超高层项目基于BIM的人员定位综合技术

简宏儒 田喜胜 路 彪 文方仁 王 军 赵研华

中建三局第三建设工程有限责任公司 湖北 武汉 430074

近年来，随着我国经济发展水平不断提升，城市化建设进程的不断加快，建筑行业得以蓬勃发展。越来越多的超高层建筑拔地而起，此类工程建设周期长，施工环境复杂，保障施工人员的安全乃是重中之重。

在房建领域智能化建造中，用于监控施工人员进出的方式主要为智能化人脸识别系统及摄像头监控系统，这两种系统都存在以下几点弊端：

1）覆盖面狭窄。施工人员只有在特定的地方才能触发定位条件，无法通过设备对人员进行精准定位。

2）布设摄像头监控网需投入的成本大，且受网络影响因素较大。若网络突然失效，则无法对进场施工人员人数进行统计，同时难以留存监管影像。

3）对现场人员管理的实际效果不明显。在视野盲区，人员的不安全行为无法被监控，施工禁区仍需要投入人员值守，浪费劳动力资源。

目前，针对这种情况，在地铁施工、山区隧道施工、海上船舶建造领域推出了“视频监控、人员定位管理系统”，可实现“人员实时定位、移动轨迹查询、一键紧急求助、数据统计分析、电子围栏预警”等多种功能。基于现有领域人员定位技术发展[1-3]，本文主要探究人员定位与BIM技术的融合与应用，形成一套房建领域BIM人员定位的新技术。

1 工程概况

化龙桥超高层二、三期项目是重庆市重点工程之一，位于重庆市渝中区化龙桥片区，东邻嘉华大桥，南邻化龙桥路，西侧为重庆天地高档住宅区，北邻嘉陵江畔。工程占地面积约19 105 m2，总建筑面积约520 000 m2，其中地上建筑面积387 606.0 m2，地下建筑面积113 543.7 m2，主要由2座主塔楼及商业裙房组成，是集商业、办公于一体的超大型综合性的建筑群，其中二期塔楼为建筑高度458 m的超高层办公楼和酒店，三期塔楼为建筑高度181 m的酒店式公寓，地下室均为4层。在项目建造过程中，工程建造周期长达5年，场地内环境复杂，超高的建筑高度造成高空坠落以及物体打击风险极高，施工人员数量巨大，工种繁多，尤其是458 m主塔楼立体交叉施工多，上下交叉作业频繁，人员组织难度极大。

2 BIM人员定位系统概述

2.1 BIM人员定位系统概念

BIM人员定位系统通过描绘建筑物的三维地图，依靠定位装置，实现人员在不同楼层的精准定位，同时还兼具人员考勤、定位追踪及一键报警等功能。

通过BIM模型与人员定位系统的联动，不仅可实现施工现场的全覆盖定位，同时设备成本投入少，还可设置电子禁区，监控人员的不安全行为，规避了施工面临的交叉作业风险，保证了现场的安全管理，提高施工现场信息化建设水平。

2.2 BIM人员定位系统的特点

2.2.1 低功耗性

化龙桥超高层二、三期项目根据使用需求在总平面上布置了200个低功耗蓝牙信标，相较于传统蓝牙信标，低功耗蓝牙设计用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态，节省了更多的能源，可持续使用3年以上。

2.2.2 实时性

BIM人员定位系统主要由蓝牙信标、钛准基站、定位标签、主机后台四部分组成。人员佩戴定位标签后，当踏入地图区域时，定位标签自动将信号传输至就近的蓝牙信标，再传至钛准基站，最后传输至数据后台，即可在平台内查看实时的人员信息。以此有效帮助现场管理人员了解每个区域实时的施工人员数量，做出相应的统筹调整。

2.2.3 可周转性

本定位系统所使用的材料使用寿命长至3～5年，一般房建工程2年左右竣工，可循环使用2次以上。当设备损坏时，直接转回厂商维修，不产生多余的垃圾，绿色环保，符合施工现场绿色建造的要求。

使用蓝牙传输技术，采用先进的功耗控制技术，加上独特的供电方式，绿色无污染。

2.2.4 移动载体可操作性

通过将钛准基站及蓝牙信标安装在如爬架、顶模等移动载体上，能够实现每层施工时人员的精准定位，无需二次转运及安装相应设备，减少费用投入。在本次研究中，并未出现串楼层定位、报警不响应等技术问题，使用效果良好。

