基于BIM的智慧礦山工程安全技術研究

康恩銓 王 軍2

（1.內江職業技術學院土木工程系，四川 內江 641100；2.沈陽建筑大學規劃建筑設計研究院，遼寧 沈陽 110016）

0 前 言

改革開放以來，我國礦業飛速發展，但隨著礦山數量增多、規模變大，施工事故開始多發，安全形勢愈加嚴峻，其施工過程中的工傷率和死亡率比其他行業都要高出很多，是我國五大高風險行業之一。因此，保障施工安全，降低安全事故發生率，對于保障工人生命財產安全，提高項目建設的生產水平是至關重要的［1］。

施工危害是施工安全事故的根本原因之一，預防安全事故的重要手段是有效地掌握引起安全事故的各種危害，從而檢測這些危害的實時狀態，達到預防安全事故的目的。因此有效地識別和管理各種危險源將是從根本上解決施工現場安全事故頻發的途徑之一［2］。作為新型三維管控手段，BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）可對工程的全生命過程進行全方位監視控制。隨著國家推動各行業由高速發展向高質量發展轉型邁進，提質增效成為了今后發展的關鍵，而在礦業行業，隨著智能信息化及新型的礦業建設技術的大力推廣，BIM技術快速地融入礦業行業中。BIM技術的廣泛應用，使得礦區建設施工有了新的拓展方向。但是如何有效解決施工安全問題，是BIM技術應用的另一種重要途徑。與傳統的工作模式相比，BIM技術不僅可以幫助我們改進和處理信息，與此同時還可以進行協調、協作和集成，可以多方面解決施工中遇到的各種問題，發揮BIM技術在礦山工程行業的優點［3］。

針對當前的發展趨勢，為了更好應對今后行業的發展和挑戰，對BIM技術和礦業工程施工安全管理展開研究和探討具有重大的現實意義。基于此，本文首先對傳統礦山向智慧礦山建設轉型所面臨的一些問題進行了分析，指出安全問題在這里尤為重要，接下來分析了將BIM技術在安全管理層面應用的優勢，為礦業工程施工安全管理提供可行的參考依據。

1 智慧礦山標準化改造工程概況

可視化是BIM技術的一大特點，國內的可視化技術起步較晚，我國近些年來才在三維可視化系統上取得了一定的研究成果。要實現BIM的可視化應用，需要GIS等地理信息系統的配合，因此BIM與GIS技術的配合被認為是解決復雜工程中BIM應用的關鍵技術。地理信息對BIM技術的支撐可由圖1簡潔地表示［4］，GIS可以為BIM提供設計的基礎信息。

智慧礦山是將云計算、物聯網、大數據、虛擬現實、數據挖掘等新技術結合起來，實現生產過程的智能化決策和管理［5］。GIS不僅可以在建設初期為BIM的施工規劃提供空間信息，還能與各種新技術進行協同工作。可以實現信息的共享和傳遞，便于工程人員及時采取有效的管控手段，解決各類突發問題。

2 傳統工程施工安全管理形勢分析

工程安全問題一直是人們關注的熱點話題，近些年來各種事故層出不窮，造成極大的社會影響，因此需要對工程安全施工措施加強管理，企業在推進工程建設的同時更需要全面提升工程施工的安全性。施工過程中存在著很多不確定性因素，比如周圍環境發生突變，包括自然環境因素和人為操作因素等。施工現場人員眾多且流動性較大，如果只是通過減少施工人員，降低人員流動性來保障工人安全，會導致工程施工進度大大延緩；施工安全也需要現場施工人員增強防范意識，否則很難保障施工安全問題。面對如此多的工程安全施工問題，使用現代化技術提前預演施工過程中潛在的安全問題，可以有效地解決工程安全施工問題，這需要相關人員時刻確保工程的各種危險情景都在預料范圍內，在做好比較周全的準備后，才能在面對具體危險情況的第一時間進行有效預防和控制，只有這樣才能體現出對施工安全問題高度重視。現階段國內施工的安全管理有諸多問題有待解決，有效解決方法之一就是從施工安全管理方面出發來提升工程施工安全。國內的諸多施工單位面對施工過程中各種安全問題時參考管理手冊，以圖紙為依據進行現場指導，但圖紙大多數都是二維的，這也就是我國開展傳統工程安全管理工作的弊端之一，不能夠明確施工現場的各種安全問題，并且施工效率相對BIM技術而言是較低的。因此，工程安全問題需要高效化技術配合完成。現對傳統工程施工安全事故高發的原因總結如下［6］：

