數字化建筑施工中安全監督管理模式的技術探討

李艷紅 中煤江南建設發展集團有限公司

隨著我國經濟發展，建筑工程特別是地下空間開發利用日益增多。大部分建筑項目都位于城市中心位置，場地較小，在有限的地下施工場所各種不同的機械設備交叉施工，再加上地下環境復雜，施工條件惡劣，比如在深基坑施工過程中，吊機及挖機如得不到安全指揮，其危險系數非常巨大。數字化施工體系的實施，能夠避免施工過程中由于人員的錯誤行為而引發的安全事故，有效降低這方面的危險系數，確保工程建設的施工安全[1]。

一、數字化施工體系對管理和組織的影響分析

數字化施工系統的采用，以及項目管理信息系統、決策系統和各種輔助軟件的應用，將給施工項目的安全監督管理帶來巨大的變化和影響，最終形成一個完整的企業信息系統，組織的改革與創新已成為當前潮流。

（一）促進工程項目數字化管理

1.建筑工程建設管理的內容包含施工建設過程的計劃安排、協調控制以及調度。建設工程管理的首先任務應在確保安全、質量的前提下完成，科學合理地利用企業的設備及人力，降低建筑材料損耗，提高工程效率及企業經濟效益。這些需要管理系統能夠適應當前建筑市場環境變化，并進行組織與計劃來達到此效益[2]。

2.數字化管理是一種量化管理行為，是利用計算機及網絡、人工智能等技術來實現協調、計劃組織及創新管理的方法。數字化管理是當前企業為了提高競爭力而選擇的途徑，同時也是技術發展的必然選擇，滿足當前市場需求[3]。

（二）對項目管理組織的影響

1.項目組織結構出現“扁平化”

數字化施工體系的應用改變了管理組織方面的信息傳遞方式，管理組織作為實現項目管理目標的一種手段，通過內部組織的橫向及平等進行信息傳遞，協調項目各方之間的合作關系，傳統的縱向組織結構有“扁平化”的趨勢。

2.項目組織的功能結構虛擬化、擴大化

大型項目在建設前，可通過計算機的網絡平臺建立一個具有共同目標、動態靈活的工程管理組織，以及安全、質量、進度等方方面面，提高工程管理過程中的資源配置及安全管理，突破傳統的組織結構帶來的局限性[5]。隨著信息技術的出現和應用，傳統的層次金字塔組織逐漸轉變為分布式、扁平化的虛擬組織。

3.引發組織中的團隊工作（Team Work）

團隊合作是當前信息時代的主旋律，基于IT技術的應用學習型組織模式，授權工作，人性化管理，強調所有成員共享信息，緊密合作，實現共同目標。

4.引發學習型組織與知識管理

近幾年在數字化施工系統的影響下，建筑建設方式、安全管理手段及理念都發生了很大變化。數字化施工是基于全新的開放模式促進項目各類工種、管理層不斷提升自我水平，同時對于各種新工藝、新技術所帶來的安全隱患有著新見識，形成一個現實的、漸進的學習型組織，不再局限于經驗式的管理。

二、建筑工程施工數字化安全監督管理模式的技術方法

在建筑施工中，施工人員的人為因素與復雜的施工環境是引發施工安全風險的主要源頭[6]，在地下環境缺乏穩定性、施工區域內埋地管道位置信息缺乏的情況下，容易引發周邊建筑物不均勻沉降。這在一定程度上反映出施工人員安全意識淡薄，施工安全管理工作不到位。依據施工現場的風險來源分析，將AR技術與智能攝像機技術結合，BIM信息技術模型，形成數字化安全管理監督系統。以下重點討論在充分的數據和技術支持下，數字化在建筑施工安全監督管理中的應用，對提升安全系數，推進項目有序進行，具有重要意義[7]。

