基于BIM的智慧矿山工程安全技术研究

康恩铨 王 军2

（1.内江职业技术学院土木工程系，四川 内江 641100；2.沈阳建筑大学规划建筑设计研究院，辽宁 沈阳 110016）

0 前 言

改革开放以来，我国矿业飞速发展，但随着矿山数量增多、规模变大，施工事故开始多发，安全形势愈加严峻，其施工过程中的工伤率和死亡率比其他行业都要高出很多，是我国五大高风险行业之一。因此，保障施工安全，降低安全事故发生率，对于保障工人生命财产安全，提高项目建设的生产水平是至关重要的［1］。

施工危害是施工安全事故的根本原因之一，预防安全事故的重要手段是有效地掌握引起安全事故的各种危害，从而检测这些危害的实时状态，达到预防安全事故的目的。因此有效地识别和管理各种危险源将是从根本上解决施工现场安全事故频发的途径之一［2］。作为新型三维管控手段，BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）可对工程的全生命过程进行全方位监视控制。随着国家推动各行业由高速发展向高质量发展转型迈进，提质增效成为了今后发展的关键，而在矿业行业，随着智能信息化及新型的矿业建设技术的大力推广，BIM技术快速地融入矿业行业中。BIM技术的广泛应用，使得矿区建设施工有了新的拓展方向。但是如何有效解决施工安全问题，是BIM技术应用的另一种重要途径。与传统的工作模式相比，BIM技术不仅可以帮助我们改进和处理信息，与此同时还可以进行协调、协作和集成，可以多方面解决施工中遇到的各种问题，发挥BIM技术在矿山工程行业的优点［3］。

针对当前的发展趋势，为了更好应对今后行业的发展和挑战，对BIM技术和矿业工程施工安全管理展开研究和探讨具有重大的现实意义。基于此，本文首先对传统矿山向智慧矿山建设转型所面临的一些问题进行了分析，指出安全问题在这里尤为重要，接下来分析了将BIM技术在安全管理层面应用的优势，为矿业工程施工安全管理提供可行的参考依据。

1 智慧矿山标准化改造工程概况

可视化是BIM技术的一大特点，国内的可视化技术起步较晚，我国近些年来才在三维可视化系统上取得了一定的研究成果。要实现BIM的可视化应用，需要GIS等地理信息系统的配合，因此BIM与GIS技术的配合被认为是解决复杂工程中BIM应用的关键技术。地理信息对BIM技术的支撑可由图1简洁地表示［4］，GIS可以为BIM提供设计的基础信息。

智慧矿山是将云计算、物联网、大数据、虚拟现实、数据挖掘等新技术结合起来，实现生产过程的智能化决策和管理［5］。GIS不仅可以在建设初期为BIM的施工规划提供空间信息，还能与各种新技术进行协同工作。可以实现信息的共享和传递，便于工程人员及时采取有效的管控手段，解决各类突发问题。

2 传统工程施工安全管理形势分析

工程安全问题一直是人们关注的热点话题，近些年来各种事故层出不穷，造成极大的社会影响，因此需要对工程安全施工措施加强管理，企业在推进工程建设的同时更需要全面提升工程施工的安全性。施工过程中存在着很多不确定性因素，比如周围环境发生突变，包括自然环境因素和人为操作因素等。施工现场人员众多且流动性较大，如果只是通过减少施工人员，降低人员流动性来保障工人安全，会导致工程施工进度大大延缓；施工安全也需要现场施工人员增强防范意识，否则很难保障施工安全问题。面对如此多的工程安全施工问题，使用现代化技术提前预演施工过程中潜在的安全问题，可以有效地解决工程安全施工问题，这需要相关人员时刻确保工程的各种危险情景都在预料范围内，在做好比较周全的准备后，才能在面对具体危险情况的第一时间进行有效预防和控制，只有这样才能体现出对施工安全问题高度重视。现阶段国内施工的安全管理有诸多问题有待解决，有效解决方法之一就是从施工安全管理方面出发来提升工程施工安全。国内的诸多施工单位面对施工过程中各种安全问题时参考管理手册，以图纸为依据进行现场指导，但图纸大多数都是二维的，这也就是我国开展传统工程安全管理工作的弊端之一，不能够明确施工现场的各种安全问题，并且施工效率相对BIM技术而言是较低的。因此，工程安全问题需要高效化技术配合完成。现对传统工程施工安全事故高发的原因总结如下［6］：

