張彬彬

(上海市地下空間設計研究總院有限公司，上海200000)

0 引言

隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑結構形式及施工工序日益復雜，施工現(xiàn)場塔吊安全事故頻發(fā)，為工地現(xiàn)場的安全管理帶來了愈加復雜的安全風險和隱患[1]。2017年6月16日，上海虹橋商務區(qū)淮虹路申虹路某工地，塔吊作業(yè)時發(fā)生倒塌事故，造成2人受傷；2017年7月5日，江蘇省張家港市楊舍鎮(zhèn)匯金中心工地發(fā)生塔吊倒塌事故，造成1人死亡，4人受傷；2017年7月22日，珠海區(qū)振興大街16號一在建工地發(fā)生塔吊傾斜倒塌事故，造成7人死亡，2人受傷，等等。大量研究發(fā)現(xiàn)造成風險事故發(fā)生的直接原因就是危險源，它是事故鏈的起端，因此對現(xiàn)場塔吊展開危險源管理工作十分必要。然而，面對現(xiàn)場塔吊施工日趨復雜的形勢，傳統(tǒng)的管理方法已不能滿足現(xiàn)代安全管理動態(tài)、快速、準確的風險識別、評估、預警的需求，難以有效降低工地塔吊安全事故的發(fā)生率[1-3]。

近年來，計算機、網(wǎng)絡通信等信息技術的發(fā)展為提高建筑工程建設安全管理提供了新的手段和途徑，其中BIM技術居于舉足輕重的地位，也是當前安全管理的一個重要研究方向。BIM技術具有可視化、協(xié)同性、綜合性的特性，基于BIM技術能夠?qū)F(xiàn)場所有的動態(tài)安全信息進行集成，能夠為施工現(xiàn)場的安全問題進行溝通和協(xié)調(diào)提供統(tǒng)一的平臺。

同時，需要注意的是，單純的BIM技術應用較難滿足現(xiàn)場安全管理的需求，其與網(wǎng)絡技術的結合，尤其是與無線傳感網(wǎng)絡技術的結合，極大地提高了BIM技術的價值，為現(xiàn)場的安全管理手段提供了“感知器官”。通過BIM技術和無線傳感網(wǎng)絡技術，如RFID、ZigBee和UWB技術，可以實現(xiàn)對現(xiàn)場安全信息的實時自動化動態(tài)收集，因此應用BIM技術和WSN技術解決施工現(xiàn)場安全管理問題將會是一大發(fā)展趨勢。

許多專家學者對BIM技術在安全管理方面的應用進行了較多的理論研究和實踐。郭紅玲等使用RFID技術實現(xiàn)了現(xiàn)場施工人員的動態(tài)定位，并提出了基于BIM技術和RFID技術的施工現(xiàn)場工人定位系統(tǒng)模型[4]。劉文平引入GPS定位技術和UWB定位技術分別對施工現(xiàn)場室外目標和室內(nèi)目標進行定位，提出適用于施工現(xiàn)場的綜合定位方法[5]。張建平等結合BIM技術，分析了塔吊對施工人員的威脅，并對施工現(xiàn)場物理碰撞檢測進行了分析和提示[6]。MERIVIKTA等(2011)提出用于展現(xiàn)施工進度計劃和建筑模型統(tǒng)一的4D-BIM技術，并提出BIM可以用于工地通信[7]。PARK等(2013)提出了建筑安全管理和可視化系統(tǒng)的框架，通過對BIM、虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)和游戲技術(GAME)的集成，建立了安全管理可視化系統(tǒng)(SMVS)[8]。AZHAR等(2013)使用BIM技術將施工安全問題和施工計劃進行緊密連接，允許項目參與者直觀地評估現(xiàn)場條件和識別風險，提供足夠時間制定風險緩解計劃等[9]。

然而上述研究內(nèi)容主要是應用BIM技術實現(xiàn)對危險源的自動識別、施工現(xiàn)場布置與安全計劃、施工臨時設施和部分危險部位的安全檢查、現(xiàn)場安全交底和溝通、事故應急處置模擬，基于BIM技術的塔吊安全管理的研究比較少。本文構建了基于BIM與WSN技術的塔吊安全管理實施監(jiān)測與預警系統(tǒng)框架，梳理系統(tǒng)運行流程、系統(tǒng)功能應用模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程，并分析論述該系統(tǒng)的各組成部分，以期最大限度地為基于BIM的塔吊安全管理實施監(jiān)測與預警等相關系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

