基于BIM与AR的施工安全管理系统构建

曹 洋，苏振民，金少军

(1.南京工业大学 经济与管理学院，江苏 南京 211816；2.江苏省建设工程质量监督总站，江苏 南京 210036)

随着施工现场环境的复杂程度不断提高、建设项目的规模不断扩大，传统的安全管理方法如事前安全培训、事中安全检查等已经不再完全适用[1]。因此，亟需改变现有的安全管理方式，而且现代信息技术的快速发展，也为施工安全管理提供了新的思路。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)、物联网(internet of things，IOT)及无线传感器等作为当下火热的技术，国内外学者对这些技术进行了众多研究并在安全管理实践中进行利用。如PUERTO 等[2]使用BIM分析出设计阶段可能导致安全隐患的问题；刘国买等[3]基于ZigBee、RFID及视频检测技术，与隧道施工特点相结合，设计了隧道安全管理与定位系统；王学琛等[4]基于物联网技术，开发出一套煤矿安全风险监测预警体系；RIAZ等[5]结合BIM与无线传感技术(wireless sensor network，WSN)，对工人在施工过程中的不安全状态进行实时预警。

以上研究或关注项目环境所带来的安全风险，或关注工人的不安全行为所带来的风险，在一定程度上解决了安全管理上的困难。 但是这些研究技术都只能通过二维屏幕来显示，无法将施工现场复杂多变的情况呈现在现场施工人员面前，实现现场施工人员与 BIM的实时交互[6]。SACKS等指出风险识别很大程度上依赖于施工过程中感知潜在危险的能力[7]，并通过实例证明了处在虚拟环境中的工人相较于通过图片来学习的工人而言，能够识别出更多的危险[8]。

增强现实技术(augmented reality，AR)是一种新型的计算机技术，能够使抽象的东西具体化，给用户带来较大的视觉冲击，加深理解和记忆，因此将AR作为BIM技术的延伸，可以将BIM的价值最大化[9]。针对这一特点，笔者拟引入AR技术，作为BIM技术的补充，集成BIM与AR构建施工安全管理系统，以进一步完善现场施工安全管理，减少施工安全事故的发生。

1 BIM与AR的概述

1.1 建筑信息模型BIM

建筑信息模型是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，通过创建相应的三维模型和数字信息仿真模拟，将建筑物所具有的真实信息表达出来。目前，业界基于BIM及相关信息技术，从建筑的设计、施工前、施工和运营4个阶段进行了安全管理研究。尽管BIM已经得到了广泛的应用，但是现阶段的BIM只是充当了二维图和相关辅助资料的角色，难以结合复杂多变的施工现场环境，用户期望将虚拟信息和真实世界叠加起来以加强理解[10]。

1.2 增强现实技术AR

增强现实是一种虚拟环境嵌入真实环境的真实画面的环境[11]，并且借助显示设备实现虚拟世界与现实世界的融合，呈现给使用者一个视觉效果真实的环境[12]。MILGRAM[13]针对虚拟环境与现实环境提出了现实-虚拟连续(reality-virtuality (RV) continuum)这一概念，变化区间如图1所示。图1左侧为任何仅由真实对象组成的环境，包括直接观察真实世界场景或者通过某种窗口，亦或是通过某种视频显示所观察到的任何东西，称之为完全真实的环境。图1右侧为只包含虚拟对象的环境，如传统的计算机图形模拟。

图1 混合现实连续变化区间

两者之间即为混合现实，增强现实与增强虚拟都是混合现实的一部分。增强现实技术与虚拟现实(virtual reality，VR)技术的主要区别在于增强现实技术并不会将使用者与真实环境相互剥离，使用者身处在真实环境的同时还能够看到在真实环境上所叠加的虚拟信息[14]，从而提高使用者对虚拟模型的感知能力。

目前，国外的AR技术已经在建筑设计和维护、制造业、训练、医疗、3D视频会议、计算机辅助教学、娱乐等领域得到了大量的应用[15]；而在国内，建筑行业还未真正开始应用AR技术。