（1）安全与责任。随着国民经济水平的提高，国内相关工程需求大，它的特点是在保障施工质量的前提下尽可能缩短工程工期，这就需要投入大量的劳动力来节约时间，达到缩短工期的目的，而且越来越多的农民外出打工，间接刺激工程需求增加，他们一旦成为工程建设中的一员，就需要加强这类工人的安全防范意识，避免出现事故。如果企业只考虑经济效益，而未将安全监督管理放在重要地位，忽视其重要性，势必会导致施工现场出现各种安全问题。部分企业为了快速完成工程进度，导致工程质量降低和工程周期缩短，管理人员难以将充足的精力放在施工安全问题上，这种情况下很有可能产生安全事故。

（2）管理方法和技术设备。一方面，施工领域的很多企业使用的安全管理方法太过传统，企业长年的工作经验以及管理思维都是过去的方法，不知变通，使得整体的管理技术水平低下。企业管理者经验多但存在老龄化的趋势。在科技手段很先进的社会形势下，工程复杂度有所增加，配备设施繁多，每种设施都不可或缺，传统安全管理方式难以针对这些新的安全隐患提出有效整改措施。过时的管理方式也不再适应新形势下的施工，如果按照过去的施工方式方法，不难想象在施工过程中会遗留怎样的安全隐患问题，也会使得工程的成本投入量加大，后期将造成工程投入更多的检修解决遗留的安全隐患。另一方面，技术设备落后，缺乏新技术的接受能力，工程难度增加。

（3）法律约束。“重效益轻安全”是施工工程领域内一些企业的真实理念，这种理念导致工程项目管理者对施工安全管理重视程度不够，我国有明确的法律条例约束工程施工安全，现阶段的矿山工程形势复杂多变，使得工程施工安全管理暴露出的问题不能被现有的法律有效约束，使得工程领域的某些企业钻了法律的空子，乘机做出违反安全生产的事情，比如说一些施工单位采取低价竞标获得工程项目，为了降低自己企业的成本问题，若在施工过程中减少工程安全投入，则会导致工程施工某一阶段出现严重工程事故。

3 基于BIM技术的智慧矿山施工安全管控

3.1 BIM技术发展概述

BIM技术是将工程建筑或者机械电器设备等进行三维模型，并且接入数学信息载体，从多角度观测工程设计的实体模型，得到最优的项目实施方案［7］。BIM技术体现在它可以进行三维模型绘制，同时能够进行建筑性能分析，也能够实现工程造价管理以及能够进行施工指导，除此之外它还能够进行工程量统计等，可以看出BIM技术包含了工程项目全过程。

BIM技术的实现需要借助一系列软件来完成［8］，其中Bentley软件较为常见，它在我们身边的基础设施建设中也发挥了不少作用；许多设计院都在使用BIM核心建模软件Autodesk的Revit，而且在民用建筑市场应用更为广泛；除此之外还有其他一些核心建模软件。BIM技术需要配置详细周全的软件实现建筑施工全过程，首先，在设计工作开始之前，需要业主和设计师讨论建筑设计框架，接着将业主的设计任务书里面涉及到的基于数字的项目按照要求进行转化，转变成展现在视觉前的基于几何形体的建筑方案，最后需要业主评判设计的方案模型是否达到预期的目标，若是存在差异，即可修改方案设计模型，再次比对此方案直到满足业主要求为止，可以看出BIM方案设计软件可为未来所需的设计效果进行评定。当下BIM主流程序为Onuma Planning System及Affinity。

