、S18為ISM的中層因素，但屬于獨立要素，需重點管控。

4 案例分析

2015年11月8日，蘇州市吳中區水岸清華高層二期工程發生較大坍塌事故[12]。經調查分析，事故發生的原因主要有：結構體系失穩、不合理(S8)，違規章操作(S1)，安全教育培訓工作不到位(S16)，施工現場安全管理混亂(S12)，未進行安全技術交底(S13)，安全意識薄弱(S2)，行政監管不力(S17)。厘清這7個風險因素邏輯關系后，將數據輸入ISM-MICMAC模型，層級圖和依賴性-驅動力矩陣如圖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立要素均為行政監管不力，即行政監管不力(S17)為該案例最關鍵風險因素。由此可知，以86例案例為基礎，運用模型對關鍵風險因素識別的結果與實際情況基本一致，從而驗證了模型的有效性和實用性。

5 結語

本文綜合運用文獻分析法和案例分析識別出建筑坍塌事故的19種致因要素，運用ISM模型對致因要素進行層次結構劃分，使用MICMAC分析法對致因要素的驅動力與依賴性進行分類，并選取典型案例對該模型進行驗證，證明該模型識別結果與案例調查分析結果基本一致。