2 基于BIM与AR的施工安全管理系统架构

高效的安全管理需要对建筑施工项目安全信息进行高效收集及处理以实现最后的预警。因此，将施工安全管理系统划分成信息收集模块、信息处理模块和安全预警模块3个模块，系统结构如图2所示。

2.1 信息收集模块

信息收集模型涉及的项目安全施工信息主要包括3个部分：建筑实体信息、项目环境信息、安全知识信息，这些信息都将存储于BIM数据库中。建筑实体信息即建筑信息模型，主要包括建筑结构尺寸、材料信息等。建筑施工现场环境复杂多样，仅依靠建筑实体信息并不能完整地获得项目安全施工所需的信息。项目环境信息首先通过RFID收集现场人员、材料、施工机械的位置和身份类信息，通过WSN技术获取施工现场周围的环境状况，如含氧量、温度等。同时WSN较RFID具有更强的抗干扰能力，传输距离也更远，因此将RFID和WSN结合起来组成功能更加强大的信息收集系统[16]。安全知识信息一方面包括了安全准则和安全操作规范，例如“乙炔瓶的环境温度不得超过40 ℃，夏季应防止暴晒”，另一方面包括了以往的事故记录和优秀的施工经验，这一类信息可以通过本体技术输入到BIM数据库当中。

图2 施工安全管理系统结构图

图3 施工安全信息

3类项目安全信息相互之间存在着紧密的联系，如图3所示，通过BIM模型获取的建筑实体信息给项目环境信息与安全知识信息提供了建筑结构信息，包括建筑结构尺寸、材料信息等；而建筑物所在地的环境信息和安全知识信息，丰富了建筑实体的信息数据库。且项目环境信息和安全知识信息相辅相成，如安全规范中要求“隧道、人防工程、高温、有导电粉尘和狭窄场所，照明电压不应大于36V；潮湿和易触及照明线路场所，照明电压不应大于24 V”[17]，当实际施工中探测到相似环境信息时，安全知识信息将自动提醒，这样可确保在不同的环境中操作符合规范。

2.2 信息处理模块

信息处理模块是整个系统的核心模块，通过处理收集到的信息数据，将信息整合成能够为AR应用程序所识别的AR模型。这一模块可以分为3个过程，信息处理过程如图4所示。

(1)初步概念阶段。这一阶段为BIM准备阶段，针对不同专业建立专业BIM模型，也就是建筑实体信息，为方便不同专业之间的信息交换，通常采用工业基础类数据模型标准，即IFC格式。最后将各专业模型整合成完整的建筑信息模型。

(2)数字化模型阶段。针对实际施工中的现场需要，现场管理人员将初步概念阶段的模型拆分成创建AR所需要的不同的虚拟场景，即3D结构模型、4D施工模型，同时载入本体工程中所输入的安全知识信息，即2D文本信息。而这一过程需要将IFC格式转化为OBJ/MTL格式，再导入至3ds MAX进行深度加工和处理，最后导出可供AR识别和应用的L3D文件。

(3)目标建筑物模型阶段。上一阶段已经得到了AR建筑模型中所需的虚拟场景模型，但是要建立一个完善的AR建筑模型还需要位置信息和真实场景，即项目环境信息。在这一阶段，首先利用信息技术得到真实场景的位置信息，整合虚拟场景模型，得到该位置上的虚拟场景，再使用Wikitude与真实场景合成，得到最终虚实结合的AR建筑模型。

Wikitude为AR开发提供了一个健壮的平台，因为其所有开发特性都可通过开放源码软件开发工具包(SDK)获得，SDK允许对其源代码进行完全定制。因此，这使得诸如基于地理的跟踪、云识别和雷达等高级特性，可以为移动设备应用程序开发。

在最后的现场使用过程中，文本、图像、3D模型或视频，一旦创建并上传到云数据库，将会加入到AR模型中，用户可以通过任何支持相机的设备(智能手机、iPad等)的AR应用程序进行浏览，也可通过可穿戴智能设备(如HoloLens头盔，Google Glass等)进行浏览。

