基于BIM技术与风险识别的建筑工程施工安全控制研究

陈英杰，刘 骞，魏敬徽，隋岩鹏，卢少壮

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710000）

随着我国建筑产业化的发展，建筑生产安全问题越来越受到国家、社会和人们的关注［1］，由于建筑业存在复杂、危险、多样性的生产特点［2］，使得建筑业生产事故高发.通常在施工过程中会出现因安全防护不到位而导致的高空坠落事故，因对结构薄弱部位处理不当而导致的塌落事故，因对危险区域识别不当而导致的物体打击、机具伤害、起重伤害等安全事故［3］.自2010年至2019年统计结束时间范围内共发生高空坠落事故2866起、坍塌事故698起、物体打击事故768起、机具伤害事故275起、起重伤害事故465起、其他事故464起［4-5］.2010—2019年各类事故发生起数如表1所示.自2015—2019年末，全国共发生建筑工程较大及以上事故共114起，坍塌事故68起、物体打击22起、高空坠落8起、其他事故共16起.

表1 2010—2019年全国各类事故发生起数统计表Tab.1 Statistics on the numbers of various accidents in China from 2010 to 2019

每年因施工安全事故造成数以百计的人员伤亡［6］，导致人民财产损失严重［7-8］，国家资金大量损耗，因此，增强建筑工程施工安全控制水平，杜绝安全事故发生，实现施工安全生产目标成为当下亟待解决的问题.一般建筑工程建设项目建设周期长、建造复杂导致建造过程安全管理工作烦琐，安全事故频发，对导致建筑工程安全事故的因素难以实时控制、及时发现，且目前档案大多以纸质的形式进行管理，信息交流不便，不利于同风险类型知识的归纳、分类与总结.

BIM技术是一种三维可视化模型，从项目建设前期的规划设计阶段再到施工以及后期的运营管理阶段都可以对建设项目的有效信息进行交流共享，保证施工过程中各方信息的一致性.通过BIM的实体三维模型可通过3D漫游、动画演示、碰撞检查、模拟施工等方面对建筑模型进行检查，并结合致险因素及时发现施工过程中存在的潜在不安全因素，并通过BIM模型对危险区域识别、安全防护、结构薄弱部位等致险因素发生部位进行准确定位、实时施工安全控制，对不安全位置进行标注，实现施工现场数字化管理，以便进行及时监测控制和提前预警.

目前，翟越等［9］利用BIM虚拟施工技术，构建以资料基础、BIM虚拟施工以及安全监控三个模块组成的多维数字化安全管理体系；郭红领、潘在怡［10］构建了模拟的BIM系统和实时BIM系统，并对其在施工过程阶段进行了相应的实施流程设计；刘献伟等［11］针对在工程施工阶段BIM的价值及存在的问题进行分析，并提出了BIM在施工阶段的对策；张韩等［12］在BIM软件平台进行装配式土建模型的构建，并利用施工模拟技术，生成4D动画，进行施工过程模拟；张超［13］将4D-BIM应用于公路安全质量研究，进行施工安全质量实时监控与动态管理，从而提高公路质量安全管理水平；胡振中等［14］通过引入4D和BIM技术建立了4D施工安全信息模型，将施工过程和支撑体系信息链接起来.马辉等［15］为提前识别装配式建筑施工过程与并行施工过程之间存在的空间冲突，利用BIM技术对作业空间进行模拟.迄今为止，大多学者在解决工程施工阶段安全控制问题时，一般是对BIM技术其理论研究、流程、碰撞或公路、水泵等方面的研究较多.而对建筑工程传统施工过程中致险因素进行分析，并构建BIM模型，对致险因素发生位置进行准确定位实时监控方面的研究还较少.

1 建筑施工安全风险识别方法

1.1 基本原则

建筑施工安全的辨别应满足完整性、针对性、动态性以及自动化原则［18］，以达到对建筑施工安全风险进行全面系统识别的目的.其中完整性原则是对施工现场可能存在的风险因素进行全面辨别避免遗漏，保证结果的可靠性；针对性是指针对识别风险目标，做好前期的资料收集工作并进行有效信息筛选；动态性原则是指对风险因素识别而言，这不是一个阶段性的过程而是存在于整个施工过程中，覆盖了整个施工阶段，所以风险识别应该是实时调整、实时适应的；自动化原则是借助计算机等软件应用技术辅助施工现场的图纸或模型的技术审查，对施工现场存在的危险因素进行自动辨别，提高工作效率.

