張 兵， 詹 銳， 關(guān)賢軍， 周紅波

(1. 揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225127； 2. 同濟(jì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092； 3. 上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200032)

作為國家綜合實(shí)力的象征和城市繁榮的標(biāo)志，超高層建筑一直吸引著世人的注意力。特別是在我國，由于社會情結(jié)、GDP崇拜和長官意志等，超高層建筑的建設(shè)數(shù)量和高度都呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢，全國各地迎來了建設(shè)熱潮和“高度比拼游戲”[1]。這直接導(dǎo)致了我國在超高層建筑的建設(shè)方面一直保持著世界第一[2]，尤其是近年來超高層建筑呈現(xiàn)出“爆發(fā)式”增長態(tài)勢，如我國2018年建成完工的200 m以上超高層建筑達(dá)88座，占全球總數(shù)的61.5%[3]。

然而，由于建筑體量巨大和施工工藝復(fù)雜等，建設(shè)超高層項目是一項極具挑戰(zhàn)的危險工作。Katzfey[4]發(fā)現(xiàn)超高層建筑的施工導(dǎo)致了建筑業(yè)的40%死亡事故，William甚至指出建設(shè)超高層建筑是一場建筑與自然力量的較量，是和平時期最接近戰(zhàn)爭的行為。在此情況下，作為最危險的建設(shè)任務(wù)，在20世紀(jì)超高層建筑的建設(shè)熱潮中每投入100萬美元就會發(fā)生一起安全死亡事故[5]，紐約職業(yè)安全與健康委員會主任Joel甚至指出“這不是個是否會發(fā)生的問題，而是什么時候發(fā)生安全事故的問題”[6]。

但由于特殊的工作環(huán)境，在超高層建筑的施工安全方面的投入就像“靠近院墻的地方種樹”，結(jié)果來的很慢，不會立竿見影，甚至“自己辛苦栽樹，卻被他人乘涼”[7]。這直接導(dǎo)致分配給超高層建筑的施工安全投入較為有限，其安全管理的有效性也較低，并且即使發(fā)生施工安全事故，相應(yīng)的事故分析仍僅依靠主觀判斷或“口頭報告”[8]。因此，盡管人們已經(jīng)認(rèn)識到有必要對超高層建筑的施工安全事故進(jìn)行有效分析，但整個研究領(lǐng)域?qū)Τ邔咏ㄖ母黝惏踩鹿实闹乱蛞?guī)律仍缺乏清晰的認(rèn)識，如何應(yīng)用有效方法分析判斷超高層建筑施工過程中發(fā)生的安全問題并消除相應(yīng)的潛在危險已成為“行業(yè)痛點(diǎn)”和“學(xué)術(shù)盲點(diǎn)”[9]。

鑒于此，考慮到案例推理(Case-Based Reasoning，CBR)是一種基于人工智能的方法，它通過將新問題的特征與以往案例特征相匹配來解決“弱理論強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)”問題[10]，與此同時，CBR不存在“數(shù)據(jù)類型鴻溝”，能夠有效克服安全管理中的數(shù)據(jù)不完整和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可變的問題[11]。本研究將以超高層建筑的施工過程中發(fā)生的典型安全事故情景為基礎(chǔ)，基于CBR來歸納、總結(jié)和固化這些施工安全事故案例的普遍適用共性規(guī)律，并利用相關(guān)知識對案例問題進(jìn)行“重演”，以助于打開超高層建筑的施工安全問題“黑箱”，并為未來執(zhí)行類似的任務(wù)時能夠避免同樣事情再次發(fā)生提供參考和借鑒[12]。

