面向危險場景的裝配式建筑施工安全事故分析*

孫新紅，周之皓，湯育春，陸 瑩，夏侯遐邇，李啟明

(東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189)

0 引言

目前，我國建筑業面臨著建設過程環境污染嚴重、勞動生產率低下等突出問題，推行機械化、綠色化、信息化的裝配式建筑已是大勢所趨[1]。截至2020年，我國新建裝配式建筑面積達6.3億m2，裝配式建筑規模日益擴大。相較于傳統建筑的施工過程，裝配式建筑施工涉及大量高空立體作業與人機交互，且全新的施工工序對工人提出了更專業的操作要求，因此，裝配式建筑施工現場的安全管理兼具復雜性和不確定性[2]。但目前裝配式建筑施工現場的安全管理研究極為有限，其中，國外研究主要集中在通過優化預制構件設計來改善工人職業健康問題。例如，通過優化預制面板設計及其安裝流程來降低工人肌肉骨骼損傷的風險[3]；開發人體工程學工具來預防與矯正構件生產作業中工人的不安全姿勢[4]。國內研究聚焦于半定量的安全風險評價，如運用4M1E理論對裝配式建筑施工過程進行危險源分析與專家打分[5]；基于結構熵權-可信性測度理論，構建裝配式建筑吊裝施工安全風險評估模型，評估吊裝作業安全風險[6]；目前國內研究多從人、材、機、環、管等方面對裝配式建筑施工現場的風險進行主觀評價，其評價結果依賴專家經驗，所得結論難以直接轉化為施工現場的管理措施。

為彌補上述研究缺陷，本文結合事故致因理論，提出包含事故基本信息和事故致因信息的多維度裝配式建筑施工危險場景分析模型，有效挖掘事故發生規律，將事故中的大量隱性信息轉化為結構化的危險場景數據，并通過刻畫工人不安全行為和區域不安全狀態的交互過程來顯化事故致因因素，客觀還原事故發生時的危險場景，為施工現場安全管理人員提供高效的風險分析工具。同時，采集2009—2019年美國職業安全與健康管理局(Occupational Safety and Health Administration，OSHA)記錄的79起裝配式建筑施工事故，利用所構建的模型將冗長的事故文本報告轉化為結構化的危險場景數據，識別高頻高損危險場景，致力于獲取有針對性的風險管控方案，并為裝配式建筑施工現場各類智能化技術的落地提供應用場景，切實提高安全績效。

1 危險場景分析模型構建

1.1 危險場景的理論基礎

鑒于裝配式建筑施工相較于傳統施工工序具有結構構件裝配化、現場施工機械化、臨時設施工具化、操作人員專業化等特點[7]，在控制其施工安全風險時應重點關注由“預制構件、施工機械、臨時設施”等施工現場環境要素誘發的現場不安全區域及由“操作人員專業化水平不足”誘發的工人不安全行為。為構建面向危險場景(hazard scene，HS)的事故分析模型，在強調“致因因素類別”的事故致因理論中，提取“工人不安全行為”及“現場不安全區域”2個可監控的事故致因因素[8]；在強調“致因因素作用模式”的事故致因理論中，選用軌跡交叉機理，即不同類型的致因因素一旦在施工現場發生運動軌跡的交叉與耦合，就會造成事故[9]。結合包含工人不安全行為、現場不安全區域的致因因素與耦合機理這一致因因素交互模式，將危險場景定義為施工過程發生在施工工人和現場區域交互形成的多個場景下，若施工過程中工人出現不安全行為或區域存在不安全狀態，則該施工場景轉變為可能出現安全事故的場景(即危險場景)，危險場景可由工人不安全行為或區域不安全狀態兩大致因因素單獨或耦合觸發。目前，已有學者將“場景”的概念引入安全管理領域，提出針對煤礦工人[10]、地鐵施工工人[11]的不安全行為場景，但現有研究普遍忽視了區域不安全特征在場景中發揮的作用。基于場景的概念應同時考慮行為要素和空間要素[12]，本文構建的危險場景模型強調了“行為”和“區域”的交互過程。

