BIM技術(shù)在煤礦建筑工程安全檢測中的應用研究

鄒繼雪，張樂芳，薛 婷

(西安歐亞學院，陜西 西安 710065)

我國作為煤炭大國，煤礦開采過程中注重提升煤炭開采量的同時，還需保證煤礦建筑安全。由于礦區(qū)建筑均建立在煤礦開采區(qū)域上方[1-2]，建筑群面積較大的同時，其功能性較為復雜，在不同程度上增加了工程安全監(jiān)管難度[3]。礦區(qū)煤炭開采方式大多數(shù)為地下開采，因此在煤礦建筑施工過程中，綜合地形原因的同時，也需加強對建筑的抗震性能、受力形變等情況關(guān)注度。為使煤礦建筑施工以及煤炭開采順利進行，很多煤礦企業(yè)對建筑施工過程進行了安全檢測[4-6]。針對此問題，該方面學者均提出有效方法，如邊俊奇等[7]基于煤礦建筑安全檢測理論，通過STOP系統(tǒng)建立安全觀察模型，從施工人員行為角度對建筑安全進行了分析，以降低施工人員不當操作導致的煤礦建筑風險程度。該方法經(jīng)過驗證可在一定程度上有效規(guī)避煤礦建筑風險，但僅從施工人員操作入手極具片面性和主觀性，科學性較差，因此應用范圍不是很廣。而譚章祿等[8]則以煤礦建筑歷史安全隱患詞數(shù)據(jù)為基礎，通過建立安全隱患詞的向量模型，以桑基圖的方式描述建筑施工作業(yè)安全隱患分布特征，實現(xiàn)煤礦建筑工程安全檢測。但該方法受歷史數(shù)據(jù)缺失以及模型存在欠擬合或過擬合狀態(tài)影響，無法精準描述煤礦建筑施工作業(yè)安全隱患分布特征，因此無法較好地管理煤礦建筑工程安全。BIM技術(shù)是建筑信息模型技術(shù)，適用于工程設計、建筑數(shù)據(jù)管理等方面[9]，可以三維圖形的方式呈現(xiàn)建筑信息，是一個建筑施工全過程的信息數(shù)據(jù)庫。該技術(shù)所構(gòu)建的建筑工程模型具有完備性、關(guān)聯(lián)性以及信息一致性，運用該技術(shù)可有效縮短施工工期，也可有效監(jiān)管施工過程中的安全問題[10]，在建筑領(lǐng)域廣受歡迎。結(jié)合上述技術(shù)，研究基于BIM技術(shù)的煤礦建筑工程安全檢測方法，對把控煤礦建筑工程安全具有重要價值和意義。

1 煤礦建筑工程安全檢測方法

1.1 煤礦建筑工程概況

以某省大型煤礦新開礦區(qū)為實驗對象，該煤礦建筑工程項目包括礦井指揮樓、員工宿舍、調(diào)度中心等，該建筑工程總面積約為23 326.91 m2，地基均為擠密樁打造，主體為框架，建筑高度均為23.3 m，抗震等級為Ⅱ級，防火等級為A級。

1.2 基于BIM的安全檢測模型框架構(gòu)建

利用煤礦建筑工程BIM模型，結(jié)合RFID技術(shù)和WSN技術(shù)建立BIM煤礦建筑安全檢測模型，模型框架如圖1所示。其中RFID技術(shù)也稱無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)，其以無線電信號方式識別建筑并讀寫其相關(guān)數(shù)據(jù)[11]。WSN是無線傳感網(wǎng)絡，利用傳感器以無線通信方式構(gòu)建多跳自組織網(wǎng)絡。