1 文獻(xiàn)回顧及理論模型

超高層建筑的施工過程存在著大量危險[13,14]，針對該問題，學(xué)術(shù)界對其施工安全事故的特征、致因及其分析方法論進(jìn)行探討。在事故特征方面，Goh等[15]指出快速發(fā)展的超高層建筑誘發(fā)了大量工程事故，并且腳手架坍塌、高空墜落、高空墜物以及機(jī)械設(shè)備事故是四種主要的事故類型，而李景芳[2]發(fā)現(xiàn)我國超高層建筑的施工安全事故主要包括模架臨時支撐失穩(wěn)、起重設(shè)備倒塌、施工電梯墜落、施工期火災(zāi)、深基坑塌方等。

在事故致因方面，王磊[16]發(fā)現(xiàn)由于信息化程度低、體系不夠完善、控制過程缺乏動態(tài)性以及主觀因素影響大等，超高層建筑的施工安全管理情景復(fù)雜且多變，進(jìn)一步地Govindbhai等[9]將這些誘因劃分為顯著原因和次要原因。與此同時，由于施工安全越來越成為項目管理領(lǐng)域的“顯學(xué)”，超高層建筑的施工安全問題已受到高度關(guān)注，眾多研究學(xué)者從多個視角對這一復(fù)雜問題進(jìn)行了闡釋和剖析，概括起來這些研究主要集中于兩個方面：一是針對安全行為和規(guī)制，從實(shí)施組織層面剖析施工安全；二是針對具體的工程情景或工程屬性，識別不安全因素。

在實(shí)施組織層面，Hinze等[17]探討了企業(yè)規(guī)模、安全等級政策以及項目協(xié)調(diào)與工人安全經(jīng)濟(jì)壓力之間的關(guān)系，Kwon等[18]發(fā)現(xiàn)超高層建筑項目施工建設(shè)單位主要是一些大型建筑公司，而財務(wù)基礎(chǔ)不穩(wěn)定的小型單位難以承擔(dān)建設(shè)重任。Keng等[19]發(fā)現(xiàn)管理因素在決定工人和工作場所的安全與健康方面起著重要的作用，進(jìn)一步地Hallowell等[8]將這些因素劃分為高層管理者的支持、分包商選擇與管理、全員參與、工作危害性分析以及安全培訓(xùn)與定期會議等。在工程情景或工程屬性方面，Ukessays[13]指出項目結(jié)構(gòu)特征、材料和地質(zhì)方面的嚴(yán)格檢驗(yàn)，以及臨時設(shè)施的審查等與施工安全問題相關(guān)，在此基礎(chǔ)上Goh等[15]將這些因素劃分為人為因素、環(huán)境因素和機(jī)械設(shè)備因素，進(jìn)一步地，李亞東等[20]發(fā)現(xiàn)臨時用電問題、基坑支護(hù)、降水工程等分項工程也會成為危險源，而不同發(fā)展層次城市的安全監(jiān)管差異會導(dǎo)致安全管理績效水平的差別。

在研究方法層面，學(xué)術(shù)界已經(jīng)開發(fā)了各種安全情景對安全性能影響的評估模型，并且這些模型大部分是通過數(shù)學(xué)、系統(tǒng)工程、模擬仿真等方法論對施工現(xiàn)場的各個方面進(jìn)行評價，進(jìn)而找出危險因子[21]。與此同時，由于CBR能夠結(jié)合連續(xù)和離散仿真模型進(jìn)行安全風(fēng)險分析[22]，越來越多的學(xué)者將CBR用于安全問題分析，如Goh等[23]提出利用已有安全事故案例庫和危險識別文檔來更全面有效地識別危險，Pereira等[22]結(jié)合CBR預(yù)測安全決策對主動降低項目風(fēng)險的影響，Lu等[24]則利用CBR分析框架對地鐵系統(tǒng)中可能發(fā)生的安全風(fēng)險進(jìn)行評估判斷。

