夏 楊，孫文建,董建軍

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

根據(jù)2006—2017 年全國建筑施工安全事故統(tǒng)計，在這十二年期間，共計發(fā)生高處墜落事故3 930起，致使傷亡4 262 人，僅因高處墜落引發(fā)的人員傷亡已占事故總數(shù)的52.4%，可見以傳統(tǒng)的人工管理方式難以進(jìn)行全方位的監(jiān)管，因此，借助現(xiàn)代信息技術(shù)預(yù)防建筑工人高處墜落安全事故的發(fā)生，構(gòu)建具有針對性的安全預(yù)警系統(tǒng)對降低安全事故發(fā)生率和提高建筑施工安全管理的信息化具有重要意義。

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)時性、耐久性、遠(yuǎn)程性和定位精準(zhǔn)等技術(shù)優(yōu)勢［1］，而Cloud-BIM 是將云計算的快速儲存、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)的重新整合，克服了BIM 技術(shù)在計算能力和硬件配置方面的不足，最大限度地發(fā)揮出云計算和BIM 技術(shù)的優(yōu)勢［2］。O.Kolton 等［3］建立防高空施工墜落的自動化監(jiān)測模型，以數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)支撐，可自動定義危險區(qū)域、識別危險動作并提供有效的防護(hù)措施。Lijun Shen 等［4］首次提出將云計算與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，而云計算中的移動計算技術(shù)也從根本上改變了傳統(tǒng)BIM 的開發(fā)方式。張洪等［5］通過建立事故致因“2-4”模型對2000—2016 年的56 起高空墜落事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由人的不安全行為所引發(fā)的安全事故比率最高。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 的使用可以有效提高軟件計算能力、降低軟件運(yùn)維成本以及擴(kuò)大軟件應(yīng)用范圍。郭紅領(lǐng)等［7］開創(chuàng)性地將BIM 和PT 技術(shù)集成，構(gòu)建建筑工人不安全行為預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對建筑工人實(shí)時位置、機(jī)械操作和預(yù)防碰撞事故的功能。這些研究主要在分析事故發(fā)生原因，提出事故預(yù)防措施，并運(yùn)用BIM 技術(shù)構(gòu)建施工現(xiàn)場安全管理系統(tǒng)框架，而構(gòu)建的系統(tǒng)本身對功能模塊的信息處理、計算和分析能力不高，并且不能對安全事故起到主動防范和預(yù)警作用，同時對如何運(yùn)用信息技術(shù)降低高處墜落安全事故的研究較少。

本文針對目前我國建筑業(yè)高處墜落安全管理現(xiàn)狀，從高處墜落事故影響因素出發(fā)，提出高處墜落預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建思路，將先進(jìn)的Cloud-BIM 和RFID技術(shù)集成并構(gòu)建高處墜落安全預(yù)警系統(tǒng)，對高處墜落預(yù)警系統(tǒng)的危險區(qū)域界定規(guī)則和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，設(shè)計系統(tǒng)預(yù)警運(yùn)行流程和RFID 布置，并通過案例驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性，極大程度上提高對建筑工人高處墜落的安全管理效率。

1 高處墜落事故因素分析

參考相關(guān)文獻(xiàn)將高處墜落事故主要事故部位歸納為七種類型［8-9］，如圖1 所示。事故主要集中在腳手架、垂直運(yùn)輸設(shè)施、臨邊洞口等部位，通過分析事故部位，為預(yù)警系統(tǒng)功能需求分析、高處墜落危險區(qū)域界定及閱讀器重點(diǎn)布設(shè)區(qū)域提供依據(jù)。

圖 1 高處墜落事故的常見部位

事故致因理論將安全事故的原因歸納為人-物-環(huán)境-管理四個方面，而高處墜落事故的發(fā)生也是由施工人員的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、安全管理缺陷、不利的施工環(huán)境共同作用的結(jié)果?；谑鹿手乱蚶碚?、高處墜落事故的常見形式以及統(tǒng)計分析高處墜落事故案例，本文運(yùn)用魚骨圖分別從人為因素、物的因素、環(huán)境因素和管理因素四個不同角度歸納總結(jié)高處墜落的發(fā)生原因，如圖2 所示。

