彭玲茜 潘瑜 范自盛

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建福州 350007)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，建筑施工行業(yè)也得到了快速的發(fā)展。 但另一方面，建筑施工過程中的諸多環(huán)節(jié)仍存在多種安全隱患，易引發(fā)事故，不僅會(huì)造成企業(yè)的財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)危及施工人員的生命安全，建筑施工安全管理問題日益突出。現(xiàn)階段大型復(fù)雜高層建筑的增多，導(dǎo)致施工難度也隨之增大，對技術(shù)的專業(yè)性要求也不斷提高。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳統(tǒng)計(jì)，2018年全國共發(fā)生房屋市政工程生產(chǎn)安全事故734起、死亡840人[1]。造成安全生產(chǎn)事故的原因，主要是安全管理不到位導(dǎo)致的。因此，建筑施工安全教育成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)前，建筑施工安全教育主要圍繞安全技術(shù)交底及安全檢查、驗(yàn)收與持續(xù)改進(jìn)等方面進(jìn)行，基本是通過文件學(xué)習(xí)、視頻教育、筆試考核等傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)手段，來傳遞安全教育的意圖、目標(biāo)和內(nèi)容。然而，受訓(xùn)者很難通過理論性的課堂教育，深刻認(rèn)識安全施工生產(chǎn)的重要性和安全事故的嚴(yán)重性?；诒粍?dòng)式的理論知識學(xué)習(xí)安全教育模式，在一定程度上會(huì)造成施工人員對安全技術(shù)內(nèi)容的理解困難，例如，不能全面地分析作業(yè)現(xiàn)場和施工人員的實(shí)際情況；或是對施工現(xiàn)場存在的隱患辨識不全面、不徹底，不能有效地進(jìn)行建筑施工安全教育培訓(xùn)等，從而難以提升施工人員安全技術(shù)水平，無法達(dá)到提高施工人員安全意識和防范事故發(fā)生的目的。因此，如何將現(xiàn)代信息技術(shù)手段應(yīng)用于建筑施工安全教育已成為安全培訓(xùn)業(yè)內(nèi)的當(dāng)務(wù)之急。

VR技術(shù)能夠讓受訓(xùn)者進(jìn)入虛擬環(huán)境獲取建筑信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行方案優(yōu)化、事故體驗(yàn)，在有限的空間，減少固定式實(shí)物體驗(yàn)項(xiàng)目的投入，符合綠色施工的理念。同時(shí)，對建筑行業(yè)項(xiàng)目施工具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用，能夠有效提高安全管理效率。所以，具備沉浸感、仿真性、互動(dòng)性的VR技術(shù)被廣泛應(yīng)用在建筑施工行業(yè)安全教育中。

1 VR技術(shù)應(yīng)用在建筑施工安全教育方面的優(yōu)勢

VR技術(shù)是集計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，結(jié)合傳感技術(shù)與人工智能，基于計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感的人機(jī)交互技術(shù)。VR系統(tǒng)的構(gòu)建主要通過Unity3D引擎軟件及3DMAX建模軟件協(xié)同開發(fā)完成。VR技術(shù)具有突破時(shí)空限制，再現(xiàn)施工現(xiàn)場環(huán)境、進(jìn)行沉浸式教學(xué)，任務(wù)式學(xué)習(xí)以及保證高風(fēng)險(xiǎn)體驗(yàn)項(xiàng)目的安全性等優(yōu)點(diǎn)，可為建筑施工安全教育提供技術(shù)支持?；赩R技術(shù)開發(fā)的建筑施工安全教育仿真系統(tǒng)，可以較全面地涵蓋施工作業(yè)過程中遇到的安全問題，有利于建筑施工安全教育的展開[2]。

1.1 突破時(shí)空限制，再現(xiàn)施工現(xiàn)場環(huán)境

VR技術(shù)能夠模擬施工現(xiàn)場環(huán)境，通過建筑施工安全教育仿真系統(tǒng)建設(shè)，可再現(xiàn)前期施工準(zhǔn)備階段、地基與基礎(chǔ)施工階段、節(jié)能工程施工階段以及建筑裝飾裝修施工階段全過程，使受訓(xùn)者不用到達(dá)施工現(xiàn)場，也可突破時(shí)空限制，真實(shí)地了解施工全過程。

1.2 沉浸式課堂，任務(wù)式學(xué)習(xí)

