基于BIM的工程项目塔吊事故安全管理系统研究

王 倩，田莉梅

（廊坊师范学院，河北 廊坊 065000）

0 引言

当前建筑行业的危险性问题依然突出，其中，塔吊的危险性高，安全问题层出不穷。在建筑安全事故方面，国内外学者进行了比较深入的探索和实践。早期，Alberto 就已经提出要设计一个建筑工地自动化实时安全管理系统，鼓励无线射频识别（简称RFID）与移动软件融合用于现场监测建筑工人。金智献针对物联网项目软件平台的开发提出了利用软件平台进行安全监测及管理的可能性。［1］Ram⁃sha Akram 提出可视化是建筑信息模型最有发展前景的特征，而危险识别是建筑安全的一个重要应用领域。［2］因此，可以利用BIM 搭建建筑信息平台，利用BIM 相关技术，建立自动化实时安全管理系统，通过合理计划、动态组织、有效控制实现减少建筑工地现场塔吊事故的目标。

1 塔吊安全管理信息共享平台的构建

根据管理学中的协同作用的观点，通过多方参与和共同努力建立信息共享平台。结合全方位安全管理的思想，由建设方、设计方、施工方、监理方及塔吊供应方共同运用BIM 技术整合项目信息形成数据库，建立塔吊安全管理信息共享平台（简称平台）。

塔吊安全管理是项目生产周期的管理，包含设计阶段、准备阶段、施工阶段以及检修阶段。设计阶段，建设方输入工程项目基本信息，设计方输入全专业三维立体模型；进入施工准备阶段后，施工组织设计已经初步形成，可借助平台信息选择塔吊供应商并确定现场人员，塔吊供应商输入塔吊设计模型以及计算模型，施工方补充人员信息、完善施工方案信息和建立三维场地布置模型以及项目管理5D模型；施工阶段利用BIM相关技术进行人员追踪、构件追踪、视频监控、环境监测以及应急仿真演练等管理活动，形成追踪信息、监测信息和应急信息；检修阶段对塔机实现安全监测并对参数重新验算形成机件监控信息与塔吊新模型信息；具体运行模式见图1。在平台的基础上配合硬件设施的输出，各方可以随时调取和更新数据，实现数据管理和高效协作。

图1 塔吊安全管理信息共享平台运行模式

2 塔吊风险与信息共享平台的对应关系

2.1 塔吊安全事故风险源分析

针对塔吊事故的风险源，不少学者进行了研究。余群舟针对162起塔吊安全事故案例进行统计分析，得到造成塔吊事故的内在因素包括人员素质、安全管理和塔吊质量。［3］In Jae Shin通过对38起塔式起重机死亡事故的分析和访谈，发现塔式起重机安装与拆卸过程中发生的事故占所有致命事故的68.4%，确定“不遵守工作程序”是这些事故的主要原因之一。［4］综合以上因素将安全事故风险源概括为安全意识淡薄、选型不合理、装卸不当、人员失职、违规操作、信号误读、塔吊失灵以及机件失修。

2.2 风险源与信息共享平台的对应关系

塔吊安全管理需要借助管理活动来实现风险的预防、预判与预警。根据平台的生命周期概念，在平台中具体模型信息（表1）基础上结合相关技术去完善平台信息，并将风险源按照设计阶段、准备阶段、施工阶段、检修阶段进行划分，建立风险源与平台信息的对应关系，形成有效的管理活动，具体见图2。

2.2.1 设计阶段

设计阶段应由建设单位确定BIM 标准，要求相关人员熟练掌握建模技术，设计方可选用广联达、新奔腾、Magicad、Revit 及晨曦科技等系列插件建模提交项目全专业三维模型，平台根据BIM 模型统计分析构件的种类、位置以及数量形成工程信息、构件信息、吊装信息的数据库等。在此基础上建设方可以看到实现塔吊事故安全管理的可能性与可操作性，最终确定安全管理目标与管理流程。

