基于統計數據的建筑坍塌事故時空特征分析

劉 晴， 張海燕， 姜 慧， 許 娜， 潘雨欣

(1.徐州工程學院 土木工程學院，江蘇 徐州 221018；2.中國礦業大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

隨著建筑業高速發展，且行業具有高風險性和事故多發性特點，近年來，建設工程事故頻發不止。據住建部相關數據(圖1)顯示，房屋市政工程事故起數與死亡人數呈現逐年增長態勢，其中高處墜落、坍塌、起重傷害是房屋市政工程生產中應著重預防的對象[1]。并且，2011—2019年坍塌事故在較大及以上事故中占比最高；坍塌事故平均死亡率(死亡人數與事故起數之比)為1.9，遠高于所有事故的平均死亡率1.2[2]。事故頻發和高死亡率造成了消極的社會影響，引起了廣泛的社會關注。

圖1 2011—2019年房屋市政工程坍塌事故情況

目前，面對國內嚴峻的事故現狀，相關學者從微觀角度對坍塌事故展開了相關研究。唐琳瑤等[3]通過構建事故致因數據庫，挖掘塔吊坍塌事故致因鏈；張兵等[4]從人為視角定性定量地剖析高支模施工安全事故的組合因果關系；羅秋實等[2]建立、分析坍塌事故風險演化網絡，明確事故關鍵風險點并提出風險消減策略；王丹等[5]應用事故致因“2-4”模型對模板坍塌事故進行分析,定位事故發生的直接、間接原因和關系；Yikun Su等[6]利用案例推理模型實現建筑安全事故的事前控制和決策。

就各類型坍塌事故而言，此類研究立足于微觀視角，側重于從人、物層面分析導致事故發生的主要因果規律，為生產單位制定具體的事故預防措施提供科學的參考依據，但是從宏觀角度，為了解我國各地區坍塌事故發生情況，缺乏對事故演化規律和時空特征的挖掘。

現有關于建筑安全事故的時空特征分析所涵蓋的事故類型十分廣泛。鄭霞忠等[7]基于數據包絡分析博弈交叉評價法評估2012—2017年我國各省域建筑安全生產水平，探究其時空演變特征及影響因素；Shao Bo等[8]利用數理統計方法分析2012—2016年建筑生產安全事故的類別、發生時段，指出提高建筑生產安全事故的主要監控對象和時間段；孫磊等[9]采用泰爾指數、空間馬爾柯夫鏈方法來分析2007—2016年建筑業安全形勢的區域差異及區位分布的時空演變。其研究對象聚焦于工程事故整體，缺少坍塌事故的針對性研究。

本文收集我國31省(自治區、直轄市)2011—2019年房屋市政工程454起坍塌事故，借助ArcGIS、SPSS軟件，基于斯皮爾曼相關性原理、平均最鄰近指數、不平衡指數分析其時空特征和規律，以期從宏觀上把握事故發生的演變規律，科學衡量各區域間建筑安全水平的不均衡差異，為改善現行建筑安全管理模式提供參考。

1 數據和研究方法

1.1 數據來源

本研究通過查詢中華人民共和國住房和城鄉建設部、各省市應急管理局和安全管理網站中的事故公告以及事故調查報告，收集整理了2011—2019年中國31個省(自治區、直轄市)的454起坍塌事故，包括119起較大及以上坍塌事故。本研究根據《中國統計年鑒》收集2012—2020年在宏觀上導致中國坍塌事故時空差異的相關指標數據。《中國統計年鑒》中數據更新到2019年，故下文的指標分析時間跨度為2011—2019年。

1.2 研究方法

本文運用SPSS對坍塌事故頻數與建筑業相關因子數值進行相關性分析，利用ArcGIS對坍塌事故進行空間格局分析。相關衡量指標如下：

(1)平均最近鄰指數。平均最近鄰指數(ANNI)通過計算單個點與最近點之間的觀測平均距離和隨機模式下的預期平均距離之比，來比較與隨機分布的偏離程度[10]。本文采用ANNI判別我國坍塌事故分布的類型，計算公式如下：

式中：ANNO為坍塌事故發生的平均距離；ANNE為預期距離；N為事故總數；A為中國的面積；dij為任一事故發生地點與最鄰點間的距離。當ANNI>1時，事故為離散分布；ANNI<1時，事故為聚集分布；ANNI=1時，事故為隨機分布。

