基于能量轉移模型的豐城電廠坍塌事故演化分析

張永成， 吳明慶,2， 胡靈芝， 鐘波濤， 楊 柳

(1. 淮陰工學院 a. 管理工程學院； b. 江蘇省智能工廠工程研究中心， 江蘇 淮安 223003； 2. 南京工業大學 經濟與管理學院， 江蘇 南京 211800； 3. 華中科技大學 土木與水利工程學院， 湖北 武漢 430074； 4. 湖北省國土測繪院， 湖北 武漢 430034)

建筑業是危險性最高的行業之一，與其他行業相比，建筑業具有事故規模大、概率高、頻率大、危險源多樣等特點[1]。根據住建部統計數據，我國近兩年發生1426起事故，主要事故類型有：基坑坍塌、升降電梯墜落、化學物爆炸等，建筑施工過程中發生的死亡傷亡的人數較多[2]。如：2018年“2·7”廣東佛山軌道交通工程重大透水坍塌事故，造成11人死亡，1人失蹤，8人受傷；2019年“4·25”日河北衡水建筑工地施工升降機轎廂墜落重大事故，造成11人死亡，2人受傷；此類頻發的工程事故給社會發展和人民生命安全帶來了巨大影響和威脅。

為開展此類事故控制，國內外相關學者開展了相關研究，主要針對重特大安全事故發生機理和防范控制研究，何芳東等[3]基于模板支撐體系防坍塌的理論機理開展事故規律研究并提出針對性措施。徐吉釗等[4]基于能量轉移理論并結合案例研究火災致因因素發現致災過程中均伴隨著能量的交換和傳遞。Zhou等[5]通過構建事故能量釋放模型和網絡理論集成框架揭示杭州地鐵坍塌事故的全部復雜性?？梢钥闯?，基于能量理論剖析事故致因因素的文獻較少。事故致因分析是理解重大安全事故發生的主要方法[6]，江西豐城電廠平臺坍塌事故涉及多參與方多層次承包分包下多層管理特點[7]，事故致險因素復雜，多風險因素耦合后導致事故發生[8,9]。

為此，本文運用能量轉移模型方法，以江西豐城電廠施工平臺坍塌特別重大事故為案例，剖析事故的致因因素及其導致事故發生的過程，從事故中危險能量轉移的視角來理解多線性事故發生復雜機理[10]。期望本研究為重大工程安全管理提供借鑒，防范重大工程事故發生。

1 豐城電廠平臺坍塌事故背景

江西豐城電廠三期擴建工程屬于江西省電力建設重點工程，總投資額為76.7億元。事發7#冷卻塔設計塔高165 m，為鋼筋混凝土結構。筒壁施工采用懸掛式腳手架翻模工藝，塔內布置1臺液壓頂升平橋。該塔于2016年4月11日開工建設，至事故發生時，已澆筑完成第52節筒壁混凝土，高度為76.7 m，工程總體情況如圖1所示。

圖1 7#冷卻塔工程總體情況

豐城電廠平臺坍塌事故以事故調查報告為主要信息來源，事故經過包括施工情況和事故情況兩部分如圖2所示。2016年11月24日，早晨6時，7#冷卻塔施工混凝土班組、鋼筋班組先后完成該塔第52節混凝土澆筑和第53節鋼筋綁扎作業，離開作業面。隨后，木工組70人分布在筒壁四周施工平臺上，拆除第50節并安裝第53節模板。此外，與施工平臺連接的平橋上有3名作業人員，冷卻塔底部有19名工人正在作業。早晨7時33分，7#冷卻塔第50節筒壁混凝土從后期澆筑完成部位開始沿圓周向兩側傾塌墜落，施工平臺及平橋上的作業人員隨筒壁混凝土及模架體系一起墜落。期間，墜落物砸中平橋附著拉鎖，導致平橋晃動、倒塌，事故持續24 s。

圖2 豐城電廠平臺坍塌事故發生過程

2 能量轉移模型和網絡理論方法

事故因果模型或理論被廣泛應用于解釋事故過程和分析相應的因果因素。典型的事故分析理論有：事故傾向性理論[11]、多米諾骨牌理論[12]、瑞士奶酪模型理論以及社會技術因果關系模型理論[13]。相關的事故致因模型理論為事故理解與控制提供了有效的理論基礎。其中，Gibson等[14,15]提出了能量轉移理論，認為安全事故是一種非正常的能量轉移導致事故傷害發生。能量轉移理論從物理學、工程學與管理學交叉的視角，討論工程中因能量轉移導致的事故發生機理，從能量轉移角度分析事故，改變能量的傳遞方式或者方向就會導致事故的發生或阻斷(如：基坑坍塌，重力勢能釋放)，事故的發生往往都是能量控制不好的結果[16]。

