夏 楊，孫文建

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

建筑業(yè)作為支撐我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一，其建設(shè)規(guī)模逐年增長(zhǎng)，這也導(dǎo)致安全事故率隨之增長(zhǎng)，其中高空作業(yè)事故導(dǎo)致的傷亡人數(shù)占比最高[1]。與此同時(shí)，建筑施工現(xiàn)場(chǎng)具有施工人員流動(dòng)性大、人員密集且施工環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，而高空作業(yè)涉及多工種的交叉作業(yè)和各種大型機(jī)械設(shè)備的操作，以傳統(tǒng)的人工管理方式難以對(duì)其進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)和預(yù)控，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患。因此，面對(duì)目前嚴(yán)峻的行業(yè)安全形勢(shì)，借助現(xiàn)代化信息技術(shù)預(yù)防建筑工人高空作業(yè)安全事故的發(fā)生，對(duì)降低建筑業(yè)安全生產(chǎn)事故具有重要意義。

RFID作為近些年興起的先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，具有實(shí)時(shí)性、耐久性、遠(yuǎn)程性和定位精準(zhǔn)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]，而Cloud-BIM是將云計(jì)算的快速儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)處理分析能力與BIM的協(xié)同管理、可視化、智能化技術(shù)重新進(jìn)行整合，克服了BIM技術(shù)在計(jì)算能力和硬件配置方面的不足，最大限度地發(fā)揮出了云計(jì)算和BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[3]。CHAE等[4]通過(guò)運(yùn)用RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工人員和機(jī)械的實(shí)時(shí)定位與安全預(yù)警。LI等[5]首次提出將云計(jì)算與BIM技術(shù)結(jié)合可以降低BIM軟件的使用成本并提高軟件的拓展性，而云計(jì)算中的移動(dòng)計(jì)算技術(shù)也從根本上改變了傳統(tǒng)BIM的開(kāi)發(fā)方式。畢振波等[6]提出適用性更強(qiáng)的云服務(wù)模式下的BIM系統(tǒng)框架，并對(duì)已投入使用云BIM技術(shù)的企業(yè)進(jìn)行了軟件的適用性分析，證明云BIM技術(shù)的使用可以有效提高軟件計(jì)算能力，降低軟件運(yùn)維成本，擴(kuò)大軟件應(yīng)用范圍。仲青等[7]將BIM技術(shù)與RFID技術(shù)集成構(gòu)建施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)，并通過(guò)深度探索系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)解決了傳統(tǒng)安全管理系統(tǒng)中可視化程度不高和實(shí)時(shí)定位不精確的問(wèn)題。郭紅領(lǐng)等[8]開(kāi)創(chuàng)性地將BIM技術(shù)與PT技術(shù)進(jìn)行集成，構(gòu)建了建筑工人不安全行為預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工人實(shí)時(shí)位置、機(jī)械操作和預(yù)防碰撞事故的功能。上述研究主要運(yùn)用BIM技術(shù)構(gòu)建施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理系統(tǒng)框架，而未解決安全系統(tǒng)中功能模塊的信息處理、計(jì)算和分析能力不高的問(wèn)題，且對(duì)如何運(yùn)用信息化技術(shù)降低高空作業(yè)安全事故的研究較少。筆者認(rèn)為運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)集成構(gòu)建高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)，可有效降低施工現(xiàn)場(chǎng)安全事故發(fā)生率。

筆者針對(duì)目前我國(guó)建筑業(yè)高空作業(yè)安全管理現(xiàn)狀，將先進(jìn)的Cloud-BIM和RFID技術(shù)集成并構(gòu)建高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)4個(gè)功能模塊進(jìn)行深入的研究并通過(guò)案例驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性，極大程度上提高對(duì)建筑工人高空作業(yè)的安全管理效率。

1 高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)構(gòu)建思路

1.1.1 系統(tǒng)功能需求分析

基于建筑工人高空作業(yè)安全管理現(xiàn)狀及Cloud-BIM與RFID技術(shù)集成優(yōu)勢(shì)，對(duì)高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)的功能需求總結(jié)如下：①自動(dòng)化的數(shù)據(jù)信息采集。通過(guò)RFID技術(shù)自動(dòng)收集施工現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)人員、材料、機(jī)械的對(duì)象屬性及實(shí)時(shí)位置等信息[9-10]，并結(jié)合傳感器技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)收集施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息。②數(shù)據(jù)信息的集成和交互。在建筑工人高空作業(yè)中存在很多與項(xiàng)目相關(guān)的數(shù)據(jù)，如人員、材料、機(jī)械的位置和屬性信息以及環(huán)境信息等，系統(tǒng)需要完成數(shù)據(jù)的集成、處理和交互，才能確保最終輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性。③可視化的安全監(jiān)控。通過(guò)云計(jì)算、BIM和RFID這3種技術(shù)不同優(yōu)勢(shì)的相互融合，安全管理人員可以通過(guò)高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)直觀地獲取到高空作業(yè)人員的安全行為、環(huán)境信息和物的不安全狀態(tài)。