同時，考慮到施工現場危險場景的形成是一個動態的復雜過程，其可能由不同致因因素觸發，因此本文將危險場景分為3類：①區域驅動危險場景(area-driven hazard scene，AHS) 該類場景下發生的事故僅由現場區域的不安全狀態觸發，如因構件堆放防傾覆措施不當，導致構件倒塌傷人；②人因驅動危險場景(behavior-driven hazard scene，BHS) 該類場景下發生的事故僅由工人的不安全行為觸發，如構件裝配工在定位與扶正正在吊裝的構件時，因技術不過關導致壓傷手腳；③雙重驅動危險場景(coupling-driven hazard scene，CHS) 該類場景下發生的事故由區域不安全狀態和工人不安全行為同時觸發，如工人違規在吊裝的物體下行走，同時吊具質量存在缺陷，最終導致墜物傷人。危險場景明晰了致因因素的驅動規則，針對各類危險場景提出不同安全風險的阻斷機制。

1.2 危險場景信息的結構化編碼

為高度還原裝配式建筑施工安全事故發生的全貌，將復雜的事發過程分解為結構化的危險場景數據，針對3類危險場景構建了包含事故基本信息和事故致因信息的多維度分析模型。

1.2.1事故基本信息的結構化編碼

事故基本信息用來描述安全事故發生時的基本情況，具體包括事故發生時間(time，T)、施工階段(construction process，CP)、受傷工種(injured worker，IW)、事故類型(accident type，AT)、工傷類型(injured type，IT)和事故后果(accident consequence，AC)6個維度。其中，事故發生時間按年份、月份、日期，依次編碼為T1，T2，T3；施工階段按裝配式建筑現場的施工過程劃分為構件運輸、堆放、吊裝和安裝[13]，依次編碼為CP1，CP2，CP3，CP4；參考《住房城鄉建設行業職業工種目錄》并結合裝配式建筑施工現場特點，對受傷工種進行劃分，如構件裝配工、起重機駕駛員等，依次編碼為IW01，IW02等；參考JGJ/T 429—2018《建筑施工易發事故防治安全標準》，將事故類型分為高處墜落、物體打擊、坍塌、機械傷害、觸電和其他，依次編碼為AT1，AT2，…，AT6；參考GB/T 15499—1995《事故傷害損失工作日標準》劃分受傷工人的工傷類型，如骨折、腦震蕩等，依次編碼為IT01，IT02等；事故后果也按《事故傷害損失工作日標準》中規定的損失工作日來衡量，并以105d為界分為輕傷、重傷和死亡[14]，依次編碼為ACa，ACb，ACc，如死亡的損失工日計為6 000d，編碼為ACc6000。對事故基本信息的結構化編碼，可幫助安全管理人員總結最易發生事故的時間和施工階段、最易受傷的工人及受傷類型、最常見的事故類型及事故嚴重程度，以合理分配安全管理資源，提高裝配式建筑安全管理效率。

1.2.2事故致因信息的結構化編碼

事故致因信息用來描述驅動事故發生的“工人不安全行為”和“區域不安全狀態”。工人不安全行為信息包括不安全行為工種(unsafe worker，UW)、不安全行為類型(unsafe behavior type，UBT)和具體不安全動作(unsafe action，UA)3個維度。其中不安全行為工種記錄不安全動作發出者，如構件裝配工、起重機駕駛員等，依次編碼為UW01，UW02等；不安全行為類型分為操作違規、技術差錯、知覺與決策差錯，并依次編碼為UBTa，UBTb，UBTc；對工人不安全動作結構化編碼時，采用不安全行為類型對應的小寫字母進行區分，如屬于操作違規類的不安全動作編碼為UAa01。挖掘并統計工人不安全行為信息，能幫助安全管理人員掌握施工現場高頻不安全行為工種，有效加強相應工種的安全教育培訓及現場行為監控。區域不安全狀態的信息包括不安全區域類型(unsafe area type，UAT)、不安全物體類型(unsafe object type，UOT)和物體不安全狀態(unsafe condition，UC)3個維度。其中，將不安全區域分為高墜區、落物區、碰撞區、坍塌區和觸電區，并根據區域內不安全物體特征將其細分為靜態區和動態區(觸電區不區分)，最終形成9類區域并依次進行編碼，如靜態、動態高墜區分別編碼為UAT11，UAT12；將不安全物體類型分為臨時設施/結構、施工工具、預制構件、施工機械、施工材料，依次編碼為UOTa，UOTb，…，UOTe；對物體的不安全狀態進行描述，采用不安全物體類型對應的小寫字母進行區分，如對某臨時設施/結構的不安全狀態編碼為UCa01等。挖掘并統計區域不安全狀態信息，能幫助安全管理人員識別高頻高危不安全物態，有效加強相應物態的安全隱患排查。綜上所述，本文從事故的基本信息和致因信息兩大方面構建了裝配式建筑施工危險場景分析模型，具體分析模型與編碼規則如圖1所示。