3.2 矿山工程安全管理BIM技术的优点

（1）模拟化。矿山施工现场情况多变复杂，其潜在的安全隐患难以及时排查并解决，导致在施工过程中危险不断发生，BIM技术的模拟化体现在它能够根据矿山现场的环境进行模拟还原，进一步展现矿区周围的工况变化。利用BIM可以做到运用周全的方法处理这些不安全因素，并对该区域做出防护措施，这样可以使得施工过程安全可靠地进行。所以说工程施工过程遇到安全管理方面的问题，可以运用BIM技术进行解决。BIM技术也可以对危险系数高的准备工作进行模拟，像在工程施工中脚手架搭设问题，可提前搭设演练，判断其是否存在安全隐患，还有像其他危险系数较高的设备都可以模拟，比如悬挑架搭设和吊篮施工等，提前进行模拟可以让项目更好更顺利地进行。该项目的设计人员通过对矿区现场及周围环境进行4D模拟或5D模拟从而规划具体的施工细则，4D模拟或5D模拟是在3D基础上展开的，4D模拟是指模拟现场施工，可以清楚了解项目各阶段进展情况，5D模拟是指进行造价管理，即对工程涉及的成本进行统一化管理和全面控制，达到降低成本的期望。此外，利用三维图形和一维数据融合，可以高效分析计算各项工程量。市面上以鲁班为代表的国产BIM软件，以及Innovaya和Solibri等进口软件，推动造价工作的改造升级。

（2）可视化。BIM技术的可视化体现在它所创建的三维模型中，三维模型既有智慧矿山建设项目的物理信息，同时拥有该项目相关的其他功能信息，BIM技术员能够准确得到该项目的所有有用的信息，再将信息分享给现场施工人员，提前安排好安全方面的事宜，同时也要提前准备好各类防护措施，就可以做到有效的施工安全管理。其可视化体现在可以将工程施工过程提前进行预演模拟，从而发现其中存在的潜在危险，就能达到预防控制的效果，最终避免发生施工安全事故。常用的可视化软件有3DS Max、Rrtlantis、AccuRender和Lightscape等，其可以自动完善建筑施工中矿体和设备之间的三维图形关系，应用于矿区建设的安全管理之中，减少工程事故的发生概率。

（3）优化性。BIM模型以三维的形式呈现工程施工图纸中存在的诸多不足，从而完善图纸使其达到标准。施工项目能够顺利完工的要点是在矿山的建设过程中需要不断地优化建设过程，BIM软件建立房屋的三维模型就可以进行可视化展示，再对该模型不断地优化和协调，最终达到规定的要求。

4 BIM技术在智慧矿山建设安全管理中的应用

智慧矿山标准化建设工程，包括地层三维建模及其可视化、矿山通风系统、给排水、电气工程整治等。可运用BIM技术解决矿山工程安全管理问题。

4.1 动态布置场地

BIM技术能够在工程建设的很多中间环节发挥独特的作用，例如可以对矿区混凝土建筑以及管道的搭建位置和安全性进行准确的评估，保证建筑工程的健康推进。BIM技术在动态规划平面施工场地上的应用还有很多，建模过程中就可展示出工程漏洞，便于在出现问题前进行有效整改，以保障工程的安全性。工程师还将收集到的各类信息再利用BIM技术进行汇总处理，建立矿区内所有建筑物的三维模型。该类工程中，项目决策人员通过将矿区内矿体巷道三维化布局，可以看出BIM技术能够有效解决CAD无法实现的功能。

4.2 4D施工模拟

现阶段的建筑施工要求更高，建筑数量以及规模都十分巨大，安全措施制定困难。在减少经济损失的同时，可利用4D技术与三维立体模型配合使用，时刻把握工程施工进度，同时更新现场反馈的各种数据，增强过程进度和成本管控。施工方案随着建立完整的4D模型动态变化，各种信息及时采集整理，通过4D施工模拟可以对施工现场进行调整，包括各种资源和人力调动，从而确保工程施工顺利进行。BIM技术对于建筑施工过程中的潜在危险进行预演［9］，基于Revit平台，C语言用于二次开发，并可与Revit软件本身的功能进行集成，最终创建一个危险源安全管理模块，建立安全管理系统，模块功能包括项目信息、危险源管理、安全信息摘要和其他子功能。对实际施工项目利用Revit软件建立安全管理模块，对施工现场的安全标志、危险品、大型机械等危险源进行实时监控和管理，利用BIM技术等视觉资源显示施工现场内或边缘等危险源。实施可视化安全管理，利用Navisworks软件对施工现场突发事件进行应急救援模拟，比如演示施工人员坠落的应急救援场景等。图2是利用3DVS系统建立的某钨矿井通风系统。

