應(yīng)用BIM與RFID技術(shù)的高層建筑施工安全管理模型*

田輝建 雙晴

(北京交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044)

0 引言

未來(lái)50年，隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，我國(guó)一線(xiàn)城市將持續(xù)面臨土地資源緊缺和住房需求不足的尖銳矛盾。為高效利用土地，高層建筑呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。迪拜塔、上海中心大廈等超高層建筑逐漸成為建筑熱點(diǎn)，同時(shí)我國(guó)還計(jì)劃建設(shè)超過(guò)1000m的世界最高建筑。高層建筑在減輕城市住房壓力、帶來(lái)城市現(xiàn)代化的同時(shí)，也面臨嚴(yán)峻的安全生產(chǎn)問(wèn)題。高層建筑因?yàn)楦呖兆鳂I(yè)危險(xiǎn)性因素多、施工技術(shù)復(fù)雜、工作量大等，每年引發(fā)大量施工事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2]。例如2016年，深圳市南區(qū)某一高層建筑工地24樓防護(hù)棚意外發(fā)生坍塌，導(dǎo)致10名工人傷亡；2009年，上海蓮花河畔工程兩側(cè)作業(yè)安排失誤，一側(cè)大量堆積土方，另一側(cè)進(jìn)行地基開(kāi)挖工程，兩側(cè)壓力差超過(guò)樁基礎(chǔ)承載能力，導(dǎo)致建筑主體傾塌[3]。但是由于我國(guó)當(dāng)前工程建設(shè)技術(shù)和項(xiàng)目管理方法的限制，無(wú)法采取有效的安全管理措施減少事故的發(fā)生。同時(shí)建筑業(yè)為了減少成本、提高收益率，依舊依靠勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)方式，而施工人員大部分為知識(shí)水平不足的農(nóng)民工，因此導(dǎo)致施工事故頻發(fā)，安全問(wèn)題十分嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響了我國(guó)建筑業(yè)的健康發(fā)展。

近年來(lái)，建筑業(yè)開(kāi)始引入制造業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出建筑產(chǎn)業(yè)化、信息化、智能化的發(fā)展方向[4]。在建筑施工中也逐漸應(yīng)用一些先進(jìn)的技術(shù)改進(jìn)安全管理方法，BIM技術(shù)和RFID技術(shù)就是其中兩項(xiàng)重要的應(yīng)用。BIM技術(shù)有著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，在英國(guó)、美國(guó)等已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，在國(guó)內(nèi)也逐漸引起重視。RFID定位技術(shù)也大量應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療、安全和部分項(xiàng)目管理等領(lǐng)域，顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)[5]。

本文基于這一現(xiàn)狀，以安全管理為切入點(diǎn)，以BIM、RFID為技術(shù)基礎(chǔ)，研究如何在高層建筑施工過(guò)程中運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行安全控制?；诟邔咏ㄖ┕ぐ踩芾砝碚?，考慮我國(guó)高層建筑施工和歷史安全事故的特點(diǎn)，探索應(yīng)用BIM和RFID的集成方法，全力確保各個(gè)環(huán)節(jié)可控，通過(guò)精準(zhǔn)有效的控制管理全面降低安全事故的發(fā)生，提高目前高層建筑業(yè)的安全管理水平[4]。

1 高層建筑施工安全管理問(wèn)題

近幾十年來(lái)，建筑安全方面的研究工作逐漸成為研究熱點(diǎn)，尤其是具有高危險(xiǎn)性的高層建筑施工[2]。高層建筑施工安全管理具有與一般建筑工程共有的綜合性、復(fù)雜性、非標(biāo)準(zhǔn)性、動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)。除此之外，高層建筑施工還包括以下特點(diǎn)：

(1)施工工作量大、工期長(zhǎng)。按照相關(guān)規(guī)定，一般主體高度超過(guò)45m的屬于高層建筑，而超高層建筑主體高度則超過(guò)100m。因此，高層建筑施工相比一般的住房施工，具有工作量、強(qiáng)度和時(shí)間上的區(qū)別，對(duì)施工人員的要求更具挑戰(zhàn)性。同時(shí)高層建筑層數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要使用大量不同類(lèi)型的建筑材料和工器具。

(2)施工技術(shù)復(fù)雜、組織要求高。高層建筑的工作人員和工作環(huán)境在不斷流動(dòng)和改變。高層建筑施工的各種技術(shù)難題和安全問(wèn)題通常交織存在，導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)易出現(xiàn)很大的安全隱患。要想安全順利地施工，就要協(xié)調(diào)解決好高空中施工人員、建筑材料和機(jī)械設(shè)備等運(yùn)輸問(wèn)題。