圖1 裝配式建筑施工多維危險場景分析模型

2 裝配式建筑施工危險場景數據采集

鑒于我國建筑安全事故快報系統已停用，無法采集我國裝配式建筑安全事故，國內外裝配式建筑施工階段和事故致因因素分類一致且本文構建的模型具有普適性，因此本文采集美國OSHA傷亡調查報告數據庫中的裝配式建筑施工安全事故用于危險場景的分析。通過該數據庫中提供的摘要、描述、關鍵詞、標準產業分類代碼(standard industrial classification code，SIC)這4類檢索方式，選取所有能夠反映裝配式建筑的檢索字段，包括precast，prefabricated，modular，precut，tilt-up building，assembled building，panelized，factory-built，off-site，SIC-2452(即裝配式木結構建筑)和SIC-3448(裝配式金屬結構建筑)，共檢索出2009—2019年188份事故報告。在數據處理過程中，剔除重復事故20起、不相關事故95起(如預制構件工廠生產、模塊化家具組裝等)，得到事故報告73份，又考慮到其中5起事故涉及2人及以上傷亡，且每個工人的傷亡都發生在不同危險場景下，最終獲取79起事故用于危險場景分析。為確保危險場景分析的準確性，共邀請從事裝配式建筑施工研究的3名老師與3名研究生共同開展危險場景數據的結構化編碼，并最終對分析結果達成一致性意見。

3 危險場景事故信息統計與分析

3.1 事故基本信息各維度統計與分析

以事故基本信息中的“事故類型(AT)”維度為例進行詳細的統計分析，結果如圖2所示。由圖2可知，高處墜落占事故總數的44.3%，是最高頻的事故類型，究其原因是裝配式建筑施工涉及大量預制構件的高空安裝作業，工人違規使用高空作業平臺及違規佩戴個人防護裝備的情況頻發，因此，需加強對高空作業工人的安全教育培訓；坍塌是第二大高頻事故，占事故總數的24.1%，且致死率高達42%，該類事故主要是由預制構件倒塌造成的，預制構件體積大、質量大，一旦發生倒塌，致死率極高；機械傷害、物體打擊分別占事故總數的15.2%，13.9%，這主要是因為裝配式建筑的施工現場涉及大量大型機械，施工機械發生碰撞后常導致吊運構件墜落；而在傳統建筑施工過程中較常發生的觸電事故并未出現，預制構件大多在工廠完成生產，減少了大量現場帶電施工作業。

