李佩琪 綦春明 韋春昌 蔣金湖

(南華大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

近年來，隨著科技水平的不斷提高，建筑行業(yè)得到了快速發(fā)展，各大建筑企業(yè)也不斷更新技術(shù)，提高核心競爭力。但是建筑行業(yè)工作人員受到的死亡威脅比其他行業(yè)高出2.5倍，施工安全問題必須引起企業(yè)重視，加強(qiáng)施工安全管理，保障施工人員的安全勢在必行?！笆濉币?guī)劃提出推進(jìn)建筑信息模型(BIM)的應(yīng)用，BIM成為建筑行業(yè)的大勢所趨。本文通過研究BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在施工安全管理中的應(yīng)用，借助智慧工地平臺將BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與建筑施工過程相融合，實(shí)現(xiàn)對施工現(xiàn)場危險源的識別與管控，實(shí)現(xiàn)工地的智能化管理，進(jìn)而完善工地施工安全管理體系，達(dá)到提高安全管理水平的目的。

1 智慧工地與施工安全管理

施工安全管理，即通過管理手段及一系列措施保證施工過程中施工人員的生命安全，以達(dá)到預(yù)防、減少事故的目的。BIM技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于建筑施工中，結(jié)合這兩大新興技術(shù)與施工安全管理，將會極大提高安全管理效率。BIM是隨著信息時代的到來，在建筑行業(yè)逐步發(fā)展應(yīng)用起來的一個以計算機(jī)為核心，對建筑設(shè)施設(shè)備數(shù)字化的信息模型，是信息共享的基礎(chǔ)。BIM的應(yīng)用不只是軟件的使用，而是涉及多個領(lǐng)域的復(fù)雜過程，其能夠應(yīng)用于建筑全生命周期的各個階段，具備可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性和可出圖性等特點(diǎn)[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑過程中的無障礙溝通，大大提升建筑工程的質(zhì)量和建設(shè)的效率。物聯(lián)網(wǎng)則是通過信息傳感設(shè)備建立起網(wǎng)絡(luò)與其他物體之間的連接，實(shí)現(xiàn)便捷迅速的信息交換等功能。建筑施工過程中會產(chǎn)生繁多的信息，物聯(lián)網(wǎng)的使用有利于現(xiàn)場信息的采集與傳遞，提高參建各方之間溝通的效率。

智慧工地是一種嶄新的工程全生命周期管理理念，即利用先進(jìn)的科技手段對施工現(xiàn)場進(jìn)行管理，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的管理模式，將BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云平臺等集成應(yīng)用于工地管理，實(shí)現(xiàn)工地管理的信息化、智能化和可視化，達(dá)到提高建筑工地的安全管理效率、減少事故發(fā)生概率、實(shí)現(xiàn)綠色施工等各項(xiàng)目標(biāo)。智慧工地還是一種先進(jìn)的管理施工現(xiàn)場的模式，BIM、物聯(lián)網(wǎng)是智慧工地的兩項(xiàng)核心技術(shù)。智慧工地提供BIM技術(shù)與施工現(xiàn)場安全管理相結(jié)合的平臺，BIM為智慧工地各個階段的關(guān)鍵因素控制管理提供信息技術(shù)支持，物聯(lián)網(wǎng)的信息采集功能則能提供更精確、更全面的建筑相關(guān)數(shù)據(jù)，提高施工安全管理的水平。

2 基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的危險源識別

危險源即誘發(fā)安全事故的起因，施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變致使存在的危險源種類繁多，一旦觸發(fā)，將可能造成無法承受的傷害和損失，人的失誤、物的故障和環(huán)境因素都可能導(dǎo)致施工現(xiàn)場的安全事故，具體危險源的分類見表1。要對這些危險源進(jìn)行控制，首要任務(wù)就是在意外發(fā)生之前先識別出施工現(xiàn)場的各種危險源，然后有針對性地制定防范措施。而傳統(tǒng)的危險源識別主要是采用安全檢查表法和依靠施工管理人員的經(jīng)驗(yàn)，既不夠直觀還容易受主觀因素的影響。運(yùn)用BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過智慧工地平臺實(shí)現(xiàn)模型與現(xiàn)場施工的結(jié)合，在施工前和施工過程中進(jìn)行危險源的識別，減少主觀因素對判斷的影響，能夠更全面直觀地識別危險源，合理有效地控制危險源，減少施工安全事故的發(fā)生。

