陳英杰，劉 騫，魏敬徽，隋巖鵬，盧少壯

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710000）

隨著我國建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，建筑生產(chǎn)安全問題越來越受到國家、社會和人們的關(guān)注［1］，由于建筑業(yè)存在復雜、危險、多樣性的生產(chǎn)特點［2］，使得建筑業(yè)生產(chǎn)事故高發(fā).通常在施工過程中會出現(xiàn)因安全防護不到位而導致的高空墜落事故，因?qū)Y(jié)構(gòu)薄弱部位處理不當而導致的塌落事故，因?qū)ξｋU區(qū)域識別不當而導致的物體打擊、機具傷害、起重傷害等安全事故［3］.自2010年至2019年統(tǒng)計結(jié)束時間范圍內(nèi)共發(fā)生高空墜落事故2866起、坍塌事故698起、物體打擊事故768起、機具傷害事故275起、起重傷害事故465起、其他事故464起［4-5］.2010—2019年各類事故發(fā)生起數(shù)如表1所示.自2015—2019年末，全國共發(fā)生建筑工程較大及以上事故共114起，坍塌事故68起、物體打擊22起、高空墜落8起、其他事故共16起.

表1 2010—2019年全國各類事故發(fā)生起數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistics on the numbers of various accidents in China from 2010 to 2019

每年因施工安全事故造成數(shù)以百計的人員傷亡［6］，導致人民財產(chǎn)損失嚴重［7-8］，國家資金大量損耗，因此，增強建筑工程施工安全控制水平，杜絕安全事故發(fā)生，實現(xiàn)施工安全生產(chǎn)目標成為當下亟待解決的問題.一般建筑工程建設(shè)項目建設(shè)周期長、建造復雜導致建造過程安全管理工作煩瑣，安全事故頻發(fā)，對導致建筑工程安全事故的因素難以實時控制、及時發(fā)現(xiàn)，且目前檔案大多以紙質(zhì)的形式進行管理，信息交流不便，不利于同風險類型知識的歸納、分類與總結(jié).

BIM技術(shù)是一種三維可視化模型，從項目建設(shè)前期的規(guī)劃設(shè)計階段再到施工以及后期的運營管理階段都可以對建設(shè)項目的有效信息進行交流共享，保證施工過程中各方信息的一致性.通過BIM的實體三維模型可通過3D漫游、動畫演示、碰撞檢查、模擬施工等方面對建筑模型進行檢查，并結(jié)合致險因素及時發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的潛在不安全因素，并通過BIM模型對危險區(qū)域識別、安全防護、結(jié)構(gòu)薄弱部位等致險因素發(fā)生部位進行準確定位、實時施工安全控制，對不安全位置進行標注，實現(xiàn)施工現(xiàn)場數(shù)字化管理，以便進行及時監(jiān)測控制和提前預警.

目前，翟越等［9］利用BIM虛擬施工技術(shù)，構(gòu)建以資料基礎(chǔ)、BIM虛擬施工以及安全監(jiān)控三個模塊組成的多維數(shù)字化安全管理體系；郭紅領(lǐng)、潘在怡［10］構(gòu)建了模擬的BIM系統(tǒng)和實時BIM系統(tǒng)，并對其在施工過程階段進行了相應(yīng)的實施流程設(shè)計；劉獻偉等［11］針對在工程施工階段BIM的價值及存在的問題進行分析，并提出了BIM在施工階段的對策；張韓等［12］在BIM軟件平臺進行裝配式土建模型的構(gòu)建，并利用施工模擬技術(shù)，生成4D動畫，進行施工過程模擬；張超［13］將4D-BIM應(yīng)用于公路安全質(zhì)量研究，進行施工安全質(zhì)量實時監(jiān)控與動態(tài)管理，從而提高公路質(zhì)量安全管理水平；胡振中等［14］通過引入4D和BIM技術(shù)建立了4D施工安全信息模型，將施工過程和支撐體系信息鏈接起來.馬輝等［15］為提前識別裝配式建筑施工過程與并行施工過程之間存在的空間沖突，利用BIM技術(shù)對作業(yè)空間進行模擬.迄今為止，大多學者在解決工程施工階段安全控制問題時，一般是對BIM技術(shù)其理論研究、流程、碰撞或公路、水泵等方面的研究較多.而對建筑工程傳統(tǒng)施工過程中致險因素進行分析，并構(gòu)建BIM模型，對致險因素發(fā)生位置進行準確定位實時監(jiān)控方面的研究還較少.

