基于BIM的建筑施工安全防护预警研究

陈定坤 何军 王海豹

BIM技术和“可视化”多维数字建筑模型的3D数字设计，适用于建筑师、结构工程师、管道和电气工程师、建筑承包商、设备和材料供应商、开发商以及最终用户。BIM技术可以构建可视化的科学协作平台，用于计算、施工模拟、技术分析、运营管理等。BIM技术虚拟建筑的兴起符合建筑行业当前的生产和发展需求，对于技术上困难、复杂、交叉工作、需要调整组件大小的建筑项目，BIM技术优势更大。

BIM技术被列为“十二五”期间在建筑行业推广应用的重要信息技术，BIM技术的应用范围包括从设计阶段到施工阶段和运营阶段。构建虚拟建筑是一套完整而全面的项目施工图纸蓝图，蓝图施工技术和组织计划、BIM应用程序、虚拟现实和其他技术以及预先由计算机执行的施工过程。BIM系统可以准确指示建筑物的建造过程，并避免出现错误、脱落、碰撞、缺陷等质量问题。发生上述问题的时候，安排设备和材料进入现场，分配劳力和进行机械调度可以变得更加合理。

1.传统建筑安全施工预警方法与不足

1.1 传统建筑安全施工预警方法

传统的建筑安全管理主要采用的方式是人工监管与预警，建筑施工管理人员对建筑施工安全进行检查和调查。在传统的安全管理中，监视工程师是安全管理监视的核心。监视工程师隶属于工程项目部门，接受工程项目部门的直接控制，同时负责安全管理问题为意外缺陷报告和现场监控报告制定相应的计划。在某些紧急情况下，有必要对计划进行修订，并最终向业主提供有关该项目的安全报告和建议。此过程使用常规纸质文档发送信息，并且安全经理必须通过监理工程师进行通信。

1.2 传统建筑安全施工预警方法不足

（1）传统建筑安全施工不能及时进行预警。传统的建筑安全管理模型要求重复而复杂的统计分析任务来获取信息，而这种信息既简单又无效。建筑方面的安全人员主要记录并发送纸质信息，但人工巡逻和监视记录的方式则需要及时统计和分析记录的数据，从而导致施工方面的监控存在延迟。如果现场观察员故意违反规定，工程项目部门需要充分了解安全管理信息并制定对策。这使施工人员能够及时意识到工程存在潜在的危险，在施工现场执行安全控制措施并消除施工过程存在的安全隐患。

（2）传统的建筑施工安全防护预警缺乏先进的建筑安全管理技术。在传统的建筑安全管理模式中，现场管理主要依赖人工操作，并没有采用先进的科学技术。在信息产业时代，由于建筑形式多样化、施工环境复杂、施工难度大、施工方法复杂等问题，常规的安全管理人工监控已不能满足施工现场复杂的安全问题。人工预警会消耗大量的人力资源，物力和财力。如果建筑施工安全防护预警技术不及时更新，施工设备老化和后方安全管理方法将引起安全隐患，并引起施工安全事故。

2.基于BIM的建筑施工安全防护预警系统

确保施工安全的关键是正确识别所有可能导致安全事故的潜在风险因素，并在施工前确定相应的安全预防措施。充分利用BIM的六个关键特征，即数字化、空间化、量化、包容性、可用性和永久性，并结合相关的信息技术，使项目参与者在构建之前进行3D交互，模拟整个构建过程[1]。根据结构合理性，构建易于使用的常规和特定于项目的信息模拟平台，项目参与者可以更准确地识别潜在的安全隐患，并使现场施工条件和风险更加直观。可以进行分析和评估，以开发出更加合理的安全性。采取预防措施，以提高和加强决策水平。同时，BIM技术可用于动态识别施工过程中的现场安全问题并及时调整施工计划。构建基于BIM的施工安全管理系统分为三个主要模块：数据库模块、BIM虚拟施工模块和安全管理模块。