1 塔吊安全事故預警系統(tǒng)模型構建

塔吊安全事故預警模型如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要是利用傳感器實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括：施工人員和塔吊運動數(shù)據(jù)的采集；安全事故、項目信息庫、項目案例數(shù)據(jù)的采集；塔吊安全預警系統(tǒng)使用者需輸入的數(shù)據(jù)，如塔吊載重預警值、人員安全運動范圍值等。

1.2 數(shù)據(jù)處理層

UWB或傳感器收集過來的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過處理過濾，如轉(zhuǎn)換格式等，還需要對收集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)督和管理。所收集的數(shù)據(jù)在與BIM進行交互時需要采用IFC標準，數(shù)據(jù)進行交互時需要對數(shù)據(jù)進行處理、識別和匹配，這樣才能產(chǎn)生符合BIM模型需要的數(shù)據(jù)，將收集的數(shù)據(jù)與模型載體進行關聯(lián)掛接，為事故預警提供基礎支持。

1.3 模型層

模型層是塔吊安全預警的核心層，通過構建建筑三維實體模型、安全管理模型、動態(tài)模擬效果模塊(如4D和5D展示)、人力資源、構件信息資源等模塊，使系統(tǒng)具有多維度、可視化的特性，并且各模塊之間通過IFC統(tǒng)一標準實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通。

圖1 塔吊安全預警系統(tǒng)總體框架

1.4 應用層

應用層是塔吊安全管理系統(tǒng)的功能模塊，是系統(tǒng)在模型層基礎上的具體應用及功能體現(xiàn)，主要包括：4D動態(tài)模擬、人-塔吊動態(tài)監(jiān)控、施工中的實時數(shù)據(jù)收集、安全分析與預警4個部分。

1.5 用戶層

用戶層是塔吊安全管理系統(tǒng)的使用者，也是該系統(tǒng)的參與者。系統(tǒng)中對于人的監(jiān)控對象就是用戶層，主要包括管理者、安全員、一般塔吊工作人員、特殊塔吊工作人員、施工人員。

同時，對于人員的實時監(jiān)控主要是對人員位置的監(jiān)控，需要對人員位置信息進行實時獲取。人員實時位置信息需求見表1。

表1 人員實時位置信息需求

2 系統(tǒng)運行流程

基于BIM和WSN技術的塔吊安全實時監(jiān)測和預警系統(tǒng)的運行流程如圖2所示。

圖2 塔吊安全預警系統(tǒng)運行流程圖

數(shù)據(jù)收集處理階段主要是實時動態(tài)收集人員的位置信息數(shù)據(jù)，傳感器負責收集塔吊的運行信息數(shù)據(jù)，如塔吊力矩、載重、轉(zhuǎn)角等，并利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效性分析。

處理好的數(shù)據(jù)通過BIM模型載體，實時動態(tài)集成到BIM模型中，利用數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)對人員和塔吊施工信息數(shù)據(jù)進行分析，實時了解現(xiàn)場人員位置信息和塔吊的運行信息。

當系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)表明塔吊的運動威脅人員的安全時，系統(tǒng)會立即發(fā)出聲光預警信號，現(xiàn)場相關人員立即采取安全管控措施，及時消除危險，待安全危險因素解除之后系統(tǒng)會自動停止安全預警。

3 系統(tǒng)應用模塊

基于BIM與WSN的塔吊安全預警系統(tǒng)應用模塊主要包括：安全教育系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、安全預警系統(tǒng)、應急救援系統(tǒng)。各模塊所包含的應用功能如圖3所示。

3.1 安全教育系統(tǒng)

安全教育系統(tǒng)的目的是通過三維可視化的手段對工人進行安全教育，通過對施工現(xiàn)場的環(huán)境進行虛擬展示，對施工工序的可視化模擬，提供各工序的標準操作規(guī)范和要求，使工人在進場施工之前切身熟悉現(xiàn)場的實際施工情況，掌握滿足施工規(guī)范要求的操作行為，并且通過塔吊危險源可視化管理實現(xiàn)對塔吊危險源的三維可視化展示，以此多方位多角度提高施工人員的安全防范意識和知識，杜絕安全事故的發(fā)生。