表1 危險源的分類

(1)BIM技術(shù)識別危險源。建立危險源信息數(shù)據(jù)庫，輸入施工項(xiàng)目的相關(guān)資料、與施工項(xiàng)目有關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、施工及類似項(xiàng)目發(fā)生過的事故案例，對危險源進(jìn)行分類。構(gòu)建BIM模型，讓模型中的構(gòu)件與施工現(xiàn)場的安全信息建立對應(yīng)關(guān)系，以模型為基礎(chǔ)，初步進(jìn)行施工安全環(huán)境的分析。施工的各種安全信息儲存在BIM模型之中，對模型包含的各構(gòu)件的屬性信息進(jìn)行提取，對比相關(guān)規(guī)范識別危險源[2]。利用BIM的可視化動態(tài)模擬功能，對施工項(xiàng)目的施工工藝、流程以及施工方案等進(jìn)行模擬，從而直觀地展示出更多建設(shè)過程中的細(xì)節(jié)；通過在虛擬模型中查看工程的施工要素、主要機(jī)械設(shè)備的部署[3]，并在模擬施工過程中比對BIM模型和數(shù)據(jù)庫信息，提前發(fā)現(xiàn)施工中的安全隱患，有效識別并全面考量各方面的安全隱患，從而提前對整個施工方案、工藝進(jìn)行驗(yàn)證進(jìn)而優(yōu)化。

(2)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)識別危險源。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括傳感器技術(shù)、無線射頻識別技術(shù)(RFID)、定位技術(shù)(PT)等，主要實(shí)現(xiàn)智慧工地的數(shù)據(jù)采集、識別、定位等功能，為智慧工地的信息處理和決策分析提供實(shí)時的數(shù)據(jù)支撐。環(huán)境因素對施工安全有很大影響，利用相應(yīng)的傳感器監(jiān)測施工現(xiàn)場的環(huán)境因素，如颶風(fēng)、暴雨、大雪等，在施工受到影響前發(fā)出預(yù)警；施工現(xiàn)場的傳感器可用于對塔吊、升降機(jī)等垂直運(yùn)輸機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，一旦檢測到狀態(tài)異常，即可自動發(fā)出聲光預(yù)警和報警；利用RFID可準(zhǔn)確掌握并實(shí)時采集施工人員的工種、位置和進(jìn)出場信息，當(dāng)施工人員距離危險源位置過近或存在危險可能時即會發(fā)出警告。將RFID與BIM技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時采集施工現(xiàn)場的各種信息，可實(shí)現(xiàn)虛擬模型與現(xiàn)實(shí)建設(shè)的連接[4]。

(3)施工過程危險源識別不夠智能，安全信息的采集和傳遞不夠及時，是導(dǎo)致施工安全事故的重要原因之一。利用智能識別技術(shù)，關(guān)聯(lián)采集到的各種建筑信息數(shù)據(jù)和BIM模型，傳遞監(jiān)控信息到BIM信息數(shù)據(jù)庫中，比對BIM模型和現(xiàn)場施工的實(shí)際情況，對項(xiàng)目的數(shù)據(jù)與計劃、標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)對危險源動態(tài)、可視化的監(jiān)控預(yù)警[5]。結(jié)合BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅能夠在施工前提前識別危險源，制訂事故緊急預(yù)案，做好防控工作優(yōu)化施工方案，還能在施工過程中全面監(jiān)控現(xiàn)場情況，及時集成信息并反饋給智慧工地平臺，然后準(zhǔn)確定位危險源，及時處理問題，使安全管理的效率得到很大程度提升。

3 基于BIM的智慧工地施工安全管理

3.1 數(shù)據(jù)采集

Microsoft Access軟件是應(yīng)用較為普遍的數(shù)據(jù)管理平臺之一，運(yùn)用SQL語句可以進(jìn)行許許多多的操作，如對數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行提取和更新。選用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫平臺建立危險源信息數(shù)據(jù)庫，整理搜集到的各種建筑施工安全事故的案例和建筑施工過程中存在的危險源信息錄入到數(shù)據(jù)庫中，并在使用過程中不斷對庫內(nèi)信息進(jìn)行更新、反饋(圖1)。例如：安全管理人員通過監(jiān)控設(shè)備查看現(xiàn)場施工情況，或者直接巡查作業(yè)現(xiàn)場時，檢查出現(xiàn)場施工存在的安全隱患，即可利用移動設(shè)備將相關(guān)信息輸入到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)時更新項(xiàng)目的危險源信息。Navisworks軟件中的Data Tools工具可以實(shí)現(xiàn)危險源信息數(shù)據(jù)庫和BIM模型之間的鏈接，將模型中的構(gòu)件和相關(guān)的安全信息連接起來，管理人員能夠通過BIM模型的模擬情況，結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)找出可能存在的其他危險源，并將這些危險源信息也錄入數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫會自動關(guān)聯(lián)模型[6]。這有利于更直觀地識別了解項(xiàng)目施工的危險源，從而采取措施對其進(jìn)行防范管控。

