田輝建 雙晴

(北京交通大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 100044)

0 引言

未來50年，隨著城市化進程的快速推進，我國一線城市將持續(xù)面臨土地資源緊缺和住房需求不足的尖銳矛盾。為高效利用土地，高層建筑呈現(xiàn)不斷增長的趨勢[1]。迪拜塔、上海中心大廈等超高層建筑逐漸成為建筑熱點，同時我國還計劃建設(shè)超過1000m的世界最高建筑。高層建筑在減輕城市住房壓力、帶來城市現(xiàn)代化的同時，也面臨嚴(yán)峻的安全生產(chǎn)問題。高層建筑因為高空作業(yè)危險性因素多、施工技術(shù)復(fù)雜、工作量大等，每年引發(fā)大量施工事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[2]。例如2016年，深圳市南區(qū)某一高層建筑工地24樓防護棚意外發(fā)生坍塌，導(dǎo)致10名工人傷亡；2009年，上海蓮花河畔工程兩側(cè)作業(yè)安排失誤，一側(cè)大量堆積土方，另一側(cè)進行地基開挖工程，兩側(cè)壓力差超過樁基礎(chǔ)承載能力，導(dǎo)致建筑主體傾塌[3]。但是由于我國當(dāng)前工程建設(shè)技術(shù)和項目管理方法的限制，無法采取有效的安全管理措施減少事故的發(fā)生。同時建筑業(yè)為了減少成本、提高收益率，依舊依靠勞動密集型的生產(chǎn)方式，而施工人員大部分為知識水平不足的農(nóng)民工，因此導(dǎo)致施工事故頻發(fā)，安全問題十分嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響了我國建筑業(yè)的健康發(fā)展。

近年來，建筑業(yè)開始引入制造業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)驗，提出建筑產(chǎn)業(yè)化、信息化、智能化的發(fā)展方向[4]。在建筑施工中也逐漸應(yīng)用一些先進的技術(shù)改進安全管理方法，BIM技術(shù)和RFID技術(shù)就是其中兩項重要的應(yīng)用。BIM技術(shù)有著強大的優(yōu)勢，在英國、美國等已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，在國內(nèi)也逐漸引起重視。RFID定位技術(shù)也大量應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療、安全和部分項目管理等領(lǐng)域，顯示出巨大的優(yōu)勢[5]。

本文基于這一現(xiàn)狀，以安全管理為切入點，以BIM、RFID為技術(shù)基礎(chǔ)，研究如何在高層建筑施工過程中運用該技術(shù)進行安全控制?；诟邔咏ㄖ┕ぐ踩芾砝碚摚紤]我國高層建筑施工和歷史安全事故的特點，探索應(yīng)用BIM和RFID的集成方法，全力確保各個環(huán)節(jié)可控，通過精準(zhǔn)有效的控制管理全面降低安全事故的發(fā)生，提高目前高層建筑業(yè)的安全管理水平[4]。

1 高層建筑施工安全管理問題

近幾十年來，建筑安全方面的研究工作逐漸成為研究熱點，尤其是具有高危險性的高層建筑施工[2]。高層建筑施工安全管理具有與一般建筑工程共有的綜合性、復(fù)雜性、非標(biāo)準(zhǔn)性、動態(tài)性特點。除此之外，高層建筑施工還包括以下特點：

(1)施工工作量大、工期長。按照相關(guān)規(guī)定，一般主體高度超過45m的屬于高層建筑，而超高層建筑主體高度則超過100m。因此，高層建筑施工相比一般的住房施工，具有工作量、強度和時間上的區(qū)別，對施工人員的要求更具挑戰(zhàn)性。同時高層建筑層數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要使用大量不同類型的建筑材料和工器具。

(2)施工技術(shù)復(fù)雜、組織要求高。高層建筑的工作人員和工作環(huán)境在不斷流動和改變。高層建筑施工的各種技術(shù)難題和安全問題通常交織存在，導(dǎo)致施工現(xiàn)場易出現(xiàn)很大的安全隱患。要想安全順利地施工，就要協(xié)調(diào)解決好高空中施工人員、建筑材料和機械設(shè)備等運輸問題。