與傳統的線性事故因果模型相比，能量轉移模型能有效地識別復雜施工環境下的安全隱患，分析事故發生的詳細過程，該模型將事故視為控制問題，有利于對事故因果分析和能量傳遞控制。運用能量轉移模型可以更好地解釋該平臺坍塌過程中安全隱患的影響。豐城電廠平臺坍塌事故是一次綜合性事故，多個不同類型的風險事件之間存在著多重聯系[5]，構成了事故過程中的事故網絡。雖然能量轉移模型易于把握事故的本質并分析其因果關系，但仍然無法全面解釋風險事件之間的關聯性。為了更好的理解事故的動態過程，網絡理論方法可用來建立子風險事件之間的網絡[5]，通過計算其拓撲參數，如頂點的度、聚類系數等，能有效解釋能量轉移節點之間的關系?；谀芰哭D移模型和網絡分析框架如圖3，步驟如下：

步驟1：基于能量轉移模型開展能量識別、能量約束失效的原因分析、能量轉移分析，構建因果模型和能量轉移變化模型；

圖3 基于能量轉移模型的豐城電廠平臺坍塌事故分析框架

步驟2：基于網絡理論方法建立完整風險事件網絡，揭示事故的發生過程中風險事件的動態影響關系及復雜性。

3 豐城電廠平臺坍塌事故形成及演化過程

3.1 施工平臺坍塌事故能量轉移分析

3.1.1 危險能量識別分析

首先，需要開展事故中危險能量的產生及來源分析與識別。能量可以是一件設備或一種具有休眠能量的材料情況，這種休眠能量具有受傷、死亡、財產損失和環境破壞的風險，如機械的運動部分、爆炸性材料和行駛的車輛，不同類型事故中危險能量來源往往是不同的。以表1中江西豐城電廠生產過程中的7個分項風險事件為基礎，對工程中危險能量來源及類型判別，見表2?？梢钥闯?，工程材料和工程負荷是主要的能量源，重力勢能和化學能是主要的危險能量。

3.1.2 能量約束失效原因分析

基于上述危險能量的分析與識別，可從直接事故因素、形成階段因素和根源影響因素三個方面分析能量約束失效的原因，并建立豐城電廠平臺坍塌事故因果演化模型如圖4所示。

直接事故因素層次中的因素是直接的，主要為人、材料、機械和環境。根據事故調查報告，人為因素涉及臨時工人的技術經驗有限、缺乏對工人培訓、疲勞施工、降低施工費用、盲目壓縮工期、對安全風險存在僥幸心理等。材料因素包括支板安裝不正確、焊接接頭薄弱、拉鎖間連接不牢固、支護結構不完善等。環境因素包括氣溫驟降、雨水天氣較多等。

表1 施工中階段性風險事件分析

表2 施工中危險能量來源與類型判別

圖4 豐城電廠平臺坍塌事故因果演化過程

形成階段因素作為中間層因素，與管理相關并對直接事故情況產生影響。根據事故調查報告，這里的形成因素包括被發現的危險或險情被忽視、逃生路徑不完善、安全措施不完善、安全培訓無效、分包方式過于隨便、進出庫登記制度不完善、應急預案不足、工作時間過長等。

根源影響因素是事故最根源層面的因素，對形成階段因素有著直接影響。根據事故調查報告，該事故在這里產生的影響包括：多層承包、政府監管失靈、建設單位提出“大干100天”的策劃。

3.1.3 能量轉移變化過程分析

危險能量轉移變化是導致事故發生的根本原因，約束危險能量轉移傳遞是遏制事故發生的最有效途徑。因此，筆者從風險事件、初始能量、能量約束失效、能量變化、能量轉移過程這些角度橫向分析能量轉移變化詳細過程如圖5所示。豐城電廠平臺坍塌事故包含7個風險事件，其詳細能量分析過程如下：因氣溫驟降，自然界的熱能轉換為筒外壁化學能；由于筒外壁和模板本身存在重力勢能，導致能量儲存迅速增加；事故發生后，轉化為混凝土的動能；在此動能的基礎上加上腳手架的重力勢能，導致動能繼續大幅度增加；由于墜落物體的增加(混凝土、模架體系、平臺、作業人員)，導致重力勢能增加，最后都轉移為墜落物體的動能，事故發生。