（1）安全與責任。隨著國民經濟水平的提高，國內相關工程需求大，它的特點是在保障施工質量的前提下盡可能縮短工程工期，這就需要投入大量的勞動力來節約時間，達到縮短工期的目的，而且越來越多的農民外出打工，間接刺激工程需求增加，他們一旦成為工程建設中的一員，就需要加強這類工人的安全防范意識，避免出現事故。如果企業只考慮經濟效益，而未將安全監督管理放在重要地位，忽視其重要性，勢必會導致施工現場出現各種安全問題。部分企業為了快速完成工程進度，導致工程質量降低和工程周期縮短，管理人員難以將充足的精力放在施工安全問題上，這種情況下很有可能產生安全事故。

（2）管理方法和技術設備。一方面，施工領域的很多企業使用的安全管理方法太過傳統，企業長年的工作經驗以及管理思維都是過去的方法，不知變通，使得整體的管理技術水平低下。企業管理者經驗多但存在老齡化的趨勢。在科技手段很先進的社會形勢下，工程復雜度有所增加，配備設施繁多，每種設施都不可或缺，傳統安全管理方式難以針對這些新的安全隱患提出有效整改措施。過時的管理方式也不再適應新形勢下的施工，如果按照過去的施工方式方法，不難想象在施工過程中會遺留怎樣的安全隱患問題，也會使得工程的成本投入量加大，后期將造成工程投入更多的檢修解決遺留的安全隱患。另一方面，技術設備落后，缺乏新技術的接受能力，工程難度增加。

（3）法律約束。“重效益輕安全”是施工工程領域內一些企業的真實理念，這種理念導致工程項目管理者對施工安全管理重視程度不夠，我國有明確的法律條例約束工程施工安全，現階段的礦山工程形勢復雜多變，使得工程施工安全管理暴露出的問題不能被現有的法律有效約束，使得工程領域的某些企業鉆了法律的空子，乘機做出違反安全生產的事情，比如說一些施工單位采取低價競標獲得工程項目，為了降低自己企業的成本問題，若在施工過程中減少工程安全投入，則會導致工程施工某一階段出現嚴重工程事故。

3 基于BIM技術的智慧礦山施工安全管控

3.1 BIM技術發展概述

BIM技術是將工程建筑或者機械電器設備等進行三維模型，并且接入數學信息載體，從多角度觀測工程設計的實體模型，得到最優的項目實施方案［7］。BIM技術體現在它可以進行三維模型繪制，同時能夠進行建筑性能分析，也能夠實現工程造價管理以及能夠進行施工指導，除此之外它還能夠進行工程量統計等，可以看出BIM技術包含了工程項目全過程。

BIM技術的實現需要借助一系列軟件來完成［8］，其中Bentley軟件較為常見，它在我們身邊的基礎設施建設中也發揮了不少作用；許多設計院都在使用BIM核心建模軟件Autodesk的Revit，而且在民用建筑市場應用更為廣泛；除此之外還有其他一些核心建模軟件。BIM技術需要配置詳細周全的軟件實現建筑施工全過程，首先，在設計工作開始之前，需要業主和設計師討論建筑設計框架，接著將業主的設計任務書里面涉及到的基于數字的項目按照要求進行轉化，轉變成展現在視覺前的基于幾何形體的建筑方案，最后需要業主評判設計的方案模型是否達到預期的目標，若是存在差異，即可修改方案設計模型，再次比對此方案直到滿足業主要求為止，可以看出BIM方案設計軟件可為未來所需的設計效果進行評定。當下BIM主流程序為Onuma Planning System及Affinity。

