中国建筑坍塌事故时空分布特征及引致因素分析

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)

建筑业是国民经济的支柱行业。近年来，我国建筑业发展迅速，建筑工程项目和建筑工人增多，致使建筑坍塌事故易发、频发，安全形势不容乐观。据住建部公布数据显示，2019年全国共发生房屋市政工程生产安全较大及以上事故23起，死亡人数为107人[1]，其中建筑坍塌事故13起，占比56.52%；死亡人数为76人，占比71.03%。全国坍塌事故与其死亡人数逐年增长，平均死亡率为1.9，远高于所有事故的平均死亡率1.2[2]。坍塌事故一旦发生就势必会对政府、施工企业及个人带来巨大的伤害。

针对安全事故的研究，可分两大类：统计分析和致因分析。坍塌事故致因分析的研究成果已经非常丰富：孙世梅[3]，王丹[4]等分别运用“2-4”模型对建筑施工坍塌事故的行为原因进行分析，均指出有效防控坍塌事故需加强施工过程中的管理；谢洪涛等[5]基于DEMETAL-ISM揭示了导致坍塌事故发生的关键因素是参建各方的管理；Peng等[6]基于二阶分析研究钢筋混凝结构发生坍塌的破坏机理。相关研究主要通过收集坍塌事故典型案例，进行坍塌事故的诱因及其内部复杂关系等方面的分析，提出对应的防治措施。

部分学者对其他类型安全事故进行时空分布研究，如韩永华等[7]整理2012—2017年北京生产安全事故数据，借助ArcGIS技术对事故数据做可视化表达，指出了此类事故在北京市发生的多发时段和高发区域；Huang[8]，Zeng[9]等采用百度地图热力学图可视化技术研究2000-2015年全国生产安全事故时空分布特征。但是，鲜有学者研究坍塌事故的时空分布特征，这不利于把握全国坍塌事故现状和安全防控重点。所以，对于坍塌事故的研究处于割裂状态，未形成统一框架。统计分析中，多采用简单的描述性统计；致因分析中，因素多为定性描述。故为了全面揭示坍塌事故发生的特征和机理，需要全面和系统的框架。

鉴于此，本文整理了2000—2020年584例典型坍塌事故信息，含有事故发生的具体时间(年、月、时)和详细地点。综合运用描述性统计、平均最近邻指数、核密度分析、标准差椭圆分析，利用ArcGis对我国2000—2020年坍塌事故的时空分布特征进行研究；借助解释结构模型研究事故引致因素间的逻辑关系，识别关键引致因素。本文有助于确定事故高发时段、多发地区和成因，为制定坍塌事故防控方案提供借鉴。

1 数据与研究方法

1.1 数据来源

通过查询各省(自治区、直辖市)应急管理局、安全管理网和住房和城乡建设部网站中的事故公告以及事故调查报告，收集整理了2000—2020年期间中国31个省(自治区、直辖市)(未包括港澳台地区)的584条含有事故发生的具体时间和详细地点坍塌事故案例。本研究中坍塌事故引致因素指标和数据来源于相关文献及事故调查报告。

1.2 研究方法

本文利用描述性统计分析坍塌事故发生的时间(年、月、日为尺度)分布特征和原因；在空间分析上，综合运用平均最近邻指数、核密度分析、标准差椭圆，借助 ArcGIS10.2对各省(自治区、直辖市)发生的坍塌事故的空间分布进行分析；最后利用解释结构模型从人、物、环境、管理四个维度分析坍塌事故的成因。

1.2.1 平均最近邻指数

平均最近邻指数(ANNI)通过计算单个点与其最近点之间的观测平均距离和随机模式下的预期平均距离之比，来比较与随机分布的偏离程度[10]。本文采用ANNI判别我国坍塌事故空间分布的类型，计算公式如下：

(1)

式中：ANNO为坍塌事故发生的平均距离；ANNE为坍塌事故发生的预期距离；n为坍塌事故的总数；s为中国的面积；dij为任一坍塌事故发生地点与最近邻点间的距离。当ANNI>1时，坍塌事故为离散分布；当ANN<1时，坍塌事故为聚集分布；当ANNI=1时，坍塌事故为随机分布。

1.2.2 核密度估算

核密度估算(Kernel Density Estination，KDE)用于计算地理要素在其周围领域中的密度，计算公式如下[11]：

(2)