(3)對(duì)安全防護(hù)的要求高。由于高層建筑施工過(guò)程中，工作人員處于高空作業(yè)狀態(tài)，作業(yè)空間相對(duì)狹窄，多種交叉作業(yè)配合，因此與一般建筑工程相比，存在的安全隱患更大，對(duì)于高空安全防護(hù)措施的要求也更高。

2 BIM與RFID技術(shù)的特點(diǎn)與適用性分析

2.1 BIM技術(shù)和適用性分析

BIM技術(shù)是基于三維數(shù)字技術(shù)，協(xié)同整合設(shè)計(jì)文件、合同文件等多種建筑工程屬性和專(zhuān)業(yè)信息的數(shù)據(jù)模型[6]，實(shí)現(xiàn)更高程度的可視化、模擬化、協(xié)調(diào)性。此外，BIM集成了各種分析計(jì)算模擬軟件，例如動(dòng)態(tài)施工模擬，能夠方便地進(jìn)行建筑施工的安全控制管理。

BIM在高層建筑工程中的適用性主要體現(xiàn)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境適用性三個(gè)方面。

(1)在技術(shù)適用性方面，主要包括BIM能夠?qū)崿F(xiàn)安全模型建立、信息共享和信息溝通、動(dòng)態(tài)施工模擬。例如北京比目魚(yú)科技公司利用BIM 5D施工管理系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)北京新機(jī)場(chǎng)等大型工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工。在安全管理方面，BIM技術(shù)可以通過(guò)模擬施工不斷優(yōu)化施工安全計(jì)劃以及可視化的安全教育培訓(xùn)等，最終提高安全控制效率[6]。

(2)經(jīng)濟(jì)適用性分析方面。近幾年，BIM軟件也逐漸被運(yùn)用到建筑管理領(lǐng)域。由于技術(shù)限制，BIM軟件初始投入較高。例如廣聯(lián)達(dá)BIM 5D軟件對(duì)操作電腦的系統(tǒng)配置有明確要求。但是BIM在設(shè)計(jì)和施工階段能夠?qū)崿F(xiàn)多次修改和直觀驗(yàn)收，減少由于設(shè)計(jì)圖和施工程序錯(cuò)誤引起的損失。另外，在后期運(yùn)營(yíng)和修繕管理過(guò)程中，BIM模型也能發(fā)揮巨大的作用，從而減少成本。因此，在經(jīng)濟(jì)上BIM技術(shù)的應(yīng)用也是可行的。

(3)環(huán)境適用性方面。2017年國(guó)家提出裝配式建筑的發(fā)展方向，未來(lái)建筑信息化、產(chǎn)業(yè)化、智能化成為發(fā)展趨勢(shì)。基于BIM技術(shù)的建筑工程和建筑施工安全管理是建筑信息化的一個(gè)重要應(yīng)用。通過(guò)構(gòu)建3D模型模擬設(shè)計(jì)和施工過(guò)程，可以提高工程建設(shè)質(zhì)量和安全管理效率，降低安全管理成本。

2.2 RFID技術(shù)和適用性分析

RFID技術(shù)是一種通過(guò)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)的射頻識(shí)別技術(shù)[5]。相比于GPS等，RFID技術(shù)在建筑施工過(guò)程中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)RFID技術(shù)不斷發(fā)展，在物流管理、門(mén)禁管理、身份識(shí)別等領(lǐng)域都得到了廣泛的推廣應(yīng)用，也逐漸被應(yīng)用于建筑行業(yè)識(shí)別追蹤等領(lǐng)域。例如，京東集團(tuán)的智能化快遞分配工廠利用該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)快遞的定位和識(shí)別。

適用性方面，RFID技術(shù)在建筑工程安全領(lǐng)域具有技術(shù)優(yōu)越性。RFID技術(shù)利用優(yōu)越的非接觸讀寫(xiě)功能，可以快速識(shí)別處于工作狀態(tài)的人員和器械設(shè)備的屬性信息。另外，RFID設(shè)備可以循環(huán)使用，從而節(jié)約成本和資源，有效避免安全事故的發(fā)生，帶來(lái)隱形的收益。RFID技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外有了廣泛的應(yīng)用，逐漸成為主流的區(qū)域定位技術(shù)。

3 BIM與RFID技術(shù)的集成化安全管理模型

基于BIM和RFID技術(shù)在高層建筑施工安全管理中的適用性和必要性，為解決高層建筑施工環(huán)境中難以控制的問(wèn)題，提出一種應(yīng)用BIM和RFID技術(shù)的高層建筑施工安全管理模型(圖1)。模型主要包括五個(gè)階段：模型準(zhǔn)備階段、信息收集與處理階段、安全評(píng)估階段、安全預(yù)警階段和模型效果評(píng)價(jià)。