当前，BIM技术受到广泛关注，为建设项目的规划、设计、建设和后续管理提供技术支持，以及将相关技术应用于特定范围的安全建设和建设项目的安全建设。使用BIM技术建立项目模型，收集有关初始管理元素“4M1E”的基本信息，4M是指men(人）、baimachine（机器）du、matter（物）、method(方法），1E是指environment（环境），集成每个模块的属性，并在实时更新数据信息后形成一个动态的构建过程数据库。BIM模块是在研究定位技术和BIM的基础上构建的。在特定风险事件场景中的标准化数据处理可为建筑安全风险提供预警，并为决策系统提供技术和信息支持。通过预警和具体的信息决策，将重新调整BIM模块的施工计划、人员和设备，以指导施工安全管理。

图1 安全预警平台功能需求分析结构图

3.施工现场安全监控预警系统的构建

3.1 系统危险源识别与实时监控

BIM-RFID传感器集成技术在建筑安全管理中的应用首先是危害的识别。危险源可分为两种：独特的危险源和随机的危险源。独特的危险源指在施工现场发现的危险，通常与建筑物和临时设施中的永久性结构相关，可对风险进行彻底分析，并可以由人控制。概率危险是指在施工过程中客观存在变化，在各种内部和外部条件的影响下，系统中每个元素的相互作用都会导致系统状态恶化并造成危害。BIM-RFID传感器集成技术可用于有效识别两种类型的危害。危害在特定过程中，可以通过已建立的BIM4D模型和BIMRFID传感器集成技术预警系统自动安全地检查独特的危害[2]。

确定生成的BIM安全模型。例如，如果BIM建筑模型的地板边缘不受保护，则BIM自动安全检查将检测到危险原因，并在地板边缘上自动设置足够高的保护轨。BIM安全模型是通过在地板边缘上添加保护栏而形成的模型。随机危害具有三个方面：人、物和机器。首先，通过BIM碰撞检查和施工模拟，获得建筑物中更重要的结构部件。这些结构部件的不稳定性容易导致安全事故，并且是危险的来源。其次，在机械设备的情况下，可以根据BIM技术的施工方针来确定机械设备的位置和工作区域。最后，SCL安全检查方法用于从人员，材料和机械方面识别现场的施工危险，并将识别出的危险信息导入BIM系统。BIM-RFID传感器集成技术允许通过跟踪和监视将随机危险源整合为独特的危险，以进行安全的预防和控制。

3.2 系统危险源管控

在根据BIM技术分析识别危害之后，BIM-RFID传感器集成技术用于管理三种危害类型：危险的人类行为，物体的危险状况和机械。管理不安全的人类行为，主要基于智能安全头盔系统的应用。通常，将RFID传感器标签嵌入头盔中，并在施工现场安装阅读器。当建筑工人进入工作区域时，阅读器通过读取头盔中嵌入的RFID传感器标签来获得入场建筑者。通过传感器标签的基本信息和图像信息处理功能获取施工环境信息。通过将RFID传感器技术应用于智能安全帽系统，现场工作人员可以集中在统一的平台上，以高效、安全地管理施工现场工作人员[3]。

3.3 系统数据中心管理

实现安全报警功能需要信息的收集、分析、处理和传输。关于信息收集，RFID传感器技术用于收集人员信息，例如人员姓名、工作编号、工作类型、服务年限、对象信息等。通过无线网络发送到数据层进行处理和分析。数据处理平台分析获得的信息并为安全管理做出决策。在使用BIM-RFID传感器集成技术进行危害管理之后，RFID传感器标签将有关危害的位置和收集的实时信息发送到BIM数据处理中心，数据处理中心将对信息进行分析并输出并输入结果。

4.结语

为了减少建筑施工安全问题，必须加强对建筑施工安全防护预警的研究。BIM技术在建筑施工行业的应用越来越广泛，能够更好地为建筑施工安全进行防护预警，对于可能存在的潜在风险进行防护，及时通知现场施工人员改进施工中不足的地方，在建筑施工实践中非常具有现实意义。