式中：k(·)为核函数;h>0为带宽；(x-xi)表示估计点xi到事件处的距离。

1.2.3 标准差椭圆

标准差椭圆(Standard Deviational Elipse，SDE)是通过创建标准差椭圆来汇总地理要素的中心趋势、离散和方向趋势等空间特征[12]，用于呈现我国建筑坍塌事故的空间分布及其发展趋势。地理要素的空间分布状况主要通过标准差椭圆的中心、长短轴、方向角和扁率等参数来表现[13]。计算公式如下：

(3)

(4)

式中：x和y为坍塌事故i的坐标；(x,y)为坍塌事故标准差椭圆的重心(平均中心)坐标。

1.2.4 解释结构模型

解释结构模型(ISM)于1973年由Warfield教授提出，是一种结构模型化技术，利用布尔运算法则，借助计算机处理数据，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[14]，可以全面系统的研究建筑坍塌事故引致因素间的关系。具体步骤如下：

(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，S3，…，Sm}。

(2)列举各导致因素的相关性，建立邻接矩阵。判断各因素间的有无相关性，生成邻接矩阵A=(aij)m×m，aij为A的元素。计算公式如下：

(5)

(3)生成可达矩阵M。根据布尔运算规则，借助python按照公式(6)迭代邻接矩阵[15],计算公式如下：

M=(A+I)k

(6)

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≤m-1(m为矩阵阶数)。

(4)因素区域划分。划分要素,得可达集R(Si)、先行集A(Si)及共同集C(Si)[16]，确立层级关系。计算公式如下：

R(Si)={Sj|pij=1},j=1,2,3,…,m

(7)

A(Si)={Sj|pji=1},j=1,2,3,…,m

(8)

Ci=Ri∩Ai=Ri

(9)

(5)影响因素层级划分，绘制解释结构模型。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 我国坍塌事故时空分布特征

2.1 我国坍塌事故时间分布特征

我国坍塌事故发生频数年份分布特征如图1所示。统计结果显示，近20年来我国每年发生的坍塌事故在2～76次范围内波动。2000—2012年事故发生频数波动范围小，2013—2017年处于上升阶段，直至2017年达到峰值76次。峰值的原因为2016年7月27日起，生产安全事故统计信息将全面实行安全监管部门归口直报[17]，有效遏制了事故隐瞒不报、谎报及故意破坏事故现场、毁灭有关证据等违法行为[18]。这项工作深化了坍塌事故的整治工作和对建筑业安全的监管，随后，事故频数略有减少。

图1 2000—2020年坍塌事故总数的年际变化

我国坍塌事故发生频数月份和时段分布特征如图2所示。在月份上，7—8月、11月—次年1月坍塌事故多发，8月为事故高峰期，2月为事故低谷期，6月明显下降。此现象可能是与工程露天施工的形式、春节和相关部门例行检查有关。7—8月、11月—次年1月分别为我国的夏季和冬季，施工作业环境差，导致坍塌事故频发。2月为我国的春节工地多为停工状态，工地人员、活动较少，此时坍塌事故相对较少。6月为每年的安全生产月[19]，相关部门例行检查，在一定程度上控制了坍塌事故发生。在时段上，8—11点和14—17点事故多发，16点为峰值。8—11点和14—17点为作业人员正常工作时间，在这两个时段上发生事故可能性大。16—17点为施工作业人员的下班时间段，施工作业人员会出现思想不集中和体力消耗大等情况，难以进入工作状态，易出现踩空、安全防护措施不到位和习惯性的违规作业行为等情况。

图2 2000—2020年坍塌事故时相分析(以月、时为角度)

2.2 我国坍塌事故空间分布特征

2.2.1 我国坍塌事故空间分布规律

2000—2020年，我国坍塌事故的地域分布特征如图3～4所示。从区域上看，坍塌事故区域分布分异明显，华东(189起，占32.4%)、华南(99起，占17.0%)、华北(80起，占13.7%)华中(70起，占12%)地区是我国坍塌事故的高发区域，合计事故发生频数占全国的比例达74.8%，这4个地区发生的坍塌事故显著高于东北、西北和西南地区。广东省(63起，占10.8%)、江苏省(51起，占8.7%)、山东省(47起，占8.0%)三省为我国坍塌事故高发省份，合计频率占全国的27.5%；事故发生频数最少的省份为青海(6起，占0.7%)、内蒙古(3起，占0.7%)、西藏(0起)。

