建筑施工现场塔吊作业过程中的风险评估★

左秋玲，豆茂飞，魏常涛，高省鑫，李 淼，黄金龙

(1.河南工程学院资源与安全工程学院,河南 郑州 451191; 2.中国建筑第二工程局有限公司西南公司,重庆 400000)

0 引言

建筑业施工环境复杂、多变,安全事故屡屡发生,事故率高居不下。常发事故主要集中在高处坠落、物体打击、起重伤害、坍塌等。塔式起重机是一种具有竖直塔身的全回转动臂起重机(以下简称塔吊),是目前建筑施工中使用极其普遍,在很多类施工现场中已成了一种必不可少的设施[1]。据统计,仅2019年,市场上塔吊保有量达44.12万台[2]。在塔吊大型施工现场,塔吊布置数量相对更密集些、起吊作业也更繁杂,这极易造成群死群伤的恶劣事故,如何才能建立塔吊安全方面的长效机制,这就需要我们加强塔吊作业事故的风险调研,深入探寻事故原因,并对其有效的安全管理来降低这些事故的发生。

国内外学者针对建筑现场塔吊作业风险进行了较多的探讨。Mohandes等[3]通过模糊最佳最差法对风险评估模型进行了改动,给安全管理人员提供了可以进行风险评价的依据。Mesaros等[4]和Luo等[5]构建了各种评估模型,不同视角下进行风险因素识别,并加以应用。Gunduz等[6]采用一种新颖的风险评估法,用控制水平来替代概率概念,并使用到中小型建筑业,说明了这种新方法的适用性。Seker等[7]用因素与事件的因果关系对其模糊试验结果进行了验证,取得实效并得以获得了其他安全方法的改进。Amiri等[8]从影响结果的5个因素——组织机构、管理流程、人力资源、机具设备、物资进行辨识,推出基本风险因素。Ardeshir等[9]应用效果与无效等多个模型,梳理和提升了施工现场的安全风险管理模块。Zahra Mohaghegh等[10]把事故和事件的组织因素加入到了概率风险评价模块中,利用系统动力学、贝叶斯网络、事件序列图、故障树理论,耦合出了一个复合模型。昝彦国等[11]按分部分项工程进行分解管理,确定了对应的风险指标体系,具有一定的动态性。针对深基坑工程来说,夏元友等[12]把所监测数据进行量化处理后,作为风险因子的概率,达到对其动态风险评价。张立茂等[13]提出了基于FBN的DSA(安全管理辅助决策)法,从3个角度评价了事故风险等级。

通过对国内外相关文献的分析,下列问题尚未解决:一是塔吊风险随时间能否发生波动。二是塔吊风险因子是否固定不变。这就使得上述研究无法成功预防塔吊隐患,为各方安全管理人员提供必要的借鉴。因此,本研究基于事故树理论构建塔吊作业风险评估模型,通过大量历史数据与实践,充分辨识某施工现场塔吊作业风险因素,计算塔吊作业的最小割集和最小径集,最后逆向推出最大的影响因素,以期发现塔机工程建设的薄弱环节,为塔吊各单位塔吊安全策略制定提供方向,进一步保障塔吊安全运营。

1 近年来塔吊事故特征分析

近年由于塔吊所引发的事故不断出现,且影响也不好。通过统计2019年—2021年近3年内的塔吊事故(此处仅统计有清晰表述的事故),发现一共占105起,本次统计了事故类型和发生地点分布,如图1所示。

由图1可以明显发现,在2020年塔吊事故明显较高,事故3个指标异常活跃,倒塌、折断和坠落。其中,塔吊倒塌事故占比最大,其次为塔吊折断事故,紧随其后的是塔吊坠落事故。随着2021年新的安全生产法的修订和双重预防体系的实施,可以看出塔吊事故得到了有效的控制,塔吊倒塌事故、折断事故和坠落事故分别下降了71.9%,88.2%和66.7%,可以得出预防事故的第一道防线风险分级防控,第一道防线隐患排查治理起到了良好的效果。

