基于BIM技術的水電站建設施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)設計

楊 娟

(北京金河水務建設集團有限公司,北京 102206)

水源是人類生存和發(fā)展的基礎資源，為了讓水資源能夠更好地為人類所用，各種水利工程被修建出來，其中水電站是最重要的一種[1]。水電站不僅實現(xiàn)了擋水、泄水、引水等功能，同時也實現(xiàn)了水力發(fā)電，為人類生產(chǎn)、生活提供了電力保障。在此背景下，水電站工程的修建一直是重點民生工程之一。水電站一般修建在條件比較惡劣的地區(qū)，此外，工程的施工工序更為復雜，因此與其他一般建筑工程相比，施工風險性更高，導致施工事故發(fā)生的比率也相對較大。為此，施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控工作愈加重要。

關于施工現(xiàn)場安全監(jiān)控研究有很多，如，趙龍國以甄峰嶺2號隧道動態(tài)施工為例，設計了一種信息管理系統(tǒng)，有效地避免了事故的發(fā)生；王培成，包騰飛，朱茜，將BIM模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)相關聯(lián)，開發(fā)了大壩安全施工監(jiān)測信息管理系統(tǒng)；林俊峰，李可從建筑工程發(fā)展的現(xiàn)狀出發(fā)，在 BIM 技術的基礎上設計了一般建筑施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)；吳躍星從建筑工程施工階段的典型事故危險因素出發(fā)，結(jié)合BIM 與移動設備、RFID、數(shù)據(jù)庫等 Eworks 現(xiàn)代信息技術和工具，設計了一種建筑工程事故預防系統(tǒng)。

雖然現(xiàn)有的施工現(xiàn)場安全監(jiān)控研究有很多，但是針對水電站建設施工現(xiàn)場安全監(jiān)控的研究相對較少，因此本文以其他建筑工程施工現(xiàn)場監(jiān)控研究為基礎，設計一種專門針對水電站建設施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控系統(tǒng)。通過本研究以期降低水電站建設施工風險，保證施工現(xiàn)場安全。

1 基于BIM的水電站建設施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)框架設計

基于BIM技術的水電站建設施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)框架組成包括四個層次，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、模型應用層和可視化展示層，具體如圖1所示[2]。

圖1 系統(tǒng)框架設計

數(shù)據(jù)采集層：采集施工現(xiàn)場與安全相關的信息，包括人員、設備、建筑材料、位置、狀態(tài)等[3]。

數(shù)據(jù)處理層：將采集到的數(shù)據(jù)按照IFC標準進行處理，消除不同數(shù)據(jù)量級之間的量綱。

模型應用層：根據(jù)采集到的信息分析現(xiàn)場情況，識別現(xiàn)場不安全因素，以達到施工風險事故預防的目的[4]。

可視化展示層：提供與工程安全負責人的可視化交互窗口，用戶可以通過展示界面實時掌握施工情況，及時作出施工事故預防[5]。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

1.2.1 數(shù)據(jù)采集設備

要想實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的實時監(jiān)控，對施工現(xiàn)場各方面數(shù)據(jù)進行采集是必不可少的。采集的數(shù)據(jù)包括施工人員、建筑材料、機械運動狀態(tài)、位置數(shù)據(jù)、建筑模型數(shù)據(jù)、危險區(qū)域數(shù)據(jù)、各種機械的基本屬性信息等[6]。由于需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)眾多，因此需要的采集設備也很多。

監(jiān)控攝像頭：采集施工現(xiàn)場設備運行、人員工作狀態(tài)、機械工作位置等一系列施工現(xiàn)場活動的監(jiān)控圖像，來源與型號：Hikvision C2S攝像頭。優(yōu)點是分辨率高、畫面清晰，根據(jù)監(jiān)控設備自動調(diào)整相應碼流，意外斷電數(shù)據(jù)保護不丟失，室外防塵、防水設計，不怕風吹日曬[7]。

RFID設備：對現(xiàn)場的建筑材料、人員和機械設備進行跟蹤與管理。型號為 LJYZN AFD-8320A，功率小，讀寫距離穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)讀取速率快、標簽喚醒識別，多區(qū)域多標簽識別，多兼容設計，防水性外觀設計[8]。

3D激光掃描設備：施工進度監(jiān)控、現(xiàn)場環(huán)境評價等。 來源與型號：wiiboox Wscan工業(yè)級高精度3D激光掃描儀。優(yōu)點有采用線激光陳列掃描技術，測量精度可達0.03 mm，高質(zhì)量還原物件表面的幾何信息和表面細節(jié)；掃描速率可達200 000次/s，滿足高速掃描的需求；不僅支持標志點拼接掃描，還支持框架掃描模式搭載 Digimetric全局攝影測量系統(tǒng)，測量范圍可擴展至幾十米；支持對三維數(shù)據(jù)模型、圖片和文字進行綜合管理，數(shù)據(jù)輸出接口廣泛，且可與市面上大多數(shù)逆向工程軟件進行自由交換數(shù)據(jù)[9]。