图3 各省(自治区、直辖市)坍塌事故累计总频数分布

图4 坍塌事故地理分区分布

在全国尺度上，根据公式(1)对坍塌事故进行最邻近点指数计算，得到ANNO(坍塌事故发生的平均距离)=31908.2129 Meters，ANNE(坍塌事故发生的预期距离)=64148.8364 Meters，ANNI(最近邻比率)=0.497409<1。由此可见，我国坍塌事故分布在全国尺度上呈聚集型分布。

根据公式(2)，进一步对2000—2020年中国坍塌事故集中程度在全国尺度上进行核密度分析。结果显示：我国建筑坍塌事故的空间分布总体符合胡焕庸线空间分布特征，事故高发区为胡焕庸线的东侧，即我国建筑坍塌事故总体沿黑河—腾冲一线分布，主要发生在我国东部地区。广东、江苏省为事故发生的高密度区，山东、湖南、河南、河北、安徽省和北京、天津市为中密度区，其余为低密度区，事故发生密度由核心密度区向周围地区辐射。总而言之，我国坍塌事故具有“分布范围广、分布较为集中、东多西少”等特点。

2.2.2 我国坍塌事故空间分布发展趋势

由于2000—2010年发生事故少，各年均不超过15次，故将2000—2010年分为一个时间段，其余各年每隔一年取一个研究节点。本研究利用标准差椭圆分析得到2000—2010年、2011年、2013年、2015年、2017年、2019年的坍塌事故空间分布格局和发展态势，如表1所示。

表1 我国坍塌事故标准差椭圆参数

根据标准差椭圆有如下发现：整体上看，2000—2010、2011、2013、2015、2017、2019年我国坍塌事故标准差椭圆分布范围大，囊括了我国大部分东、中部地区，总体呈东北-西南格局分布，主要集中分布在胡焕庸线东侧。具体来说，2000—2010年方位角为38.6°，2011、2013、2015年方位角在17.29°～20.78°范围内波动，变化微小，且3个阶段标准差椭圆的长轴和短轴均相差不大，说明2011—2015年我国坍塌事故分布在方向和聚集程度上变化不大，但2017、2019年的方位角则由 2015年的19.25°分别变为25.9°和27.91°，椭圆的长轴分别比2015年增加了225.89 km和269.66 km，短轴分别比2015年减少了147.36 km和206.42 km，说明2017年后坍塌事故分布在一定程度上向东南方向倾斜，集聚效应增强。

从扁率来看，2000—2010、2011、2013、2015年4个阶段扁率均在1.29～1.42范围内波动，2017年后扁率远高于这4个阶段，说明了2017年后的坍塌事故发生情况比2000—2015年的方向趋势更明显。2000—2010，2011，2013，2015，2017，2019年坍塌事故中心在115°55′～118°29′E，27°48′～31°39′N之间，分布中心依次为：河南省→河南省→安徽省→河南省→湖北省→安徽省，各分布中心相邻，均位于我国中部地区。

总体来说，我国建筑坍塌事故空间分布方向性明显，将呈现东北-西南走向往西—东走向变化的趋势，由西向东的集聚效应日益增强，分布中心趋势变化不大，不会发生较大偏移。

3 中国建筑坍塌事故引致因素分析

由事故致因理论可知，风险因素是导致事故发生的根源，是引发事故的直接原因[18]。事故是由相似于多米诺骨牌的因果链引发的，即其中某一张骨牌倒塌时,连锁反应导致了最后一张骨牌的倒塌，坍塌事故也是如此。参考Heinrich[20]，Wu[21]，Baysari[22]和Tian[23]等多位学者对安全事故的研究和对2000—2020年584份事故调查报告坍塌事故发生原因总结，故本文拟从人员因素、环境因素、物的因素以及管理因素等方面出发，最终得到18种引致因素，如表2所示。建筑坍塌事故是多因素共同作用的结果，下文对其引致因素间的关系进行探讨。具体步骤如下。