綜上所述，盡管在超高層建筑的施工安全研究中很難獲取較為全面和準(zhǔn)確的信息，但現(xiàn)有研究已對其安全事故的特征類型和屬性進(jìn)行了一定剖析，并針對安全事故相關(guān)的工程特征和組織特征方面也進(jìn)行了探討。特別是事故維度、工程特征和組織特征已構(gòu)成了當(dāng)前研究的三個重要維度，但現(xiàn)有文獻(xiàn)大多還集中在單一維度的分析，而整合三者進(jìn)行統(tǒng)一分析的研究較少，這不利于通過逐級細(xì)化和層層分解來系統(tǒng)化地反映超高層建筑的施工安全事故的本質(zhì)特征。與此同時，以CBR為方法論的安全事故案例分析備受學(xué)術(shù)界的推崇，該分析方法能夠通過構(gòu)建完整的安全事故案例庫和案例特征指標(biāo)體系，并根據(jù)這種多維度結(jié)構(gòu)化表示手段來構(gòu)建安全事故案例的相似度計算模型，從而有效地解決由于問題信息不完整或?qū)傩躁P(guān)聯(lián)而產(chǎn)生的安全分析失真問題，并為在開放的條件下以盡量精簡的方式涵蓋安全案例的有效信息提供新思路。

2 案例推理過程及研究設(shè)計

2.1 研究框架

本研究的案例推理分析包括構(gòu)建源案例庫、選擇求解分析方法、結(jié)果驗(yàn)證，其中構(gòu)建完整有效的超高層建筑的施工安全事故源案例庫是整個案例推理工作的前提，而求解分析方法選擇是整個案例推理的核心。與此同時，鑒于CBR系統(tǒng)中進(jìn)行的相似度計算值是由三個指標(biāo)(事故特征、組織特征和工程特征)有機(jī)結(jié)合在一起的綜合評價，根據(jù)CBR的4R(Retrieve，Reuse，Revise，Retain)原則，本研究共包含4個基本流程：(1)案例庫構(gòu)建及表征規(guī)則設(shè)定；(2)案例表征的指標(biāo)權(quán)重計算；(3)案例推理的相似度計算；(4)指標(biāo)相似度計算等。

2.2 案例庫構(gòu)建及表征規(guī)則

由于超高層建筑的施工安全事故信息散落在各種公開的媒體或者網(wǎng)站，并且這些信息的關(guān)注點(diǎn)不同，信息描述的詳略程度也存在顯著性差異。為保證源案例的權(quán)威性、典型性和結(jié)構(gòu)完整性，本研究對案例篩選的條件進(jìn)行了設(shè)定：(1)所有案例來源于住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部網(wǎng)站、各大網(wǎng)站和報紙，以及事故調(diào)查報告；(2)為保證案例庫數(shù)據(jù)的時效性，所有案例均為2010年以后發(fā)生的；(3)利用住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的工程質(zhì)量安全監(jiān)管數(shù)據(jù)庫擴(kuò)充案例背景知識?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn)，本研究初步篩選出185個案例，然后根據(jù)信息完整性剔除不符合要求的45個案例，最終篩選出140個事故案例納入到后續(xù)分析中。

在安全事故表征方面，安全事故通常是由一系列離散的解釋變量來定義的，以往研究大多聚焦于誘發(fā)事故的關(guān)鍵微觀因素[25]，但由于部分相關(guān)的微觀數(shù)據(jù)難以獲取，以及Trucco等[26]提出對安全事故分析不僅要著重于從微觀視角探討人員違規(guī)和機(jī)械傷害，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注相應(yīng)工程特征、事故特征以及行為主體特征等偏宏觀指標(biāo)[27,28]。為此，本研究將施工安全事故劃分為事故特征、項目特征和組織特征三個宏觀維度，其中事故特征主要考察事故的危險源、發(fā)生階段、事故類型，以及事故造成的人員傷害，反映了事故自身的基本特征和屬性，工程特征主要考察事故項目的工程基本屬性，包括建筑高度、建筑用途、所在城市、地質(zhì)條件等，反映了事故的孕災(zāi)環(huán)境(包含工程自身特征和外部環(huán)境)，而組織特征主要考察發(fā)生安全事故的施工組織部門狀況，包括資質(zhì)狀況、接受行政處罰、是否為央企以及是否有超高層施工經(jīng)驗(yàn)等。在此基礎(chǔ)上，考慮到超高層建筑的安全事故案例表征是通過一些約定的符號把事故案例知識結(jié)構(gòu)化編碼成可以接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，本研究將安全事故案例的特征屬性描述為多層級結(jié)構(gòu)，具體如表1所示。