(2)不平衡指數。不平衡指數反映了研究對象在不同層級或不同區域內分布的齊全程度或均衡程度[11]。本文用其度量坍塌事故在全國各省區中的分布均衡狀況，采用羅倫茲曲線計算集中指數，公式如下：

式中：n為省區數量；Yi為各省區坍塌事故數量占總數從大到小排序后，第i位的累計百分比。不平衡指數S介于0～1之間，若事故平均分布在各省區中則S=0；若事故集中在一個省區中，則S=1。

(3)相關性分析。相關性分析是指對兩個或多個具備相關性的變量因素進行分析，從而衡量兩個變量因素的相關密切程度。斯皮爾曼(Spearman)相關性系數計算公式如下：

式中：x為獨立變量；y為依賴變量。

2 坍塌事故時間格局分析

2.1 坍塌事故時間分布規律

根據統計數據顯示，2011—2019年事故總數在15～76起范圍內波動，依據事故主要類型[12]，將樣本進一步劃分為模板、腳手架、土石方、基坑、作業平臺、拆除改造工程和其他建構筑物坍塌七類。如圖2逐年變化的具體情況可知，2011—2012年事故總量較低，2012—2014年事故總數增長穩定，2017年達到最高峰，2018年數量雖有下降，但事故起數時間序列未來變化趨勢均與過去總變化趨勢相同，呈現的下降趨勢不顯著[1]。

圖2 2011—2019年坍塌事故總數逐年變化情況

由2011—2019年各類型坍塌事故起數統計情況(表1)所示，在各類事故中，模板、腳手架坍塌事故于2013—2014年間出現小高峰后，事故起數明顯下降；土石方、基坑坍塌事故起數仍有小幅增長；施工過程中建筑物局部區域、堆載物或鋼筋、鋼梁等構筑物引起的其他建構筑坍塌事故起數增長明顯。

表1 2011—2019年各類型坍塌事故起數統計情況

坍塌事故逐月、逐時變化情況如圖3所示，具有明顯的時間性規律。從中發現1年12個月中5月、7—8月、11月—次年1月事故頻發，2月情況最為良好；1天24小時中，9:00—11:00和15:00—18:00兩個時段工程坍塌情況較為嚴重。

圖3 2011—2019年坍塌事故時相分析

2.2 原因分析

2.2.1 事故頻數年際波動因素

事故頻數總體呈逐年上升趨勢。2011—2012年較為平穩，2013年始，各類型事故分別出現頻發現象，2014—2015年保持穩定，2017年達到峰值，2018年后增速放緩。其中，與土石方、基坑、其他建構筑物坍塌事故相較，模板、腳手架坍塌事故頻數在2014年后得到明顯控制。

(1)政策因素：在工程質量安全監管方面，住建部組織嚴查重點地區，落實事故主體責任，自2013年深入開展預防施工起重機械、腳手架等坍塌事故專項整治工作以來，成效顯著。進而在2014年，住建部依據《國務院安委會辦公室關于開展建筑施工預防坍塌事故專項整治“回頭看”的通知》深化做好坍塌事故預防工作。由于事故預防工作的合理化、有效化開展，2014—2016年事故頻數起伏平緩，模板、腳手架坍塌事故繼2013—2014年出現小高峰后，高發趨勢得以控制。

而在2015年5月，國家安全監管總局在“國家安全生產監督管理總局令”中對《〈生產安全事故報告和調查處理條例〉罰款處罰暫行規定》作出修改，并提出懲罰性條款“事故發生單位主要負責人遲報事故的，處上一年年收入60%～80%的罰款；漏報事故的，處上一年年收入40%～80%的罰款”；2016年6月，國家安全監管總局、公安部、農業部、質檢總局和民航局聯合發布《關于做好生產安全事故統計信息歸口直報工作的通知〔2016〕70號》，通知規定從2016年7月1日起，生產安全事故統計信息將全面實行安全監管部門歸口直報。兩項文件的頒布使生產安全事故隱瞞不報、謊報及故意破壞事故現場、毀滅有關證據等違法行為得到有效遏制[13]，同時也暴露出2016年未上報的違法安全事故，事故頻數出現上升趨勢，2017年達到峰值。

