基于ISM-MICMAC的建筑坍塌事故致因分析

赵庆华 张琳 曹庆

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

0 引言

建筑业是事故多发型高危行业，危险性大，突发性强，容易产生伤亡事故[1]。其中，坍塌事故的平均死亡率为1.9，远高于其他事故的平均死亡率1.2[2]。由此可见，坍塌事故属于易造成人员重大伤亡的事故类型，开展坍塌事故的致因研究对于防控坍塌事故具有重要意义。

坍塌事故的发生是多种因素耦合作用的结果，要有效防控坍塌事故，需要进一步分析建筑坍塌的形成机理和原因。目前，关于建筑坍塌事故的研究已颇有成果。李华等[3]基于STAMP模型剖析了事故致因各因素间的逻辑关系。孙世梅等[4]采用2-4模型对坍塌事故的行为原因进行了分析，指出人为不安全动作的行为原因是作业人员和管理人员安全知识、意识和习惯欠缺。也有不少学者运用ISM研究相关施工安全管理的问题。仇国芳等[5]使用ISM模型研究了高处坠落事故致因因素间的关系。郑霞忠等[6]用ISM和D-S证据理论分析了导致发生脚手架坍塌的因素，指出安全责任制度不健全是事故的深层原因。现有研究关注的是事故发生的原因，未考虑各因素间的相互关系及作用机理，进而导致因素分析不够彻底，无法为防控坍塌事故提供借鉴。

鉴于此，本文选取86例典型的坍塌事故，从人、物、环境、管理、其他5个方面构建ISM梳理层级关系；运用MICMAC绘制依赖性-驱动力图识别事故的关键致因，为防控坍塌事故提供参考。

1 坍塌事故致因要素的提取与分析

本研究通过查询各省(自治区、直辖市)应急管理局发布的事故调查报告，界定坍塌事故发生原因，从2000—2020年的584个案例中提取86个典型的建筑坍塌事故调查报告。从事故调查报告中抽取事故原因的关键词，初步列出27种致因要素，结合文献分析法，从人、物、管理、环境、其他5个方面进行归纳总结，最终得到19种因素，见表1。

表1 坍塌事故致因因素说明

2 方法简介与模型构建

1973年，Warfield提出解释结构模型(ISM)方法[7]，借助计算机将复杂的要素关系进行区域和层次划分，用有向拓扑图的方式呈现出系统要素间的相关性[5]。交叉影响矩阵相乘法(MICMAC)以要素间的关系为基础[8]，计算各因素的驱动力与依赖性，把所有的系统要素分成4类，从而提出相应的策略。

2.1 方法简介

综合运用ISM-MICMAC模型对系统中众多要素进行层级划分和属性判别，可以全面系统地研究建筑坍塌事故致因各要素间的复杂关系。具体步骤如下。

2.1.1 确定研究问题，合理选择因素

根据专业知识、文献参考和案例分析等整理系统要素，建立影响要素集{S1，S2，…，Sn}。

2.1.2 列举各导致因素的相关性，建立邻接矩阵

判断各因素之间有无相关性，生成邻接矩阵A=(aij)n×n。计算公式如下

(1)

2.1.3 生成可达矩阵

根据布尔运算规则，采用python软件按照式(2)迭代计算邻接矩阵[9]，最终生成可达矩阵M=mij(n×n)。计算公式如下

M=(A+I)k

(2)

当(A+I)≠(A+I)2≠(A+I)3≠……≠(A+I)k=(A+I)k+1，可达矩阵为M=(A+I)k，k≤n-1(n为矩阵阶数)。

2.1.4 影响因素区域划分

分解可达矩阵，得可达集R(Si)、先行集A(Si)及共同集C(Si)[10]，划分要素并确立层级关系。计算公式如下

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 影响因素层级划分，绘制解释结构模型

以可达矩阵为基础，依据因素的层级划分结果和逻辑关系，绘制解释结构模型。

2.1.6 绘制驱动力依赖图

在ISM确定建筑坍塌事故致因要素的层级结构后，以可达矩阵为基础，运用MICMAC分析致因要素的驱动力Di与依赖性Rj并绘制驱动力依赖图，进一步确定影响因素所处的地位和作用。计算公式如下[11]

(3)

(4)

式中，aij为可达矩阵M中的元素。

2.2 建筑坍塌事故致因模型构建

2.2.1 建立邻接矩阵

由19个致因要素逻辑关系和式(1)建立邻接矩阵A，其中aij为A的元素。得到的邻接矩阵A如下

2.2.2 生成可达矩阵

用式(2)对矩阵A+I进行布尔运算。当k=4时，(A+I)1≠(A+I)2≠(A+I)3≠(A+I)4=(A+I)5，得到可达矩阵M=(A+I)4。生成的可达矩阵M如下

2.2.3 区域划分

分解可达矩阵，划分致因要素的先行集、可达集及共同集，区域划分结果见表2。

表2 建筑坍塌事故致因因素区域划分

(续)

2.2.4 建立解释结构模型

将要素层级分为6层：{1，3，5，7，8，19}为第一层，{2，4，6，9}为第二层，{10，13，15，16}为第三层，{11，12，18}为第四层，{14}为第五层，{17}为第六层。建筑坍塌事故解释结构模型如图1所示。