2.2.2 准备阶段

准备阶段塔吊选型不合理、装卸不当是主要的风险。塔吊供应商调取数据库匹配塔吊型号，同时对其基本参数和工作参数设置，可选用Revit、Ansys等软件形成塔吊模型进行数据存储，在此基础上选用品茗、Maya、Catia/V5RH、Pkpm、solidworks 等软件进行塔吊参数设置与力学计算，形成力学计算书和危险部位及关键节点信息。施工方选用广联达、晨曦等软件建立现场布置模型及项目管理5D模型，模拟作业环境并确认构件存放位置及吊装顺序。结合工程信息与塔吊信息编制塔吊专项施工方案，最终确定塔吊安装与拆卸的具体方法并进行施工分解，采用3dsmax 模型虚拟现实进行技术交底，通过Navisworks 等软件形成施工模拟动画。利用平台可以实现设备选型、场地布置、技术交底、施工模拟等管理活动的有效化。

表1 平台模型对应的BIM信息

图2 风险源与信息共享平台的对应关系

准备阶段人员失职，操作方法不清晰为对后期的正常操作埋下隐患。施工方需统计塔吊工作人员身份信息（姓名、性别、年龄、学历、从业资格、工作年限等）形成个人身份芯片安装至专属安全帽，将员工信息传至平台，针对录入人员进行安全教育，利用安全座椅或塔吊模拟机的BIM 信息场景完成员工教育，最终实现安全教育和人员把控。

2.2.3 施工阶段

施工阶段会产生违规操作、塔吊失灵、以及信号误读等安全事故风险。施工过程交底应完善塔吊施工方案模型，将塔吊的操作步骤进行WBS任务的分配，建立任务点的操作动画，采用Fuzor 进行虚拟展示完成模拟交互，将任务点储存至信息共享平台，同时针对常规危险设置紧急应对方案。作业人员接收到命令时提醒其调取并观看。将平台与硬件设备如（显示大屏、平板、手机、头盔、眼镜）相连，工作人员（包括塔吊信号指挥员）接受命令登录APP客户端，观看相关指导视频后方可通过验证进入工地开展工作。现场安装任务进度显示屏，按照平台内的任务节点完成任务，相关人员全部确认后进行下一步任务节点的操作，尽可能避免工作流程不清晰以及信号误读。操作过程中利用视频监控，将摄像头安装在施工区出入口，塔吊周围、塔吊顶端等重要位置，利用光纤传输信号实现实时监控，在视频服务器中加入存储硬盘，利用RFID，对工地现场监控数据以及塔吊基本参数（起重量、起重力矩、起重幅度、提升高度、工作速度）的监控信息进行存储。调用现场布置模型以及项目管理5D 模型中的环境信息、人员信息以及吊装材料出库信息等，形成追踪信息。监控信息和追踪信息与平台数据进行匹配，误差超出既定范围即发出信号，大屏标红亮显，及时采用应对策略。基于平台可以实现详细的技术交底和操作任务的分解与确认，利用监控与追踪信息辨别并及时应对塔吊事故。

2.2.4 检修阶段

检修阶段也是安全管理的一个重要阶段，机件失修会留下安全隐患。利用数据平台统计塔吊的使用强度并进行随时更新，使用完毕后对回转上转台、塔帽、平衡臂、起重臂、变幅小车与吊钩、底架、基础节、加强节、标准节的状态进行红外线扫描结合传感技术检查构件安全状况，检修人员通过移动端设备通过Autodesk BIM360 Glue 进行模型信息反馈与塔吊供应方沟通，结合数据平台给予安全回复，实现机件检修。

3 塔吊施工安全管理系统的创建

塔吊施工风险源多、周期长、人员广，应该实现全方位、全过程的系统化管理。塔吊安全管理系统要以平台作为管理媒介，在平台的基础上落实组织、资金、制度等多方保障，确定管理层次和管理体系最终实现针对于全过程的管理功能，建立施工安全系统，如图3所示。