圖 2 高處墜落事故影響因素

2 預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建思路

2.1 基于Cloud-BIM 的高處墜落預(yù)警基本原理

預(yù)警系統(tǒng)的基本原理可概括為：定義預(yù)警規(guī)則、預(yù)警識別、警情預(yù)測、警報發(fā)布。定義預(yù)警規(guī)則是預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，而預(yù)警識別是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的規(guī)則獲取有效的數(shù)據(jù)信息，警情預(yù)測屬于對潛在危險因素的定量分析，警報發(fā)布則是預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計的目的所在。結(jié)合Cloud-BIM、RFID 技術(shù)和高處墜落事故特征，本文設(shè)計的基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落預(yù)警系統(tǒng)的基本原理如圖3 所示。

圖3 基于Cloud-BIM 的高處墜落預(yù)警基本原理

2.2 系統(tǒng)功能需求分析

針對建筑工人高處墜落事故因素和Cloud-BIM技術(shù)的特點(diǎn)，基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落安全預(yù)警系統(tǒng)的功能應(yīng)存在以下特點(diǎn)：

（1）預(yù)警數(shù)據(jù)時效性：通過RFID 技術(shù)自動收集施工現(xiàn)場高處墜落人員、材料、機(jī)械的對象屬性及實(shí)時位置等信息［10］，確保預(yù)警系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確及時的反應(yīng)施工人員的安全狀態(tài)。

（2）預(yù)警集成化：高處墜落安全預(yù)警系統(tǒng)需要對施工現(xiàn)場內(nèi)的人員、機(jī)械設(shè)備和環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)測，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）預(yù)警可視化：通過云計算、BIM 和RFID三種技術(shù)優(yōu)勢的融合，施工現(xiàn)場安全管理人員可以通過預(yù)警系統(tǒng)直觀得獲取到施工的不安全行為、環(huán)境信息和物的不安全狀態(tài)。

（4）預(yù)警自動化：通過預(yù)警系統(tǒng)可以對施工人員進(jìn)行自動化安全監(jiān)控，一旦達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的安全預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，將立即根據(jù)事故標(biāo)準(zhǔn)發(fā)出不同等級的警告并啟動相應(yīng)的預(yù)警方案。

2.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

結(jié)合高處墜落事故因素和系統(tǒng)功能需求分析，基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落預(yù)警系統(tǒng)主要功能模塊如表1 所示。

表1 高處墜落預(yù)警系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

3 高處墜落預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)框架

根據(jù)高處墜落預(yù)警系統(tǒng)的功能需求分析，構(gòu)建基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落安全預(yù)警系統(tǒng)框架，如圖4 所示。高處墜落預(yù)警系統(tǒng)是以Navisworks 軟件為開發(fā)平臺，運(yùn)用高處墜落相關(guān)安全規(guī)范、施工方案、實(shí)時采集數(shù)據(jù)與高空事故案例庫建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)經(jīng)云服務(wù)交互處理后傳輸?shù)较到y(tǒng)的核心功能層，確保預(yù)警系統(tǒng)危險區(qū)域識別、實(shí)時定位運(yùn)算、安全風(fēng)險預(yù)警和安全培訓(xùn)及教育功能模塊的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)建筑工人高處墜落安全管理的可視化。

圖4 高處墜落安全預(yù)警系統(tǒng)框架

3.2 預(yù)警規(guī)則

預(yù)警系統(tǒng)框架構(gòu)建完成后，需要設(shè)計預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和危險區(qū)域的劃分規(guī)則。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》將預(yù)警分為4 個等級［11］，由小到大依次為綠色、黃色、橙色、紅色，方便在系統(tǒng)中進(jìn)行不同等級的危險區(qū)域識別，具體劃分如表2 所示。