圖1 危險源信息數(shù)據(jù)庫信息來源

3.2 模型搭建

Revit軟件是目前BIM技術(shù)中使用較為普遍的軟件之一，使用Revit軟件可創(chuàng)建3D建筑模型和結(jié)構(gòu)模型。首先，創(chuàng)建項(xiàng)目文件與構(gòu)件族庫。其次，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況設(shè)置項(xiàng)目的參數(shù)以及模型的材質(zhì)信息，創(chuàng)建的Revit建筑、結(jié)構(gòu)模型的相關(guān)信息會隨著模型的修改與完善及時更新。再次，將Revit軟件中構(gòu)建好的建筑、結(jié)構(gòu)模型依次導(dǎo)入Navisworks Manage軟件中，利用Navisworks軟件提供的視圖瀏覽和查看工具對項(xiàng)目的情況進(jìn)行快速審查并進(jìn)行記錄，Navisworks的相機(jī)視圖功能可以控制觀察點(diǎn)的位置，從而取得不同的觀察效果；施工過程中含有許多管線施工作業(yè)，利用其提供的Clash Detective工具進(jìn)行圖元之間的碰撞沖突檢測，Navisworks可根據(jù)設(shè)定條件自動查找存在沖突的圖元位置，用戶即可對檢測結(jié)果進(jìn)行管理，避免出現(xiàn)管線交叉、沖突而導(dǎo)致的返工或安全事故。最后，利用Navisworks提供的TimeLiner工具可定義好項(xiàng)目的施工任務(wù)并設(shè)置各項(xiàng)信息然后進(jìn)行模擬施工，導(dǎo)出模擬過程的動畫或視頻，若出現(xiàn)模擬與現(xiàn)場施工不一致的情況，參建各方即可立刻進(jìn)行協(xié)調(diào)溝通并及時做出調(diào)整。

3.3 信息應(yīng)用

BIM技術(shù)可以協(xié)助智慧工地實(shí)現(xiàn)從虛擬模型到現(xiàn)實(shí)建筑、從理論到實(shí)際數(shù)據(jù)的整合分析，BIM技術(shù)的模擬可以幫助確定監(jiān)控攝像頭安裝的最佳位置，達(dá)到更好的監(jiān)控效果，進(jìn)而全面實(shí)時監(jiān)控施工現(xiàn)場，施工現(xiàn)場的管理人員利用BIM技術(shù)的施工模擬并結(jié)合施工現(xiàn)場的監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)建筑施工過程和BIM建筑模型間的比對，實(shí)時監(jiān)測建筑工程中發(fā)生的變化，針對變化進(jìn)行分析與判斷，及時找出并處理其中存在的問題，并確保施工現(xiàn)場的問題能夠得到及時解決。智慧工地的信息數(shù)據(jù)主要來源于BIM模型和施工現(xiàn)場，BIM模型可以很直觀地反映出建筑各專業(yè)信息的空間關(guān)系，施工現(xiàn)場的信息隨著施工不斷更新，更新的信息將直接傳輸?shù)紹IM數(shù)據(jù)庫中，這將有助于對收集到的信息進(jìn)行整理分析、反饋和共享。為便于開展施工過程中的安全管理工作，本文構(gòu)建了基于BIM的智慧工地施工安全管理體系(圖2)。

圖2 基于BIM的智慧工地施工安全管理體系

(1)人員安全管理。施工現(xiàn)場人員較多，管理起來比較困難，容易發(fā)生各種事故，造成人員傷亡。基于BIM和智慧工地系統(tǒng)對現(xiàn)場人員加以管控，可實(shí)現(xiàn)對人員安全、有序、高效的管理。使用勞務(wù)實(shí)名制管理系統(tǒng)，通過人臉識別可核查進(jìn)入場地人員的身份信息，一方面，可以對施工人員進(jìn)行考勤，統(tǒng)計在場工種數(shù)；另一方面，能防止外來人員的進(jìn)入，避免發(fā)生不必要的矛盾或危險。施工人員在施工過程中的種種不安全行為往往容易造成事故。郭紅領(lǐng)等[7]對人員不安全行為進(jìn)行了分類，基于BIM和定位技術(shù)可從不同方面預(yù)警施工人員的不安全行為，施工人員進(jìn)入危險區(qū)域、沒有正確使用安全防護(hù)用品或者沒有按照規(guī)定操作機(jī)器設(shè)備等，一旦被識別出來就會立即發(fā)出警報，防止安全事故的發(fā)生。

