基于復雜網絡分析方法的建筑關鍵風險定量分析

姚 浩（上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200032）

0 引 言

隨著我國社會經濟的發展，建筑施工技術不斷進步，建筑高度及建筑規模也不斷提升。作為社會高風險行業之一的建筑業，發生安全事故的可能性相當大。施工現場一旦發生安全事故，極有可能造成重大經濟損失和人員傷亡，給社會帶來極壞的影響。根據住建部統計結果，我國建筑工程安全事故近年來發生率仍高居不下，并且造成了經濟損失甚至人員傷亡的嚴重后果。風險是造成安全事故的潛在因素，建筑施工過程中風險事件間的關聯性和風險影響的傳遞性即風險耦合效應，可能會加劇風險的損失程度[1]，識別引發事故的根源并對關鍵安全隱患進行整改，可以有效避免重大事故的發生，因而對建筑工程進行風險分析至關重要。鑒于目前國內外學者對建筑施工風險管理的研究仍不夠深入，留下的研究資料也不多，有必要開展系統性研究工作。本文結合事故數據庫信息對建筑工程進行風險因素識別，采用故障樹結合復雜網絡分析方法，針對具體項目現場施工情況進行分析，提出一種量化風險耦合效應和表達風險因素重要性的方法，能夠提高分析結果的準確率，快速篩選出可能導致事故發生及蔓延的關鍵因素，為建筑施工階段的風險管理提供參考。

1 建筑施工安全風險耦合

筆者查閱國內外相關文獻，收集了近 1 000 起建筑工程施工事故，整合形成事故案例庫，包含項目名稱、地點、類型、發生時間、事故類型、事故原因和事故后果等信息。依據案例庫中的事故報告及其他相關信息，統計得出建筑施工過程中各類重大安全事故風險事件清單和不同事故的風險因素清單。分析結果表明：影響施工安全的風險因素眾多，且事故的發生不只是與單一風險因素相關，往往是多因素如管理人員失職、施工人員操作失誤或機械老化等共同作用的結果。

借用物理學中對耦合的定義，將建筑施工風險管理領域的各類不安全因素間互為作用的復雜關聯程度稱為風險耦合。建筑施工安全系統中各組分的耦合特性決定系統狀態，項目施工過程中事故的發生與各風險因素間的相互聯系、相互影響密切相關，因而在對事故致因分析時應充分考慮風險因素間的耦合效應。耦合對象間的關系可簡單分為物理關聯、邏輯關聯和空間關聯。

（1）物理關聯是指耦合對象之間存在有形的或物質的聯系[2]。例如：汛期降雨量過大導致塔吊基礎不均勻沉降，腳手架荷載超限導致腳手架坍塌事故發生，等等。

（2）邏輯關聯是指事物之間存在邏輯推演規律。例如，因管理人員安全程序監管不力和安全技術交底不到位而對安拆工的施工作業產生影響。

（3）空間關聯是指事物空間上存在相互影響的關系。例如，2019年3月21日 13 時 10 分左右，揚州經濟技術開發區發生較大事故，附著式升降腳手架在下降作業時發生墜落，墜落過程中與落地式腳手架相撞，造成 7 人死亡、4 人受傷。

建筑施工過程是一個動態變化的過程，在考慮風險因素間不同類型耦合關系的同時，還應結合具體項目現場情況，增加事件間的聯系，從而進一步提高關鍵風險因素識別的準確性。

2 建筑施工安全風險識別

故障樹是一種廣泛運用于系統故障分析的工具，運用樹狀圖可以描述事件的邏輯關系。在故障樹中，頂事件表示系統的狀態，基本事件描述可能引發系統故障的因素。運用故障樹可對建筑施工安全事故進行定性和定量分析，其中，定量分析法大多采用根據底事件的發生概率推算頂事件的發生概率或其他定量指標，而底事件的發生概率主要取決于專家調查法的結果或歷史事故案例的統計結果。

在基于案例庫信息整合的風險因素清單中，風險因素被分為人員、機械和環境三大類別。其中，人員相關風險主要是指人的不安全行為，又細分為管理人員、安拆工、維保工和特種工等不安全行為；機械相關風險主要是指機械的質量缺陷、安裝缺陷、安全裝置缺陷和維保缺陷等不安全狀態；環境相關風險主要是指施工地點不利的環境條件，如強風、暴雨等。運用風險清單建立故障樹，羅列不同類別風險事故的誘發風險因素并描述因素間的因果關系。

3 建筑施工安全風險系統

建筑施工安全風險系統是由一系列不同類別風險子系統相互連接而成的，擬用復雜網絡描述建筑施工安全風險系統，將各個子系統視為網絡的節點，子系統間的聯系視為邊，將建筑施工安全風險研究轉化為一個復雜網絡分析問題。

復雜網絡是復雜性科學研究的研究方法之一。將各類故障樹通過頂事件間聯系、因素間聯系和因素共現情況轉化成一個整體復雜網絡結構，從復雜網絡的角度分析研究建筑安全系統，能夠從整體上把握網絡的復雜性和整個網絡響應的動力學特性。利用復雜網絡的理論和方法能更具體地描述建筑施工安全風險系統的內部結構和風險因素彼此間的相關性。

4 復雜網絡分析方法

圖論是研究復雜網絡的有力工具。在圖論與網絡分析中，中心性是判定網絡中節點重要性的指標，是對節點重要性的量化。中心度算法是社會網絡、生物蛋白質網絡和電力網絡等復雜網絡的主要分析方法之一，中心度指標用于考察網絡中個體的地位。基于網絡屬性的中心性算法主要包括度中心性算法、接近中心度算法、中介中心度算法和特征向量中心度算法等（見圖1）。