1 建筑施工安全風險識別方法

1.1 基本原則

建筑施工安全的辨別應(yīng)滿足完整性、針對性、動態(tài)性以及自動化原則［18］，以達到對建筑施工安全風險進行全面系統(tǒng)識別的目的.其中完整性原則是對施工現(xiàn)場可能存在的風險因素進行全面辨別避免遺漏，保證結(jié)果的可靠性；針對性是指針對識別風險目標，做好前期的資料收集工作并進行有效信息篩選；動態(tài)性原則是指對風險因素識別而言，這不是一個階段性的過程而是存在于整個施工過程中，覆蓋了整個施工階段，所以風險識別應(yīng)該是實時調(diào)整、實時適應(yīng)的；自動化原則是借助計算機等軟件應(yīng)用技術(shù)輔助施工現(xiàn)場的圖紙或模型的技術(shù)審查，對施工現(xiàn)場存在的危險因素進行自動辨別，提高工作效率.

1.2 風險識別方法

傳統(tǒng)的施工風險識別方法主要包括事故樹分析、層次分析法以及安全檢查法等［16-19］.事故樹分析法（FTA）可對建筑工程施工安全事故致險因素進行定量、定性分析，找出引發(fā)事故發(fā)生的根本原因，即基本事件或底事件，該分析方法有很強的科學性與邏輯性，因果關(guān)系呈現(xiàn)直觀且思路較為清晰，有很強的適用性；層次分析法（AHP）將復雜問題簡條理化、層次化使問題簡化，通常由目標層、指標層、準則層構(gòu)成，建立相應(yīng)的問題結(jié)構(gòu)模型進行層次化分析，依靠專家打分對判斷矩陣進行構(gòu)建［20］，對每層指標權(quán)重進行合理設(shè)置，最終可精準對指標權(quán)重進行計算，根據(jù)相應(yīng)指標權(quán)重占比制定相關(guān)方案，為后期問題的合理解決提供強有力的保障；安全檢查表法是對施工風險識別經(jīng)驗進行總結(jié)，并以表格的形式進行高風險指標羅列，但由于安全檢查表法是通過過往施工風險識別經(jīng)驗進行的，所以若針對新建項目進行識別，識別內(nèi)容需要更新，則不變操作，且成本較大.

2 風險識別

2.1 高空墜落事故樹構(gòu)建與分析

由過往安全事故發(fā)生統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，高空墜落、坍塌事故發(fā)生和死亡人數(shù)較多，是施工安全控制、防范的重點.運用事故樹分析法，將高空墜落事故作為頂事件，對致使頂事件的影響因素進行逐步、科學分析［21］.高空墜落事故樹模型字母含義如表2所示，構(gòu)建高空墜落事故樹模型如圖1所示.

表2 高空墜落事故的事故樹中字母含義表Tab.2 The meaning of letters in the accident tree of high altitude falling accident

圖1 構(gòu)建高空墜落事故的事故樹圖Fig.1 Construction of accident tree diagram of high altitude falling accident

根據(jù)上述高空墜落事故樹可得到公式（1），作為最小割集求解依據(jù).

1）求最小割集

最小割集是致使頂事件出現(xiàn)的最小底事件集合，在該系統(tǒng)中通常能夠表達出危險性.由式（1）展開可得最小割集組數(shù)為96組，即表示該事故將會有96種發(fā)生途徑，每一個發(fā)生途徑是都由不同的最小割集而構(gòu)成，由式（1）展開項可知基本事件X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8將會在24組最小割集中展現(xiàn)，而基本事件X9，X10，X11，X12，X13，X14將會在16組最小割集中展現(xiàn)，在僅考慮事故樹結(jié)構(gòu)條件下，基本事件展現(xiàn)頻率越高，表明其結(jié)構(gòu)重要度越強，在同一最小割集下的基本事件結(jié)構(gòu)重度一致，可得基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序如下：X1=X2=X3=X4=X5=X6=X7=X8>X9=X10=X11=X12=X13=X14.