（一）智能視頻監控在建筑施工安全管理上的應用

數字化施工將信息技術用于施工管理及施工方面得到有效應用，如青島的一個建筑項目采取高清攝像機記錄施工現場的全部過程，并實時在電腦屏幕顯現，監理工程師可隨時掌握現場安全狀況。廣東省在很多建筑項目方面均采取了數字化施工安全監督模式，同時采取先進的施工技術方法，基于安全保障需要，實現了“現場直播”和重點建筑工地施工狀態全天候監控[8]。

全國一二線城市基本上都應用數字監控技術，視頻監控技術作為數字化施工的重要組成部分，為施工現場提供了全面、直觀的記錄形式，并對施工過程進行了現場直播，從而直接反映進度，及時監督施工及其安全狀態，提高現場安全監管能力。隨著攝像設備的不斷完善，攝像智能分析系統可以把所錄制的視頻直接傳送至網絡服務器，同時在同一網段內的任何一臺計算機均可以通過網絡連接攝像機，從而擺脫了內存的束縛，幫助施工安全管理人員實時關注施工人員的具體操作過程。另外，系統的警報響應時間非常重要，與傳統的人工警報相比較，數字化系統的自動警報響應時間具有即時響應，雖然其危險行為已經發生，但時間差已得到很大縮短。系統是基于預告假設的基礎上進行，在自動響應中可能會產生兩種誤報現象：（1）由于預先設計的事故類型沒有包含所有的危險動作，視頻捕捉時無法有效識別危險行為，導致發生危險行為時卻沒有警報響應，是安全漏洞之一。（2）無危險作業，卻發出警報及采取應急措施。第一種誤報現象，解決方法是完善危險行為的知識庫，對報警規劃的范圍進行擴大，使得假設的危險行為盡可能接近實際情況；第二種誤報現象的解決方法是將危險行為的描述準確性細化，使之更加接近于實際情況[9]。

（二）增強現實技術（AR）在建筑工程施工安全管理上的應用

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR），是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。最初的圖形學領域虛擬現實技術（VR）是增強現實技術的前身，90年代取得了迅速發展，在虛擬現實技術的基礎上發展的新型技術。其三大核心技術分別是虛擬現實組合技術、實時交互技術和三維配準技術。AR和VR不同，與VR將用戶沉浸在虛擬的三維交互環境中相比，AR是生成場景及系統提示疊加到真實場景中，實現最終的增強與虛擬性有機地結合。使他們看起來像一個整體，通過軟硬件系統的協調，用戶可以更自然地與環境中的真實和虛擬對象進行交互。在AR環境中真實對象和虛擬對象共存、相互補充[10]。

借助計算機和AR平臺對施工現場和工程結構主體增強數字化施工過程仿真，建立包含結構信息和施工環境的數字化工程模型。事先對實際施工工藝進行研究和推導，將施工人員在實際施工過程中需要注意的信息疊加在施工人員的視覺上。增強現實的數字模型包括兩種信息。一是人們視覺中存在的可見信息。圖像信息是從施工人員的真實視角獲取的。AR移動設備，如AR眼鏡，被輸入AR系統處理器，用于與虛擬信息對接。另一個信息是沒有可見的信息或實踐中不存在的信息，即增強信息。這部分信息是通過三維配準來實現的，如土層下市政管道或工程結構的施工參數，將這些信息將添加到預構建系統模型中。模型中當前視野的方向由AR圖像輸入裝置獲得，即確定視點。然后，從模型中提取當前視點的所有附加信息，如市政管道的位置和尺寸、地質土層的描述、當前的施工工藝和操作要點等。

施工人員操作不規范、缺乏安全意識或技術交底信息不充分等所造成的施工風險，AR技術能夠避免這些因素。采用AR技術作為施工安全管理的前饋手段，主要是為施工人員在施工作業時提供全面的安全提示。為使AR技術在施工階段得到有效應用，首先要根據實際工程建立三維模型。這一模式不僅要包括工程信息的所有內容，而且要隨著建設的進展而不斷演變施工環境的變化。這種模式實際上是施工資料脈絡的整合。它將各種來源和形式的施工信息集成到AR系統模型中，為施工提供準確、全面的數字化支持，有效指導復雜環境下的施工作業[11]。