煤礦建筑安全檢測模型框架由5個層組成：①數(shù)據(jù)采集層主要負責收集煤礦建筑工程信息，信息來源包括以RFID和WSN方式采集和傳輸煤礦建筑工程施工信息，安全事故數(shù)據(jù)源和煤礦建筑工程信息庫，其中RFID對煤礦建筑工程構(gòu)件添加標簽，以標簽的形式呈現(xiàn)該建筑構(gòu)建的基本屬性、安全屬性、幾何信息等[12-14]。對建筑工程構(gòu)件進行定位，且其定位信息與模型所構(gòu)建的煤礦建筑工程BIM模型相對應，通過WSN傳感方式獲取煤礦建筑工程施工過程中的建筑溫度、受力、傾斜度等情況。②將RFID與WSN獲取到的煤礦建筑工程基本數(shù)據(jù)以無線網(wǎng)絡形式傳輸至數(shù)據(jù)處理層，為煤礦建筑工程安全檢測提供基礎數(shù)據(jù)[15]。數(shù)據(jù)處理層則依據(jù)IPC施工標準，對數(shù)據(jù)采集層獲取到的煤礦建筑工程施工數(shù)據(jù)進行過濾、檢測后采用物聯(lián)網(wǎng)方式傳輸至模型層。③模型層依據(jù)處理后的數(shù)據(jù)構(gòu)建和更新煤炭建筑工程BIM模型，同時以3D動態(tài)模擬方式呈現(xiàn)煤礦建筑工程施工情況[16-17]，以便工程管理人員掌握工程資源屬性等信息。④應用層是煤礦建筑工程安全檢測的核心層次，主要實現(xiàn)4D動態(tài)安全檢測、施工作業(yè)人員、建筑材料和作業(yè)機器、設備的動態(tài)監(jiān)控以及利用層次分析方法分析建筑工程的安全性。⑤用戶層實現(xiàn)煤礦建筑工程安全檢測的人機交互功能，用戶通過該層對煤礦建筑工程安全進行管理。

1.3 建筑工程BIM模型構(gòu)建

模型層采用REVIT軟件構(gòu)建煤礦建筑工程的BIM模型。BIM軟件也稱建筑信息模型軟件，此類軟件種類很多，其中REVIT軟件在建筑施工過程應用范圍較大[18]，由于該軟件的模型信息存儲模式為單一式，當所構(gòu)建的建筑模型任何一個組成部分發(fā)生變化時，則模型其余地方也隨之更新，因此REVIT軟件具備較強的雙向關(guān)聯(lián)性。而其族群組件在無任何程序驅(qū)動和編碼語言情況下為用戶提供設計獨立的建筑組件功能，靈活性較好，且可應用于手機端，方便施工人員隨時掌握工程進度。基于此，選擇REVIT軟件構(gòu)建煤礦建筑工程模型。對于煤礦建筑工程的管線利用Navisorks構(gòu)建，該軟件可實時提供管線完整視圖，且精準檢測管線碰撞位置并導出相關(guān)報告。煤礦建筑工程現(xiàn)場布置軟件選擇廣聯(lián)達BIM，版本為V7.70。煤礦建筑工程如圖2所示。

圖2 煤礦建筑工程示意Fig.2 Schematic diagram of coal mine construction project

煤礦建筑工程的主體部分利用REVIT軟件構(gòu)建，依據(jù)數(shù)據(jù)處理層傳輸?shù)慕ㄖこ绦畔ⅲㄟ^確認相應的樣板數(shù)據(jù)，設置好建筑的標高與軸網(wǎng)，將CAD工程圖紙導入REVIT軟件內(nèi)，通過對建筑框架結(jié)構(gòu)執(zhí)行柱體填充、添加梁、門窗等操作步驟，建立該煤礦建筑工程模型。所構(gòu)建的BIM建筑模型如圖3所示。

圖3 煤炭建筑工程BIM模型Fig.3 BIM model of coal construction project

1.4 基于層次分析法的施工過程安全分析

層次分析法屬于運籌學理論，應用層利用層次分析法分析煤礦建筑工程施工過程的安全性。首先先將煤礦建筑工程BIM模型內(nèi)的建筑施工信息劃分為3個層次，其中目標層是整體建筑施工信息，準則層和方案層均是其上一層次向下延伸的較為具體的目標[19]，對該目標進行重要性判斷后，建立煤礦建筑安全分析矩陣，其步驟如下。

R表示煤礦建筑安全分析矩陣，其表達式為：

(1)

依據(jù)上述公式結(jié)果，將煤礦建筑安全分析矩陣涵蓋的所有安全因素排列并歸一化處理，其表達式為：

(2)

利用歸一化處理后的建筑安全因素建立新建筑安全分析矩陣R′，對該矩陣內(nèi)按照行排列的建筑安全因素相加得到行向量[20]，由U=(U1，U2，…，Un)T表示，計算行特征向量權(quán)重，其表達式為：

(3)

對公式(3)進行歸一化處理后，得到建筑安全因素行特征向量權(quán)重，其表達式為：

(4)

式中，Ui為建筑安全因素行特征向量權(quán)重。

對式(4)結(jié)果進行一致性檢驗后，對建筑安全因素行特征向量權(quán)重進行由高至低層次排序，進而獲取到影響煤礦建筑施工過程中安全因素，對比其是否符合安全預警標準，判斷是否進行煤礦建筑工程施工安全預警。

