基于BIM的建筑施工安全防護預警研究

陳定坤 何軍 王海豹

BIM技術和“可視化”多維數字建筑模型的3D數字設計，適用于建筑師、結構工程師、管道和電氣工程師、建筑承包商、設備和材料供應商、開發商以及最終用戶。BIM技術可以構建可視化的科學協作平臺，用于計算、施工模擬、技術分析、運營管理等。BIM技術虛擬建筑的興起符合建筑行業當前的生產和發展需求，對于技術上困難、復雜、交叉工作、需要調整組件大小的建筑項目，BIM技術優勢更大。

BIM技術被列為“十二五”期間在建筑行業推廣應用的重要信息技術，BIM技術的應用范圍包括從設計階段到施工階段和運營階段。構建虛擬建筑是一套完整而全面的項目施工圖紙藍圖，藍圖施工技術和組織計劃、BIM應用程序、虛擬現實和其他技術以及預先由計算機執行的施工過程。BIM系統可以準確指示建筑物的建造過程，并避免出現錯誤、脫落、碰撞、缺陷等質量問題。發生上述問題的時候，安排設備和材料進入現場，分配勞力和進行機械調度可以變得更加合理。

1.傳統建筑安全施工預警方法與不足

1.1 傳統建筑安全施工預警方法

傳統的建筑安全管理主要采用的方式是人工監管與預警，建筑施工管理人員對建筑施工安全進行檢查和調查。在傳統的安全管理中，監視工程師是安全管理監視的核心。監視工程師隸屬于工程項目部門，接受工程項目部門的直接控制，同時負責安全管理問題為意外缺陷報告和現場監控報告制定相應的計劃。在某些緊急情況下，有必要對計劃進行修訂，并最終向業主提供有關該項目的安全報告和建議。此過程使用常規紙質文檔發送信息，并且安全經理必須通過監理工程師進行通信。

1.2 傳統建筑安全施工預警方法不足

（1）傳統建筑安全施工不能及時進行預警。傳統的建筑安全管理模型要求重復而復雜的統計分析任務來獲取信息，而這種信息既簡單又無效。建筑方面的安全人員主要記錄并發送紙質信息，但人工巡邏和監視記錄的方式則需要及時統計和分析記錄的數據，從而導致施工方面的監控存在延遲。如果現場觀察員故意違反規定，工程項目部門需要充分了解安全管理信息并制定對策。這使施工人員能夠及時意識到工程存在潛在的危險，在施工現場執行安全控制措施并消除施工過程存在的安全隱患。

（2）傳統的建筑施工安全防護預警缺乏先進的建筑安全管理技術。在傳統的建筑安全管理模式中，現場管理主要依賴人工操作，并沒有采用先進的科學技術。在信息產業時代，由于建筑形式多樣化、施工環境復雜、施工難度大、施工方法復雜等問題，常規的安全管理人工監控已不能滿足施工現場復雜的安全問題。人工預警會消耗大量的人力資源，物力和財力。如果建筑施工安全防護預警技術不及時更新，施工設備老化和后方安全管理方法將引起安全隱患，并引起施工安全事故。

2.基于BIM的建筑施工安全防護預警系統

確保施工安全的關鍵是正確識別所有可能導致安全事故的潛在風險因素，并在施工前確定相應的安全預防措施。充分利用BIM的六個關鍵特征，即數字化、空間化、量化、包容性、可用性和永久性，并結合相關的信息技術，使項目參與者在構建之前進行3D交互，模擬整個構建過程[1]。根據結構合理性，構建易于使用的常規和特定于項目的信息模擬平臺，項目參與者可以更準確地識別潛在的安全隱患，并使現場施工條件和風險更加直觀。可以進行分析和評估，以開發出更加合理的安全性。采取預防措施，以提高和加強決策水平。同時，BIM技術可用于動態識別施工過程中的現場安全問題并及時調整施工計劃。構建基于BIM的施工安全管理系統分為三個主要模塊：數據庫模塊、BIM虛擬施工模塊和安全管理模塊。

