基于BIM技術的工程作業多塔布置方案與安全管理

陳 華

（福建中閩大秦工程管理有限公司，福建 寧德 352100）

0 引言

隨著國內經濟的不斷發展，新建小區的樓棟數量、高度均較10年前有跨越式發展。一個現代化小區樓棟數量均在5棟以上，隨之而來需要解決的是多臺大型垂直運輸機械（塔吊）交叉作業帶來的塔吊安全距離不足、塔吊司機視野盲區多等問題[1]，如繼續使用傳統的二維總平面場地模式，已無法滿足現代化小區施工需求。通過使用BIM等先進技術，可實現從二維向三維的轉換，進而極大降低群塔作業時的碰撞風險和吊裝風險[2]。本文結合福建省寧德市某小區在建設過程中利用BIM技術開展多塔布置所取得的良好效果，對利用BIM技術開展多塔布置的要點和共同作業時的安全管理方法進行探討，以期為多塔作業的項目提供借鑒與參考。

1 工程概況

某小區在建項目位于福建省寧德市，總建筑面積88049.26m2，共建設9棟12～16F的高層住宅。該項目為了順利完成施工任務，共設置了7臺塔吊進行作業，塔吊型號、基礎面標高、搭設高度及大臂臂長見表1所示。

表1 塔吊安裝參數

2 塔吊布置要點與選型

2.1 單塔布置要點

項目每臺塔吊布置時應注意以下要點：

（1）需要考慮擬建物建筑高度，以免吊運時空間沖突，還要對覆蓋范圍內的擬建物的突出部位結構，例如女兒墻、屋頂結構、空間約束等進行高度對比，應防止塔吊運行過程與結構發生沖突；

（2）塔吊回轉范圍內不應有高壓線，如果高壓線不可避免則應做好防護措施；

（3）應充分考慮擬建建筑完成修建后塔吊拆除的工況，避免出現因結構阻擋導致塔吊無法拆除的情況。

2.2 群塔布置要點

該工程塔吊布置數量多，在布置塔吊時應進行統籌考慮，避免出現群塔作業碰撞的情況，故在群塔布置時應注意以下要點：

（1）在水平方向上，塔吊大臂應與另一臺塔吊塔身有2m以上的安全距離；

（2）在垂直方向上，塔吊大臂與大臂之間應有2m以上的安全距離；

（3）在施工過程中，塔吊應與相鄰擬建建筑物的主體結構或相鄰既有建筑物保留2m以上的安全距離；

（4）應結合主體結構施工進度，合理安排塔吊加節，避免出現因塔吊高度不夠或塔吊碰撞主體結構影響施工進度。

2.3 塔吊選型要點

在完成塔吊布置后，應結合施工現場情況進行塔吊選型，在進行塔吊選型時，應著重從以下幾個方面進行考慮：

（1）塔吊需覆蓋范圍：應明確塔吊與覆蓋的樓棟、材料堆場、加工場等之間的位置關系；

（2）塔吊覆蓋范圍內需要吊裝物體的重量：塔吊起重能力與預制構件、鋼筋等材料重量之間的關系；

（3）塔吊擬安裝的高度與自由高度：應綜合考慮塔吊自由高度、最終的安裝高度是否滿足現場施工要求。

2.4 基于BIM技術的塔吊布置優勢

由于利用CAD二維塔吊布置存在一定的局限性，往往以施工人員的現場經驗、作業環境、平面圖紙進行塔吊布置，則布置方案存在一定弊端，與現場實際情況脫節，項目管理人員不能全面掌握現場進度和安全情況。而利用BIM三維塔吊布置技術，則會更加直觀、全面地進行群塔布置。因此，利用BIM技術布置塔吊有以下幾個優點：

（1）可視化：利用BIM技術可實現場地布置可視化，管理人員可直觀地在電腦上明確塔吊與塔吊、塔吊與建筑物之間的關系；

（2）優化性：在建筑施工現場塔吊布置與安全管理中，一方面可以利用塔吊模型優化塔吊布置方案，另一方面可將塔吊運行與物聯網設備結合，實時關注塔吊運行狀態，從而提高施工現場的安全管理效率；

（3）模擬性：在BIM軟件中可模擬施工進度與塔吊加節進度，對施工管理人員開展施工進度計劃管理有著實質性幫助[3]。

3 基于BIM技術的多塔吊布置方案

3.1 建立項目總體模型

項目利用品茗BIM 場布軟件開展場地總體模型布置。在塔吊布置前，應結合項目主體結構的情況對項目進行建模，建模內容包括：建筑結構模型、項目圍墻位置、鋼筋加工場位置、材料堆場位置等。

（1）建筑結構BIM建模具體步驟如下：將CAD二維圖紙導入至品茗三維場布軟件中→選擇已有CAD外形輪廓并進行轉換→輸入建筑相關參數，包括高度、層高、層數、屋頂類型等→建筑外立面類型選擇為腳手架→生成建筑結構BIM模型；

（2）項目圍墻BIM建模具體步驟如下：選擇“砌體圍墻”的族→將墻厚設置為240mm、墻高設置為2500mm→順著項目紅線位置或實際圍墻位置進行布置→生成圍墻BIM模型；