表2 高處墜落預(yù)警級別劃分

表2（續(xù)）

通過識別BIM 安全模型中的危險區(qū)域，系統(tǒng)可以及時判定人員或機(jī)械是否處于安全區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對人員和機(jī)械作業(yè)過程中危險區(qū)域的監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)危險隱患將立即預(yù)警［12］。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料［13-14］，并結(jié)合高處墜落事故影響因素，得到建筑工人高處墜落危險區(qū)域的界定規(guī)則，如表3 所示。

表3 高處墜落危險區(qū)域規(guī)則

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行

基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落預(yù)警系統(tǒng)具體運(yùn)行流程如圖5 所示。系統(tǒng)啟動后，首先是發(fā)現(xiàn)人機(jī)位置處于危險區(qū)域的預(yù)警提醒，當(dāng)危險狀況難以判定時可通過調(diào)用視頻鏈接進(jìn)行確認(rèn)；其次，預(yù)警的發(fā)布將通過電話、廣播或警報器的方式及時告知施工人員，并指派相關(guān)區(qū)域的管理人員進(jìn)行巡查，管理人員還需對預(yù)警問題進(jìn)行跟蹤檢查并視整改情況決定本次警報是解除還是進(jìn)一步升級預(yù)警；最后，待危險情況解除后，系統(tǒng)會根據(jù)事件的發(fā)生過程和處理結(jié)果自動生成預(yù)警分析報告，分析報告的內(nèi)容主要由兩部分組成：統(tǒng)計作業(yè)人員的違規(guī)違章次數(shù)，被記錄較多的人員將安排重新進(jìn)行教育培訓(xùn)并在施工過程中作為重點(diǎn)監(jiān)管對象，通過預(yù)警分析找出事故高發(fā)區(qū)域，并制定專項安全控制措施。

圖 5 高處墜落安全預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行流程

3.4 RFID 閱讀器的布設(shè)

RFID 閱讀器的布局位置和數(shù)量是影響建筑工人高處墜落實(shí)時定位準(zhǔn)確性和及時性的重要因素，為了滿足信號全面覆蓋的需求并降低硬件的成本支出，本文引入移動通信系統(tǒng)中的蜂窩原理。移動通信網(wǎng)絡(luò)是由基站提供無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋并由移動設(shè)備接受信號組成的系統(tǒng)，其中被基站所覆蓋的區(qū)域稱為蜂窩。由于施工現(xiàn)場中的危險區(qū)域主要由面狀組成，于是本系統(tǒng)閱讀區(qū)布局主要借鑒通信網(wǎng)絡(luò)中的面狀服務(wù)區(qū)類型。面狀服務(wù)區(qū)的覆蓋面積由正三角形、正方形以及正六邊形組成。在圖6 中，RFID 閱讀器的位置處于圓心處，圓的面積表示閱讀器的信息獲取范圍。

圖 6 面狀服務(wù)區(qū)的三種類型

RFID 閱讀器的位置處于圓心處，圓的面積表示閱讀器的信息獲取范圍，在每個閱讀器的覆蓋范圍均相同的前提下，設(shè)覆蓋圓形區(qū)域的半徑為R，則圖6 中的正三角形、正方形和正六邊形中各自的相鄰區(qū)域中心距離、單個區(qū)域面積、相鄰圓形交疊面積和交疊區(qū)域?qū)挾热绫? 所示。通過比較分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以閱讀器為圓心并處于正三角形區(qū)域時所需的閱讀器數(shù)量最少，并且也滿足信號全面覆蓋的需求，除此此外，很大程度上也降低了硬件成本。