(2)經濟因素：根據國家統計局數據，建筑業總產值情況如圖4a所示。將2011—2019年事故頻數和建筑業總產值線性擬合后得出圖4b，觀察發現兩者呈現正相關。換言之，隨著年建筑業總產值的上升，其事故頻數相應增長。利用SPSS進一步量化其相關性，驗證得到相關性系數為0.946**(sig.=0.000，相關性顯著)。由此，2014—2015年建筑業總產值增速下降，事故總頻數幾乎未出現增幅；2016年隨總產值增速上升，事故頻數隨之增長；2017年達到近六年增速最高值，與該年事故頻數峰值特征相符。

圖4 2011—2019年建筑業總產值情況

2.2.2 事故頻數季節性變動因素

坍塌事故發生在5月、7—8月、11月—次年1月較多；2月低谷期后又出現明顯增幅；6月事故頻數出現小幅下降。

(1)氣候因素：7—8月是夏季施工期；11月—次年1月是冬季施工期。鑒于建筑施工周期長且露天作業多，極端氣候條件下，工人在心理、生理以及精神狀態不佳時容易決策失誤，傾向于選擇影響自身和他人安全的行為[14]。

(2)節氣因素：2月多為春節期間。城市內，建設行業從業人員外來人口居多，節氣返鄉后施工進程延緩，因此，城市流動人口的季節性遷徙是2月事故量少的深層次原因[15]。節后復工，工人處于狀態調整期，3—5月事故逐月頻發。

(3)監管制度因素：每年6月為住房城鄉建設系統“安全生產月”。各地區住房城鄉主管部門加強對工程質量情況的監管、指導、總結，促使6月事故頻數有所下降。

2.2.3 事故頻數時相差異性因素

坍塌事故頻數在每日9:00—11:00，15:00—18:00時間段為多發，兩個時間段中的10:00，17:00最高。

(1)工人工作制因素：9:00—11:00和15:00—18:00處在工人正常的工作時間，是事故可能發生時間段。

(2)工人身心狀態因素：臨近午休和下班的10:00，17:00，施工工人精神疲憊、安全意識薄弱，是事故易發生時間點。

3 坍塌事故空間格局分析

3.1 坍塌事故空間分布規律

3.1.1 空間分布類型

各省市地區的較大及以上事故的發生情況對死亡人數起顯著影響。本文依據全國7大地理分區(不包括港澳臺)，統計的2011—2019年坍塌事故地區分布情況見表2，其中華東區各項數值均為最高，死亡人數最多，事故頻數接近總數的1/3；西部地區事故頻數較少。整體而言，越往東南沿海地區發展，事故分布越集中且死亡人數越高。通過表格統計，判斷事故的地理分布在部分區域內具有集中性。

表2 中國各分區坍塌事故分布

為精確地判別坍塌事故在全國范圍內的分布類型，在ArcGIS中投影119個較大及以上事故地址，根據119個點要素測算平均最近鄰指數，得出平均觀察距離ANNO=87631.0726 m，平均預期距離ANNE=142014.3204 m,平均最鄰近指數ANNI=0.617058<1。因此，較大及以上坍塌事故在全國范圍內屬于集聚型分布。

3.1.2 空間分布均衡性

在全國31個省市中，廣東、江蘇、山東坍塌事故頻數位居前三，與青海、內蒙古、西藏等西北地區相比，事故發生率、死亡率大，較大及以上事故多，總體呈現“區域內集中，區域間失衡”的分布情況。為此，如圖5所示，以坍塌事故總頻數為依據，考察坍塌事故在各省區分布的羅倫茲曲線，發現粵、蘇、魯、冀、湘、皖、豫、黑僅八個省區的事故頻數就達到了總數的一半以上。經過計算，得出不平衡指數S=0.407，相應表明坍塌事故在31個省區中地理分布不均衡。

圖5 各省市坍塌事故頻數羅倫茲曲線

3.2 原因分析

為進一步探究事故地理分布“區域內集中，區域間失衡”的影響因素，本文收集了建筑業相關因子數值，利用斯皮爾曼相關性原理在SPSS中進行相關性分析，結果見表3。彼此顯著的正相關性表明，各省的地區GDP、建筑業總產值、增加值、從業人員、企業單位數是坍塌事故發生的主要因素。即若一個地區經濟發展水平越高、建筑業越鼎盛、價值創造活力越強、從業人員和企業單位數越多，坍塌事故發生的頻次就相對越高。