2 應用實例

為驗證本文方法實際應用過程中對煤礦建筑安全檢測效果，利用本文方法從以下幾個方面對其展開安全檢測，測試效果如下。

2.1 孔洞標記測試

為該煤礦建筑工程的調(diào)度中心墻體設置10個孔洞，經(jīng)過RFID和WSN數(shù)據(jù)采集后，實時更新調(diào)度中心的BIM模型，更新結(jié)果如圖4所示，并利用該模型輸出孔洞標記結(jié)果，見表1。結(jié)合圖4與表1可知，在使用本文方法實時更新后的BIM指揮樓建筑模型內(nèi)，所設置的10個墻體孔洞均被標記出且已標注好序號，將孔洞數(shù)據(jù)輸出后，可充分描述孔洞位置、尺寸、標高以及孔洞構(gòu)成材料。該結(jié)果表明，本文方法在建筑施工過程中可有效更新建設施工信息，且能較為具體地描述所更新的建筑施工情況，為后續(xù)建筑施工安全檢測提供較為符合實際情況的決策依據(jù)。

圖4 調(diào)度中心孔洞更新結(jié)果Fig.4 Update results of the holes in the emergency command building

2.2 沖突檢測

在建筑施工過程中，塔吊運送建筑物資時，塔吊與塔吊間、塔吊與樓體間均存在碰撞沖突風險。塔吊如圖5所示。分別使用2臺塔吊為該煤礦建筑運輸砂石等物資，塔吊臂長分別為60 m和70 m，分別標記為塔吊A、塔吊B，初始角度均為30°，塔吊臂均以勻速逆時針方向運轉(zhuǎn)，設置塔吊距樓體沖突閾值為10 m，使用本文方法對兩個塔吊臂以每3 s檢測1次的檢測速度對其進行沖突檢測，檢測結(jié)果如圖6所示。分析圖6可知，檢測次數(shù)越多，則塔吊臂與樓體的距離越近，二者呈正比關(guān)系，即每3 s檢測1次塔吊臂與樓體距離情況，隨著檢測時間的增加，塔吊以勻速方式運轉(zhuǎn)因此距樓體距離越來越近，在測試第30次、35次和40次時，兩個塔吊臂與樓體距離均低于10 m，因此出現(xiàn)5次沖突預警。該結(jié)果表明：本文方法可有效檢測塔吊臂與樓體距離，實現(xiàn)煤礦建筑施工過程中的沖突預警功能。

圖5 塔吊模擬示意Fig.5 Schematic diagram of tower crane simulation

圖6 沖突檢測結(jié)果Fig.6 Conflict detection results

2.3 安全隱患追蹤

利用本文方法對該煤礦的調(diào)度中心進行安全隱患排查，利用手機端初始排查結(jié)果以及安全隱患排除結(jié)果，如圖7所示。分析圖7(a)可知，對該礦區(qū)的調(diào)度中心進行安全隱患排查時，發(fā)現(xiàn)8條安全隱患，當前待整改數(shù)目為1條，而點開隱患整改選項后，則圖7(b)中的最下方水管沖突改造為灰色進度條，灰色進度條表示該項目是當前待整改項目進度，并且呈現(xiàn)其預計整改天數(shù)是14 d。同時圖7(b)中通過進度條顯示了主體鋼結(jié)構(gòu)裂隙整改、負一層電路卡槽拓寬以及區(qū)域回填3個整改項目都已經(jīng)完成了整改。

圖7 安全隱患追蹤測試Fig.7 Security hazard tracking test

綜上可知，本文方法可有效對煤礦建筑工程安全進行安全隱患追蹤，并依據(jù)追蹤結(jié)果規(guī)劃整改時間，描述整改進度，具備較強的工程安全檢測能力。

3 結(jié)語

本文研究基于BIM技術(shù)的煤礦建筑工程安全檢測方法，該方法通過REVIT軟件構(gòu)建煤礦建筑工程的BIM模型，利用層次分析法對建筑工程安全進行分析。經(jīng)過實驗驗證，本文方法標記建筑孔洞準確，且可充分描述孔洞相關(guān)信息，建筑施工情況更新能力好；可有效檢測塔吊臂與樓體距離，具有較強的沖突預警功能；安全隱患排查能力較好，且可充分描述安全隱患情況，并可規(guī)劃整改項目實際與記錄進度。