基于BIM 的高層建筑施工安全預警研究與應用

紀曉雨，王利紅 （濰坊職業學院，山東 濰坊 261000）

0 前言

隨著中國經濟高速發展，大量人口由農村向城市轉移，城市建筑用地日趨緊張。城市建設中的高層建筑以其大容積率和低占地率的優勢，成為了城市建筑發展的必然趨勢。但高層建筑的施工過程難度大，危大工程多，高空作業多，也使得高層建筑施工安全問題成為建筑行業發展亟待解決的問題之一。通過利用BIM 技術和Navisworks 和Visual Studio 等軟件，將建筑模型和實時監測融合在一起，將施工過程中可能出現的危險源及時排查和消除，對于可能發生的事故及時做出預警。降低高層施工中事故的發生率，提高建筑在高層施工中的安全性。

1 高層施工中的主要危險源

建筑工程施工都是在有限空間內進行復雜工序的長周期的建筑活動。加之施工過程中人員與物資的巨大流動性，種種因素不僅極大地增加了施工過程中安全的管理難度，而且為各種安全事故的發生埋下隱患，建筑施工過程中有以下三個最主要的危險源。

1.1 高空墜落

高空墜落在建筑施工中的所有傷害事故中的比例中高達50%左右，每年因高空墜落的事故造成的人員和財產損失已成為建筑施工事故損失中最大的來源。由于施工人員違規操作引起的高空墜落事故的原因比例高達90%以上。通過減小高空墜落事故的發生率對減少高層施工事故的發生具有極大的意義。

1.2 坍塌事故

高層建筑因其本身巨大的荷載，相比于中低層建筑，無論是在施工過程中還是使用過程中坍塌事故發生率都遠高于中低層建筑，而且基本上所有的高層建筑都需要大量的腳手架和模板。而腳手架和模板坍塌也是施工事故發生的重要來源之一，每年因腳手架和模板坍塌造成的人員傷亡已成為繼高空墜落之后的主要事故來源之一。減少坍塌事故的發生也能明顯減小工地事故的發生頻率。

1.3 物體打擊

高層建筑在建筑過程中因其巨大的高差和較為緊張的施工周期，造成施工過程中人員密集、施工機具多、物料投入較多、交叉作業多，就使得物體打擊事故的發生頻率也極大增加，高層建筑施工過程中的物體打擊事故成為僅次于高空墜落和坍塌事故的第三大事故。降低物體打擊事故的發生率對于減小高層施工事故發生和加強施工安全管理也具有明顯效果。

2 高層施工安全危險源的識別與預警

利用BIM 和傳感器結合，在施工現場的洞口臨邊，腳手架，塔吊附近三個區域附近安裝多個實時傳感器并建立BIM Navisworks 可視化預警系統。①利用UWB 超寬帶技術，實現現場作業人員的實時定位，可以將人員實時位置信息及時上傳到預警系統中，一旦現場作業人員距離洞口過近，系統經過數據分析確認后，就會觸發系統警報和安置在現場的警鈴，對系統操作人員和現場作業人員進行警示，提醒作業人員與洞口保持距離，以避免墜落事故發生。②通過在塔吊上安裝傾斜儀和載重傳感器，實時分析塔吊自身狀況及載重變化，將信號實時上傳到預警系統中，利用系統分析塔吊的工作狀態，在塔吊工作監測過程中，結合UWB 技術實現降低塔吊傾覆以及物體打擊事故的發生率。③通過對腳手架和模板附近布置傳感器，結合UWB技術，實時監測作業人員是否處于設定的危險區域中和腳手架以及模板的工作狀態，從而實現降低坍塌事故和物體打擊事故發生的幾率。

3 以BIM 為基礎的高層施工安全預警系統

3.1BIM 模型的建立

為了能夠有效降低高空墜落、坍塌、物體打擊三類事故的發生，建立以危險源識別為基礎，利用BIM 建立仿真施工模型，來建立實時監測和預警系統。BIM模型的建立就是利用現有設備和軟件，將施工現場發生的相關信息作為數據傳輸到預警系統中，經過計算和分析后被人利用，BIM 模型構建是建立預警系統的基礎，主要為建筑物和相關設備建模，首先利用BIM 對圖紙中設計好的建筑物進行建模，根據實際工程進度不斷增加相應的構件和樓層，并且還要對諸如腳手架和模板等危險區域進行重點建模。

3.2 系統工作流程

首先利用BIM 系統根據所在工程的圖紙建立相應建筑模型，并且跟隨建筑施工進度不斷更新，根據施工中各種機械實際位置和建筑模型施工進度，在系統中要劃定危險區域。接著根據相應建筑規范等，在系統中實現對機械和人的危險區域和危險源的識別。接著利用人員定位技術和相關設備對人員和機械位置和所處狀態相關數據實時采集，接著將采集的數據實時傳送到系統中，與系統中的預先設定好的危險狀態參數進行匹配，從而做出是否發出預警的判斷。系統工作流程圖見下圖。

系統工作流程圖

4 工程實例

大連某高層住宅小區項目，第二期7# 樓主體工程自主體建造開始，建立監測系統，使用時間約為6 個月。根據工程需要，自工程首層完成時開始布置系統，包括使用帶有UWB 定位標簽的安全帽、定位基站、傾斜儀和載重傳感器等設備，系統隨著施工進度不斷對設備位置進行調整。

自系統運行后，六個月時間內共監測到預警共158 次，大部分預警均為洞口和臨邊過近報警，且絕大多數預警都集中在工程建設初期，而且預警的發生集中于少數幾個施工人員，在針對性地進行專門教育后，預警次數明顯減少。經過對工程的監測和預警，本系統在提升項目安全管理水平上有一定效果，對于施工人員和管理人員的安全意識的培養和建立有很大幫助。減少了因高空墜落、坍塌、物體三類事故而導致的事故的發生。對于工地安全管理的提升起到了積極的作用。

5 結語

本文通過利用BIM 技術及相關軟件編制的高層施工預警系統，經過在實際工程應用后表明，能夠在一定程度上提高高層建筑施工過程的安全管理水平，降低了高層施工中事故發生的概率，減少在高層施工中出現頻率最高的三種安全事故的發生次數。同時也利用比較新穎的管理方式，提高現場施工工人和管理人員的安全意識和培養施工人員的安全行為。通過利用預警系統，高空墜落、坍塌、物體打擊三種事故隱患得到有效的降低和管理，增加了高層施工中的安全性和可靠性。相較于其他的預警系統，以BIM 為基礎的高層預警系統，對于高層施工實現了可視化、實時監測，使施工過程中更加直觀、透明，能實現高層施工安全管理水平的更大提升。