(3)對安全防護的要求高。由于高層建筑施工過程中，工作人員處于高空作業(yè)狀態(tài)，作業(yè)空間相對狹窄，多種交叉作業(yè)配合，因此與一般建筑工程相比，存在的安全隱患更大，對于高空安全防護措施的要求也更高。

2 BIM與RFID技術(shù)的特點與適用性分析

2.1 BIM技術(shù)和適用性分析

BIM技術(shù)是基于三維數(shù)字技術(shù)，協(xié)同整合設(shè)計文件、合同文件等多種建筑工程屬性和專業(yè)信息的數(shù)據(jù)模型[6]，實現(xiàn)更高程度的可視化、模擬化、協(xié)調(diào)性。此外，BIM集成了各種分析計算模擬軟件，例如動態(tài)施工模擬，能夠方便地進行建筑施工的安全控制管理。

BIM在高層建筑工程中的適用性主要體現(xiàn)在技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境適用性三個方面。

(1)在技術(shù)適用性方面，主要包括BIM能夠?qū)崿F(xiàn)安全模型建立、信息共享和信息溝通、動態(tài)施工模擬。例如北京比目魚科技公司利用BIM 5D施工管理系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)北京新機場等大型工程項目的設(shè)計施工。在安全管理方面，BIM技術(shù)可以通過模擬施工不斷優(yōu)化施工安全計劃以及可視化的安全教育培訓(xùn)等，最終提高安全控制效率[6]。

(2)經(jīng)濟適用性分析方面。近幾年，BIM軟件也逐漸被運用到建筑管理領(lǐng)域。由于技術(shù)限制，BIM軟件初始投入較高。例如廣聯(lián)達(dá)BIM 5D軟件對操作電腦的系統(tǒng)配置有明確要求。但是BIM在設(shè)計和施工階段能夠?qū)崿F(xiàn)多次修改和直觀驗收，減少由于設(shè)計圖和施工程序錯誤引起的損失。另外，在后期運營和修繕管理過程中，BIM模型也能發(fā)揮巨大的作用，從而減少成本。因此，在經(jīng)濟上BIM技術(shù)的應(yīng)用也是可行的。

(3)環(huán)境適用性方面。2017年國家提出裝配式建筑的發(fā)展方向，未來建筑信息化、產(chǎn)業(yè)化、智能化成為發(fā)展趨勢?；贐IM技術(shù)的建筑工程和建筑施工安全管理是建筑信息化的一個重要應(yīng)用。通過構(gòu)建3D模型模擬設(shè)計和施工過程，可以提高工程建設(shè)質(zhì)量和安全管理效率，降低安全管理成本。

2.2 RFID技術(shù)和適用性分析

RFID技術(shù)是一種通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的射頻識別技術(shù)[5]。相比于GPS等，RFID技術(shù)在建筑施工過程中具有獨特的優(yōu)勢。近年來RFID技術(shù)不斷發(fā)展，在物流管理、門禁管理、身份識別等領(lǐng)域都得到了廣泛的推廣應(yīng)用，也逐漸被應(yīng)用于建筑行業(yè)識別追蹤等領(lǐng)域。例如，京東集團的智能化快遞分配工廠利用該技術(shù)，實現(xiàn)了用戶快遞的定位和識別。

適用性方面，RFID技術(shù)在建筑工程安全領(lǐng)域具有技術(shù)優(yōu)越性。RFID技術(shù)利用優(yōu)越的非接觸讀寫功能，可以快速識別處于工作狀態(tài)的人員和器械設(shè)備的屬性信息。另外，RFID設(shè)備可以循環(huán)使用，從而節(jié)約成本和資源，有效避免安全事故的發(fā)生，帶來隱形的收益。RFID技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外有了廣泛的應(yīng)用，逐漸成為主流的區(qū)域定位技術(shù)。

3 BIM與RFID技術(shù)的集成化安全管理模型

基于BIM和RFID技術(shù)在高層建筑施工安全管理中的適用性和必要性，為解決高層建筑施工環(huán)境中難以控制的問題，提出一種應(yīng)用BIM和RFID技術(shù)的高層建筑施工安全管理模型(圖1)。模型主要包括五個階段：模型準(zhǔn)備階段、信息收集與處理階段、安全評估階段、安全預(yù)警階段和模型效果評價。