1.2 风险识别方法

传统的施工风险识别方法主要包括事故树分析、层次分析法以及安全检查法等［16-19］.事故树分析法（FTA）可对建筑工程施工安全事故致险因素进行定量、定性分析，找出引发事故发生的根本原因，即基本事件或底事件，该分析方法有很强的科学性与逻辑性，因果关系呈现直观且思路较为清晰，有很强的适用性；层次分析法（AHP）将复杂问题简条理化、层次化使问题简化，通常由目标层、指标层、准则层构成，建立相应的问题结构模型进行层次化分析，依靠专家打分对判断矩阵进行构建［20］，对每层指标权重进行合理设置，最终可精准对指标权重进行计算，根据相应指标权重占比制定相关方案，为后期问题的合理解决提供强有力的保障；安全检查表法是对施工风险识别经验进行总结，并以表格的形式进行高风险指标罗列，但由于安全检查表法是通过过往施工风险识别经验进行的，所以若针对新建项目进行识别，识别内容需要更新，则不变操作，且成本较大.

2 风险识别

2.1 高空坠落事故树构建与分析

由过往安全事故发生统计数据可知，高空坠落、坍塌事故发生和死亡人数较多，是施工安全控制、防范的重点.运用事故树分析法，将高空坠落事故作为顶事件，对致使顶事件的影响因素进行逐步、科学分析［21］.高空坠落事故树模型字母含义如表2所示，构建高空坠落事故树模型如图1所示.

表2 高空坠落事故的事故树中字母含义表Tab.2 The meaning of letters in the accident tree of high altitude falling accident

图1 构建高空坠落事故的事故树图Fig.1 Construction of accident tree diagram of high altitude falling accident

根据上述高空坠落事故树可得到公式（1），作为最小割集求解依据.

1）求最小割集

最小割集是致使顶事件出现的最小底事件集合，在该系统中通常能够表达出危险性.由式（1）展开可得最小割集组数为96组，即表示该事故将会有96种发生途径，每一个发生途径是都由不同的最小割集而构成，由式（1）展开项可知基本事件X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8将会在24组最小割集中展现，而基本事件X9，X10，X11，X12，X13，X14将会在16组最小割集中展现，在仅考虑事故树结构条件下，基本事件展现频率越高，表明其结构重要度越强，在同一最小割集下的基本事件结构重度一致，可得基本事件结构重要度排序如下：X1=X2=X3=X4=X5=X6=X7=X8>X9=X10=X11=X12=X13=X14.

2）求最小经集

根据以上高空坠落事故树可得到以下公式，作为最小经集求解依据，

最小经集是不会致使顶事件出现的最小底事件集合，在该系统中通常能够表达安全性.由式（2）展开，最小经集为K1=｛X1，X2，X3，X4｝，K2=｛X5，X6，X7，X8｝，K3=｛X9，X10，X11，X12，X13，X14｝.

3）结构重要度

结构重要度是展现基本事件为顶事件发生所做贡献的重要，即表示其影响事故发生的能力，是在假设基本事件发生概率全相同的条件下，仅考虑事故树而搭建的结构形式.

由此可得基本事件结构重要度排序为：X1=X2=X3=X4=X5=X6=X7=X8>X9=X10=X11=X12=X13=X14.由于每个基本事件发生概率的缺失，该重要度排序仅考虑从事故树结构形式上判断基本事件对于顶事件的影响程度，未将基本事件发生概率的差异性和不均衡性综合考虑.因此基本事件重要度排序精准度不理想，故不能直接为高空坠落事故提供重点防护部位，需引入一种有效分析方法.本文采用层次分析法进一步对顶事件的重要度进行排序［22］，从而达到风险控制的目的.

2.2 高空坠落事故层次分析法

2.2.1 构建层次分析结构模型 递阶层次分析结构模型通常由低层、中层、高层共三层构成，基本因素为低层，事故树中最小经集为中层，高空坠落为高层，由此构造的层次分析模型如图2所示，高空坠落事故树模型字母含义如表4所示.G为高空坠落事故；R1～R3分别为子目标1、子目标2、子目标3；P1～P14含义对应X1～X14.

图2 层次分析模型图Fig.2 Diagram of analytic hierarchy model

2.2.2 建立判断矩阵、权重计算及一致性检验 为确定高空坠落事故基本事件重要度排序，运用层次分析法进行量值分析，邀请工程类相关专家参与打分，在充分考虑工程状况，保证打分与实际情况一致的基础上，运用1～9级标度法，建立G-Ri、R1-Pi、R2-Pi、R3-Pi层判断矩阵（表3～表6），基本因素权重进行计算，且对层次判断矩阵一致性检验［23］进行检验.