表4 三種形狀閱讀器布局比較

在面狀布局原理基礎(chǔ)上，運(yùn)用到施工現(xiàn)場時RFID 的輻射環(huán)境多是立體空間狀態(tài)，將以上分析結(jié)論與施工現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境相結(jié)合，如圖7 是本文設(shè)計的閱讀器定位空間環(huán)境部署方案。其中橢圓形是按照正三角形布局法布設(shè)的RFID 閱讀器，黑色圓點(diǎn)標(biāo)示在平面內(nèi)的RFID 標(biāo)簽的位置，即施工人員或機(jī)械位置，矩形表示經(jīng)常性的處于垂直空間范圍內(nèi)移動的RFID 標(biāo)簽，如吊籃、塔吊吊鉤、物料提升機(jī)等。總之，RFID 閱讀器的布設(shè)必須滿足對引發(fā)高處墜落事故的部位做到全面覆蓋，才能保障預(yù)警系統(tǒng)信息獲取的及時性和完整性。

圖 7 RFID 閱讀器定位方案

4 案例應(yīng)用

4.1 項目簡介

案例工程為南京市某項目A2 地塊三期1—7 號樓工程。項目地下一層，主要作為停車庫和設(shè)備用房。此外，2 號—3 號樓為超高層住宅，結(jié)構(gòu)設(shè)置結(jié)構(gòu)縫將建筑分成兩個單體，共57 層，剪力墻結(jié)構(gòu)，可能誘發(fā)高處墜落事故的危險源眾多，故本文選取2 號—3 號樓構(gòu)建BIM 模型，通過創(chuàng)建預(yù)警系統(tǒng)原型實(shí)現(xiàn)建筑工人高處墜落安全預(yù)警。

4.2 應(yīng)用分析

根據(jù)對RFID 閱讀器的布局分析，并結(jié)合本項目的實(shí)際情況，在建筑主體的標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)布設(shè)閱讀器時選擇平面內(nèi)可以組成正三角形的三個點(diǎn)，圖8 為本項目樓層內(nèi)RFID 閱讀器的平面及三維圖。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)RFID 閱讀器的平面及三維布設(shè)

建筑工人高處墜落預(yù)警系統(tǒng)以Navisworks 軟件為開發(fā)基礎(chǔ)，通過增添自定義插件的方式增加軟件功能。因筆者軟件開發(fā)水平有限，系統(tǒng)的功能模塊選用Navisworks.API 中的通用型插件方式集成到Navisworks 軟件，在模塊面板中，每個功能模塊的子模塊選用停靠窗口型插件。通過在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)用軟件移動到Navisworks中完成插件的添加。系統(tǒng)運(yùn)行后，一旦監(jiān)測到施工人員的位置或狀態(tài)可能引發(fā)安全事故時，將立即向管理人員和施工人員發(fā)送預(yù)警提醒。如圖9 所示，案例中的三名施工人員在靠近電梯井口時，系統(tǒng)自動判定其位置已經(jīng)超出危險區(qū)域界定規(guī)則，并立即發(fā)布對應(yīng)的預(yù)警等級提示。

圖 9 建筑工人高處墜落實(shí)時位置預(yù)警

5 結(jié)論

（1）根據(jù)建筑領(lǐng)域高處墜落安全管理現(xiàn)狀，構(gòu)建出事前化、可視化的高處墜落安全預(yù)警系統(tǒng)，有利于提高建筑施工安全管理的信息化水平，實(shí)現(xiàn)自動化、可視化的安全管理模式。

（2）預(yù)警系統(tǒng)中包括從危險源識別、實(shí)時定位、安全預(yù)警到安全教育培訓(xùn)的全過程安全管控，選擇Cloud-BIM 和RFID 技術(shù)的集成，以Navisworks 軟件作為開發(fā)平臺基本實(shí)現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)部分功能模塊開發(fā)，通過對高處墜落施工人員全方位和全過程的安全管控，降低高處墜落事故發(fā)生率。

（3）本文的研究成果可對建筑施工現(xiàn)場其他事故類型的管控提供系統(tǒng)構(gòu)建的思路，以降低建筑業(yè)安全事故發(fā)生率，加快建筑業(yè)信息化技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)程。

（4）系統(tǒng)涉及的信息化技術(shù)和設(shè)備較多，本文僅實(shí)現(xiàn)了預(yù)警系統(tǒng)部分功能的開發(fā)，在未來需要對系統(tǒng)的全部功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入研究。