圖1 BIM與RFID技術(shù)的集成化安全管理模型構(gòu)架圖

3.1 模型準(zhǔn)備階段

選取我國2010～2014年高層建筑施工事故的歷史數(shù)據(jù)，分析得到我國建筑施工類型的分布情況，從而利用排列圖法分析高層建筑施工安全性的主要影響因素。排列圖法是用來尋找影響工程安全的有效方法[7]。

由表1可知，我國高層建筑施工主要有六大傷害。其中高處墜落、坍塌事故、物體打擊屬于

表1 高層建筑工程事故因素排列表

A類因素，是安全事故預(yù)防的重點。通過對歷史安全事故資料的統(tǒng)計分析得到高層建筑施工的主要危險源，可以為信息收集和安全評估階段提供支持，對主要危險源的位置進行預(yù)先控制。

3.2 信息收集與處理階段

信息收集和處理階段是依據(jù)工程信息、現(xiàn)場施工人員和機械器具信息構(gòu)建現(xiàn)場施工實時模型，并利用BIM和RFID技術(shù)進行虛擬施工，對所有工程進度信息進行有效的識別，形成一個4D模型。利用事故預(yù)分析，對BIM系統(tǒng)中已有的現(xiàn)場3D模型及其一般屬性進行補充，并定期對施工環(huán)境信息進行更新，從而有效識別模型中的危險區(qū)域。

結(jié)合高層建筑施工環(huán)境特性，考慮定位精度、定位范圍、抗干擾能力、穿透障礙物能力和拓展性，通過對比分析國內(nèi)外多種定位技術(shù)，最終選擇RFID技術(shù)作為現(xiàn)場定位技術(shù)[8]。RFID技術(shù)主要包括標(biāo)簽、讀寫器以及計算機通信網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)場施工過程中，RFID標(biāo)簽一般置于工人的安全帽中，各層安放讀寫器，從而實時定位工人的位置。同樣，現(xiàn)場機械器具信息收集方面，對于能夠產(chǎn)生運動范圍的大型機械設(shè)備，可運用RFID技術(shù)解決精準(zhǔn)定位問題[9]。

3.3 安全評估階段

結(jié)合實際高層建筑工程項目專業(yè)信息，通過BIM技術(shù)構(gòu)建施工環(huán)境，對危險區(qū)域進行全方位的模擬分析，找出在正常施工過程中發(fā)生的碰撞，墜落，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等安全問題，從而做到事前修正與控制。例如龍門架周圍一定半徑、基坑邊緣一定距離范圍區(qū)域內(nèi)都是危險區(qū)域，使用紅色標(biāo)記，可以讓工程相關(guān)人員形象辨識。利用專業(yè)安裝的RFID標(biāo)簽，接收現(xiàn)場重要的施工人員、材料資源、機械設(shè)備等各種要素的實時位置信息，并且準(zhǔn)確反映在所構(gòu)建的BIM模型中，從而精準(zhǔn)監(jiān)控施工過程。

3.4 安全預(yù)警階段

從現(xiàn)場施工工人角度考慮，安全預(yù)警主要包括信號發(fā)射、信號接收和信號反饋三個步驟。施工作業(yè)人員一旦進入危險區(qū)域，就會向預(yù)警系統(tǒng)發(fā)射非正常的位置信息，觸發(fā)云端BIM+RFID監(jiān)控系統(tǒng)的安全警報。信號接收階段安全預(yù)警系統(tǒng)會及時發(fā)出提醒信息，在工人安全帽上顯示顏色或者發(fā)出危險提示音。對于即將觸碰到危險區(qū)域的建筑工人進行安全提醒，從而精準(zhǔn)控制現(xiàn)場的施工過程，減少事故發(fā)生率。信號反饋是指工人感知到危險提示后退出危險區(qū)域。