3.2 施工平臺坍塌事故風險事件網絡結構分析

豐城電廠平臺坍塌事故并不是孤立發生的，它是7種不同類型風險事件的綜合，包括氣溫驟降D1、筒外壁施工D2、混凝土強度不足D3、木工組拆模D4、混凝土和模架墜落D5、墜落物沖擊連接拉鎖D6、平橋整體坍塌D7。其中，一個風險事件既可能是前事件的結果， 也可能是后事件的原因，這與能量轉移變化的方向一致。例如，混凝土強度不足是由于氣溫驟降造成的，同時也會引起混凝土和模架體系墜落；混凝土和模架墜落是由違規拆模造成的，同時也會引起墜落物沖擊連接拉鎖和平橋整體坍塌，因此它們之間構成了網絡關系。從能量的角度看，混凝土化學能由自然界熱能轉移而來，同時將混凝土化學能轉換為混凝土、模板和腳手架的動能，它們之間的多重關系構成了事故鏈?；赑ajek軟件繪制的江西豐城電廠事故網絡圖，如圖6所示，其中，頂點表示風險事件，邊表示從一個風險事件到另一個風險事件的關系，該圖形網絡有7個頂點和14條邊。該網絡不僅表達了各個風險事件之間多重影響關系[17]，也反映了能量轉移變化的方向過程。

圖5 豐城電廠平臺坍塌事故能量轉移變化過程

圖6 豐城電廠平臺坍塌事故風險事件網絡

根據江西豐城電廠坍塌事故調查報告和圖6坍塌事故風險事件網絡結構，網絡中的混凝土強度不足是被關聯次數最多的風險事件，因此它也是整個事故網絡的核心節點和關鍵要素。由于氣溫驟降，導致混凝土沒有在正常時間內滿足規范強度，施工人員違規拆模加劇了事故的發酵，導致混凝土模架體系墜落，緊接著墜落物沖擊連接拉鎖，最終導致平橋整體坍塌，在這個網絡中形成了幾個閉環。通過計算探索網絡結構比視覺檢查更簡潔和精確[18]。運用拓撲參數計算分析事故的擴散情況，充分反映事故網絡的復雜性如表3所示。

表3 風險事件網絡關鍵指標計算

頂點的度、聚類系數和介數中心性是反映網絡結構特征的三個關鍵指標[19]。根據計算得到，該事故網絡的平均程度為5，其中輸出度最大的是混凝土強度不足，這表明混凝土強度不足是該事故網絡的關鍵節點，同時也說明重力勢能和化學能是危險性較大的能量。該事故聚集系數為0.538，表明該網絡具有小世界特征，一個小世界的網絡通常比一個普通網絡的傳播速度快得多，這一特點給控制風險事件的傳播帶來了挑戰。該事故網絡中混凝土強度不足的介數中心性最大，為0.211，說明從所有風險事件到其他風險事件的最短路徑中，通過混凝土強度不足的最短路徑最多，有效控制施工規范作業程度，可有效降低事故網絡中次事故擴散的效率。

3.3 案例事故發生分析與討論

基于能量轉移模型有效地從能量約束失效及控制的微觀視角分析事故發生機理過程。分析表明，豐城電廠平臺坍塌事故是系列能量約束失效導致危險能量轉移導致的一場特大工程事故。通過分析梳理出了7個風險事件的能量來源、儲存和轉移等，分析出重力勢能、化學能是事故發生中的主要危險能量，約束失效后導致重力勢能、化學能向動能能量類型的轉移且動能能量約束失效是坍塌事故發生的直接方面。其次，能量約束失效的主要因素包括直接因素、形成因素和根源因素三個方面；如果施工中各單位按照國家規范要求安全施工，嚴格遵守施工順序，且施工管理有效，事故發生或許可以避免。

為進一步簡單有效地控制重特大安全生產事故的發生，本研究從宏觀的角度去理解該施工平臺坍塌事故中風險事件之間的多重影響關系，針對上述的7種風險事件進行了網絡結構分析。分析表明：混凝土強度不足是該事故網絡中的關鍵節點和核心因素，只有有效的切斷其他風險事件與該風險事件之間的聯系，才能控制事故的發生。通過計算相應的拓撲參數，如輸入度、輸出度、所有度、聚類系數、介數中心性等，可準確識別關鍵風險事件，從而提前對該風險事件加強管控，提出有效的防控措施，以降低事故網絡的連通性，進而有效降低事故傳播的效率，遏制該類工程事故發生的概率與嚴重程度。

4 結 語

本研究以豐城電廠施工平臺坍塌事故為案例，從能量轉移模型視角，開展事故中危險能量與風險事件發生過程分析。研究發現：多層致險因素導致了風險事件發生，且呈現復雜連接關系；進而又傳導至物理實體，發生危險能量轉移同時能量約束體系失效，是該復雜事故發生并演化的過程機理。其中，事故中風險事件之間的多重影響關系，構建風險事件網絡結構并對網絡結構分析，進一步對風險事件所產生的危險能量轉移分析，反映出危險能量是重特大安全生產事故把控的關鍵節點。期望本案例分析能為工程事故發生過程理解提供有益借鑒與參考，為重特大事故防范及安全管理提供有效管理思路。

本研究主要從技術層面因素進行分析，管理層面因素尚未展開詳細討論，后續可以深入探究管理因素所導致的事故發生耦合作用關系。