圖1 中心性方法應用

在識別不同工程安全風險系統網絡的關鍵風險因素過程中，各風險因素之間的相互影響容易被忽視，而各類安全隱患的級聯效應最終會導致發生更為嚴重的事故。在建筑安全事故網絡中，由于不同因素造成的事故風險存在明顯差異，在控制各風險因素和降低事故發生概率的過程中需要考慮核心節點；同時根據網絡的結構特征和應用要求，事故網絡分析需要考慮系統動態的全局信息[3-4]。因此，選用中介中心度指標進行風險因素的定量表達，能夠識別工程施工安全風險系統網絡中的關鍵節點，從而提高安全隱患的排查效率。中介中心度是一個以經過某個節點的最短路徑數目反映節點重要性的指標，是由美國社會學家林頓·弗里曼（Freeman，1979）教授提出來的概念。它是指網絡中經過某點并連接兩點的最短路徑占這兩點的最短路徑線總數之比，能夠用于揭示網絡中具有連接橋作用的節點，從而發現網絡連接中的關鍵點或脆弱點。計算表達式如式 1 所示。

式中：gjk（ni）表示節點對j和k最短路徑經過i點的路徑數，gjk表示節點j和節點k之間存在所有最短路徑的路徑數。

5 實例分析

以上海市某高層建筑項目為例，采用故障樹結合復雜網絡系統，進行施工安全風險的定量分析。該項目現階段核心筒內 1 臺 600 t·m 內爬塔吊塔身高度為 56 m，處于爬升狀態；1 臺 SC200/200 施工升降機，處于運行狀態，整體爬升腳手架及鋼平臺均處于使用狀態。

5.1 風險識別

結合事故案例庫中類似項目的較大施工安全事故，列舉本項目現階段可能發生的 4 類重大事故（案例庫里未搜集到與鋼平臺相關的較大安全事故）：塔吊坍塌、施工升降梯梯籠墜落、施工升降梯垮塌和整體提升腳手架坍塌。在所搜集的案例庫歷史事件信息的統計結果中，塔吊坍塌事件達 210 起，施工升降梯垮塌或墜落事件 19 起，整體爬升腳手架坍塌 24 起，均屬于建筑施工重大安全風險事故；內爬塔吊坍塌所致的發生率較高，風險損失后果較為嚴重。對風險事件的風險清單進行篩選整合，運用故障樹整理事故致因機理，得出 4 類事故故障樹（見圖2～圖5）。

圖2 塔吊坍塌故障樹

圖3 施工升降梯垮塌故障樹

圖4 施工升降機梯籠墜落故障樹

圖5 整體腳手架坍塌故障樹

5.2 構建復雜網絡模型

根據現場施工情況，利用風險耦合矩陣描述風險事件之間的物理、邏輯和空間耦合效應，結果如表1 所示。其中，“1”表示行事件對列事件可能具有風險連鎖反應，“0”則表示行事件的發生對列事件的發生未產生直接影響。

將以上 4 類事故故障樹進行整合，由 29 個風險因素間聯系構成復雜網絡模型，利用 UCINET 軟件繪制所對應的施工風險系統網絡圖（見圖6）。

圖6 施工安全風險系統網絡

表1 事故風險耦合結構矩陣

5.3 關鍵風險因素分析

采用復雜網絡分析方法中的中介中心度指標對該建筑現施工階段風險因素的重要程度進行量化表達，按數值進行排序（見表2），數值高的個體通常被認為在網絡中占據控制資源和信息流通的位置。

表2 風險因素中介中心度

經統計，各類風險因素的中介中心度分布不均勻，風險因素中介中心度處于 0～79.607 范圍內，80% 的風險因素的中介中心度 ＜30，因而存在少數對網絡具有較大控制力的重要節點。這些節點是安全風險系統網絡的主導風險因素，即關鍵節點。

表2 中風險因素“構件局部變形過大”的中介中心度數值最大，重要度最高。結合故障樹層級可知，“構件局部變形過大”是導致發生 4 類事故的最重要的直接因素，其次為“結構受力異常”。因此，工程施工階段機械的安全性能對風險的傳播具有較大的控制力。

從風險因素中介中心度的排序結果和故障樹中的事件及因素層級中可以看出（由上至下）：在 4 類重大事故中，“塔吊坍塌”是該項目現階段應采取措施加以重點控制的風險事故，其對本工程施工風險網絡具有較高的控制能力，與案例庫歷史事件數據相吻合；低層級因素“工人操作失誤”“工人違規操作”具有較高的中介中心度，表明施工人員的不安全操作會造成或加劇機械的不安全狀態，而做好對施工過程中人員的管控是實施現場安全管理的關鍵。

6 結 語

（1）依據風險事件、因素間耦合效應和因素共現情況，將各類故障樹轉化成一個整體風險網絡結構；采用復雜網絡分析方法中的中介中心度指標，對該建筑現施工階段風險因素的重要程度進行量化分析，以彌補風險管理中評價指標難以量化的缺陷，從而提高安全管理效率。此方法能夠對施工風險系統進行分階段評估，動態提取關鍵風險因素。

（2）在本工程施工現階段，機械的不安全狀態最易引發重大事故，對風險傳播具有較大的控制力。因此，日常加強對機械設備及構件的維護與管理，在很大程度上能夠控制工程的安全隱患并提高工程的安全水平。

（3）在本工程施工現階段，對塔吊風險的控制和對安全隱患的排查尤為重要。這也驗證了事故案例庫事故的統計結果。現場人員的工作疏忽極易成為事故發生的導火索，因而控制安全事故的關鍵在于重視對現場人員的安全教育。