表1 超高層建筑施工安全事故表征內(nèi)容體系

2.3 案例表示的指標(biāo)權(quán)重計算

在指標(biāo)權(quán)重計算方法選擇方面，考慮到G1算法無需構(gòu)造判斷矩陣，并能夠克服出現(xiàn)逆序等問題，本研究采用G1算法進(jìn)行權(quán)重設(shè)定。首先將這些指標(biāo)變量之間重要程度刻畫為5個等級，在此基礎(chǔ)上通過專家組10位成員的問卷調(diào)查，并根據(jù)重要性排序的倒序計算出相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。表1中的權(quán)重系數(shù)為各個指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重分配。

2.4 案例的相似度計算

案例相似度計算是整個CBR系統(tǒng)的核心部分，直接影響案例推理系統(tǒng)的效率和質(zhì)量，并且不同類型數(shù)據(jù)的相似度計算方法存在較大差異。鑒于本研究數(shù)據(jù)指標(biāo)的表征屬性包括連續(xù)型數(shù)值變量、離散型數(shù)值變量和文本變量格式等，為了構(gòu)造出相應(yīng)類型的相似度矩陣，根據(jù)Vidal等[29]和白居等[30]提出的表征屬性相似度計分方法規(guī)則，采用離散二級變量計分法、離散三級變量計分法和連續(xù)變量插值計分法等三種計算方法進(jìn)行案例變量的數(shù)值分析。表2為13個相似度指標(biāo)的各個計分類型。

表2 案例相似度計分類型設(shè)置

注：a：依據(jù)國務(wù)院《關(guān)于調(diào)整城市規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)的通知》；b：參照中國科學(xué)院《城市地下空間的開發(fā)利用》研究成果

其中對離散二級變量計分方法為當(dāng)表征屬性值相同時，相似度計分為100，不同時相似度計分為0。具體計算如式(1)所示，其中Vatest為目標(biāo)案例中表征屬性a的指標(biāo)值，Vacase為備選案例中表征屬性a指標(biāo)值，Sa為表征屬性a在目標(biāo)案例與備選案例的相似度的分值。

(1)

對于項目所在城市的離散三級變量，當(dāng)表征屬性的特征值取值相同時，則目標(biāo)案例與備選案例的相似度分值為100，當(dāng)目標(biāo)案例與備選案例在項目所在城市的規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)相差1個等級時相似度分值為50，否則為0，具體計算如式(2)所示。

(2)

另外對于連續(xù)變量插值計分法如式(3)(4)所示，其中DVa為目標(biāo)案例與備選案例的a指標(biāo)之間的差值絕對值，Sa為指標(biāo)a在目標(biāo)案例與備選案例的相似度。

DVa=|Vatest-Vacase|

(3)

(4)

根據(jù)上述三個規(guī)則，分別對相應(yīng)指標(biāo)的相似度計分后，根據(jù)式(5)可獲取備選案例與目標(biāo)案例之間的相似度，其中SWi為相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)值，而CS則為目標(biāo)案例與案例庫中備選案例的相似度值。

(5)