VR技術(shù)能夠構(gòu)建沉浸式課堂，讓受訓(xùn)者在虛擬空間中完成任務(wù)式學(xué)習(xí)。受訓(xùn)者可以借助VR設(shè)備模擬進(jìn)入虛擬的建筑施工現(xiàn)場，以第一人稱的身份去體驗(yàn)施工中可能發(fā)生的險(xiǎn)情，感受安全事故發(fā)生所造成的后果。在體驗(yàn)完成后，可通過第三人稱回顧事故發(fā)生的情景，并有針對性地進(jìn)行事故分析和總結(jié)。沉浸式課堂可幫助受訓(xùn)者在學(xué)習(xí)突發(fā)事件應(yīng)急處置過程中，通過了解現(xiàn)場各項(xiàng)工序及施工環(huán)境中的安全隱患，從而提高安全防范意識。結(jié)合VR技術(shù)沉浸感、仿真性、互動(dòng)性的特點(diǎn)，加以人機(jī)交互，受訓(xùn)者可通過建筑施工安全教育系統(tǒng)平臺，進(jìn)行施工過程技術(shù)交底、安全隱患排查等工作任務(wù)的學(xué)習(xí)。

1.3 安全性能高，投入成本少

傳統(tǒng)的安全教育一般通過搭建安全體驗(yàn)館以及質(zhì)量樣板展示區(qū)來進(jìn)行培訓(xùn)。安全體驗(yàn)館的實(shí)體項(xiàng)目，比如高處墜落項(xiàng)目，讓受訓(xùn)者在5m高度，突然下墜至海綿鋪設(shè)的地面，存在一定的體驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。而質(zhì)量樣板展示區(qū)，需要大空間，展示實(shí)體施工工藝。但是通過引入VR技術(shù)，搭建建筑施工安全教育系統(tǒng)平臺，則讓受訓(xùn)者在安全的條件下真實(shí)體驗(yàn)建筑施工的常見事故。構(gòu)建基于VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)不僅可以降低事故體驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，還能在保證教育培訓(xùn)效果的基礎(chǔ)上，減少固定的安全體驗(yàn)館以及質(zhì)量樣本展示器材等資金的投入，達(dá)到整體安全性能提高和降低投入成本的目的。

2 VR技術(shù)安全培訓(xùn)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)和構(gòu)建

在建筑施工過程中，安全是永恒的主題。事實(shí)證明，單純對受訓(xùn)者進(jìn)行理論式的安全培訓(xùn)效果一般，建筑施工安全教育VR系統(tǒng)對象為安全管理人員及施工人員，只有不斷加強(qiáng)對他們進(jìn)行建筑施工的常見事故真實(shí)體驗(yàn)的安全教育培訓(xùn)，提高施工者的安全意識，才能筑牢建筑施工安全防線。充分發(fā)揮VR技術(shù)的優(yōu)勢，開發(fā)建筑施工安全教育VR系統(tǒng)，可以有效解決傳統(tǒng)安全教育模式無法完全滿足建筑施工安全教育需求的問題[3]。因此，本節(jié)在分析了VR技術(shù)特點(diǎn)的技術(shù)上，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了基于VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)，旨在借助VR設(shè)備模擬進(jìn)入虛擬的建筑施工現(xiàn)場，提高受訓(xùn)者對建筑施工環(huán)境的熟悉度、設(shè)備操作的熟練度及應(yīng)急救援的能力，構(gòu)建框架設(shè)計(jì)如圖1所示。建筑施工安全教育VR系統(tǒng)包含漫游體驗(yàn)?zāi)Ｊ健⒂?xùn)練模式以及考核模式。漫游模式涵蓋施工環(huán)境情境漫游及常見安全事故的體驗(yàn)，受訓(xùn)者可以進(jìn)入VR施工現(xiàn)場，感受真實(shí)施工環(huán)境，體驗(yàn)施工過程中常見的安全事故，例如高處墜落、物體打擊、起重事故等。訓(xùn)練模式包括應(yīng)急處理方案預(yù)演、安全作業(yè)規(guī)程學(xué)習(xí)及典型事故案例分析，受訓(xùn)者可以通過學(xué)習(xí)和模擬操作，進(jìn)入VR施工現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)急處理方法、急救知識、安全技術(shù)交底等知識點(diǎn)學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)完成后，可以進(jìn)入考核模式，進(jìn)行隱患排查測評。

圖1 建筑施工安全教育VR系統(tǒng)構(gòu)建框架設(shè)計(jì)