图4 信息处理过程

在施工过程中，不仅涉及到高处坠落的风险，还存在物体打击、机械伤害等安全隐患，这就对增强系统捕捉重力构件和移动计算能力提出了较高的要求，因此需要实时、准确地获取摄像机位置和姿势。考虑到摄像机位置获取的实时性，在施工过程中主要采用基于传感器的跟踪注册技术[18]。基于传感器的跟踪注册技术主要是利用磁场传感器、超声波传感器及机械传感器等对摄像机进行跟踪定位[19]。其中磁场传感器可以依据磁发射信号与磁感应信号之间的耦合关系获得被测物体的空间方向信息，从而确定施工人员与大型机械的相对位置信息；而超声波传感器则根据声元的相位差、时间差等捕捉物体的位置。因此，利用传感器来获取摄像机、大型施工机械及其他物体位置信息的技术算法相对简单，获取速度也较快，很好地满足了施工安全预警的要求。

2.3 安全预警模块

造成事故的主要因素分为危险场地环境、工人不安全行为、不安全作业顺序和高风险设备操作4类[20]。为解决这4类事故因素，安全预警模块主要包含了两个单元：人员操作培训单元和危险区域识别单元。

(1)人员操作培训单元。现在的大型施工项目中出现的事故大多是由于工人没有按照相关规范进行操作而引起的。同时，施工人员缺乏标准的培训方案，往往采用“师傅带徒弟”的方式，这就造成了每个工人对于施工安全的理解存在差异，而AR技术将使这种情况得到改善。

施工准备前，利用AR的沉浸式特点，对工人进行安全教育培训，模拟工程中的安全风险点，让工人在施工前知晓该操作相关的安全风险。当工人进入施工地点准备施工时，AR设备可以将当前的施工环境和已经搭建完成的模拟施工节点进行交互式显示，指导工人按照正确的规范进行施工。而工人在实际施工中，可以将现场操作情况反馈至BIM数据库中，一旦发生不可预期的安全事故，仍可将该过程记录下来，以充实BIM数据库，为将来的工作提供更加丰富的指导。

(2)危险区域识别单元。现阶段，仅仅凭借个人经验判断施工现场是否存在安全隐患是十分困难的，同时即使工人意识到了危险，也会因为对安全的认知不足，而忽略这些危险。当工人进入施工现场，通过随身携带的AR设备显示之前信息收集模块所收集到的现场附近的危险源清单，这样工人在施工前可以清晰地了解到自己所处环境是否安全。而当工人处在施工地点时，根据BIM数据库中对于不安全区域的界定规则，识别出工人是否处于危险区域，一旦工人进入危险区域，系统将启动安全警报。

当工人到达施工地点后，BIM数据库将该工序的施工规范导入AR设备，工人可以观看到叠加在真实环境基础上的虚拟影像，系统根据信息处理的结果，根据不同的风险等级发出不同的警告。如当工人距离未设有保护栏杆的洞口0.6 m以内时，系统辨别为高危险，工人在AR中看到的景象将是红色，并标记出撤回安全地点的路线，同时系统告知安全管理人员采取应急措施；当人员处于距离洞口0.6～1.5 m范围内时，为安全隐患区域，对应为中等危险，AR影像显示黄色，提醒工人注意安全，并把相关情况反映给安全管理人员；当距离洞口1.5 m以外时，AR影像显示正常，各相关人员无需采取措施。

在现场环境方面，如当工人使用乙炔瓶时，现场环境如果超过40℃，AR影像显示红色，当前环境温度已超过施工允许的范围，提醒工人停止施工，并采取相应措施；而当温度低于35℃时，AR影像显示绿色，允许正常施工。

通过利用该安全管理系统，工人在施工之前就可以准确地识别到安全风险地点，更好地理解施工现场的安全预防措施；施工过程中做到安全风险实时可视化，加强了工人与BIM以及管理人员的有效沟通，同时也可以减少用于监督的时间和劳动。