2.5 指標(biāo)相似度計算

案例的相似度計算反映了案例之間的總體相似度，但由于存在總體相似度結(jié)果較為一致而各個特征指標(biāo)相似度差異較大的情況。本研究在案例相似度計算的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個以事故特征、組織特征和工程特征為指標(biāo)集的指標(biāo)相似度計算方法，這樣可以確保案例總體相似度的基礎(chǔ)上，對各個指標(biāo)特征集也進(jìn)行相似度評估。其具體計算方法如下，利用表1獲得的事故特征、組織特征和工程特征的具體指標(biāo)和權(quán)重，對比目標(biāo)案例與備選案例，并以目標(biāo)案例為基準(zhǔn)，若備選案例與目標(biāo)案例的某個指標(biāo)之間的差值越多，表明相似度差別越大，反之亦然，該指標(biāo)相似度的計算公式如式(6)所示。其中sim(Vatest,Vacase)為安全事故案例中目標(biāo)案例與備選案例的a指標(biāo)的相似度，而maxa和mina則分別表示該指標(biāo)的最大和最小值。在此基礎(chǔ)上對每個指標(biāo)集的指標(biāo)相似度與權(quán)重相乘，獲得相應(yīng)的指標(biāo)相似度計算結(jié)果。

sim(Vatest,Vacase)=1-dist(Vatest,Vacase)

(6)

3 案例分析

在完成上述分析模型構(gòu)建后，利用CBR模型完成備選案例與目標(biāo)案例的相似度計算，獲得超高層建筑的施工安全事故的相似度計算結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上選擇備選案例中的若干案例進(jìn)行匹配分析，形成相應(yīng)的輸出內(nèi)容。

3.1 輸出案例數(shù)量

CBR系統(tǒng)分析需要選出最佳的事故案例作為樣本生成問題的解，即需要在計算目標(biāo)案例與備選案例之間的相似度基礎(chǔ)上對備選案例按相似度的大小進(jìn)行相應(yīng)的排序，并選出相似度最大的備選案例為目標(biāo)案例提供分析依據(jù)和參考。為了保證分析的準(zhǔn)確性，需要對案例相似度設(shè)置閾值，鑒于一般的指標(biāo)計算相似度取值范圍為0～1，而本研究設(shè)定的范圍為0～100，根據(jù)白居等[30]設(shè)定的規(guī)則，本研究的閾值為60，即選取滿足相似度大于60的事故案例，具體如式(7)所示。

CS>60

(7)

在此基礎(chǔ)上，考慮到南京青奧會議中心墜樓事件具有典型性和代表性，反映了我國超高層建筑的施工安全現(xiàn)場管理現(xiàn)狀，本研究選擇該案例作為目標(biāo)案例。按照上文的對應(yīng)案例表征及指標(biāo)劃分，與所建立的案例庫中的案例進(jìn)行相似度計算，選擇案例相似度值高于60的案例，共計41例，具體如圖1所示。

圖1 南京青奧會議中心墜樓事件案例相似度排序

由圖1可知，排名前5的相似超高層建筑的安全事故案例對應(yīng)的工程項目分別是：杭州高德置業(yè)廣場、沈陽新世界中心、上海來福士廣場、上海大中里廣場和上海環(huán)球金融中心項目，其中杭州高德置業(yè)廣場和沈陽新世界中心兩個項目的事故案例相似度值均超過85，具有高度相似性，并且這兩個事故的項目都是當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)項目，所在地也都是同等規(guī)模城市，與此同時，二者的安全事故類型和死亡人數(shù)均相同，反映了此類超高層建筑的施工過程中發(fā)生事故的高度相似性。另外，兩起安全事故的施工組織方面有一定的差異，進(jìn)一步表明超高層建筑的施工安全事故發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性。而后續(xù)的其他3個項目盡管在事故特征、工程特征和組織特征等方面存在著較大的差異性，但其相似度值較高，表明盡管表征特征差異性較大，但超高層建筑的施工安全事故存在著規(guī)律趨同的現(xiàn)象。