1.1.2 研究技術(shù)路線圖

系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)路線圖如圖1所示，筆者從高空作業(yè)安全管理現(xiàn)狀和Cloud-BIM與RFID技術(shù)優(yōu)勢(shì)出發(fā)，提出系統(tǒng)功能需求，從而構(gòu)建能夠切實(shí)解決高空作業(yè)事故的安全系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)以功能模塊為核心，分別構(gòu)建數(shù)據(jù)層和模型層，為功能模塊的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持，并通過(guò)案例分析驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可能性。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)路線圖

1.2 系統(tǒng)總體框架

建筑工人高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)的來(lái)源主要由RFID實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、危險(xiǎn)源清單、安全控制措施清單及高空事故案例庫(kù)組成，并將收集的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至云服務(wù)器，通過(guò)云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與BIM模型層的實(shí)時(shí)交互，最終完成功能層中安全規(guī)劃、實(shí)時(shí)定位、安全預(yù)警和教育培訓(xùn)4個(gè)功能模塊及其子功能模塊的開(kāi)發(fā)，用戶可通過(guò)不同操作端的設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工人高空作業(yè)的安全管理，系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 安全規(guī)劃模塊

安全規(guī)劃是指通過(guò)制定有效的事前控制措施，以提高過(guò)程中的安全管理效率及預(yù)防危險(xiǎn)的發(fā)生。目前對(duì)建筑工人高空作業(yè)安全管控的事前控制措施很薄弱，傳統(tǒng)的安全管理預(yù)控手段主要依靠人工策劃，較少使用信息化的技術(shù)進(jìn)行安全預(yù)控。通過(guò)開(kāi)發(fā)安全管理系統(tǒng)的安全規(guī)劃模塊，可以改進(jìn)現(xiàn)有的不足，提高安全監(jiān)管的效率。

高空作業(yè)安全管理的核心工作是能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源并采取有效的安全控制措施。因高空作業(yè)事故類型多，可能引發(fā)事故發(fā)生的危險(xiǎn)源更多，因此系統(tǒng)在進(jìn)行危險(xiǎn)源的識(shí)別時(shí)，需要事先建立一個(gè)可靠的危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫(kù)。高空作業(yè)的危險(xiǎn)源清單由同類型或相似類型安全事故案例、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告、安全風(fēng)險(xiǎn)檢查表和與高空作業(yè)相關(guān)的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)組成。

安全控制措施清單的數(shù)據(jù)構(gòu)建與危險(xiǎn)源清單的構(gòu)建思路相同，同樣以表的形式儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。安全措施清單表的基本屬性信息包括安全控制措施ID、名稱、位置、所屬功能模塊、措施成本等。筆者以腳手架安全防護(hù)用具和防護(hù)設(shè)施不到位導(dǎo)致的高處墜落為例，建立高空作業(yè)安全危險(xiǎn)源表，如表1所示。

表1 高空作業(yè)安全危險(xiǎn)源表

針對(duì)上述危險(xiǎn)因素將采取以下控制措施：①檢查腳手架連接的安全狀態(tài)；②安全防護(hù)設(shè)施按規(guī)范搭設(shè)；③施工人員正確佩戴防護(hù)用具；④作業(yè)人員安全教育和交底記錄[11]。這4條安全控制措施不只是完全針對(duì)腳手架上作業(yè)的高處墜落風(fēng)險(xiǎn)，其中部分也可以應(yīng)用于其他類型的危險(xiǎn)源。因此，危險(xiǎn)源清單表和安全措施清單表中并非是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可能存在著單對(duì)多、多對(duì)多的關(guān)系。筆者通過(guò)應(yīng)用Access2013軟件構(gòu)建危險(xiǎn)源清單表和安全控制措施表間這種多對(duì)多關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)，兩類表稱之為儲(chǔ)存型表，兩者之間的關(guān)聯(lián)需要通過(guò)增加一個(gè)新的含有公共字段的表來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱之為關(guān)聯(lián)型表，而關(guān)聯(lián)型表中的公共字段則為危險(xiǎn)源ID，具體如圖3所示。