3.2 礦山工程安全管理BIM技術的優點

（1）模擬化。礦山施工現場情況多變復雜，其潛在的安全隱患難以及時排查并解決，導致在施工過程中危險不斷發生，BIM技術的模擬化體現在它能夠根據礦山現場的環境進行模擬還原，進一步展現礦區周圍的工況變化。利用BIM可以做到運用周全的方法處理這些不安全因素，并對該區域做出防護措施，這樣可以使得施工過程安全可靠地進行。所以說工程施工過程遇到安全管理方面的問題，可以運用BIM技術進行解決。BIM技術也可以對危險系數高的準備工作進行模擬，像在工程施工中腳手架搭設問題，可提前搭設演練，判斷其是否存在安全隱患，還有像其他危險系數較高的設備都可以模擬，比如懸挑架搭設和吊籃施工等，提前進行模擬可以讓項目更好更順利地進行。該項目的設計人員通過對礦區現場及周圍環境進行4D模擬或5D模擬從而規劃具體的施工細則，4D模擬或5D模擬是在3D基礎上展開的，4D模擬是指模擬現場施工，可以清楚了解項目各階段進展情況，5D模擬是指進行造價管理，即對工程涉及的成本進行統一化管理和全面控制，達到降低成本的期望。此外，利用三維圖形和一維數據融合，可以高效分析計算各項工程量。市面上以魯班為代表的國產BIM軟件，以及Innovaya和Solibri等進口軟件，推動造價工作的改造升級。

（2）可視化。BIM技術的可視化體現在它所創建的三維模型中，三維模型既有智慧礦山建設項目的物理信息，同時擁有該項目相關的其他功能信息，BIM技術員能夠準確得到該項目的所有有用的信息，再將信息分享給現場施工人員，提前安排好安全方面的事宜，同時也要提前準備好各類防護措施，就可以做到有效的施工安全管理。其可視化體現在可以將工程施工過程提前進行預演模擬，從而發現其中存在的潛在危險，就能達到預防控制的效果，最終避免發生施工安全事故。常用的可視化軟件有3DS Max、Rrtlantis、AccuRender和Lightscape等，其可以自動完善建筑施工中礦體和設備之間的三維圖形關系，應用于礦區建設的安全管理之中，減少工程事故的發生概率。

（3）優化性。BIM模型以三維的形式呈現工程施工圖紙中存在的諸多不足，從而完善圖紙使其達到標準。施工項目能夠順利完工的要點是在礦山的建設過程中需要不斷地優化建設過程，BIM軟件建立房屋的三維模型就可以進行可視化展示，再對該模型不斷地優化和協調，最終達到規定的要求。

4 BIM技術在智慧礦山建設安全管理中的應用

智慧礦山標準化建設工程，包括地層三維建模及其可視化、礦山通風系統、給排水、電氣工程整治等。可運用BIM技術解決礦山工程安全管理問題。

4.1 動態布置場地

BIM技術能夠在工程建設的很多中間環節發揮獨特的作用，例如可以對礦區混凝土建筑以及管道的搭建位置和安全性進行準確的評估，保證建筑工程的健康推進。BIM技術在動態規劃平面施工場地上的應用還有很多，建模過程中就可展示出工程漏洞，便于在出現問題前進行有效整改，以保障工程的安全性。工程師還將收集到的各類信息再利用BIM技術進行匯總處理，建立礦區內所有建筑物的三維模型。該類工程中，項目決策人員通過將礦區內礦體巷道三維化布局，可以看出BIM技術能夠有效解決CAD無法實現的功能。

4.2 4D施工模擬

現階段的建筑施工要求更高，建筑數量以及規模都十分巨大，安全措施制定困難。在減少經濟損失的同時，可利用4D技術與三維立體模型配合使用，時刻把握工程施工進度，同時更新現場反饋的各種數據，增強過程進度和成本管控。施工方案隨著建立完整的4D模型動態變化，各種信息及時采集整理，通過4D施工模擬可以對施工現場進行調整，包括各種資源和人力調動，從而確保工程施工順利進行。BIM技術對于建筑施工過程中的潛在危險進行預演［9］，基于Revit平臺，C語言用于二次開發，并可與Revit軟件本身的功能進行集成，最終創建一個危險源安全管理模塊，建立安全管理系統，模塊功能包括項目信息、危險源管理、安全信息摘要和其他子功能。對實際施工項目利用Revit軟件建立安全管理模塊，對施工現場的安全標志、危險品、大型機械等危險源進行實時監控和管理，利用BIM技術等視覺資源顯示施工現場內或邊緣等危險源。實施可視化安全管理，利用Navisworks軟件對施工現場突發事件進行應急救援模擬，比如演示施工人員墜落的應急救援場景等。圖2是利用3DVS系統建立的某鎢礦井通風系統。

