基于Cloud-BIM 的建筑工人高处坠落安全预警系统研究

夏 杨，孙文建,董建军

（南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211816）

根据2006—2017 年全国建筑施工安全事故统计，在这十二年期间，共计发生高处坠落事故3 930起，致使伤亡4 262 人，仅因高处坠落引发的人员伤亡已占事故总数的52.4%，可见以传统的人工管理方式难以进行全方位的监管，因此，借助现代信息技术预防建筑工人高处坠落安全事故的发生，构建具有针对性的安全预警系统对降低安全事故发生率和提高建筑施工安全管理的信息化具有重要意义。

RFID 作为近些年兴起的先进的数据采集技术，具有实时性、耐久性、远程性和定位精准等技术优势［1］，而Cloud-BIM 是将云计算的快速储存、数据处理分析能力与BIM 的协同管理、可视化、智能化技术的重新整合，克服了BIM 技术在计算能力和硬件配置方面的不足，最大限度地发挥出云计算和BIM 技术的优势［2］。O.Kolton 等［3］建立防高空施工坠落的自动化监测模型，以数据库为数据支撑，可自动定义危险区域、识别危险动作并提供有效的防护措施。Lijun Shen 等［4］首次提出将云计算与BIM技术结合可以降低BIM 软件的使用成本并提高软件的拓展性，而云计算中的移动计算技术也从根本上改变了传统BIM 的开发方式。张洪等［5］通过建立事故致因“2-4”模型对2000—2016 年的56 起高空坠落事故进行分析，发现由人的不安全行为所引发的安全事故比率最高。毕振波等［6］提出适用性更强的云服务模式下的BIM 系统框架，并对已投入使用云BIM 技术的企业进行了软件的适用性分析，证明云BIM 的使用可以有效提高软件计算能力、降低软件运维成本以及扩大软件应用范围。郭红领等［7］开创性地将BIM 和PT 技术集成，构建建筑工人不安全行为预警系统实现对建筑工人实时位置、机械操作和预防碰撞事故的功能。这些研究主要在分析事故发生原因，提出事故预防措施，并运用BIM 技术构建施工现场安全管理系统框架，而构建的系统本身对功能模块的信息处理、计算和分析能力不高，并且不能对安全事故起到主动防范和预警作用，同时对如何运用信息技术降低高处坠落安全事故的研究较少。

本文针对目前我国建筑业高处坠落安全管理现状，从高处坠落事故影响因素出发，提出高处坠落预警系统构建思路，将先进的Cloud-BIM 和RFID技术集成并构建高处坠落安全预警系统，对高处坠落预警系统的危险区域界定规则和预警标准进行划分，设计系统预警运行流程和RFID 布置，并通过案例验证系统实现的可行性，极大程度上提高对建筑工人高处坠落的安全管理效率。

1 高处坠落事故因素分析

参考相关文献将高处坠落事故主要事故部位归纳为七种类型［8-9］，如图1 所示。事故主要集中在脚手架、垂直运输设施、临边洞口等部位，通过分析事故部位，为预警系统功能需求分析、高处坠落危险区域界定及阅读器重点布设区域提供依据。

图 1 高处坠落事故的常见部位

事故致因理论将安全事故的原因归纳为人-物-环境-管理四个方面，而高处坠落事故的发生也是由施工人员的不安全行为、物的不安全状态、安全管理缺陷、不利的施工环境共同作用的结果。基于事故致因理论、高处坠落事故的常见形式以及统计分析高处坠落事故案例，本文运用鱼骨图分别从人为因素、物的因素、环境因素和管理因素四个不同角度归纳总结高处坠落的发生原因，如图2 所示。

图 2 高处坠落事故影响因素

2 预警系统构建思路

2.1 基于Cloud-BIM 的高处坠落预警基本原理

预警系统的基本原理可概括为：定义预警规则、预警识别、警情预测、警报发布。定义预警规则是预警系统运行的基础，而预警识别是根据系统设定的规则获取有效的数据信息，警情预测属于对潜在危险因素的定量分析，警报发布则是预警系统设计的目的所在。结合Cloud-BIM、RFID 技术和高处坠落事故特征，本文设计的基于Cloud-BIM 的建筑工人高处坠落预警系统的基本原理如图3 所示。