（3）鋼筋加工場、材料堆場BIM建模具體步驟如下：選擇相應的材料堆場或鋼筋加工場的“族”→設置鋼筋加工場或材料堆場的長度、寬度等參數→在場地中進行布置→選擇鋼筋加工場防護棚“族”→在鋼筋加工場位置布置防護棚→生成BIM模型。

在完成上述“族”的布置后，即可生成項目總體BIM模型（如圖1所示）。

圖1 項目總體BIM模型圖

3.2 建立塔吊布置模型

該項目具有樓層高度差距小、塔吊數量多、安裝高度高、附著道數多等特點，如依靠傳統CAD布置方式很可能出現相鄰塔吊之間水平安全距離不夠或因附著位置錯誤導致塔吊自由高度不足進而與主體結構施工進度相互影響等情況，故項目管理人員采用品茗BIM軟件對項目塔吊布置進行建模（見圖2 所示），可有效避免該情況的發生。

圖2 項目塔吊BIM模型圖

（1）塔吊BIM建模具體步驟如下：選擇“尖頂”塔吊的族→對塔吊基礎的標高、塔吊高度、離墻距離等參數進行設置→在擬布置位置布置塔吊→形成塔吊BIM模型。

（2）塔吊附著BIM建模具體步驟如下：根據塔吊說明書選擇首道附著位置離基礎的距離→在塔吊布置的位置和高度選擇附著道數→選擇塔吊附著與附著之前的距離→形成塔吊附著模型→在模型中檢查塔吊附著位置與主體結構之間的關系，避免出現附著位置超過主體結構或自由長度超長的情況。

項目管理人員可以根據實際需要，增加塔吊上的標識及企業廣告，以達到美觀的效果。

3.3 進行多塔碰撞測試

在完成塔吊BIM模型和塔吊附著BIM模型后，應在BIM模型圖中進行多塔之間的相互碰撞試驗（見圖3～6所示），碰撞試驗步驟如下：將相交的塔吊大臂轉動至同一投影面，檢查其安全距離是否≥2m，若不滿足則應增加或降低塔吊高度。

圖3 1#塔吊、2#塔吊、7#塔吊模擬碰撞試驗圖

圖4 2#塔吊、3#塔吊、6#塔吊模擬碰撞試驗圖

圖5 3#塔吊、4#塔吊、5#塔吊模擬碰撞試驗圖

圖6 6#塔吊、7#塔吊模擬碰撞試驗圖

在對每一臺塔吊和與之大臂回轉范圍相互重疊的其他塔吊進行碰撞模擬分析后，各塔吊之間均滿足水平距離≥2m，垂直距離≥2m的使用要求，因此塔吊布置滿足使用要求。具體分析情況如表2所示。

表2 各臺塔吊模擬碰撞分析表

4 基于BIM技術的多塔使用安全管理

4.1 塔吊作業過程可視化管理

該項目塔吊安裝數量多，樓層高度高，作業時塔吊司機盲區多，存在一定的安全隱患。項目管理人員在吊鉤位置安裝智能監控設備，實時地將吊裝情況反饋給塔吊司機和項目管理人員。同時在塔吊大臂位置安裝定位感應器，實時地將各個塔吊大臂的位置、高度等信息傳遞給塔吊司機和項目管理人員，實現塔吊司機對吊裝狀態和其他相鄰塔吊的相對位置一目了然，極大地提高了多塔作業的安全性。

4.2 塔吊使用安全技術交底和教育培訓

在以往的項目中對塔吊使用的安全技術交底和教育培訓大多采用文字交底和口頭培訓等方式，存在一定的抽象性和局限性，難以起到真正意義上的安全技術交底和教育培訓[4]。項目利用BIM技術和VR技術相結合的方法向塔吊司機和指揮工進行安全技術交底和教育培訓，塔吊司機和指揮工戴上VR眼鏡后，在BIM模型中進行漫游，猶如身臨其境地了解在操作過程中應注意的要點，進而更好地開展工作。

4.3 塔吊吊裝安全管理

該工程為裝配式建筑，具有預制構件數量多，重量大的特點，預制構件吊裝過程存在一定的危險性，若未對其進行科學的管理，極易造成嚴重安全事故，因此項目利用BIM技術與物聯網技術相結合，實時監控塔吊運行狀況（見圖7所示）。具體實現方法為：

圖7 項目塔吊運行安全監控系統圖

（1）在塔吊上安裝物聯網檢測設備，檢測設備主要包括：力矩傳感器、回轉角度傳感器、小車位置傳感器等；

（2）將實時數據導入BIM模型中，實現BIM模型中的塔吊自動運行；

（3）在BIM模型中設置預警值，若某臺塔吊的實時參數超過預警值，則實現后臺報警，并同步將報警信息發送給現場管理人員，以便及時采取安全管理措施[5]。

5 結束語

福建省寧德市某小區在建項目通過運用BIM技術、VR技術及物聯網技術等先進技術，并在多塔策劃布置、多塔作業安全管理等方面進行深度運用，順利完成了9棟高層住宅的建設任務，達到了將塔吊布置方案應用于現場的目的，也提高了現場安全管理水平，更證明了BIM技術在多塔布置及管理中的可行性和可推廣性。總之，在今后的工程建設中，BIM技術將是工程建設過程中的一把“利器”。