图3 塔吊施工安全管理系统

3.1 系统管理层次

根据利益相关者理论，联合平台建设的参与方将系统划分为建设方、设计方、供应方、施工方和监理方五大管理层次。建设方牵头组织确保安全管理完整的信息实施全局把控项目，通过浏览平台信息发现问题，促进各方沟通降低安全风险。设计方提供安全高效的设计，实现多专业协同设计效果，借助平台有效地传递设计意图，消除设计风险与沟通障碍。供应方依据数据信息提升塔吊选型的匹配度与专业度，跟踪塔吊使用情况与最新参数信息。施工方保证相关成员可以访问到即时准确信息，在施工现场进行有效的任务分配和流程追踪，降低现场风险，提升问题解决效率。监理方进行规范的任务管理，把控项目全新动态，将每一次汇报和决定都建立在精准信息上。

3.2 系统管理体系

3.2.1 组织保障体系

在项目策划阶段，建设方应成立安全管理部门，对安全管理问题进行监控与管理。随着建设项目实施过程的推进，其他参与方适时安排转派专职人员加入，人员按照各自领域承担起工作绩效，形成团队式组织结构。

3.2.2 资金保障体系

政府应制定相关鼓励措施，按照“谁负责谁保障”的原则实现安全管理资金的投入，建设方设置一定数额的兜底资金。

3.2.3 制度保障体系

建立完善的风险分级管理制度，风险源评估制度、风险排查和预警制度。此外也要针对管理层次由制度层面进行行为约束。

3.2.4 技术保障体系

在技术层面上，主要体现的是模型化、数据化、监测化和可视化，概括为三维立体建模、可视化仿真建模、数据分析建模、VR技术、RFID技术、智能芯片、扫描识别等。利用这些技术将施工中必要的信息进行数据化，在数据相对完善后对数据内容根据模块进行划分。软件硬件设备相连，借助显示大屏、平板、手机、头盔、眼镜等设备实现数据传输。

3.2.5 信息保障体系

将BIM 和相关技术信息融入到安全管理的工作中去，借助于平台，经过数据的上传与积累，层层筛选归类以模块化的方式进行数据归类存储。

3.3 系统管理功能

BIM模型为载体，平台为媒介，在管理层次和管理体系的作用下实现平台数据的有效利用，对塔吊风险源进行有效的预防和监控，按照寿命周期的全过程实现塔吊选型验证化、施工场地布置有效化、技术措施可视化、工地数字化以及事故动画警戒化等管理效果，具体管理功能如下。

（1）安全目标与工作流程确定：针对塔吊事故的多发性、复杂性、伤害性，结合平台信息各管理层次树立安全目标，自行配置业务流程。

（2）设备选型有效验证：将模型数据库自动汇总，材料统计，提取数据形成吊装清单，进行塔吊型号预判。

（3）场地规范与合理布置：图模联动，合理规划建设布局，按照国家标准规范，对塔吊布置进行合理化检查。

（4）安拆方案模拟并交底：安拆中包含的关键节点进行模型设定，按照施工节点进行可视化仿真模拟，动画交底，运用BIM 模型与实际现场复合，对比分析。

（5）安全教育与人员管理：以实名制为基础，平台为手段，BIMVR 进行虚拟现实安全教育，通过工人佩戴安全帽利用平台实现数据收集，清楚工人状态与分布，科学地进行现场管理。

（6）吊装方案模拟并交底：利用吊装程序的任务分解进行的模型信息，将操作步骤进行可视化仿真模拟，操作中工作人员利用输出端进行工作确认。

（7）事故的辨识与控制：现场监视、追踪与平台信息进行匹配，移动办公，设置协同圈，管理层次彼此之间及时沟通，高效协作，利用文字、文件、图片等互动方式，分辨现场异常设置智能预警语音提醒，紧急情况根据应急演练程序及时采取控制措施。

（8）机体检修的隐患排查：对塔吊关键部位进行阶段化管理，借助平台塔吊模型进行参数化验算，计算数据汇总显示，及时反查数据。

4 结语

借助于数字化与信息手段对塔吊的安全管理也可以延伸到安全管理的各个方面，具有一定的实用性。但是平台的建立需要各方的配合，也需要作业人员的意愿去支撑。资金与技术应用是主要瓶颈，需要建立项目的全局意识，树立安全观念，意识到成本背后的隐形收益。信息与科技发展速度快，一些技术手段的运用，需要继续研究和完善。