图3 基于Cloud-BIM 的高处坠落预警基本原理

2.2 系统功能需求分析

针对建筑工人高处坠落事故因素和Cloud-BIM技术的特点，基于Cloud-BIM 的建筑工人高处坠落安全预警系统的功能应存在以下特点：

（1）预警数据时效性：通过RFID 技术自动收集施工现场高处坠落人员、材料、机械的对象属性及实时位置等信息［10］，确保预警系统所获取的数据能够准确及时的反应施工人员的安全状态。

（2）预警集成化：高处坠落安全预警系统需要对施工现场内的人员、机械设备和环境等进行监测，系统需要完成数据的集成、处理和交互，才能确保最终输出结果的准确性。

（3）预警可视化：通过云计算、BIM 和RFID三种技术优势的融合，施工现场安全管理人员可以通过预警系统直观得获取到施工的不安全行为、环境信息和物的不安全状态。

（4）预警自动化：通过预警系统可以对施工人员进行自动化安全监控，一旦达到系统设定的安全预警标准，将立即根据事故标准发出不同等级的警告并启动相应的预警方案。

2.3 系统功能模块设计

结合高处坠落事故因素和系统功能需求分析，基于Cloud-BIM 的建筑工人高处坠落预警系统主要功能模块如表1 所示。

表1 高处坠落预警系统功能模块设计

3 高处坠落预警系统构建

3.1 系统框架

根据高处坠落预警系统的功能需求分析，构建基于Cloud-BIM 的建筑工人高处坠落安全预警系统框架，如图4 所示。高处坠落预警系统是以Navisworks 软件为开发平台，运用高处坠落相关安全规范、施工方案、实时采集数据与高空事故案例库建立系统数据层，数据经云服务交互处理后传输到系统的核心功能层，确保预警系统危险区域识别、实时定位运算、安全风险预警和安全培训及教育功能模块的运行，实现建筑工人高处坠落安全管理的可视化。

图4 高处坠落安全预警系统框架

3.2 预警规则

预警系统框架构建完成后，需要设计预警系统的预警标准和危险区域的划分规则。根据可能造成事故的程度和GB50870-2013《建筑施工安全技术统一规范》将预警分为4 个等级［11］，由小到大依次为绿色、黄色、橙色、红色，方便在系统中进行不同等级的危险区域识别，具体划分如表2 所示。

表2 高处坠落预警级别划分

表2（续）

通过识别BIM 安全模型中的危险区域，系统可以及时判定人员或机械是否处于安全区域，实现对人员和机械作业过程中危险区域的监控，一旦发现危险隐患将立即预警［12］。通过查阅相关文献资料［13-14］，并结合高处坠落事故影响因素，得到建筑工人高处坠落危险区域的界定规则，如表3 所示。

表3 高处坠落危险区域规则

3.3 系统运行

基于Cloud-BIM 的建筑工人高处坠落预警系统具体运行流程如图5 所示。系统启动后，首先是发现人机位置处于危险区域的预警提醒，当危险状况难以判定时可通过调用视频链接进行确认；其次，预警的发布将通过电话、广播或警报器的方式及时告知施工人员，并指派相关区域的管理人员进行巡查，管理人员还需对预警问题进行跟踪检查并视整改情况决定本次警报是解除还是进一步升级预警；最后，待危险情况解除后，系统会根据事件的发生过程和处理结果自动生成预警分析报告，分析报告的内容主要由两部分组成：统计作业人员的违规违章次数，被记录较多的人员将安排重新进行教育培训并在施工过程中作为重点监管对象，通过预警分析找出事故高发区域，并制定专项安全控制措施。

图 5 高处坠落安全预警系统运行流程

3.4 RFID 阅读器的布设

RFID 阅读器的布局位置和数量是影响建筑工人高处坠落实时定位准确性和及时性的重要因素，为了满足信号全面覆盖的需求并降低硬件的成本支出，本文引入移动通信系统中的蜂窝原理。移动通信网络是由基站提供无线网络覆盖并由移动设备接受信号组成的系统，其中被基站所覆盖的区域称为蜂窝。由于施工现场中的危险区域主要由面状组成，于是本系统阅读区布局主要借鉴通信网络中的面状服务区类型。面状服务区的覆盖面积由正三角形、正方形以及正六边形组成。在图6 中，RFID 阅读器的位置处于圆心处，圆的面积表示阅读器的信息获取范围。