3.5 模型效果評價

模型效果評價是對應(yīng)用該施工安全控制模型后，控制和處理高層建筑施工暗藏危險和不確定因素的有效性分析。郭紅領(lǐng)等根據(jù)安全事故發(fā)生原因分析，將施工現(xiàn)場的危險區(qū)域分為與建筑結(jié)構(gòu)和臨時設(shè)施相關(guān)、與機械設(shè)施相關(guān)兩類，具體包括墜落、坍塌、物體打擊、觸電等事故[8]。結(jié)合高層建筑施工的工程特性，選取上述主要高層施工安全影響因素，建立施工安全性評價指標(biāo)體系，組織監(jiān)理單位、施工單位、建設(shè)單位代表進行評價，對高層建筑作業(yè)的整個施個工程進行安全系數(shù)整體評估。對比分析應(yīng)用BIM和RFID技術(shù)控制施工的安全管理流程(圖2)前后的安全效率，評估BIM與RFID技術(shù)的集成化安全管理模型。

圖2 應(yīng)用BIM與RFID技術(shù)進行安全管理的流程

4 未來的挑戰(zhàn)和方向

4.1 未來的挑戰(zhàn)

BIM技術(shù)還處在剛剛興起的階段，在各種工程環(huán)境中的應(yīng)用效果還沒有發(fā)展成熟。2017年，國家相關(guān)單位提出對于部分工程項目必須強制使用BIM技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，實現(xiàn)裝配式建筑生產(chǎn)，但是在初期并沒有足夠的技術(shù)和配套設(shè)施支持，這種生產(chǎn)方法還難以快速實現(xiàn)。當(dāng)前技術(shù)在精度和成熟度上存在不足，這對高層建筑施工中部分具有高危但精密特點的作業(yè)具有威脅性，同時應(yīng)用成本較高。例如外墻裝飾作業(yè)中，為了保證裝飾材料粘貼的精度，工人長時間在室外高空作業(yè)，很難降低危險發(fā)生的可能性。另外，當(dāng)前能夠熟練操作和使用BIM技術(shù)的專業(yè)人員也處于匱乏狀態(tài)。RFID技術(shù)還是一種利用較少的定位技術(shù)，RFID與BIM技術(shù)的集成還沒有實現(xiàn)現(xiàn)實應(yīng)用，這對該模型在施工領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了一定的阻力。

4.2 發(fā)展方向

近年來，BIM和RFID技術(shù)在美國、日本等國廣泛應(yīng)用，取得很多創(chuàng)新的建筑項目管理方法和技術(shù)手段。

(1)實現(xiàn)工程信息的共享和管理。例如上海中心大廈這樣的超高層建筑，在施工過程中產(chǎn)生了海量信息，在控制質(zhì)量和資金目標(biāo)的基礎(chǔ)上，必須經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)收集和計算、分配、反饋過程，因此大大影響工程的效率，也增大了施工過程中暴露在危險區(qū)域的時間。利用新技術(shù)RFID能實現(xiàn)現(xiàn)場信息的實施定位，BIM虛擬模型能整合多維度信息，實現(xiàn)多方的控制和溝通，及時修正各方發(fā)現(xiàn)的安全問題。

(2)施工場地的布置優(yōu)化。施工現(xiàn)場是工程各方共同協(xié)作創(chuàng)造價值的地方，現(xiàn)場的人員、材料、器械設(shè)備的布置情況會對工程過程的安全產(chǎn)生直接影響，關(guān)系各項組織計劃能否正常有序地進行。利用BIM和RFID技術(shù)可以在正式施工之前，在滿足工程要求的基礎(chǔ)上，通過模擬施工，制訂出最優(yōu)的布置計劃。

5 結(jié)語

高層建筑工程是安全事故發(fā)生較多且難以有效控制的高危領(lǐng)域。為了提高安全管理的效率，本文從目前高速發(fā)展的BIM技術(shù)和RFID技術(shù)出發(fā)，結(jié)合建筑業(yè)安全管理發(fā)展現(xiàn)狀，建立起一個科學(xué)經(jīng)濟、精準(zhǔn)有效的安全管理系統(tǒng)，為高層建筑施工安全管理生產(chǎn)提供科學(xué)的依據(jù)和智能化的管理辦法。建筑施工是一個高度動態(tài)和技術(shù)復(fù)雜的過程，安全管理是工程建設(shè)的基石。BIM技術(shù)和RFID技術(shù)的引入，將對建筑業(yè)的科技進步和健康發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。