2）求最小經(jīng)集

根據(jù)以上高空墜落事故樹可得到以下公式，作為最小經(jīng)集求解依據(jù)，

最小經(jīng)集是不會致使頂事件出現(xiàn)的最小底事件集合，在該系統(tǒng)中通常能夠表達安全性.由式（2）展開，最小經(jīng)集為K1=｛X1，X2，X3，X4｝，K2=｛X5，X6，X7，X8｝，K3=｛X9，X10，X11，X12，X13，X14｝.

3）結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度是展現(xiàn)基本事件為頂事件發(fā)生所做貢獻的重要，即表示其影響事故發(fā)生的能力，是在假設(shè)基本事件發(fā)生概率全相同的條件下，僅考慮事故樹而搭建的結(jié)構(gòu)形式.

由此可得基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序為：X1=X2=X3=X4=X5=X6=X7=X8>X9=X10=X11=X12=X13=X14.由于每個基本事件發(fā)生概率的缺失，該重要度排序僅考慮從事故樹結(jié)構(gòu)形式上判斷基本事件對于頂事件的影響程度，未將基本事件發(fā)生概率的差異性和不均衡性綜合考慮.因此基本事件重要度排序精準度不理想，故不能直接為高空墜落事故提供重點防護部位，需引入一種有效分析方法.本文采用層次分析法進一步對頂事件的重要度進行排序［22］，從而達到風險控制的目的.

2.2 高空墜落事故層次分析法

2.2.1 構(gòu)建層次分析結(jié)構(gòu)模型 遞階層次分析結(jié)構(gòu)模型通常由低層、中層、高層共三層構(gòu)成，基本因素為低層，事故樹中最小經(jīng)集為中層，高空墜落為高層，由此構(gòu)造的層次分析模型如圖2所示，高空墜落事故樹模型字母含義如表4所示.G為高空墜落事故；R1～R3分別為子目標1、子目標2、子目標3；P1～P14含義對應(yīng)X1～X14.

圖2 層次分析模型圖Fig.2 Diagram of analytic hierarchy model

2.2.2 建立判斷矩陣、權(quán)重計算及一致性檢驗 為確定高空墜落事故基本事件重要度排序，運用層次分析法進行量值分析，邀請工程類相關(guān)專家參與打分，在充分考慮工程狀況，保證打分與實際情況一致的基礎(chǔ)上，運用1～9級標度法，建立G-Ri、R1-Pi、R2-Pi、R3-Pi層判斷矩陣（表3～表6），基本因素權(quán)重進行計算，且對層次判斷矩陣一致性檢驗［23］進行檢驗.

表3 G-Ri層判斷矩陣Tab.3 G-Ri layer judgment matrix

表4 R1-Pi判斷矩陣Tab.4 R1-Pi judgment matrix

表5 R2-Pi判斷矩陣Tab.5 R2-Pi judgment matrix

表6 R3-Pi判斷矩陣Tab.6 R3-Pi judgment matrix

將各矩陣元素進行處理得特征向量W1=（0.081 9 0.575 0 0.343 1）T、W2=（0.084 7 0.542 3 0.233 3 0.139 7）T、W3=（0.084 7 0.542 3 0.233 3 0.139 7）T、W4=（0.269 5 0.269 5 0.148 6 0.081 9 0.148 6 0.081 9）T，即G-Ri、R1-Pi、R2-Pi、R3-Pi的權(quán)重，求解最大特征根λmax，對判斷矩陣進行一致性檢驗.

1）計算判斷矩陣最大特征根

2）計算一致性指標

3）經(jīng)表可得平均隨機一致性指標RI.

4）計算一致性比率

因CR<0.1，所以，G-Ri、R1-Pi、R2-Pi、R3-Pi判斷矩陣滿足一致性檢驗的要求.

2.3 計算結(jié)果分析

由表7我們能夠直觀地看出各基本事件的權(quán)重，同時能夠得出高空墜落事故基本事件重要度排序：X6>X7>X9=X10>X8>X11=X13>X5>X2>X12>X14>X3>X4>X1，由重要度排序可得：X6、X7、X9、X10、X8、X11、X13共占比81.32%.因此這幾個基本因素是影響高空墜落事故發(fā)生的重要性因素，墜落前防護方式方法不當引發(fā)事故占比31.18%，由缺乏檢查監(jiān)督處理而未能墜前防護引發(fā)事故占比13.41%，可見這兩個因素在眾多因素中是導致事故發(fā)生的決定性因素，因此在防護體系中，防護方式方法是否得當、能否滿足安全性防護要求以及全面檢查監(jiān)督處理未能及時防護的缺陷，應(yīng)當是我們更加關(guān)注與注重的防范對象.