另外,对事故发生区域分析,发现华东地区的塔吊事故远远高于其他区域,其次为西南地区,然后为华中地区。因为华东地区经济发达、人口密集,是中国最早开放和最具活力的地区之一,有许多大型港口和沿海工业园区,事故高发。西南地区连接南北方,连接内外地,对我国西部开发和东南亚联系具有重要的作用,故生产活动相对活跃,也会引起事故频发,华中地区拥有较强的机械制造业,湖北武汉、湖南长沙、河南郑州等地拥有多家重要的机械制造企业,为地区经济发展提供了重要支撑,同时也增加了塔吊事故的风险。

2 塔吊作业安全风险事故树模型构建

在施工现场,塔吊机构庞大性、作业环境多变性,造成了塔吊事故类型较多,概括来说,主要有折臂断臂、倾覆、钢丝绳断裂、意外碰撞(含塔机间及塔机与其他建筑、构筑物碰撞)、脱钩断钩、坠人坠物事故等。

风险识别在工程项目建设中的作用不可或缺,也是目前双重预防机制的核心工作。所以,如何选取合适的方法来分析各种隐患、风险损失是风险识别的关键。

风险因素辨识的方法很多,一般可分为两类:主观的风险识别方法(包括专家调查法、情景分析法、历史资料统计法)和客观的风险识别方法(包括事故树分析法、流程图法)。本工作识别塔吊作业风险因素时,采用的是事故树分析法(以下简称FTA)。

2.1 某公司塔吊隐患分析

某项目位于长沙市长沙县黄花镇,由高层区(C16,C17,C18,C19,C20,C21,C22,C23,C24,C27,C28,C29,C30);小高层(C25,C26);洋房多层(A8,A9,A10,A11,A12,A13,A14,A15,A16,A17,A18,A19,A20,A21,A22)共30栋组成,总建筑面积约为26万m2。建筑类型为住宅楼,结构形式主体采用现浇剪力墙结构,基础采用筏板基础。

塔吊隐患数量统计分析。本次收集了该公司2021年四个季度塔吊隐患,该公司2021年四个季度的塔式起重机安全隐患统计见图2。

由图2可以看出,塔式起重机管理中防护设施(占比16.7%)、结构设施(占比14.5%)、起重吊装(占比14.1%)、塔吊基础和安全装置(占比12.4%)问题仍然突出,主要表现在:

1)起重吊装:钢丝绳、吊斗未进行编号验收,报废台账不完善;2)防护设施:未设置上塔通道或设置不符合安全要求;3)结构设施:螺栓、销轴连接不符合要求;4)塔吊基础:基础隐蔽验收资料不齐全,数据不明确;5)安全装置:塔吊障碍指示灯缺失或设置不符合要求。

2.2 塔吊作业过程事故树模型构建

采用FTA对塔吊风险进行建模,选取塔吊常发事故进行建模,本工作考虑的塔吊使用阶段事故类型为:倾覆事故和坠物事故,分析各因子相互耦合关系,借此构建塔吊风险事故树模型,分析塔吊风险因素与各类事故之间的因果关系。

2.2.1 事故树理论分析

FTA法是广泛应用于风险评估的一种方法,可清晰表达事故因果关系。它是在事故链理论的基础上发展而形成的。在事故链理论的基础上,如果将上一环节中包含的风险因素和下一环节包含的风险因素根据实际情况紧密联系对应,最终可以得到树形的事故树。遵循从已发生或假定的事故开始,分层分析其引发因素,最终需找出事故的基本原因,到此为止,可对事故的引发因素进行定性和定量分析。

从构造方式、分析模式上来看,FTA包含3层:基本事件、中间事件和事故,事件之间关系是通过逻辑“或”“与”门实现。其计算方法见图3,图4。

2.2.2 塔吊作业使用阶段坠落事故FTA模型

使用阶段,作业多为起重吊装、维修保养、极端天气应急处置方面,该阶段工作项多,涉及吊索具配置、吊物绑扎与解除、装卸料、信号与操作等,管理方面需要持续较高的强度,但频繁的重复动作,无论是管理还是特种作业人员都容易出现疲劳和麻痹,导致隐患的反复和增量,诱发了常见的起重坠物事故、碰撞事故、机械伤害事故、倾覆事故。通过查阅相关资料,对建筑工地高空坠落事故采用FTA作图法,建立高空坠落事故树模型,见图5,符号x1—x12所代表的是基本事件。如果时间因素不可忽视,则使用阶段的现场停留时间却最长,这使得事故发生具有不确定性,且多样化,主要事故的节点逻辑关系见表1。