(2)施工方案的優(yōu)化。在傳統(tǒng)的安全管理模式下，優(yōu)化施工方案主要依靠現(xiàn)場調(diào)研后制訂出多組方案，并從中選出相對最優(yōu)的方案，這種做法存在的不確定因素較多。而利用BIM技術(shù)的可模擬性能夠?qū)こ添?xiàng)目中的重難點(diǎn)進(jìn)行模擬，進(jìn)行構(gòu)件之間的沖突碰撞檢測，對比分析不同的施工方案，從眾多方案中選擇出相對最優(yōu)的方案，根據(jù)模擬中暴露出的問題再對該方案進(jìn)行最終優(yōu)化。如果發(fā)現(xiàn)是設(shè)計方面的問題，則及時反饋給設(shè)計單位修改調(diào)整；如果是施工工序、施工設(shè)備等方面的問題，則反饋給施工單位予以修改并再次進(jìn)行施工模擬，直到方案符合施工要求[8]。在施工現(xiàn)場，施工的整個進(jìn)程是動態(tài)的，存在各種可能導(dǎo)致工程變更的因素，需要對施工方案做出調(diào)整，利用BIM技術(shù)將施工現(xiàn)場采集的各種信息傳輸?shù)紹IM模型中，模擬施工現(xiàn)場的情況對施工方案做出合適的調(diào)整。這在很大程度上可以保證施工的順利推進(jìn)，減少方案調(diào)整不當(dāng)而誘發(fā)的安全事故。

(3)施工安全技術(shù)交底。在施工之前由施工技術(shù)人員向施工人員詳細(xì)說明施工過程中需要注意的問題、施工手法等。施工安全與施工技術(shù)緊密相關(guān)，一旦施工技術(shù)出現(xiàn)失誤，可能直接導(dǎo)致施工人員的生命受到威脅，或者導(dǎo)致工期延誤，后期施工單位為了追趕施工進(jìn)度，也可能間接構(gòu)成對施工人員安全的威脅。如今的建筑工程多為大型且復(fù)雜的項(xiàng)目，交叉施工作業(yè)的情況經(jīng)常發(fā)生，BIM技術(shù)可以把建筑、結(jié)構(gòu)、精裝修等內(nèi)容全部整合到一個立體模型上，這對安全交底工作具有重要意義，可以協(xié)助管理人員更好地掌握全局情況，通過構(gòu)建虛擬的建筑模型為現(xiàn)場管理人員提供一個可視化平臺，將施工內(nèi)容與BIM模型進(jìn)行結(jié)合，并搜集整理施工有關(guān)的各種安全信息，對影響施工安全的各種因素進(jìn)行全面分析，使管理人員能夠明確不同部位存在的安全問題，并使用Navisworks軟件中的批注功能在模型中進(jìn)行標(biāo)注，生成相關(guān)的施工動畫或者視頻[9]。對施工人員進(jìn)行更有針對性的安全技術(shù)交底，將施工需要注意的事項(xiàng)、安全技術(shù)的操作直觀地呈現(xiàn)給施工人員，給施工人員留下更深刻的印象，從而減少操作失誤，從根源上預(yù)防安全事故。

(4)施工現(xiàn)場平面布置。施工現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜，工程項(xiàng)目施工場地有限，人機(jī)碰撞、機(jī)械設(shè)備碰撞時有發(fā)生，為了減少碰撞保證施工安全，施工前合理規(guī)劃施工現(xiàn)場材料的進(jìn)場時間和擺放位置對現(xiàn)場的安全管理至關(guān)重要，利用BIM技術(shù)可視化、動態(tài)性的特點(diǎn)動態(tài)模擬施工，提早發(fā)現(xiàn)施工布置方案中存在的安全隱患，同時對施工現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行考察，收集實(shí)時的工程信息輸入BIM模型中，使得模型能更真實(shí)地反映實(shí)際施工情況，從而對材料、機(jī)械設(shè)備的到場時間、現(xiàn)場安置與堆放進(jìn)行合理規(guī)劃與安排，直觀地顯現(xiàn)出施工過程中現(xiàn)場場地的布置情況(如材料堆放區(qū)、人員安全通道、機(jī)械通道及擺放區(qū)等位置)，便于運(yùn)輸、儲存與施工，減少材料安放導(dǎo)致的安全問題。例如：施工人員對一些危險物品沒有進(jìn)行合適的放置，將導(dǎo)致物品的傾倒或與人員發(fā)生碰撞，造成人員傷亡，所以十分有必要應(yīng)用BIM技術(shù)模擬和安排材料的空間布置，避免其成為危險的源頭，保證施工過程的順利進(jìn)行。