表7 層次分析法計算結(jié)果Tab.7 Calculation results of analytic hierarchy process

3 工程案例應(yīng)用

案例為烏魯木齊市某開發(fā)項目，主樓為平板式筏基基礎(chǔ)，裙房為獨立基礎(chǔ)加防水板形式，鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)（中心支撐+偏心支撐）.該項目共35層，屬超高層建筑，結(jié)構(gòu)較為復雜，施工要求較高，施工難度大，施工安全控制壓力大.建筑總面積140 417.8 m2，其中地上31層為鋼結(jié)構(gòu)，建筑面積為87 927.8 m2，地下3+1層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建筑面積為52 490 m2.抗震設(shè)防烈度8度，屋面防水等級Ⅰ級，耐火等級一級，建筑分類為一類，設(shè)計使用年限50 a.

3.1 洞口的精準預留

由于BIM三維信息模型可視化的特點，能夠?qū)︻A留洞口所在位置進行直觀展示，可在施工過程中根據(jù)施工要求安排工人進行洞口預留位置的確認.同時，做好洞口防護工作，對涉及預留洞口受力筋部分提前設(shè)計，盡量避讓，并對洞口周邊鋼筋進行加強處理.做好洞口精準預留定位工作，即安全規(guī)范作業(yè)，有效避免后期因洞口預留位置不恰當而導致后期二次施工的情況，確保墻體和樓板受力的完整性.墻體預留洞口如圖3所示.

圖3 墻體預留洞口圖Fig.3 Reserved hole in the wall

3.2 危險區(qū)域識別和安全防護

3.2.1 危險區(qū)域識別預警 將BIM技術(shù)與RFID技術(shù)結(jié)合，通過施工現(xiàn)場安裝的傳感、射頻識別（RFID）感應(yīng)、報警設(shè)備等，并利用附有RFID標簽的安全帽進行自動定位，預警系統(tǒng)與機械監(jiān)控設(shè)備相結(jié)合.對如洞口、臨邊等需要重點注意的安全部位進行FRID感應(yīng)器的安裝，若在施工期間有人誤入該區(qū)域，即可立即觸發(fā)報警設(shè)備，開啟安全預警，可提高工作人員警惕性，管理人員通過云平臺語音裝設(shè)備對誤入工作人員進行安全提醒，并通知人員進行安全措施部署，對危險區(qū)域進行有效防護，通過預警識別危險源，控制人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)，有效防止高空墜落事件的發(fā)生.

3.2.2 安全防護 由于BIM建立的三維模型具有可視化程度高的特點，因此在進行施工安全防護時，可以直接對構(gòu)造防護細節(jié)進行直觀展示，并能將防護部位復雜構(gòu)件樣式三維圖進行打印，方便為現(xiàn)場施工作業(yè)人員提供可靠防護操作依據(jù)，避免因現(xiàn)場防護不到位、防護薄弱或防護方式不當，最大化消除安全防護隱患，從而避免高空墜落事故和物體打擊事故的發(fā)生.該工程根據(jù)BIM三維模型對電梯口、塔吊附著操作平臺安全防護以及鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)置臨邊安全防護，如圖4～圖6所示.

圖4 電梯樓梯口防護示意圖Fig.4 Schematic diagram of elevator stairway protection

圖5 塔吊附著操作平臺示意圖Fig.5 Schematic diagram of tower crane attachment operation platform

圖6 鋼結(jié)構(gòu)工程臨邊防護圖Fig.6 Border protection diagram of steel structure engineering

3.3 結(jié)構(gòu)薄弱部位施工風險控制

3.3.1 模型有限元分析 本工程依據(jù)施工方案，基于Revit模型及有限元分析對結(jié)構(gòu)體系進行安全受力分析，并將結(jié)構(gòu)體系中薄弱位置找出，以便進行施工時，利用BIM技術(shù)對結(jié)構(gòu)薄弱部位進行實時監(jiān)控，加強監(jiān)測，提前采取加固措施，有效對施工風險進行管理.在本工程中由于地下三層高支模部位較多，且高支模架體穩(wěn)定是防范坍塌事故的重點，故采用負一層某部位高支模為例，進行施工風險控制說明.