表2 建筑坍塌事故引致因素

(1)建立邻接矩阵A：

(2)生成可达矩阵M。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。可达矩阵M如下：

(3)区域划分。结果见表3。

表3 建筑坍塌事故引致因素区域划分

(4)建筑坍塌事故引致因素可分为5层。解释结构模型如图5所示。

图5 建筑坍塌事故解释结构模型

由ISM结果可将引致因素分为3个层级，L1、L2为表层，L3、L4为中层，L5为深层，其反应了事故引致因素间的逻辑关系。处于表层的因素主要是城市降水、违章作业、个人安全防范用品、身心状况、施工作业环境、风力等级和施工机械设备安全性、安全意识、无证上岗、支护结构强度和地质构造和地貌是事故发生的直接因素。安全意识和无证上岗直接影响违章作业、个人安全防范用品和身心状况，影响范围广且涉及深层次因素，需要采取一系列的安全教育提升施工作业人员的安全意识。

处于中层的因素是建筑材料质量、安全教育、现场安全管理、施工方案、安全生产管理主体责任制和应急管理能力。此类因素在事故中起到承上启下的作用，经由中层因素，深层因素可传递至表层因素，最终造成事故的发生。安全生产管理主体责任制会对上级所有因素产生直接影响，且依赖于底层影响因素。尽快落实安全生产管理主体责任制可以间接减少建筑坍塌事故的发生。

处于深层的因素是行政监管力度，是事故发生的根本因素。如果对于深层因素缺少足够的重视，事故很难得到有效治理。政府部门加强行政监管力度、优化管理制度和细化安全检查有助于提高此类事故的安全管理水平，有效防控建筑坍塌事故。

4 建 议

针对2000—2020年中国建筑坍塌事故时空分布特征和引致因素，从时间维度上看，每年的7—8月份，每天的16—17点为事故多发时间段；从空间维度上看，事故多发区域为东部地区，江苏省、广东省和山东省最为突出；从引致因素来看，行政监管为最根本因素。根据以上防控重点，可提出以下建议：

(1)坍塌事故多发区域，即江苏省、广东省和山东省，呈现工程项目数量多、作业人员密集，或两者兼具的现象。基于此，政府相关部门及时对所在区域建筑工程项目进行安全隐患排查，与此同时，施工企业对以上区域所在项目严加管控；

(2)施工单位应制定合理的工作制度，在开工前开展安全教育培训，根据季节和天气状况适当调整工作时间，延长工作期间的休息时间，尤其是在高温高湿的7、8月，避免作业人员出现思想不集中和体力消耗大等情况。安全生产责任尽快落实，细化到每个责任人，以防出现推诿责任等现象。在施工准备阶段编制完善的应急管理预案，施工过程中使用智能安全监测平台以提升自身应急管理能力；

(3)政府监管部门应加强行政监管力度，严格审批把关各施工文件和方案，加大巡查和处罚力度，采用负向惩罚机制和正向奖励机制并行的方法；引入先进的理论和技术提高安全监管的能力，如使用GIS技术进行地形勘测和事故规律研究，应用尖点突变理论模拟仿真事故场景等。政府监管部门牵头举办安全知识讲座和安全技能竞赛，推行安全技能证书，定期学习以确保证书的有效性和从业人员的专业性，从根本上认识到安全的重要性。

5 结 语

本文全面分析2000—2020年中国建筑坍塌事故时间、空间分布特征和发展趋势，并对建筑坍塌事故的引致因素间的逻辑关系进行分析，可得到如下结论：

(1)中国建筑坍塌事故的发生频率逐年波动。随着相关政策的颁布与执行，坍塌事故得到了有效防控。但有关部门需要加强监管，严格控制，防止出现反弹现象；

(2)中国坍塌事故发生频率在各月各时段维度上差异明显，主要和气候环境、工作环境和工作人员工作状态等内外部环境有关。如果对项目的现场管理进行细化或创新，调整工作时间，留意工人的工作状态，强化工人的安全意识，切断部分危险源，可以降低因气候、工作环境和工人条件等因素造成的事故风险；

(3)从空间分布来看，我国坍塌事故呈聚集性分布，主要形成以广东、江苏为核心的高密度。胡焕庸线东侧成为坍塌事故较为集中的地带，即总体沿黑河—腾冲线分布，具有“分布范围广、分布较为集中、东多西少”等特点。坍塌事故分布的空间格局存在一定的演化特征，将呈东北—西南走向往西—东走向变化的趋势，即由西向东的集聚效应日益增强，分布中心趋势变化不大，不会发生较大偏移；

(4)人员、环境、物及管理因素的共同作用导致了我国建筑坍塌事故的发生，人、物和环境因素多表现为事故发生的直接因素，管理因素均表现为事故的间接因素。行政监管力度是导致坍塌事故发生的最根本因素，需要重点关注。