當前，BIM技術受到廣泛關注，為建設項目的規劃、設計、建設和后續管理提供技術支持，以及將相關技術應用于特定范圍的安全建設和建設項目的安全建設。使用BIM技術建立項目模型，收集有關初始管理元素“4M1E”的基本信息，4M是指men(人）、baimachine（機器）du、matter（物）、method(方法），1E是指environment（環境），集成每個模塊的屬性，并在實時更新數據信息后形成一個動態的構建過程數據庫。BIM模塊是在研究定位技術和BIM的基礎上構建的。在特定風險事件場景中的標準化數據處理可為建筑安全風險提供預警，并為決策系統提供技術和信息支持。通過預警和具體的信息決策，將重新調整BIM模塊的施工計劃、人員和設備，以指導施工安全管理。

圖1 安全預警平臺功能需求分析結構圖

3.施工現場安全監控預警系統的構建

3.1 系統危險源識別與實時監控

BIM-RFID傳感器集成技術在建筑安全管理中的應用首先是危害的識別。危險源可分為兩種：獨特的危險源和隨機的危險源。獨特的危險源指在施工現場發現的危險，通常與建筑物和臨時設施中的永久性結構相關，可對風險進行徹底分析，并可以由人控制。概率危險是指在施工過程中客觀存在變化，在各種內部和外部條件的影響下，系統中每個元素的相互作用都會導致系統狀態惡化并造成危害。BIM-RFID傳感器集成技術可用于有效識別兩種類型的危害。危害在特定過程中，可以通過已建立的BIM4D模型和BIMRFID傳感器集成技術預警系統自動安全地檢查獨特的危害[2]。

確定生成的BIM安全模型。例如，如果BIM建筑模型的地板邊緣不受保護，則BIM自動安全檢查將檢測到危險原因，并在地板邊緣上自動設置足夠高的保護軌。BIM安全模型是通過在地板邊緣上添加保護欄而形成的模型。隨機危害具有三個方面：人、物和機器。首先，通過BIM碰撞檢查和施工模擬，獲得建筑物中更重要的結構部件。這些結構部件的不穩定性容易導致安全事故，并且是危險的來源。其次，在機械設備的情況下，可以根據BIM技術的施工方針來確定機械設備的位置和工作區域。最后，SCL安全檢查方法用于從人員，材料和機械方面識別現場的施工危險，并將識別出的危險信息導入BIM系統。BIM-RFID傳感器集成技術允許通過跟蹤和監視將隨機危險源整合為獨特的危險，以進行安全的預防和控制。

3.2 系統危險源管控

在根據BIM技術分析識別危害之后，BIM-RFID傳感器集成技術用于管理三種危害類型：危險的人類行為，物體的危險狀況和機械。管理不安全的人類行為，主要基于智能安全頭盔系統的應用。通常，將RFID傳感器標簽嵌入頭盔中，并在施工現場安裝閱讀器。當建筑工人進入工作區域時，閱讀器通過讀取頭盔中嵌入的RFID傳感器標簽來獲得入場建筑者。通過傳感器標簽的基本信息和圖像信息處理功能獲取施工環境信息。通過將RFID傳感器技術應用于智能安全帽系統，現場工作人員可以集中在統一的平臺上，以高效、安全地管理施工現場工作人員[3]。

3.3 系統數據中心管理

實現安全報警功能需要信息的收集、分析、處理和傳輸。關于信息收集，RFID傳感器技術用于收集人員信息，例如人員姓名、工作編號、工作類型、服務年限、對象信息等。通過無線網絡發送到數據層進行處理和分析。數據處理平臺分析獲得的信息并為安全管理做出決策。在使用BIM-RFID傳感器集成技術進行危害管理之后，RFID傳感器標簽將有關危害的位置和收集的實時信息發送到BIM數據處理中心，數據處理中心將對信息進行分析并輸出并輸入結果。

4.結語

為了減少建筑施工安全問題，必須加強對建筑施工安全防護預警的研究。BIM技術在建筑施工行業的應用越來越廣泛，能夠更好地為建筑施工安全進行防護預警，對于可能存在的潛在風險進行防護，及時通知現場施工人員改進施工中不足的地方，在建筑施工實踐中非常具有現實意義。