圖3 危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)表與控制措施表間的關(guān)系

圖4 高空作業(yè)安全控制措施表

安全規(guī)劃模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)由危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)表、安全控制措施表及二者之間的關(guān)聯(lián)表構(gòu)成，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)因素，按照相關(guān)規(guī)范在危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)表中創(chuàng)建相應(yīng)的安全控制措施、措施規(guī)則和所屬功能模塊，高空作業(yè)安全控制措施表如圖4所示。安全規(guī)劃模塊數(shù)據(jù)庫(kù)主要通過(guò)“位置”字段，查詢某一高空作業(yè)位置里存在的危險(xiǎn)源，針對(duì)不同的危險(xiǎn)源提出相關(guān)的安全控制措施，為高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)中安全規(guī)劃功能模塊的數(shù)據(jù)需求提供參考依據(jù)。

1.4 實(shí)時(shí)定位模塊

1.4.1 危險(xiǎn)區(qū)域劃分

根據(jù)可能造成事故的程度和GB50870-2013《建筑施工安全技術(shù)統(tǒng)一規(guī)范》[12]將預(yù)警分為4個(gè)等級(jí)，由小到大依次為綠色、黃色、橙色、紅色，方便在系統(tǒng)中進(jìn)行不同等級(jí)的危險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別，具體劃分如表2所示。

表2 高空作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域劃分

通過(guò)識(shí)別BIM安全模型中的危險(xiǎn)區(qū)域，系統(tǒng)可以及時(shí)判定人員或機(jī)械是否處于安全區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員和機(jī)械作業(yè)過(guò)程是否存在不安全行為或不安全狀態(tài)的監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)隱患將立即預(yù)警[13]。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[14-15]，得到建筑工人高空作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域的界定規(guī)則，在實(shí)際施工過(guò)程中，具體的危險(xiǎn)區(qū)域半徑界定不僅需參考相關(guān)規(guī)范，還需結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)環(huán)境做綜合設(shè)定。高空作業(yè)危險(xiǎn)因素的區(qū)域界定如表3所示。

1.4.2 定位模塊運(yùn)行流程

實(shí)時(shí)定位模塊運(yùn)行需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題在于危險(xiǎn)區(qū)域的劃分、不同危險(xiǎn)因素的區(qū)域界定及確定人員、機(jī)械處于危險(xiǎn)狀態(tài)下有效的安全控制措施。當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)后，實(shí)時(shí)定位模塊將立即捕捉對(duì)象位置，一旦判定標(biāo)簽處于危險(xiǎn)區(qū)域?qū)⒘⒓锤鶕?jù)危險(xiǎn)距離發(fā)布相應(yīng)預(yù)警等級(jí)。因此，定位模塊的運(yùn)行需與其他模塊實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析制定有效的安全控制措施和安全教育培訓(xùn)交底。在前文的研究基礎(chǔ)上對(duì)定位模塊的運(yùn)行流程進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，如圖5所示。

表3 高空作業(yè)危險(xiǎn)因素的區(qū)域界定

圖5 實(shí)時(shí)定位模塊運(yùn)行流程圖

1.5 安全預(yù)警模塊

安全預(yù)警模塊主要針對(duì)建筑工人高空作業(yè)過(guò)程中的不安全行為、物的不安全狀態(tài)和不安全環(huán)境進(jìn)行預(yù)警，包括人員、材料、機(jī)械的位置信息、屬性信息及環(huán)境信息。高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)的安全預(yù)警模塊主要分4個(gè)階段，分別為定義預(yù)警規(guī)則、預(yù)警識(shí)別、警情預(yù)測(cè)及警報(bào)發(fā)布，預(yù)警過(guò)程示意圖如圖6所示。

圖6 預(yù)警過(guò)程示意圖

(1)預(yù)警規(guī)則。預(yù)警模塊作為系統(tǒng)的核心部分，其正常運(yùn)行的前提是將合理的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和高空作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域界定規(guī)則錄入預(yù)警模塊，確保預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)預(yù)警識(shí)別。通過(guò)RFID閱讀器可以對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的人員和機(jī)械信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至云服務(wù)器，通過(guò)云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)及各功能模塊間的數(shù)據(jù)交互。

(3)警情預(yù)測(cè)。待數(shù)據(jù)處理完畢后，將通過(guò)集成在Cloud-BIM管理平臺(tái)中的BIM模型預(yù)測(cè)該次人員或機(jī)械的實(shí)際情況是否會(huì)導(dǎo)致高空作業(yè)安全事故的發(fā)生。

(4)警報(bào)發(fā)布。最終的預(yù)測(cè)結(jié)果將以可視化的方式顯示在預(yù)警模塊中，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)布該次警報(bào)。