圖1 BIM與RFID技術(shù)的集成化安全管理模型構(gòu)架圖

3.1 模型準(zhǔn)備階段

選取我國(guó)2010～2014年高層建筑施工事故的歷史數(shù)據(jù)，分析得到我國(guó)建筑施工類(lèi)型的分布情況，從而利用排列圖法分析高層建筑施工安全性的主要影響因素。排列圖法是用來(lái)尋找影響工程安全的有效方法[7]。

由表1可知，我國(guó)高層建筑施工主要有六大傷害。其中高處墜落、坍塌事故、物體打擊屬于

表1 高層建筑工程事故因素排列表

A類(lèi)因素，是安全事故預(yù)防的重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)歷史安全事故資料的統(tǒng)計(jì)分析得到高層建筑施工的主要危險(xiǎn)源，可以為信息收集和安全評(píng)估階段提供支持，對(duì)主要危險(xiǎn)源的位置進(jìn)行預(yù)先控制。

3.2 信息收集與處理階段

信息收集和處理階段是依據(jù)工程信息、現(xiàn)場(chǎng)施工人員和機(jī)械器具信息構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)時(shí)模型，并利用BIM和RFID技術(shù)進(jìn)行虛擬施工，對(duì)所有工程進(jìn)度信息進(jìn)行有效的識(shí)別，形成一個(gè)4D模型。利用事故預(yù)分析，對(duì)BIM系統(tǒng)中已有的現(xiàn)場(chǎng)3D模型及其一般屬性進(jìn)行補(bǔ)充，并定期對(duì)施工環(huán)境信息進(jìn)行更新，從而有效識(shí)別模型中的危險(xiǎn)區(qū)域。

結(jié)合高層建筑施工環(huán)境特性，考慮定位精度、定位范圍、抗干擾能力、穿透障礙物能力和拓展性，通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外多種定位技術(shù)，最終選擇RFID技術(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)定位技術(shù)[8]。RFID技術(shù)主要包括標(biāo)簽、讀寫(xiě)器以及計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，RFID標(biāo)簽一般置于工人的安全帽中，各層安放讀寫(xiě)器，從而實(shí)時(shí)定位工人的位置。同樣，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械器具信息收集方面，對(duì)于能夠產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)范圍的大型機(jī)械設(shè)備，可運(yùn)用RFID技術(shù)解決精準(zhǔn)定位問(wèn)題[9]。

3.3 安全評(píng)估階段

結(jié)合實(shí)際高層建筑工程項(xiàng)目專(zhuān)業(yè)信息，通過(guò)BIM技術(shù)構(gòu)建施工環(huán)境，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行全方位的模擬分析，找出在正常施工過(guò)程中發(fā)生的碰撞，墜落，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等安全問(wèn)題，從而做到事前修正與控制。例如龍門(mén)架周?chē)欢ò霃健⒒舆吘壱欢ň嚯x范圍區(qū)域內(nèi)都是危險(xiǎn)區(qū)域，使用紅色標(biāo)記，可以讓工程相關(guān)人員形象辨識(shí)。利用專(zhuān)業(yè)安裝的RFID標(biāo)簽，接收現(xiàn)場(chǎng)重要的施工人員、材料資源、機(jī)械設(shè)備等各種要素的實(shí)時(shí)位置信息，并且準(zhǔn)確反映在所構(gòu)建的BIM模型中，從而精準(zhǔn)監(jiān)控施工過(guò)程。

3.4 安全預(yù)警階段

從現(xiàn)場(chǎng)施工工人角度考慮，安全預(yù)警主要包括信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收和信號(hào)反饋三個(gè)步驟。施工作業(yè)人員一旦進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，就會(huì)向預(yù)警系統(tǒng)發(fā)射非正常的位置信息，觸發(fā)云端BIM+RFID監(jiān)控系統(tǒng)的安全警報(bào)。信號(hào)接收階段安全預(yù)警系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出提醒信息，在工人安全帽上顯示顏色或者發(fā)出危險(xiǎn)提示音。對(duì)于即將觸碰到危險(xiǎn)區(qū)域的建筑工人進(jìn)行安全提醒，從而精準(zhǔn)控制現(xiàn)場(chǎng)的施工過(guò)程，減少事故發(fā)生率。信號(hào)反饋是指工人感知到危險(xiǎn)提示后退出危險(xiǎn)區(qū)域。

3.5 模型效果評(píng)價(jià)