表1 使用阶段坠落事故的节点逻辑关系分析

2.2.3 塔吊作业使用阶段倾覆事故FTA模型

倾覆事故的节点逻辑关系见表2,其对应的事故树模型见图6。

表2 使用阶段倾覆事故的节点逻辑关系分析

2.3 基于事故树模型的定性分析

2.3.1 最小割集的计算

在事故树分析中,最小割集是指从根节点到叶节点的最短路径上,所有路径上的组合事件中包含的最少的基本事件集合,能够帮助人们识别系统中故障或事故的潜在因素,对预防和减少事故的发生起到了积极的作用。通过对该建筑工地高空坠落事故树进行分析,列出其结构函数表达式:

T1=m1×m2×m3×m7=(x1+x2)×(x3+x4)×(x5+x12)×(x11+x12)=(x1x3x5x11+x1x3x12+x1x4x5x11+x1x4x12+x2x3x5+x2x3x12+x2x4x5x11+x2x4x12),通过计算可知,该事故树模型的最小割集共有8个。因此,在该事故树模型当中,建筑工地高空坠落事故有8种可能的发生方式。

通过对该建筑工地倾覆事故树进行分析,列出其结构函数表达式:

T2=m4×m8×m11×m13=(x6x10x19x15x13x18+x6x10x20x15x13x18+x6x10x21x15x13x18+x6x10x22x15x13x18+x7x10x19x15x13x18+x7x10x20x15x13x18+x7x10x21x15x13x18+x7x10x22x15x13x18+x8x10x19x15x13x18+x8x10x20x15x13x18+x8x10x21x15x13x18+x8x10x22x15x13x18+x11x10x19x15x13x18+x11x10x20x15x13x18+x11x10x21x15x13x18+x11x10x22x15x13x18+x12x10x19x15x13x18+x12x10x20x15x13x18+x12x10x21x15x13x18+x12x10x22x15x13x18),通过计算可知,该事故树模型的最小割集共有20个。因此,在该事故树模型当中,建筑工地塔吊倾覆事故有20种可能的发生方式。

2.3.2 最小径集的计算

最小径集的求解可用图5和图6的事故树进行逻辑门转换,所求得的成功树即为最小径集,根据最小径集,可以提供预防塔吊事故的对策。

经逻辑化简求解,倾覆事故最小径集为:(x6x7x8x9x11x12,x10x11x12x14x15x16x17,x19x20x21,x22x23x15,x13,x18),共6组最小径集,表明预防塔吊倾覆事故发生的途径有6种。每组最小径集说明可以通过该基本事件组合来防止塔吊倾覆事故。

同理,高空坠落事故最小径集:(x1x2,x3x4,x5x12,x11x12),共4组最小径集,表明预防高空坠落事故发生的途径有4种。每组最小径集说明可以通过该基本事件组合来防止高空坠落事故。

3 结语

本工作提出塔吊作业过程中安全工作的重点为坠落事故和倾覆事故,借助FTA能准确得出事故基本风险因素,可以为项目相关方塔吊安全管理提供指引,为风险防控和隐患排查治理工作提供了准确方向,从而避免或降低事故损失。主要结论如下:

1)分析了塔吊作业事故特征。结合塔吊事故的特点,分析了塔吊事故的主要规律,其中,塔吊倾覆事故占比最大,其次为塔吊折断事故,然后是塔吊坠落事故。

2)确定了塔吊作业安全风险影响因子。通过对塔吊作业事故的统计与分析,结合塔吊常见的典型性安全事故,并参考塔机相关安全规范和技术标准,识别出底风险因子共22个,人员风险因子2个,塔吊11个,环境1个,管理8个。

3)构建了基于FTA的塔吊作业安全风险评价模型。以实际工程案例为取值对象,基于塔吊使用阶段的主要事故类型,构建了高空坠落和塔吊倾覆的事故树模型,计算出最小割集和最小径集,发现主要有五大方面致使发生建筑工地高空坠落事故:作业人员操作问题、安全设备问题、管理问题、作业环境问题、材料问题。

4)使用期间塔司、指挥、司索工需要接受持续性教育(含班前教育、月度教育、专题警示教育),该环节仍受制于项目机管员、安全员的职业素养和技能缺陷,同时受制于项目所属企业的监管力度,易于出现疏漏,产生了人因风险。