1.6 教育培訓(xùn)模塊

教育培訓(xùn)模塊主要包括教育培訓(xùn)與測(cè)試和安全教育評(píng)價(jià)。

(1)教育培訓(xùn)與測(cè)試。安全教育和培訓(xùn)的具體內(nèi)容包括可視化視頻與圖文、BIM模型關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和技術(shù)及相關(guān)規(guī)范等。由于建筑工人的受教育程度普遍不高且部分工人年齡較大，因此教育培訓(xùn)模式應(yīng)優(yōu)先采用視頻的方式，其次是圖片，盡量將文字資料轉(zhuǎn)成語(yǔ)音材料，方便工人學(xué)習(xí)。經(jīng)教育培訓(xùn)后，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)不同工種和工作區(qū)域分發(fā)對(duì)應(yīng)的測(cè)試題。工人在答題過(guò)程中，不論結(jié)果正確與否，系統(tǒng)均會(huì)給出正確答案及相應(yīng)的視頻或圖文并記錄測(cè)試成績(jī)。

(2)安全教育評(píng)價(jià)。根據(jù)參加測(cè)試人員的成績(jī)進(jìn)行不同的等級(jí)評(píng)價(jià)，主要包括不合格、合格、良好和優(yōu)秀。測(cè)試成績(jī)不合格的工人，可重新參加培訓(xùn)，若測(cè)試不合格次數(shù)達(dá)3次及以上將予以調(diào)換崗位或辭退；測(cè)試成績(jī)?yōu)楹细竦墓と?，系統(tǒng)將自動(dòng)納入安全檢查名單進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控；測(cè)試成績(jī)?yōu)榱己没騼?yōu)秀的工人可給予適當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)。在某些危險(xiǎn)性較大的工序中，測(cè)試成績(jī)將作為選擇施工人員的依據(jù)。此外，系統(tǒng)還將對(duì)所有測(cè)試人員的答題結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，歸納出錯(cuò)誤率最高的題型，有助于制定針對(duì)性的安全控制措施，并作為后期教育培訓(xùn)的重點(diǎn)，同時(shí)在施工現(xiàn)場(chǎng)巡查時(shí)重點(diǎn)關(guān)注。

2 案例應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

案例工程為南京市某項(xiàng)目A2地塊三期1～7號(hào)樓工程。項(xiàng)目地下一層，主要為停車庫(kù)和設(shè)備用房。規(guī)劃1號(hào)樓為商業(yè)綜合體，建筑面積為54 345 m2，為框剪結(jié)構(gòu)；2號(hào)～3號(hào)樓為超高層住宅，結(jié)構(gòu)設(shè)置結(jié)構(gòu)縫將建筑分成兩個(gè)單體，共57層，為剪力墻結(jié)構(gòu)，可能誘發(fā)高空作業(yè)事故的危險(xiǎn)源眾多，故本案例選取2號(hào)～3號(hào)樓構(gòu)建BIM模型，驗(yàn)證高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)功能。

2.2 應(yīng)用分析

高空作業(yè)安全管理信息系統(tǒng)以Navisworks軟件為開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，通過(guò)增添自定義插件的方式增加軟件的附加功能，最終完成高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)的創(chuàng)建。筆者選擇將Navisworks.API中的通用型插件集成到Navisworks軟件中的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能模塊的開(kāi)發(fā)。在模塊面板中，每個(gè)功能模塊的子模塊選用?？看翱谛筒寮?。通過(guò)在Navisworks安裝目錄的plugins文件里創(chuàng)建與應(yīng)用軟件格式相同的文件，最后將編寫完成的應(yīng)用軟件移動(dòng)到Navisworks中完成插件的添加。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一旦監(jiān)測(cè)到施工人員的位置或狀態(tài)可能引發(fā)安全事故時(shí)，將立即向管理人員和施工人員發(fā)送預(yù)警信息。高空作業(yè)人員位置預(yù)警圖如圖7所示，案例中的3名施工人員在靠近電梯井口時(shí)，系統(tǒng)會(huì)測(cè)算其距電梯井口的距離并發(fā)布對(duì)應(yīng)的預(yù)警等級(jí)提示，同時(shí)安全管理人員會(huì)收到預(yù)警提示。

圖7 高空作業(yè)人員位置預(yù)警圖

3 結(jié)論

筆者針對(duì)我國(guó)建筑領(lǐng)域高空作業(yè)安全管理問(wèn)題，將Cloud-BIM與RFID技術(shù)集成構(gòu)建建筑工人高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)功能需求分析，設(shè)計(jì)從安全規(guī)劃、實(shí)時(shí)定位、安全預(yù)警到教育培訓(xùn)4個(gè)模塊的全過(guò)程安全管理模式，并以Navisworks軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)基本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部分功能模塊開(kāi)發(fā)，同時(shí)運(yùn)用案例分析的方法驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行的有效性。實(shí)踐結(jié)果表明：基于Cloud-BIM技術(shù)的建筑工人高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高空作人員全過(guò)程的安全監(jiān)管，降低高空作業(yè)事故的發(fā)生率，還將對(duì)提高整個(gè)建筑業(yè)安全管理的信息化進(jìn)程具有一定的借鑒和實(shí)踐意義。