3 BIM人员定位系统在超高层建筑中的应用

3.1 BIM模型绘制

根据项目施工现场实际情况，绘制出总平面、外框作业层及顶模钢平台层三维地图，使之与施工现场实际情况完全一致。

但在实际使用中，总平面一直在变化，对于如堆场扩大或缩小、部分构件挪动等涉及细部的变化，不需要对地图进行更新；而对于如基坑开挖、新起楼栋、新增塔吊等涉及总平面巨大变化时，需提前绘制CAD平面图，重新绘制三维地图，确保地图与现场一致（图1）。

图1 三维地图建立

因此，地图更新频率以3个月为1个周期，通过对施工现场总平面的观察，视其变化程度适当修改。

3.2 硬件安装

3.2.1 蓝牙信标

在总平面作业层、顶模作业层、内筒作业层使用S1U-G蓝牙信标，此类信标适合贴地部署，能适应户外恶劣环境，使用2 400 mA·h锂压电池，续航可达3年以上，完全可以使用至工程完工。另因其尺寸小，所以安装后不会破坏原有环境。

蓝牙信标安装第1步即选取施工作业面，选取最典型的交叉作业面，即顶模钢平台层、外框钢结构施工作业层、总平层三处，单层面积约为2 400 m2，单层共布设50个蓝牙信标。第2步为安装蓝牙信标，使用自攻螺丝将其固定在板面上。

信标设置的作业面应远离磁场、射频干扰的区域，保持蓝牙信号畅通，同时蓝牙信标离钛准基站不得超过30 m，否则信号无法传给基站，人员定位系统无法正常运行（图2、图3）。

图2 蓝牙信标

图3 贴地安装

3.2.2 钛准基站

使用BLG2P钛准基站进行室外部署，通过220 V电压供电，覆盖距离可达1 km以上，全铸铝外壳设计可防火、防水、防雷，满足复杂工况下的通信要求。同时支持4G全网通，人员定位信息在5 s内自动刷新，是保障工人实时性安全的重要因素。

根据蓝牙信标布设位置，选取作业层进行基站安装，其中顶模钢平台层基站可覆盖2～3层作业面，可以实现移动载体的人员精准定位。因钛准基站需要取电，需选择离电箱较近的地方进行架设（图4、图5）。

图4 钛准基站

图5 基站安装

3.2.3 定位标签

使用人员佩戴BLT6-Exx定位标签，此定位标签质量仅38 g，电池容量可续航3～4个月，电量使用完后可充电。使用专用布带安装在安全帽上，简单高效。该定位标签包含LED指示、报警、动静判断等功能，当人员遇到危险时，可按下标签上的“SOS”进行求助，后台端即可显示具体人员信息及所处位置（图6、图7）。

图6 定位标签

图7 定位标签安装

3.3 实施效果

3.3.1 人员信息

登录定位系统后台，一个账号可多人使用，通过绑定人员的标签，可以实现对佩戴定位卡片人员的定位监控。根据工人入场登记表，将每个人的信息录入后台系统，激活定位标签后下发至各施工人员，即可在BIM三维模型中查看人员姓名、工种等相关信息（图8）。

图8 人员信息识别

3.3.2 一键报警功能

施工现场存在部分孔洞位置，人员不能靠近，通过设置电子围栏，当人员在电子围栏附近时，将触发一键报警。

同时，若人员发生危险，定位标签长时间保持静止状态下，也将触发一键报警的功能，与之对应的定位标签会产生强烈振动，同时PC端发出强警报，PC端可以根据“人员姓名、SN号、日期、开始时间、结束时间、报警类型、报警状态、区域类型”8个查询条件查看所有报警事件详情，即可实时掌控人员位置及安全信息（图9、图10）。

图9 电子围栏绘制

图10 报警通知

3.3.3 实现目标追踪

利用定位系统可通过人员姓名、查询日期、时间3个查询条件，实现对目标人员在当前条件下的精准定位。同时，事后可查询起点至终点行走轨迹路线的展示及历史视频回放，及时掌握施工人员的动向与安全情况（图11）。

图11 人员行为分析

4 结语

BIM人员定位系统提高了作业人员的安全保障，相对降低了安全事故发生率，与传统智慧工地建设（即摄像头部署和定位模块部署）的方式相比，降低了设备投入费用及因安全事故导致的额外支出。

本文提到的化龙桥超高层二、三期项目使用BIM人员定位系统，从三维模型与人员定位出发，通过两项技术的融合形成了一套可推广至其余房建项目的BIM人员定位技术，在安全管理上进行了创新，降低了安全风险，提高了工程的智能化程度。