傳感器：用于機械設備運行狀態(tài)監(jiān)控、地基承載力監(jiān)測等。包括紅外探頭、煙感探頭、位移傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器，以及承載力檢測儀等[10]。

1.2.2 核心處理器

系統(tǒng)中各種業(yè)務處理和功能的實現(xiàn)均依靠核心處理器來完成，因此核心處理器是系統(tǒng)的核心硬件設備。本系統(tǒng)當中的核心處理器為ARM?Cortex?-A9i.MX6Quad。該處理器相關功能參數(shù)如表1。

表1 核心處理器參數(shù)

1.2.3 監(jiān)控中心硬件設備

前期所有處理都需要傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以供相關工作人員進行監(jiān)控，因此監(jiān)控中心的硬件設計也相當重要，關系到識別結(jié)果的呈現(xiàn)效果。本系統(tǒng)當中的監(jiān)控中心硬件設備主要由四種組成：PC端計算機、信息傳輸網(wǎng)絡(Intranet)、數(shù)據(jù)庫服務器及打印機等外圍設備[11]。具體配置如下：

(1)處理器：CPU Intel Pentium IV 2.6 G。

(2)操作系統(tǒng)：Win2003 Server/Win2000 Server。

(3)硬盤：160 G。

(4)內(nèi)存：512 MB DDR2。

(5)顯示器：飛利浦 23.8英寸 AH-IPS顯示屏。

(6)打印機：HP Laser MFP 136nw銳系列激光多功能一體機。

1.3 系統(tǒng)軟件部分設計

本系統(tǒng)軟件設計主要包括系統(tǒng)功能模塊設計和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計兩個部分[12]。

1.3.1 系統(tǒng)功能模塊設計

根據(jù)水電站施工現(xiàn)場監(jiān)控需求，系統(tǒng)功能模塊主要分為七大模塊，具體如表2。

表2 系統(tǒng)功能模塊設計

1.3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)當中重要數(shù)據(jù)存儲的地方，主要用于為其他功能業(yè)務的實現(xiàn)提供基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中控制和管理。存儲在數(shù)據(jù)庫當中的數(shù)據(jù)質(zhì)量更高，更具有秩序化[13]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

為測試本系統(tǒng)的應用系統(tǒng)性能，以延慶賽區(qū)A部分場館配套基礎設施-造雪引水系統(tǒng)工程施工項目為例，進行現(xiàn)場施工安全監(jiān)控仿真測試。該工程主要擋水建筑物為重力壩，等級為3級。1050 m 高程塘壩位于兩座山“V”形溝谷之間。兩座山分別是左右壩肩的位置，根據(jù)塘壩地質(zhì)情況，塘壩邊坡主要為花崗巖，又由于工期緊迫，故采用爆破方式進行開挖。本測試就以該階段工程施工作為研究對象，1050 m塘壩爆破斷面見圖2，利用基于BIM技術的水電站塘壩爆破施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)進行危險源識別測試研究。

圖2 塘壩爆破斷面現(xiàn)場示意圖(單位：m)

2.1 風險清單設置

要想識別水電站塘壩爆破施工中存在的不安全因素，需要有一個風險清單作為對照。水電站塘壩爆破施工過程中存在的風險如表3所示。

表3 水電站塘壩爆破施工風險清單(部分)

2.2 基于BIM技術的施工現(xiàn)場建模

利用BIM技術中的ArcGIS軟件進行施工場地建模，建模結(jié)果如圖3所示。

圖3 施工現(xiàn)場環(huán)境三維模型

2.3 危險識別顯示

首先點擊系統(tǒng)“安全監(jiān)測模塊”按鈕，彈出“安全監(jiān)測模塊對話框”進行子功能選取，點擊“危險源識別”按鈕，系統(tǒng)就會顯示“危險源搜索中……請稍候！”，單擊“確定”鍵，即進入危險源的識別和危險區(qū)域的構建。之后會顯示危險識別的結(jié)果“開挖深度超過2 m及以上的基坑周邊未安裝防護欄桿”，單擊“確定”鍵，危險區(qū)域識別完畢——“搜索完畢，共識別出洞口1處，臨邊1處，危險區(qū)域已布置，請查看！”。

利用所設計的系統(tǒng)對基于BIM技術水電站塘壩爆破施工過程中存在的風險進行識別，識別出整個過程中存在兩種危險因素，一種是開挖深度超過2 m及以上的基坑周邊未安裝防護欄桿，一種是洞口和臨邊存在高空墜落風險和物體打擊風險。通過本系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了風險監(jiān)控，避免了人員傷亡和經(jīng)濟損失。

3 結(jié) 論

水電站的建設不僅實現(xiàn)了水資源更好地利用，同時實現(xiàn)了電力生產(chǎn)的目的，因此水電站工程的修建一直是我國重點的民生項目。在項目工程修建過程中，危險一直伴隨始終。為此，基于BIM技術設計一種水電站建設施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)測試，很好地識別出了施工過程中存在的風險，證明了系統(tǒng)的應用性能。