圖2 事故類型(AT)維度事故數量及傷亡人數統計

受篇幅限制，裝配式建筑危險場景數據中事故基本信息的其他維度統計分析結果如表1所示。

表1 2009—2019年裝配式建筑事故基本信息維度統計與分析

3.2 事故致因信息統計與分析

對危險場景中工人不安全行為和區域不安全狀態進行統計分析，揭示裝配式建筑安全事故致因因素的驅動方式，為現場安全管理人員有效控制致因因素提供依據。

3.2.1工人的不安全行為

在79起事故中，有63起事故的危險場景由工人不安全行為觸發。依據圖3所示統計結果，構件裝配工最易出現不安全行為，占全部不安全行為工種的65%。安裝階段涉及大量預制構件定位、固定與連接等工序，因此，工人極易出現違規操作；另外，吊裝作業涉及的工人(起重機駕駛員、起重信號工、司索工)也易出現不安全行為，共占比29%。吊裝作業非常依賴工人的吊裝經驗且涉及多工種配合，經驗不足的起重信號工、司索工常出現吊裝信號指揮混亂、違規斷開吊具連接等不安全行為。因此，在開展安全教育與技能培訓過程中，需加強構件裝配工對現行規范及技術標準掌握情況的檢查，加強吊裝作業工人的協作配合能力，進而減少高頻不安全行為觸發的危險場景。

圖3 不安全行為工種觸發的危險場景數量占比

為實現工人不安全行為的精細化控制，進一步識別出工人不安全行為對應的不安全動作。受篇幅限制，僅列出不安全行為最頻發的構件裝配工不安全行為及動作清單，如表2所示。不難發現，在具體的不安全行為與動作中，構件裝配工常因節省時間做出“施工作業未佩戴/未正確佩戴PPE”和“違規在未固定/無防護設施的構件上作業”這兩類動作。因此，安全管理人員務必仔細檢查工人佩戴PPE及其施工作業面的合規性，減少裝配工人因違規操作引發的安全事故。

表2 裝配式建筑施工工人不安全行為及不安全動作清單(節選)

3.2.2區域的不安全狀態

在79起事故中，共50起事故的危險場景由區域不安全狀態觸發，本文將現場不安全區域中的不安全物體及其不安全狀態做成清單，如表3所示，幫助安全管理人員明晰各區域的檢查重點，確保工人進入相應區域作業前就能及時規避不安全物態的出現。

表3 裝配式建筑施工區域不安全狀態清單

區域不安全狀態的統計結果如圖4，5所示，可以發現：①靜態高墜區是最易發生事故的區域，占事故總數的52%，且該類區域的形成主要是由不可靠的臨時結構與預制構件造成的；另外，預制構件形成的靜態坍塌區也是事故多發區域，占事故總數的30%。②施工現場最易導致事故發生的不安全物態為“預制構件未設置臨時支撐/臨時支撐不可靠”，占事故總數的20%；另外，“構件存放防傾覆措施不當”也常導致不安全區域形成，占事故總數的12%。為有效避免預制構件不安全狀態的形成，可在設計階段對其進行風險預控，利用建筑信息模型深化安全防護設計，安全管理人員通過直接比對現場情況與設計方案即可完成構件的防護檢查。

圖4 施工現場不安全區域觸發的危險場景數量占比

圖5 區域不安全物態觸發的危險場景數量占比

4 危險場景類型統計與分析

本文將3類危險場景與事故基本信息及致因信息進行交叉分析，揭示危險場景的驅動規律、高發階段與常見后果，幫助安全管理人員明確安全風險的控制重點與阻斷機制。

4.1 各類型危險場景下工人與區域交互統計分析

危險場景分析關注目前施工現場安全管理普遍忽視的工人行為及區域物態動態交互的問題。在79起事故中，AHS，BHS，CHS驅動的事故分別占比20.3%，36.7%，43.0%，因此，若規避工人不安全行為和區域不安全狀態，即可分別減少79.7%，63.3%的事故。①針對AHS，除在施工前對區域內的常規不安全物態進行排查外，還需提醒該類場景下的受傷工種提高主動規避環境風險的意識。例如，AHS下構件裝配工在安裝構件和運輸車輛駕駛員在裝卸構件時最易因不安全物態受傷，分別占比56.3%，25.0%，因此，應著重提高這2類工種的環境風險感知能力，如在安全教育培訓的過程中提醒構件裝配工、構件運輸車輛駕駛員應在安裝和裝卸預制構件時特別注意構件的穩定性。② 針對BHS，除控制常見工人不安全行為的發生，還需對多次出現不安全行為的區域加強監控和巡查力度，從而提高安全管理效果。例如，BHS下動態碰撞區、動態落物區和靜態高墜區內工人不安全行為出現頻率較高，分別占比27.6%，24.1%，20.7%，因此，應重點監督這幾類區域，如在施工機械吊裝區、臨邊洞口增設攝像頭對高頻不安全行為進行實時預警。③針對CHS，需阻斷行為與區域的交互過程來阻斷事故的發生，在所有CHS驅動的事故中因工人安裝作業PPE佩戴不規范與施工現場臨時結構未設置防護欄形成的危險場景最常發生，占比高達38.2%，因此，要加大施工現場臨時結構防護設施的檢查力度，并嚴格規范工人PPE的佩戴，避免二者同時發生。