圖1 BIM數字化管理平臺

圖2 數字化安全管理系統

（三）BIM技術在建筑工程施工安全管理上的應用

BIM 模型作為可視化、數字化、協調管理等功能的信息技術工具，是實現增強現實的工具之一。通過構建BIM建筑信息模型，建立BIM數字化施工平臺，施工人員上傳數據到數字化平臺，與實際施工過程相吻合。BIM數字化施工管理平臺，解決了施工現場不方便查看、管理等問題，能夠實時查看各方面施工信息，統一管理各參建單位，收集施工現場資料等，讓現場施工安全管理更加規范，如圖1所示。

1.施工過程中的數據查看

通過建立工程施工過程的三維模型，將三維模型上傳到數字平臺上，可以直接看到施工進度、施工質量和安全生產情況。在三維模型上，可以將設計圖紙、現場圖片和現場視頻鏈接起來，直接查看施工現場，從而解決施工現場管理混亂、部分隱蔽性工程檢查困難等問題。

2.標準化的施工管理

在施工管理數字化平臺上，建立標準化施工管理數據庫和各類標準數據庫。根據施工標準規范數據庫，按不同施工類型、施工工序和安全質量控制點，對工程進行規范化管理，實現施工過程的精細化管理。

3.施工現場的數據采集

將施工現場的安全檢查表、質量驗收單等由移動終端直接輸入，實現施工數據的平臺化和透明化，便于施工單位及時整改施工中存在的安全質量問題。通過GPS定位和實時監控，統一調度，實現施工機械智能調配，保證工程安全。

三、建筑施工安全管理數字化建設

（一）數字化安全管理系統

依托AR及BIM等數字安全技術手段，在智能攝像機上已經形成了一套數字化的施工現場數字化安全管理系統。通過該系統，業主、施工單位、設計單位、監理單位、政府監督部門可以對建筑工程施工進行嚴格的安全控制（見圖2），最終達到降低施工安全事故概率的目的[12]。

（二）數字化安全管理輸入輸出系統

在工程實踐中，數字安全管理輸入系統包含AR眼鏡（或AR頭盔）及網絡攝像機，所捕獲到的視頻實時傳輸到網絡里。網絡選擇方面有兩種，一種接入公共網絡，一種接入局域網。如客戶端和服務器相距較遠，采取多個工地共用一個處理器，不受地理位置限制，可以采取接入公共網絡方式。局域網是一個專用的網絡（VPN）將網絡攝像機、服務器和客戶機連接到一塊，這種網絡構建簡單，且能保證傳輸質量。而接入公共網絡的則首先將局域網與公共網絡連接起來，安裝在工地的攝像頭，可對現場實施監控，讓安全管理人員在控制室實時了解現場危險區域的施工狀態。再加上AR信息的輸入，將佩戴設備施工人員的數字標簽與三維信息模型相連接，實現管理者的現場感受。

（三）數字化安全管理分析處理系統

網絡攝像機作為建筑工程施工數字化安全管理設備的一種，首先，它不僅可以用于施工現場的綜合監控，還可以利用智能視頻分析軟件自動識別危險行為。該軟件將從標準規范和現場調查中總結出危險源，并用一系列圖像規則表示出來，計算機可以響應這些規則，形成報警事件，幫助安全管理人員及時發現危險行為。

其次，智能分析軟件一旦檢測到報警事件的發生，就會自動啟動連鎖反應措施。報警信息以聲音提示現場工作人員，彈出窗口提示視頻監控人員，也可通過電子郵件或短信發送給安全管理人員。

最后，攝像頭的所有報警事件自動保存形成報警日志，并根據時間、攝像頭、應用規則等指標進行分類，總結施工現場安全文明施工的實施情況，進行安全培訓和施工指導。

四、結束語

建筑工程施工安全管理數字化建設，改變了傳統的人對人安全監督與安全技術交底方式，提高了安全管理的效率和質量。同時，數字化工程安全管理減少了施工過程中的信息失誤，實現信息的交互共享，是當前數字化施工安全監督管理的重要手段。