模型效果評(píng)價(jià)是對(duì)應(yīng)用該施工安全控制模型后，控制和處理高層建筑施工暗藏危險(xiǎn)和不確定因素的有效性分析。郭紅領(lǐng)等根據(jù)安全事故發(fā)生原因分析，將施工現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)區(qū)域分為與建筑結(jié)構(gòu)和臨時(shí)設(shè)施相關(guān)、與機(jī)械設(shè)施相關(guān)兩類(lèi)，具體包括墜落、坍塌、物體打擊、觸電等事故[8]。結(jié)合高層建筑施工的工程特性，選取上述主要高層施工安全影響因素，建立施工安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，組織監(jiān)理單位、施工單位、建設(shè)單位代表進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)高層建筑作業(yè)的整個(gè)施個(gè)工程進(jìn)行安全系數(shù)整體評(píng)估。對(duì)比分析應(yīng)用BIM和RFID技術(shù)控制施工的安全管理流程(圖2)前后的安全效率，評(píng)估BIM與RFID技術(shù)的集成化安全管理模型。

圖2 應(yīng)用BIM與RFID技術(shù)進(jìn)行安全管理的流程

4 未來(lái)的挑戰(zhàn)和方向

4.1 未來(lái)的挑戰(zhàn)

BIM技術(shù)還處在剛剛興起的階段，在各種工程環(huán)境中的應(yīng)用效果還沒(méi)有發(fā)展成熟。2017年，國(guó)家相關(guān)單位提出對(duì)于部分工程項(xiàng)目必須強(qiáng)制使用BIM技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑生產(chǎn)，但是在初期并沒(méi)有足夠的技術(shù)和配套設(shè)施支持，這種生產(chǎn)方法還難以快速實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前技術(shù)在精度和成熟度上存在不足，這對(duì)高層建筑施工中部分具有高危但精密特點(diǎn)的作業(yè)具有威脅性，同時(shí)應(yīng)用成本較高。例如外墻裝飾作業(yè)中，為了保證裝飾材料粘貼的精度，工人長(zhǎng)時(shí)間在室外高空作業(yè)，很難降低危險(xiǎn)發(fā)生的可能性。另外，當(dāng)前能夠熟練操作和使用BIM技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人員也處于匱乏狀態(tài)。RFID技術(shù)還是一種利用較少的定位技術(shù)，RFID與BIM技術(shù)的集成還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，這對(duì)該模型在施工領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了一定的阻力。

4.2 發(fā)展方向

近年來(lái)，BIM和RFID技術(shù)在美國(guó)、日本等國(guó)廣泛應(yīng)用，取得很多創(chuàng)新的建筑項(xiàng)目管理方法和技術(shù)手段。

(1)實(shí)現(xiàn)工程信息的共享和管理。例如上海中心大廈這樣的超高層建筑，在施工過(guò)程中產(chǎn)生了海量信息，在控制質(zhì)量和資金目標(biāo)的基礎(chǔ)上，必須經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)收集和計(jì)算、分配、反饋過(guò)程，因此大大影響工程的效率，也增大了施工過(guò)程中暴露在危險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)間。利用新技術(shù)RFID能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)施定位，BIM虛擬模型能整合多維度信息，實(shí)現(xiàn)多方的控制和溝通，及時(shí)修正各方發(fā)現(xiàn)的安全問(wèn)題。

(2)施工場(chǎng)地的布置優(yōu)化。施工現(xiàn)場(chǎng)是工程各方共同協(xié)作創(chuàng)造價(jià)值的地方，現(xiàn)場(chǎng)的人員、材料、器械設(shè)備的布置情況會(huì)對(duì)工程過(guò)程的安全產(chǎn)生直接影響，關(guān)系各項(xiàng)組織計(jì)劃能否正常有序地進(jìn)行。利用BIM和RFID技術(shù)可以在正式施工之前，在滿(mǎn)足工程要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬施工，制訂出最優(yōu)的布置計(jì)劃。

5 結(jié)語(yǔ)

高層建筑工程是安全事故發(fā)生較多且難以有效控制的高危領(lǐng)域。為了提高安全管理的效率，本文從目前高速發(fā)展的BIM技術(shù)和RFID技術(shù)出發(fā)，結(jié)合建筑業(yè)安全管理發(fā)展現(xiàn)狀，建立起一個(gè)科學(xué)經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)有效的安全管理系統(tǒng)，為高層建筑施工安全管理生產(chǎn)提供科學(xué)的依據(jù)和智能化的管理辦法。建筑施工是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)和技術(shù)復(fù)雜的過(guò)程，安全管理是工程建設(shè)的基石。BIM技術(shù)和RFID技術(shù)的引入，將對(duì)建筑業(yè)的科技進(jìn)步和健康發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。