图 6 面状服务区的三种类型

RFID 阅读器的位置处于圆心处，圆的面积表示阅读器的信息获取范围，在每个阅读器的覆盖范围均相同的前提下，设覆盖圆形区域的半径为R，则图6 中的正三角形、正方形和正六边形中各自的相邻区域中心距离、单个区域面积、相邻圆形交叠面积和交叠区域宽度如表4 所示。通过比较分析发现，当以阅读器为圆心并处于正三角形区域时所需的阅读器数量最少，并且也满足信号全面覆盖的需求，除此此外，很大程度上也降低了硬件成本。

表4 三种形状阅读器布局比较

在面状布局原理基础上，运用到施工现场时RFID 的辐射环境多是立体空间状态，将以上分析结论与施工现场的实际环境相结合，如图7 是本文设计的阅读器定位空间环境部署方案。其中椭圆形是按照正三角形布局法布设的RFID 阅读器，黑色圆点标示在平面内的RFID 标签的位置，即施工人员或机械位置，矩形表示经常性的处于垂直空间范围内移动的RFID 标签，如吊篮、塔吊吊钩、物料提升机等。总之，RFID 阅读器的布设必须满足对引发高处坠落事故的部位做到全面覆盖，才能保障预警系统信息获取的及时性和完整性。

图 7 RFID 阅读器定位方案

4 案例应用

4.1 项目简介

案例工程为南京市某项目A2 地块三期1—7 号楼工程。项目地下一层，主要作为停车库和设备用房。此外，2 号—3 号楼为超高层住宅，结构设置结构缝将建筑分成两个单体，共57 层，剪力墙结构，可能诱发高处坠落事故的危险源众多，故本文选取2 号—3 号楼构建BIM 模型，通过创建预警系统原型实现建筑工人高处坠落安全预警。

4.2 应用分析

根据对RFID 阅读器的布局分析，并结合本项目的实际情况，在建筑主体的标准层内布设阅读器时选择平面内可以组成正三角形的三个点，图8 为本项目楼层内RFID 阅读器的平面及三维图。

图8 标准层内RFID 阅读器的平面及三维布设

建筑工人高处坠落预警系统以Navisworks 软件为开发基础，通过增添自定义插件的方式增加软件功能。因笔者软件开发水平有限，系统的功能模块选用Navisworks.API 中的通用型插件方式集成到Navisworks 软件，在模块面板中，每个功能模块的子模块选用停靠窗口型插件。通过在Navisworks 安装目录的plugins 文件里创建与应用软件格式相同的文件，最后将编写完成的应用软件移动到Navisworks中完成插件的添加。系统运行后，一旦监测到施工人员的位置或状态可能引发安全事故时，将立即向管理人员和施工人员发送预警提醒。如图9 所示，案例中的三名施工人员在靠近电梯井口时，系统自动判定其位置已经超出危险区域界定规则，并立即发布对应的预警等级提示。

图 9 建筑工人高处坠落实时位置预警

5 结论

（1）根据建筑领域高处坠落安全管理现状，构建出事前化、可视化的高处坠落安全预警系统，有利于提高建筑施工安全管理的信息化水平，实现自动化、可视化的安全管理模式。

（2）预警系统中包括从危险源识别、实时定位、安全预警到安全教育培训的全过程安全管控，选择Cloud-BIM 和RFID 技术的集成，以Navisworks 软件作为开发平台基本实现预警系统部分功能模块开发，通过对高处坠落施工人员全方位和全过程的安全管控，降低高处坠落事故发生率。

（3）本文的研究成果可对建筑施工现场其他事故类型的管控提供系统构建的思路，以降低建筑业安全事故发生率，加快建筑业信息化技术应用的进程。

（4）系统涉及的信息化技术和设备较多，本文仅实现了预警系统部分功能的开发，在未来需要对系统的全部功能实现进行深入研究。