3 VR技術(shù)在建筑施工安全教育系統(tǒng)中的構(gòu)建和應(yīng)用

以漫游模式下，常見安全事故體驗(yàn)為例，訓(xùn)練內(nèi)容來源于工程實(shí)踐案例。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳的統(tǒng)計(jì)，2018年，全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故類型分布，具體如表1所示。通過表1可以看出，高處墜落、物體打擊、起重傷害、坍塌事故、機(jī)械傷害是工程生產(chǎn)安全事故中的多發(fā)的事故類型。因此，我們以這五類常見安全事故類型作為主要研究對象，構(gòu)建并開發(fā)了相應(yīng)的VR建筑施工安全教育系統(tǒng)。

表1 全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故類型分布表[1]

3.1 高處墜落事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)

通過使用VR設(shè)備，使受訓(xùn)者能進(jìn)行全景沉浸式觀察學(xué)習(xí)，在安全的環(huán)境下深入分析高處作業(yè)的危險(xiǎn)環(huán)境。高處墜落事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)不僅講解內(nèi)容全面細(xì)致，還可反復(fù)觀看，給受訓(xùn)者提供了豐富的個(gè)人防護(hù)用品資訊，也為受訓(xùn)者選取適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)用品提供了建議。若受訓(xùn)者在進(jìn)行高處作業(yè)時(shí)，沒有正確穿戴安全防護(hù)用品，則有可能會(huì)發(fā)生從高樓墜落的事故。高處墜落事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)場景如圖2所示。VR設(shè)備可以做到虛實(shí)結(jié)合，增加事故感知體驗(yàn)，并通過系統(tǒng)中的過程記錄做出相關(guān)結(jié)果評價(jià)，將信息化技術(shù)與傳統(tǒng)安全教育相融合。

圖2 高處墜落事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)

3.2 物體打擊事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)

本研究構(gòu)建的建筑施工場所物體打擊事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)主要包括，腳手架作業(yè)中的物體打擊、起重作業(yè)中的物體打擊、機(jī)械作業(yè)中的物體打擊、土方作業(yè)中的物體打擊和拆除作業(yè)中的物體打擊等內(nèi)容。受訓(xùn)者可以通過使用VR設(shè)備，體驗(yàn)在不同施工環(huán)境下，由于失控物體的慣性力造成的人身傷害。VR系統(tǒng)再現(xiàn)了在腳手架施工作業(yè)中，架子工在搭設(shè)外腳手架時(shí)，扳手掉落，砸傷地面上的其他工作人員的情景[4]。物體打擊事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)場景如圖3所示。在情景體驗(yàn)后，系統(tǒng)對受訓(xùn)者進(jìn)行了事故原因分析及預(yù)防對策的學(xué)習(xí)，使受訓(xùn)者切身體會(huì)到事故后果的嚴(yán)重性，以到達(dá)在施工過程中增強(qiáng)隱患意識，安全作業(yè)的目的。

(a)真實(shí)環(huán)境

(b)VR虛擬場景圖3 物體打擊事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)

3.3 起重傷害事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)

起重傷害事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)模擬了重物墜落、起重機(jī)失穩(wěn)傾覆、金屬結(jié)構(gòu)破壞、擠壓等起重機(jī)傷害事故的形式。受訓(xùn)者通過VR設(shè)備虛實(shí)結(jié)合，體驗(yàn)起重傷害事故，進(jìn)行事故原因分析，牢記起重機(jī)械“十不吊”安全規(guī)定，杜絕事故發(fā)生。起重傷害事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)場景如圖4所示。

圖4 起重傷害事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)

3.4 模板坍塌事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)

建筑施工模板坍塌事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)，主要包括模板坍塌事故體驗(yàn)、原因分析、預(yù)防措施等三個(gè)方面的內(nèi)容。由于模板支撐系統(tǒng)的施工環(huán)節(jié)技術(shù)性強(qiáng)，必須從設(shè)計(jì)、材料選用、施工工藝等方面進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過事故體驗(yàn)，可以讓受訓(xùn)者了解其正確的施工工藝、規(guī)范施工、保障構(gòu)造措施合理及檢測措施得當(dāng)，從根本上預(yù)防模板坍塌事故的發(fā)生[5]。

3.5 機(jī)械傷害事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)