4.3 三维碰撞检查

智慧矿山标准化建设工程中的电气工程整治共有三大部分，分别是强电、亮化、弱电。过去常用2D图纸设计管线通道，没有考虑不同部件之间会发生碰撞，或者某些不明显部件被遗漏没有反映在图纸中，这对施工有着严重影响［10］，现阶段考虑以BIM技术实现三维碰撞检查，即对管线布置首先建立三维模型模拟，达到可视化要求，随后及时发现部件之间的碰撞位置或找到残缺部件位置。可以避免工程返工重做，有效防止碰撞现象发生，使得工程质量显著提高。图3、图4是利用Autodesk Revit 2018软件进行简单模拟三维碰撞检测图，图3中所示为墙体、窗户、管道以及风管进行三维碰撞检查，图4是墙体和风管存在“冲突”图，由此可以看出Autodesk Revit 2018可以实现BIM技术中的三维碰撞检查。

4.4 施工安全监控及检查

现阶段施工单位通常以2D图纸为依据进行施工管理，工程安全管理工作效率相对较低，通过BIM技术的普及与应用，既可以有效避免传统技术中的弊端，又能够为建筑工程事业提供现代化发展方向，是当前时代下工程安全管理事业的重大突破。通过对传统安全管理工作模式与BIM技术支持下的现代化工作模式进行对比，可以发现，传统工作模式不仅无法体现建筑工程整体的安全指数，而且由于载体的限制，信息相对混乱，容易产生误差，各个施工项目之间的模型共享困难，信息的利用率不高。国内的建筑安全形势愈发严峻，更应该有效利用BIM提供的多元信息协助工程人员对图纸以及施工进度、方案进行核查，扼制安全事故的发生。

对于BIM技术在智慧矿山标准化改造的工程管控，首先是进场前期计划，其次是BIM模型构造，最后是BIM信息生产、确认、提交和存储。以上三方面的合理安排可以有效提高矿山工程安全管理的全面性，通过BIM技术形成了智慧矿山标准化建设工程管理规范［11］。

4.5 施工安全教育培训

基于BIM技术的施工安全教育培训，能够使每一类工种的专业人员得到全面化的安全意识培训与强化［12］。施工行业的安全技能是不可忽视的部分，相关的安全事故长久以来不曾间断。责任人通常较少从事故安全教育角度出发设计教学过程与内容，培训的效果往往不理想［13］。而BIM技术可以提供更为深入沉浸的安全教育体验，解决了这一弊端。

5 结 论

通过分析BIM技术在智慧矿山标准化建设工程的施工过程中安全管理应用，可以看出BIM技术在矿区建筑施工领域有着不错的前景，并在建筑工程施工方面更是发挥了极大的作用。通过分析可以看出BIM技术在施工安全管理中的优势有：

（1）BIM信息是综合的、相互关联的，“一次修改，全部修改”功能，明显降低劳动强度，减少人工投入成本。

（2）施工现场潜在的危险源安全管理通过基于Revit平台开发的安全管理模块实现模拟化，内容直观、清晰，信息参数便于收集和管理，减少未知危险，方便加快建筑工程施工。

（3）在施工前期准备阶段，通过BIM对工地布置三维设计，掌握平面道路的走向和流向，杜绝火灾和应急道路的发生，明确施工过程中的安全管理重点和控制措施。

（4）通过基于BIM技术的施工安全教育培训，结合应急预案可扼制潜在的安全事故，减少不必要的财产伤亡。

未来企业要在国家的引导号召下跟随科技的发展进程，给矿山行业提供更好的发展前景，加大与引进安全新方法，企业生产过程以安全为基石，推进我国安全稳定高质量的矿业生产。