(5)施工安全監(jiān)管。施工現(xiàn)場的塔吊、升降機(jī)、深基坑、臨邊洞口等皆為易發(fā)生事故之處，可利用BIM技術(shù)的可視化管理實(shí)施全面的管控。以塔吊為例，建立塔吊安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主機(jī)、顯示器、傳感器和監(jiān)控攝像頭組成，利用傳感器實(shí)時采集塔吊的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在顯示屏實(shí)時顯示塔吊工作狀態(tài)，供塔吊司機(jī)更好地了解塔吊工作情況。在塔吊大臂前端安裝攝像頭，可監(jiān)控塔吊司機(jī)在操作室無法看到的死角，以便塔吊司機(jī)通過監(jiān)控視頻全面掌握塔吊周邊和塔吊自身的情況，避免發(fā)生塔吊碰撞事故。

在傳統(tǒng)的安全管理模式下，施工過程產(chǎn)生的信息傳遞不便，利用率不夠高，容易出現(xiàn)信息混亂的情況，這必然會對安全管理產(chǎn)生不利的影響，利用BIM協(xié)助安全管理，將利于對施工進(jìn)度、方案等的核查，提高工作效率。在施工過程中，安全檢查是保證施工現(xiàn)場進(jìn)行安全生產(chǎn)的重要手段之一，項(xiàng)目人員通過現(xiàn)場巡查或者現(xiàn)場監(jiān)控，對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行拍照、截屏、描述，并上傳到智慧工地平臺，將現(xiàn)場問題與BIM模型進(jìn)行掛接，全方位掌握施工現(xiàn)場安全狀況，在平臺發(fā)起問題分析與整改，將需要解決的問題落實(shí)到人，通過平臺發(fā)送通知給相關(guān)問題的責(zé)任人，使相關(guān)責(zé)任人及時對現(xiàn)場情況進(jìn)行分析處理，解決問題并在平臺發(fā)起審核，審核通過后則關(guān)閉流程并進(jìn)行記錄存檔，未通過的則繼續(xù)整改直到通過為止。

4 結(jié)語

安全管理在工程項(xiàng)目順利完成的過程中扮演著極其重要的角色，現(xiàn)代建筑工程項(xiàng)目作業(yè)環(huán)境越來越復(fù)雜，對技術(shù)的要求也越來越高，有必要提高安全管理的水平來保證施工安全。智慧工地平臺可將BIM技術(shù)與施工現(xiàn)場結(jié)合，并輔以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用BIM建模、虛擬施工、碰撞檢查識別出危險源、優(yōu)化施工方案、合理安排材料設(shè)備空間布置、監(jiān)管施工質(zhì)量與安全等。本文經(jīng)過研究得出以下幾點(diǎn)關(guān)于安全管理的結(jié)論：

(1)加強(qiáng)安全監(jiān)管的力度。對智慧工地實(shí)施全面監(jiān)控，這對于工地的工作人員來說，可以起到一個監(jiān)督的作用，能夠從側(cè)面影響工作人員的工作態(tài)度，使得施工人員在施工作業(yè)時會更加謹(jǐn)慎、規(guī)范，對于相關(guān)的操作規(guī)程能做到更加嚴(yán)格遵守；運(yùn)用BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享，更有利于帶動項(xiàng)目的各相關(guān)方積極參與到加強(qiáng)施工安全管理的工作中。

(2)提高安全監(jiān)管的效率。傳統(tǒng)的安全管理依賴于管理人員在施工現(xiàn)場進(jìn)行安全檢查，但易出現(xiàn)人手不夠、監(jiān)管不及時或者不到位的狀況，BIM結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到安全管理過程中，即使管理人員不能前往施工現(xiàn)場，也能通過電子設(shè)備隨時隨地了解施工現(xiàn)場的情況，從而及時發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的安全隱患，并通知施工單位發(fā)起整改，促進(jìn)安全生產(chǎn)和管理。

(3)提高安全管理工作的科技含量。目前，國家和地方都頒布了一系列的政策，促進(jìn)BIM技術(shù)的應(yīng)用推廣，在建筑施工的安全管理中引入BIM技術(shù)，在傳統(tǒng)的安全管理基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)安全管理模式的創(chuàng)新，這將使得安全管理更加便捷，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)督與實(shí)時管理工地，在一定程度上促進(jìn)建筑施工安全管理科學(xué)性與有效性的提高。