表3 G-Ri层判断矩阵Tab.3 G-Ri layer judgment matrix

表4 R1-Pi判断矩阵Tab.4 R1-Pi judgment matrix

表5 R2-Pi判断矩阵Tab.5 R2-Pi judgment matrix

表6 R3-Pi判断矩阵Tab.6 R3-Pi judgment matrix

将各矩阵元素进行处理得特征向量W1=（0.081 9 0.575 0 0.343 1）T、W2=（0.084 7 0.542 3 0.233 3 0.139 7）T、W3=（0.084 7 0.542 3 0.233 3 0.139 7）T、W4=（0.269 5 0.269 5 0.148 6 0.081 9 0.148 6 0.081 9）T，即G-Ri、R1-Pi、R2-Pi、R3-Pi的权重，求解最大特征根λmax，对判断矩阵进行一致性检验.

1）计算判断矩阵最大特征根

2）计算一致性指标

3）经表可得平均随机一致性指标RI.

4）计算一致性比率

因CR<0.1，所以，G-Ri、R1-Pi、R2-Pi、R3-Pi判断矩阵满足一致性检验的要求.

2.3 计算结果分析

由表7我们能够直观地看出各基本事件的权重，同时能够得出高空坠落事故基本事件重要度排序：X6>X7>X9=X10>X8>X11=X13>X5>X2>X12>X14>X3>X4>X1，由重要度排序可得：X6、X7、X9、X10、X8、X11、X13共占比81.32%.因此这几个基本因素是影响高空坠落事故发生的重要性因素，坠落前防护方式方法不当引发事故占比31.18%，由缺乏检查监督处理而未能坠前防护引发事故占比13.41%，可见这两个因素在众多因素中是导致事故发生的决定性因素，因此在防护体系中，防护方式方法是否得当、能否满足安全性防护要求以及全面检查监督处理未能及时防护的缺陷，应当是我们更加关注与注重的防范对象.

表7 层次分析法计算结果Tab.7 Calculation results of analytic hierarchy process

3 工程案例应用

案例为乌鲁木齐市某开发项目，主楼为平板式筏基基础，裙房为独立基础加防水板形式，钢框架-支撑结构（中心支撑+偏心支撑）.该项目共35层，属超高层建筑，结构较为复杂，施工要求较高，施工难度大，施工安全控制压力大.建筑总面积140 417.8 m2，其中地上31层为钢结构，建筑面积为87 927.8 m2，地下3+1层为钢筋混凝土结构，建筑面积为52 490 m2.抗震设防烈度8度，屋面防水等级Ⅰ级，耐火等级一级，建筑分类为一类，设计使用年限50 a.

3.1 洞口的精准预留

由于BIM三维信息模型可视化的特点，能够对预留洞口所在位置进行直观展示，可在施工过程中根据施工要求安排工人进行洞口预留位置的确认.同时，做好洞口防护工作，对涉及预留洞口受力筋部分提前设计，尽量避让，并对洞口周边钢筋进行加强处理.做好洞口精准预留定位工作，即安全规范作业，有效避免后期因洞口预留位置不恰当而导致后期二次施工的情况，确保墙体和楼板受力的完整性.墙体预留洞口如图3所示.

图3 墙体预留洞口图Fig.3 Reserved hole in the wall

3.2 危险区域识别和安全防护

3.2.1 危险区域识别预警 将BIM技术与RFID技术结合，通过施工现场安装的传感、射频识别（RFID）感应、报警设备等，并利用附有RFID标签的安全帽进行自动定位，预警系统与机械监控设备相结合.对如洞口、临边等需要重点注意的安全部位进行FRID感应器的安装，若在施工期间有人误入该区域，即可立即触发报警设备，开启安全预警，可提高工作人员警惕性，管理人员通过云平台语音装设备对误入工作人员进行安全提醒，并通知人员进行安全措施部署，对危险区域进行有效防护，通过预警识别危险源，控制人的不安全行为、物的不安全状态，有效防止高空坠落事件的发生.

3.2.2 安全防护 由于BIM建立的三维模型具有可视化程度高的特点，因此在进行施工安全防护时，可以直接对构造防护细节进行直观展示，并能将防护部位复杂构件样式三维图进行打印，方便为现场施工作业人员提供可靠防护操作依据，避免因现场防护不到位、防护薄弱或防护方式不当，最大化消除安全防护隐患，从而避免高空坠落事故和物体打击事故的发生.该工程根据BIM三维模型对电梯口、塔吊附着操作平台安全防护以及钢结构工程设置临边安全防护，如图4～图6所示.