施工現(xiàn)場機(jī)械傷害事故體驗(yàn)VR系統(tǒng)主要涵蓋了事故風(fēng)險(xiǎn)分析、應(yīng)急工作職責(zé)、應(yīng)急處置方法以及佩戴個(gè)人防護(hù)用品、搶險(xiǎn)救援器材、采取救援對策或措施、現(xiàn)場自救和互救等方面的注意事項(xiàng)。受訓(xùn)者通過使用VR虛擬仿真設(shè)備，切身體會(huì)刀具的切割傷害、木料的反彈側(cè)倒沖擊傷人事故以及飛出物的打擊傷害。通過事故體驗(yàn)，受訓(xùn)者可掌握正確的機(jī)械操作方法，以提升安全意識。

4 安全教育VR系統(tǒng)應(yīng)用評價(jià)效果分析

4.1 VR技術(shù)融入安全教育，提高培訓(xùn)效果

本研究對某培訓(xùn)機(jī)構(gòu)培訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行分組教學(xué)。第一組110人進(jìn)行普通教學(xué)模式學(xué)習(xí)，第二組124人進(jìn)行基于VR技術(shù)建筑施工教學(xué)模式。通過對不同教育模式下相同學(xué)習(xí)模塊的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,考核通過率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。通過表2可以看出，與傳統(tǒng)教學(xué)培訓(xùn)模式相比，使用建筑施工安全教育VR系統(tǒng)后,受訓(xùn)者在施工現(xiàn)場隱患排查、以及高處墜落、物體打擊、起重傷害、機(jī)械傷害、模板坍塌，等安全防范方面,合格率均有顯著提高。

表2 學(xué)習(xí)效果統(tǒng)計(jì)分析表 %

4.2 VR技術(shù)在有效資源下，拓展無限空間，資金利用率高

傳統(tǒng)的安全管理教育模式與VR建筑施工安全教育系統(tǒng)應(yīng)用效益分析如表3所示。傳統(tǒng)的安全管理教育模式需要建設(shè)固定的安全體驗(yàn)館與質(zhì)量樣板區(qū)等硬件設(shè)施，存在占地面積大，周轉(zhuǎn)使用率低，資金投入大等缺點(diǎn)。但是將VR技術(shù)融入傳統(tǒng)教育模式后，可以充分發(fā)揮VR技術(shù)的優(yōu)勢，通過VR眼鏡、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，以及沉浸式的場景，在有限的實(shí)際空間中，擴(kuò)展出無限的虛擬空間，最大限度地利用有限的空間和建設(shè)資金，減少固定式實(shí)物體驗(yàn)項(xiàng)目的投入[6]。

表3 VR技術(shù)應(yīng)用效益分析

5 結(jié)論

建筑施工行業(yè)是高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)之一，危險(xiǎn)系數(shù)高，事故多發(fā)，因此建筑施工安全管理工作一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。本文通過應(yīng)用VR技術(shù)在有限安全空間內(nèi)把大量難以再現(xiàn)的事故場景及安全隱患融入建筑施工安全教育內(nèi)容，通過身臨其境的體感體驗(yàn)，使受訓(xùn)者了解突發(fā)事故應(yīng)急機(jī)制。具體結(jié)論如下：

(1)構(gòu)建了VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)，覆蓋高處墜落、物體打擊、起重傷害、坍塌事故、機(jī)械傷害五類常見安全事故類型，充分發(fā)揮VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢，在提高受訓(xùn)者對施工環(huán)境熟悉度、設(shè)備操作的熟練度及應(yīng)急救援的能力等方面，取得了良好的教學(xué)效果。有效解決了在傳統(tǒng)安全管理教育培訓(xùn)中，受訓(xùn)者很難通過理論性的課堂教育，深刻認(rèn)識建筑施工安全生產(chǎn)的重要性和安全事故的嚴(yán)重性等問題。

(2)通過學(xué)習(xí)效果統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了基于VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)，與傳統(tǒng)安全教育模式相比較，提高了受訓(xùn)者的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，考核通過率明顯上升。

(3)通過應(yīng)用效益分析，驗(yàn)證了VR技術(shù)融入安全理論教育的可行性，基于VR技術(shù)的建筑施工安全教育系統(tǒng)不但保障了安全教育過程中人員的安全的同時(shí)降低了安全體驗(yàn)館的建設(shè)成本。

鑒于VR技術(shù)在建筑施工安全教育上多方面的優(yōu)勢，還可以為其他施工行業(yè)基于VR技術(shù)的安全培訓(xùn)系統(tǒng)提供一定的借鑒作用。