2.2.5 绘制驱动力依赖图

运用MICMAC分析致因要素的驱动力与依赖性并绘制驱动力依赖图，进一步确定影响因素所处的地位和作用，如图2所示。

3 建筑坍塌事故致因要素结果分析

3.1 ISM分析

由ISM结果可知，影响建筑坍塌事故的因素构成了一个系统，可分为表层、中层和深层因素，反映了事故致因要素间的逻辑关系。表层因素多为人和物的因素，是坍塌事故发生的直接原因。中层因素多为管理因素，在ISM结构中起到承上启下的作用，是坍塌事故发生的间接原因。深层因素多为其他因素且为根本原因。

表层因素为第一层和第二层，包括S1～S9和S19，是坍塌事故发生的直接因素，为中层因素和深层因素的直接表现形式。中层因素为第三层和第四层，包括S10、S11、S12、S13、S15、S16、S18，是坍塌事故中承上启下的因素。中层因素的主要来源是管理因素，如企业安全生产责任未落实从而导致管理人员未进行安全隐患排查，进而导致材料、设备问题，进一步导致结构体系失稳或不合理，最终导致事故的发生。深层因素为第五层和第六层，包括S14和S17，是坍塌事故发生的根本因素。在坍塌事故的防控中，必须从深层因素出发采取相关措施。

3.2 MICMAC分析

由MICMAC分析得出建筑坍塌事故致因要素驱动力-依赖度矩阵。违规章操作(S1)、未使用个人安全防范用品(S3)、未掌握安全操作技术(S5)、应急救援处理不当(S19)位于第二象限，属于依赖因素；矩阵中，安全生产管理主体责任制长期不落实(S11)、施工现场安全管理混乱(S12)、未进行安全技术交底(S13)、施工组织设计方案不规范(S14)、行政监管不力(S17)、违法承发包(S18)位于第四象限，属于独立因素，即驱动力强且依赖性低；本矩阵没有负面影响的联系因素，说明本文选取的19个致因要素较为稳定；其余因素驱动力和依赖性都相对较弱，均在矩阵的第一象限，为自治因素，与系统关联不多，但关联较强，可以在建筑坍塌事故致因中独立处理。因此，在对致因要素进行分析时需要对该类因素进行单独考虑。

通过研究ISM-MICMAC模型可知，坍塌事故致因要素间具有强关联性，宜分层次进行重点管理。依赖要素S1、S3、S5、S9位于ISM中的表层因素，受系统中下层因素影响较大且对其他因素影响小，优先级较低，依赖下层因素解决而得到解决。其中，违规章操作(S1)出现频率最高，查找S1发生的致因链条是：行政监管不到位(S17)→未编制施工组织设计方案或方案不合理(S14)→施工现场安全管理混乱(S12)→安全教育培训工作不到位(S16)→安全意识薄弱(无证上岗)(S2/S4)→违规章操作(S1)→建筑坍塌事故。因此，要重点培养作业人员的安全意识和安全知识，加强对作业人员的安全教育，管理人员多走访施工现场，有效实地管理建设项目，根据项目自身情况编写合理规范的施工组织设计方案。此外，施工组织设计方案不规范(S14)、行政监管不力(S17)位于ISM的深层因素，对系统中其他因素影响较大且受其他因素影响小，为建筑坍塌事故关键致因要素。对S14、S17因素重点管控，将对防控建筑坍塌起到积极作用。由此可见，企业编制规范合理的施工组织设计方案，从实际出发，结合各种生产要素在真正意义上指导施工。政府尽快完善法律法规，增强外部行政监管力度，严格审批把关各施工文件和方案，加大巡查力度和处罚力度，有助于提高对事故的安全管理水平。另外，政府职能部门应加大科研经费的投入，鼓励科研单位研发高精度安全监测设备和技术，如创建安全监测平台，使用电子监测设备远程监测施工安全状况。虽然S11、S12、S13、S18为ISM的中层因素，但属于独立要素，需重点管控。

4 案例分析

2015年11月8日，苏州市吴中区水岸清华高层二期工程发生较大坍塌事故[12]。经调查分析，事故发生的原因主要有：结构体系失稳、不合理(S8)，违规章操作(S1)，安全教育培训工作不到位(S16)，施工现场安全管理混乱(S12)，未进行安全技术交底(S13)，安全意识薄弱(S2)，行政监管不力(S17)。厘清这7个风险因素逻辑关系后，将数据输入ISM-MICMAC模型，层级图和依赖性-驱动力矩阵如图3和图4所示。

由图3和图4可知，ISM-MICMAC模型中最深层因素和独立要素均为行政监管不力，即行政监管不力(S17)为该案例最关键风险因素。由此可知，以86例案例为基础，运用模型对关键风险因素识别的结果与实际情况基本一致，从而验证了模型的有效性和实用性。

5 结语

本文综合运用文献分析法和案例分析识别出建筑坍塌事故的19种致因要素，运用ISM模型对致因要素进行层次结构划分，使用MICMAC分析法对致因要素的驱动力与依赖性进行分类，并选取典型案例对该模型进行验证，证明该模型识别结果与案例调查分析结果基本一致。