3.2 安全監(jiān)控系統(tǒng)

安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對塔吊運行的監(jiān)控，及時掌握塔吊運行過程中的危險值及區(qū)域，并對危險做出反映。塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)主要是監(jiān)控多塔吊之間的碰撞，防止多塔吊發(fā)生碰撞事故；塔吊高處墜物監(jiān)控系統(tǒng)主要是監(jiān)控塔吊的載重是否超過預警及報警值，當傳感器獲取的載重數(shù)據(jù)達到相應的報警值時，系統(tǒng)會進行自動及時報警；塔吊違規(guī)操作監(jiān)控系統(tǒng)主要是對塔機司機的行為進行監(jiān)控，當塔司操作出現(xiàn)不滿足規(guī)范要求的行為時，系統(tǒng)會及時將數(shù)據(jù)反饋給相關管理者；塔吊安拆安全監(jiān)控系統(tǒng)是對塔吊安裝和拆除過程進行監(jiān)控，這也是塔吊發(fā)生事故的兩個關鍵階段。

3.3 安全預警系統(tǒng)

安全預警系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對危險的警報，特別是當塔吊的運行區(qū)域威脅施工人員的安全時，該系統(tǒng)會及時自動發(fā)出預警警報。安全預警系統(tǒng)的及時準確與否，很大程度上取決于其子模塊安全警報發(fā)送系統(tǒng)、安全警報反饋系統(tǒng)、安全模型更新機制3個方面工作的處理情況。

圖3 塔吊安全預警系統(tǒng)功能應用模塊

3.4 應急救援系統(tǒng)

應急救援系統(tǒng)是事故發(fā)生之后，現(xiàn)場能夠及時采取相應的救援措施使損失降到最小。這就需要眾多的BIM案例及項目數(shù)據(jù)庫，及時提出應急救援預案，并制定有效的處理機制，在事故發(fā)生后及時報警，聯(lián)系并指引救護車及時到達現(xiàn)場。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

數(shù)據(jù)流程主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)處理、BIM數(shù)據(jù)系統(tǒng)等過程。塔吊安全預警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 塔吊安全預警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程

4.1 設備數(shù)據(jù)采集過程

UWB負責采集人員位置信息數(shù)據(jù)，并記錄人員位置軌跡。各類傳感器負責采集現(xiàn)場塔吊運行信息數(shù)據(jù)，并記錄塔吊的運行數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)整理過程

該過程主要負責對收集的各類數(shù)據(jù)，按照IFC標準進行轉(zhuǎn)換，去除不必要的數(shù)據(jù)信息，提高信息數(shù)據(jù)的利用效率。

4.3 信息交互模塊

信息交互模塊是塔吊安全管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程的核心，傳感器與計算機的數(shù)據(jù)信息交互，需要了解掌握各類傳感器的API接口，但不同傳感器的數(shù)據(jù)傳輸格式不同，需要制定各類傳感器的統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸格式，以保證數(shù)據(jù)信息交互的可行性。

4.4 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要是對現(xiàn)場硬件設備收集的數(shù)據(jù)信息進行有效的處理和分析，準確判斷人員及塔吊的現(xiàn)場工作情況。此外，該模塊也能處理用戶手動輸入的數(shù)據(jù)，判定人員或塔吊的情況。同時，還需要處理BIM系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息。該模塊是整個系統(tǒng)中的重中之重。

5 結語

建筑業(yè)塔吊事故頻發(fā)。本文結合塔吊安全管理的發(fā)展狀況以及BIM與WSN技術相結合輔助現(xiàn)場安全管理的優(yōu)勢，即可視化、集成化、實時性等，構建了基于BIM與WSN技術的塔吊安全管理實施監(jiān)測與預警系統(tǒng)框架，分析了該框架系統(tǒng)的實施流程和數(shù)據(jù)流程，并對系統(tǒng)的功能應用模塊進行了論述，可為建筑業(yè)相關單位對施工過程中的塔吊安全管理系統(tǒng)的開發(fā)提供新的解決思路和途徑，并有利于BIM與WSN技術在建筑業(yè)的有效實施及推廣，以及將BIM與WSN技術在建筑施工中的應用價值最大化。

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