3 系统功能分析

安全管理系统流程如图5所示，可以看出整个安全管理系统运行流程大致分为3个阶段：施工前、施工中和施工后。在正式施工前，现场各参与方的管理人员与施工人员对具有安全隐患的作业过程、安全风险点和区域进行交底。针对工程中的安全风险点，利用AR对工人进行培训，让工人了解相关施工点的安全规范，待培训合格后方可进入施工现场。

进入施工现场后，工人佩戴的AR设备将指导工人按照安全规范施工，并根据工人所处环境进行判断，一旦工人进入了系统认定的危险区域，预警模块将对工人发出警报，并通知安全管理人员采取相应的措施，以确保工人在安全的状态下完成相应的工作。施工结束后，可以将工人的整个施工状态上传至BIM数据库，安全管理小组对其进行分析，更新安全信息。

图5 安全管理系统流程

3.1 施工前的风险检查和教育培训

正式施工前，现场各参与方的管理人员与施工人员对具有安全隐患的作业过程、安全风险点和区域进行交底。虽然现阶段，依靠Navisworks已经能够通过二维屏幕实现虚拟建设，但是依靠AR，管理人员可以在贴近真实的虚拟环境中更加容易地理解现场存在的危险，并将信息传递给施工工人。

缺乏适当的培训是导致工人危险行为的因素之一，没有受过良好训练的工人往往不善于识别危险活动。施工前根据已经虚拟建设识别出来的安全风险点，对施工人员进行教育培训，以便其在安全的状态下准确高效地完成相应的施工任务。针对关键的安全风险控制点，利用已经构架完成的建筑实体模型，模拟施工工序，制作相应的三维影像，然后借助AR技术将三维影像叠加到真实环境中，通过AR设备将其完整地呈现在用户面前。AR技术不仅解决了工人无法凭借二维图纸想象安全风险和操作规范的困难，还调动了工人的积极性，促使其融入到现场环境中。

3.2 施工中的现场指导和预警可视化

虽然施工前识别了安全风险，也对工人进行了培训，但是实际工作时情况复杂多变，仅依靠培训是不够的。因此，现场实时指导不可缺少，可有效避免工人在施工过程中因操作失误而引发的不安全事故。在施工过程中，如果工人对某一项施工工序存在理解上的困难，可以通过AR技术将施工规范操作动画呈现在工人眼前，以提供实时的指导，借此帮助工人准确完成工作。

施工过程中，系统依靠现场信息收集装置收集到的信息判断工人是否处于危险状态。以往的研究中，这些信息都只能通过二维屏幕展示给后方的安全管理人员，这可能导致安全管理人员发出了指令，但是施工人员未能及时理解指令的问题。而该系统中，工人可以通过AR设备看到自己面临的危险，同时虚拟环境可以给工人提示正确的救援措施，避免出现理解上的偏差。

3.3 施工后的信息反馈更新

施工完成后，整个施工过程中的操作信息都会被记录下来，并传递至BIM数据库中。针对信息库中的信息，安全管理人员再进行分析，如针对工人的不安全行为进一步细化，将出现的不安全的施工动作划为不安全行为，以不断丰富BIM数据库，形成最终的安全信息数据库，为以后的项目提供可靠的依据。

4 结论

现阶段，一些新技术的出现使得在现场收集信息的能力大大增强，一方面通过收集现场的环境信息预测存在的风险因素，另一方面通过收集工人的信息来加强安全管理工作。但是，现场收集到的信息都反映在二维屏幕上，相关的BIM信息无法与工人实现交互，致使工人未必能够完全理解相关信息。另外，人在虚拟环境中的感知与在真实世界的感知是不一样的，通过叠加在真实环境中的虚拟环境比通过传统的图片学习更加有效。笔者结合BIM技术和显示增强技术构建了安全管理系统，在真实的世界进行场景“增强”，更贴近用户世界。在这样虚实交互的场景中进行施工，使现场工人能够更好地感知真实工作环境中的危险源，调动工人的警惕性，从而降低安全事故发生的概率，实现施工安全管理的可视化。同时，最终建立的BIM数据库，将对提高整个行业安全管理水平具有一定的借鉴意义。