根據(jù)實際工程，高支模采用外徑48 mm，壁厚32 mm的鋼管，搭設(shè)步距1.2 m，縱、橫間距為0.9 m的搭設(shè)架體.Revit軟件構(gòu)建高支模架體模型如圖7所示，轉(zhuǎn)化成ACIS格式，導入ANSYS軟件，根據(jù)工程實際進行荷載施加如圖8所示，進行屈曲分析、軸力分析，分析結(jié)果如圖9～圖11所示.

圖7 Revit構(gòu)建高支模架體模型Fig.7 High-support formwork model constructed by Revit

圖8 ANSYS模型荷載施加Fig.8 load application of ANSYS model

圖9 有限元模型總應(yīng)變圖Fig.9 Total strain diagram of finite element model

圖10 有限元模型屈曲分析圖Fig.10 Buckling analysis diagram of finite element model

圖11 有限元模型軸力圖Fig.11 Axial force diagram of finite element model

根據(jù)有限元軸力分析結(jié)果，對其進行實際施工荷載施加，架體產(chǎn)生的最大軸力為21.27 kN，最大形變?yōu)?.125 9 mm，架體承載力為4 280.1 kN，可知架體能夠滿足安全承載力要求，證明該高支模搭設(shè)施工方案是安全可行的.同時，根據(jù)有限元分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)架體在第二、三跨中間部位變形較大，易于發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，因此在施工過程中需對該部位添加應(yīng)變片，加設(shè)監(jiān)測點，連接BIM平臺，進行實時監(jiān)測架體形變、位移情況.

3.3.2 實驗測試 通過張貼應(yīng)變片進行測點位置布置，并選取具有代表性的部分桿件與有限元計算值，將計算值與實測值進行比較，得出混凝土在澆筑期桿件應(yīng)力如表8所示.

表8 混凝土澆筑期各桿件應(yīng)力比較Tab.8 Stress comparison of various bars during concrete pouring

該模型有限元計算值與工程實測值情況基本一致，能準確找到易失穩(wěn)位置.證明該轉(zhuǎn)換模型受力分析的正確性、有效性和實用性.

3.4 應(yīng)用效果評價

該工程采用BIM 5D平臺，充分利用BIM技術(shù)可視化的特點對建筑工程的危險區(qū)域進行識別和安全防護以及危險源、安全隱患進行排查，防止高空墜落事故的發(fā)生；基于Revit模型結(jié)合結(jié)構(gòu)分析模型受力分析，提前結(jié)構(gòu)體系薄弱部位，做到提前加固以及連接BIM平臺進行實時監(jiān)測，有效防止坍塌事故的發(fā)生；BIM技術(shù)在該工程中得到了良好應(yīng)用，提前發(fā)現(xiàn)施工中存在的危險源，消除潛在安全隱患，施工安全得以控制，基本完成預期安全生產(chǎn)目標，證明BIM技術(shù)對施工安全控制的可行性與有效性.

4 研究結(jié)論

本文以建筑工程施工安全控制為研究對象，利用風險識別方法找出建筑工程安全事故發(fā)生的本質(zhì)原因，利用BIM技術(shù)，對產(chǎn)生安全事故的原因進行控制，并利用實際工程案例進行應(yīng)用說明，主要結(jié)論如下：

1）根據(jù)對近年工程安全事故發(fā)生類型統(tǒng)計分析，明確高空墜落、坍塌事故多發(fā)，運用事故樹分析法與層次分析法對高空墜落事故進行科學分析發(fā)現(xiàn)，在防護體系中，防護方式方法是否得當，能否滿足安全性防護要求以及全面檢查監(jiān)督處理未能及時防護的缺陷，應(yīng)是我們更加關(guān)注的防范對象.而建筑工程傳統(tǒng)施工安全控制存在缺陷，信息化運用程度低及粗放型管理模式是工程項目安全事故頻發(fā)的根本原因.

2）通過BIM技術(shù)在實際工程案例中的運用，提前對危險區(qū)域進行識別，對洞口、臨邊進行有效安全防護，找到該實例結(jié)構(gòu)體系中第二、三跨中間部位變形較大，易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，消除了施工過程中大量安全隱患，避免了安全事故的發(fā)生.