表3 坍塌事故各因子相關性分析結果

3.2.1 地區GDP情況分析

地區經濟發展水平直接影響一個省市的安全事故防控人力、財力等資源的豐缺，以及建設單位的建設能力、事故預警能力、管理工具與技術的先進水平，進而影響安全事故的預防和管理水平。如圖6所示，海南、甘肅、寧夏、青海、貴州、黑龍江等省市年均GDP較低，而每單位GDP產出下事故頻次相對較高，安全形勢不容樂觀[16]。一般地，地區經濟越發達，建設單位所掌握的技術和工具水平越高，對坍塌事故預防和管理能力越強，單位GDP產出下事故頻次越低。

圖6 各省市年均單位GDP產出下事故頻數變化

3.2.2 建筑業總產值、增加值情況分析

建筑業年總產值和增加值能確切地反映地區建筑業發展的經濟效果。以各省市年均總產值為依據，得出不均衡指數S=0.477，與事故頻數的不均衡指數(S=0.407)相近。并且，如圖7所示，2011—2019年各省市年均總產值、增加值與事故頻數總體趨勢基本一致。結合上述兩項分析，區域內建設規模的擴大、生產活力的提高均會增加事故隱患，區域間總產值和增加值的不均衡間接導致事故頻數表現出顯著的差異性。

圖7 建筑業總產值與事故頻數總體趨勢

3.2.3 建筑業從業人員、企業單位數情況分析

如圖8所示，將2011—2019年各省市年均企業單位和從業人員數量按地區匯總。明顯地，大量數據集中在東南沿海地區所涉及的省份，與這些區域的建設行業發展快、經濟體量大密切相關；西北和東北區域企業分布和從業人員稀疏且數值小。因此，企業單位和從業人員分布的不均衡性間接導致坍塌事故頻數的地區差異性，各區域建設安全事故面臨的風險程度不一。

圖8 企業單位和從業人員數量地區分布

4 結論和展望

根據經濟、地理、統計方面的相關知識和方法，從時間、空間兩個角度對我國2011—2019年房屋市政工程坍塌事故進行分析，得出以下結論：

(1)坍塌事故頻數呈現年際波動性。隨著建筑業經濟體量和整體規模的不斷擴大，各類型坍塌事故頻數保持逐年增長態勢。緊跟著相關政策的出臺，模板、腳手架等坍塌事故專題預防工作落到了實處，對該類事故發生起到了顯著的遏制作用。但是，相關部門也應當及時地加強監管，防止嚴格管制下出現過度反彈現象。本文揭示出建筑行業發展的兩面性，提出行業經濟效益的提升必須利用好政策的約束作用，形成“促進-抑制”共同影響的局面。

(2)坍塌事故發生呈現季節性和時相差異性。事故頻數受氣候、工作規制等內外部環境影響，逐月、逐時差異性明顯。如若在工程的現場管理方式上細化或創新，調整工人工作狀態，深化工人安全認知，切斷部分危險源，可以從根本上降低因氣候、工人、節氣等因素導致的事故風險。

(3)坍塌事故分布呈現地理分布不均衡性。在全國地理范圍內，坍塌事故的分布類型為集聚型，主要集中在東南沿海地區，其建筑行業發展快，坍塌事故頻發且死亡人數多。然而，也因地區建筑業起步早、施工技術水平高、企業安全管理較為規范，并且在地區較高的經濟水平支撐下，能夠針對坍塌事故預防和管理提供技術保障，一定程度抑制事故的過度發生。因此，在城市建設的過程中，建筑業應當注重工程安全技術的支撐和投入，進行專題防控，減少坍塌事故的發生。

研究總結了我國近年來房屋市政工程坍塌事故的時間、空間規律，有助于管理部門把握各省經濟、政策推動下的事故演變狀況。但針對兩類建筑業發展情況不一的省份，例如甘肅和江蘇，如何精選事故樣本，對比事故變化差異，應對不同經濟體提出因地制宜的事故預防策略尚需進一步研究。