4.2 各施工階段下危險場景類型統計與分析

對不同施工階段發生的3類危險場景進行統計，結果如圖6所示。不難發現：①構件運輸和堆放階段的事故主要由AHS導致。因此，在這2個階段需重點控制不安全物態，如提醒工人在卸載與搬運預制構件前，檢查構件放置狀態，主動避免因構件傾覆造成的事故。②吊裝階段的事故主要由BHS導致。因此，在該階段要重點控制工人行為，如通過利用定位技術防止工人進入動態吊裝區域，利用計算機視覺技術實時監測不安全動作，利用虛擬現實技術提高工人吊裝作業技能培訓的效果等。③構件安裝階段的事故主要由CHS導致。因此，在構件安裝階段需提前對高頻不安全物態先進行逐一排查，且對安裝過程中高頻出現的不安全行為予以安全培訓與重點監督。

圖6 各施工階段下危險場景的數量占比

4.3 各事故類型下危險場景類型統計與分析

對不同事故發生時的3類危險場景進行統計分析，結果如圖7所示。不難發現：① 高處墜落主要發生在CHS下。究其原因除了工人高空作業未穿戴PPE這一行業通病，許多施工項目因節省成本而未為構件裝配工提供符合規范的高空作業平臺，導致工人不得不在預制構件狹窄的作業面上高空作業。因此，需對高空作業的防護措施投入足量的安全成本并在施工前多次檢查。②物體打擊和機械傷害主要發生在BHS下。因此，需通過相關技能培訓提高工人操作機械設備的規范性與多工種配合的協調能力。③構件坍塌事故主要發生在AHS下。因此，可利用建筑信息模型在構件設計階段對各類預制構件的安全防護措施進行深化設計，保障工人可依照深化設計方案規范實施各類防護措施。

圖7 各事故類型下危險場景的數量

5 結語

1)基于危險場景的不同維度 構件安裝與運輸分別是事故發生的最高頻和最高損階段；高處墜落和坍塌事故高頻發生且致死率高；骨折是最高頻工傷類型，腦震蕩致死率較高；構件裝配工“施工作業未佩戴/未正確佩戴PPE”和“違規在未固定/無防護設施的構件上作業”是最高頻的不安全行為，“預制構件未設置臨時支撐/臨時支撐不可靠”和“構件存放防傾覆措施不當”是最高頻的不安全物態。

2)基于危險場景的不同類型 構件運輸和堆放階段的事故主要由AHS觸發，吊裝階段的事故主要由BHS觸發，安裝階段事故主要由CHS觸發；高處墜落事故主要由CHS觸發，物體打擊和機械傷害事故主要由BHS觸發，坍塌事故主要由AHS觸發。

3)基于危險場景的應用方式 面向場景的統計結果為裝配式建筑施工現場實施各類智能化技術提供了具體的應用場景，如可利用定位技術防止工人進入危險區域、利用BIM技術實現構件安全防護措施的深化設計、利用計算機視覺技術實現工人不安全動作的實施監控。

4)對我國安全管理啟示 我國應加快不同類型建筑的安全事故庫建設，以掌握國內施工現場安全事故發生規律，有針對性地優化施工安全管理方式；改變傳統危險源識別的安全管理模式，采用危險場景分析施工安全事故，以提高施工現場安全管理效率和準確性。