图4 电梯楼梯口防护示意图Fig.4 Schematic diagram of elevator stairway protection

图5 塔吊附着操作平台示意图Fig.5 Schematic diagram of tower crane attachment operation platform

图6 钢结构工程临边防护图Fig.6 Border protection diagram of steel structure engineering

3.3 结构薄弱部位施工风险控制

3.3.1 模型有限元分析 本工程依据施工方案，基于Revit模型及有限元分析对结构体系进行安全受力分析，并将结构体系中薄弱位置找出，以便进行施工时，利用BIM技术对结构薄弱部位进行实时监控，加强监测，提前采取加固措施，有效对施工风险进行管理.在本工程中由于地下三层高支模部位较多，且高支模架体稳定是防范坍塌事故的重点，故采用负一层某部位高支模为例，进行施工风险控制说明.

根据实际工程，高支模采用外径48 mm，壁厚32 mm的钢管，搭设步距1.2 m，纵、横间距为0.9 m的搭设架体.Revit软件构建高支模架体模型如图7所示，转化成ACIS格式，导入ANSYS软件，根据工程实际进行荷载施加如图8所示，进行屈曲分析、轴力分析，分析结果如图9～图11所示.

图7 Revit构建高支模架体模型Fig.7 High-support formwork model constructed by Revit

图8 ANSYS模型荷载施加Fig.8 load application of ANSYS model

图9 有限元模型总应变图Fig.9 Total strain diagram of finite element model

图10 有限元模型屈曲分析图Fig.10 Buckling analysis diagram of finite element model

图11 有限元模型轴力图Fig.11 Axial force diagram of finite element model

根据有限元轴力分析结果，对其进行实际施工荷载施加，架体产生的最大轴力为21.27 kN，最大形变为1.125 9 mm，架体承载力为4 280.1 kN，可知架体能够满足安全承载力要求，证明该高支模搭设施工方案是安全可行的.同时，根据有限元分析结果，发现架体在第二、三跨中间部位变形较大，易于发生失稳现象，因此在施工过程中需对该部位添加应变片，加设监测点，连接BIM平台，进行实时监测架体形变、位移情况.

3.3.2 实验测试 通过张贴应变片进行测点位置布置，并选取具有代表性的部分杆件与有限元计算值，将计算值与实测值进行比较，得出混凝土在浇筑期杆件应力如表8所示.

表8 混凝土浇筑期各杆件应力比较Tab.8 Stress comparison of various bars during concrete pouring

该模型有限元计算值与工程实测值情况基本一致，能准确找到易失稳位置.证明该转换模型受力分析的正确性、有效性和实用性.

3.4 应用效果评价

该工程采用BIM 5D平台，充分利用BIM技术可视化的特点对建筑工程的危险区域进行识别和安全防护以及危险源、安全隐患进行排查，防止高空坠落事故的发生；基于Revit模型结合结构分析模型受力分析，提前结构体系薄弱部位，做到提前加固以及连接BIM平台进行实时监测，有效防止坍塌事故的发生；BIM技术在该工程中得到了良好应用，提前发现施工中存在的危险源，消除潜在安全隐患，施工安全得以控制，基本完成预期安全生产目标，证明BIM技术对施工安全控制的可行性与有效性.

4 研究结论

本文以建筑工程施工安全控制为研究对象，利用风险识别方法找出建筑工程安全事故发生的本质原因，利用BIM技术，对产生安全事故的原因进行控制，并利用实际工程案例进行应用说明，主要结论如下：

1）根据对近年工程安全事故发生类型统计分析，明确高空坠落、坍塌事故多发，运用事故树分析法与层次分析法对高空坠落事故进行科学分析发现，在防护体系中，防护方式方法是否得当，能否满足安全性防护要求以及全面检查监督处理未能及时防护的缺陷，应是我们更加关注的防范对象.而建筑工程传统施工安全控制存在缺陷，信息化运用程度低及粗放型管理模式是工程项目安全事故频发的根本原因.

2）通过BIM技术在实际工程案例中的运用，提前对危险区域进行识别，对洞口、临边进行有效安全防护，找到该实例结构体系中第二、三跨中间部位变形较大，易发生失稳现象，消除了施工过程中大量安全隐患，避免了安全事故的发生.