3.2 反向測試對比驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)CBR系統(tǒng)模型分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究通過反復(fù)雙向比較驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，即將廣東省深圳證券交易所大廈的安全事故設(shè)定為新的目標(biāo)案例，案例庫中的其他案例設(shè)定為新的備選案例，重復(fù)上述模型的測試過程，得出分析結(jié)果?？紤]到研究篇幅及可視性，本研究選擇相似度度值排名前15的結(jié)果，具體如圖2所示。其中輸出前5的案例分別為：南京青奧會議中心、上海大中里廣場、上海中心大廈、沈陽新世界中心和上海環(huán)球金融中心等。經(jīng)過兩次測試案例反向?qū)Ρ瓤芍?，CBR模型算法得出的結(jié)論具有穩(wěn)定性和相應(yīng)的準(zhǔn)確度，即通過CBR模型得出的目標(biāo)案例的最為相似的案例庫中的備選案例可以作為輸出案例，這確保了CBR模型分析的準(zhǔn)確性，并有助于后續(xù)分析。

圖2 案例相似度驗(yàn)證分布

3.3 指標(biāo)相似度計算結(jié)果分析

本部分進(jìn)行目標(biāo)案例與部分相似度值較高的備選案例之間的指標(biāo)相似度對比分析，以便探討其事故特征、工程特征和組織特征的指標(biāo)相似度分布差異程度。為了呼應(yīng)前文研究內(nèi)容并保持研究體系的一貫性，該部分的目標(biāo)案例仍選擇南京青奧會議中心墜樓事件，備選案例選擇案例相似度排名前五的安全事故，即杭州高德置地廣場、沈陽新世界中心、上海來福士廣場、上海大中里廣場以及上海環(huán)球金融中心等五個項目發(fā)生的安全事故。與此同時，根據(jù)式(6)計算結(jié)果，再結(jié)合各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，計算出相應(yīng)的事故特征、工程特征和組織特征的指標(biāo)相似度分布。為了方便進(jìn)行直觀的比較和清晰的表述，對所得結(jié)果進(jìn)行歸一化，所得結(jié)果如表3所示。

表3 指標(biāo)相似度計算對比結(jié)果 %

由表3可知，在目標(biāo)案例與備選案例中，事故特征所占的比重較大，表明當(dāng)前的超高層建筑的施工安全事故更為關(guān)注事故本身的相似性和相似程度，這部分在超高層建筑的施工安全事故的相似度計算中所占的比重最大。施工企業(yè)是整個超高層建設(shè)過程中的主力軍，該部分在整個指標(biāo)相似度方面的差異最大，說明在超高層建筑的施工安全事故方面，由于組織和管理方面的差異造成的安全事故方面差異性較大。這能夠有效地解釋在我國超高層建筑蓬勃發(fā)展的背景下，由于行業(yè)需求急劇增大，原先沒有經(jīng)驗(yàn)或者工程管理方面存在問題的企業(yè)試水超高層建筑，并導(dǎo)致了部分安全事故。

4 結(jié) 論

針對當(dāng)前超高層建筑的施工安全事故頻發(fā)的惡性循環(huán)問題，本研究構(gòu)建了超高層建筑的施工安全事故的三維理論模型，并通過數(shù)據(jù)梳理和引入案例推理方法，提出了一套基于CBR的超高層建筑的施工安全事故“相似性”分析的計算框架和應(yīng)用系統(tǒng)，并結(jié)合具體的案例情景探尋最優(yōu)的可參考事件。

研究結(jié)果反映出當(dāng)前我國相應(yīng)的施工安全事故呈現(xiàn)出相似性和規(guī)律性，但安全事故的組織特征差異性較大，這反映了盡管超高層建筑的施工安全事故發(fā)生折射出整個行業(yè)存在的固有風(fēng)險，但由于組織及其相應(yīng)的管理方面的差異性直接誘發(fā)了事故的差別，因此選擇良好的施工單位是控制超高層建筑的施工安全事故的關(guān)鍵。

可以看出，CBR分析技術(shù)在超高層建筑的施工安全事故分析上具有一定的適應(yīng)性，并能夠?qū)σ延邪踩鹿拾咐M(jìn)行深度分析，這有助于為施工安全管理提供更加科學(xué)的理論依據(jù)，進(jìn)而一定程度上促進(jìn)了施工安全管理的科學(xué)化和規(guī)范法。