4.3 三維碰撞檢查

智慧礦山標準化建設工程中的電氣工程整治共有三大部分，分別是強電、亮化、弱電。過去常用2D圖紙設計管線通道，沒有考慮不同部件之間會發生碰撞，或者某些不明顯部件被遺漏沒有反映在圖紙中，這對施工有著嚴重影響［10］，現階段考慮以BIM技術實現三維碰撞檢查，即對管線布置首先建立三維模型模擬，達到可視化要求，隨后及時發現部件之間的碰撞位置或找到殘缺部件位置。可以避免工程返工重做，有效防止碰撞現象發生，使得工程質量顯著提高。圖3、圖4是利用Autodesk Revit 2018軟件進行簡單模擬三維碰撞檢測圖，圖3中所示為墻體、窗戶、管道以及風管進行三維碰撞檢查，圖4是墻體和風管存在“沖突”圖，由此可以看出Autodesk Revit 2018可以實現BIM技術中的三維碰撞檢查。

4.4 施工安全監控及檢查

現階段施工單位通常以2D圖紙為依據進行施工管理，工程安全管理工作效率相對較低，通過BIM技術的普及與應用，既可以有效避免傳統技術中的弊端，又能夠為建筑工程事業提供現代化發展方向，是當前時代下工程安全管理事業的重大突破。通過對傳統安全管理工作模式與BIM技術支持下的現代化工作模式進行對比，可以發現，傳統工作模式不僅無法體現建筑工程整體的安全指數，而且由于載體的限制，信息相對混亂，容易產生誤差，各個施工項目之間的模型共享困難，信息的利用率不高。國內的建筑安全形勢愈發嚴峻，更應該有效利用BIM提供的多元信息協助工程人員對圖紙以及施工進度、方案進行核查，扼制安全事故的發生。

對于BIM技術在智慧礦山標準化改造的工程管控，首先是進場前期計劃，其次是BIM模型構造，最后是BIM信息生產、確認、提交和存儲。以上三方面的合理安排可以有效提高礦山工程安全管理的全面性，通過BIM技術形成了智慧礦山標準化建設工程管理規范［11］。

4.5 施工安全教育培訓

基于BIM技術的施工安全教育培訓，能夠使每一類工種的專業人員得到全面化的安全意識培訓與強化［12］。施工行業的安全技能是不可忽視的部分，相關的安全事故長久以來不曾間斷。責任人通常較少從事故安全教育角度出發設計教學過程與內容，培訓的效果往往不理想［13］。而BIM技術可以提供更為深入沉浸的安全教育體驗，解決了這一弊端。

5 結 論

通過分析BIM技術在智慧礦山標準化建設工程的施工過程中安全管理應用，可以看出BIM技術在礦區建筑施工領域有著不錯的前景，并在建筑工程施工方面更是發揮了極大的作用。通過分析可以看出BIM技術在施工安全管理中的優勢有：

（1）BIM信息是綜合的、相互關聯的，“一次修改，全部修改”功能，明顯降低勞動強度，減少人工投入成本。

（2）施工現場潛在的危險源安全管理通過基于Revit平臺開發的安全管理模塊實現模擬化，內容直觀、清晰，信息參數便于收集和管理，減少未知危險，方便加快建筑工程施工。

（3）在施工前期準備階段，通過BIM對工地布置三維設計，掌握平面道路的走向和流向，杜絕火災和應急道路的發生，明確施工過程中的安全管理重點和控制措施。

（4）通過基于BIM技術的施工安全教育培訓，結合應急預案可扼制潛在的安全事故，減少不必要的財產傷亡。

未來企業要在國家的引導號召下跟隨科技的發展進程，給礦山行業提供更好的發展前景，加大與引進安全新方法，企業生產過程以安全為基石，推進我國安全穩定高質量的礦業生產。