BIM技术在煤矿建筑工程安全检测中的应用研究

邹继雪，张乐芳，薛 婷

(西安欧亚学院，陕西 西安 710065)

我国作为煤炭大国，煤矿开采过程中注重提升煤炭开采量的同时，还需保证煤矿建筑安全。由于矿区建筑均建立在煤矿开采区域上方[1-2]，建筑群面积较大的同时，其功能性较为复杂，在不同程度上增加了工程安全监管难度[3]。矿区煤炭开采方式大多数为地下开采，因此在煤矿建筑施工过程中，综合地形原因的同时，也需加强对建筑的抗震性能、受力形变等情况关注度。为使煤矿建筑施工以及煤炭开采顺利进行，很多煤矿企业对建筑施工过程进行了安全检测[4-6]。针对此问题，该方面学者均提出有效方法，如边俊奇等[7]基于煤矿建筑安全检测理论，通过STOP系统建立安全观察模型，从施工人员行为角度对建筑安全进行了分析，以降低施工人员不当操作导致的煤矿建筑风险程度。该方法经过验证可在一定程度上有效规避煤矿建筑风险，但仅从施工人员操作入手极具片面性和主观性，科学性较差，因此应用范围不是很广。而谭章禄等[8]则以煤矿建筑历史安全隐患词数据为基础，通过建立安全隐患词的向量模型，以桑基图的方式描述建筑施工作业安全隐患分布特征，实现煤矿建筑工程安全检测。但该方法受历史数据缺失以及模型存在欠拟合或过拟合状态影响，无法精准描述煤矿建筑施工作业安全隐患分布特征，因此无法较好地管理煤矿建筑工程安全。BIM技术是建筑信息模型技术，适用于工程设计、建筑数据管理等方面[9]，可以三维图形的方式呈现建筑信息，是一个建筑施工全过程的信息数据库。该技术所构建的建筑工程模型具有完备性、关联性以及信息一致性，运用该技术可有效缩短施工工期，也可有效监管施工过程中的安全问题[10]，在建筑领域广受欢迎。结合上述技术，研究基于BIM技术的煤矿建筑工程安全检测方法，对把控煤矿建筑工程安全具有重要价值和意义。

1 煤矿建筑工程安全检测方法

1.1 煤矿建筑工程概况

以某省大型煤矿新开矿区为实验对象，该煤矿建筑工程项目包括矿井指挥楼、员工宿舍、调度中心等，该建筑工程总面积约为23 326.91 m2，地基均为挤密桩打造，主体为框架，建筑高度均为23.3 m，抗震等级为Ⅱ级，防火等级为A级。

1.2 基于BIM的安全检测模型框架构建

利用煤矿建筑工程BIM模型，结合RFID技术和WSN技术建立BIM煤矿建筑安全检测模型，模型框架如图1所示。其中RFID技术也称无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，其以无线电信号方式识别建筑并读写其相关数据[11]。WSN是无线传感网络，利用传感器以无线通信方式构建多跳自组织网络。

煤矿建筑安全检测模型框架由5个层组成：①数据采集层主要负责收集煤矿建筑工程信息，信息来源包括以RFID和WSN方式采集和传输煤矿建筑工程施工信息，安全事故数据源和煤矿建筑工程信息库，其中RFID对煤矿建筑工程构件添加标签，以标签的形式呈现该建筑构建的基本属性、安全属性、几何信息等[12-14]。对建筑工程构件进行定位，且其定位信息与模型所构建的煤矿建筑工程BIM模型相对应，通过WSN传感方式获取煤矿建筑工程施工过程中的建筑温度、受力、倾斜度等情况。②将RFID与WSN获取到的煤矿建筑工程基本数据以无线网络形式传输至数据处理层，为煤矿建筑工程安全检测提供基础数据[15]。数据处理层则依据IPC施工标准，对数据采集层获取到的煤矿建筑工程施工数据进行过滤、检测后采用物联网方式传输至模型层。③模型层依据处理后的数据构建和更新煤炭建筑工程BIM模型，同时以3D动态模拟方式呈现煤矿建筑工程施工情况[16-17]，以便工程管理人员掌握工程资源属性等信息。④应用层是煤矿建筑工程安全检测的核心层次，主要实现4D动态安全检测、施工作业人员、建筑材料和作业机器、设备的动态监控以及利用层次分析方法分析建筑工程的安全性。⑤用户层实现煤矿建筑工程安全检测的人机交互功能，用户通过该层对煤矿建筑工程安全进行管理。

1.3 建筑工程BIM模型构建

模型层采用REVIT软件构建煤矿建筑工程的BIM模型。BIM软件也称建筑信息模型软件，此类软件种类很多，其中REVIT软件在建筑施工过程应用范围较大[18]，由于该软件的模型信息存储模式为单一式，当所构建的建筑模型任何一个组成部分发生变化时，则模型其余地方也随之更新，因此REVIT软件具备较强的双向关联性。而其族群组件在无任何程序驱动和编码语言情况下为用户提供设计独立的建筑组件功能，灵活性较好，且可应用于手机端，方便施工人员随时掌握工程进度。基于此，选择REVIT软件构建煤矿建筑工程模型。对于煤矿建筑工程的管线利用Navisorks构建，该软件可实时提供管线完整视图，且精准检测管线碰撞位置并导出相关报告。煤矿建筑工程现场布置软件选择广联达BIM，版本为V7.70。煤矿建筑工程如图2所示。

图2 煤矿建筑工程示意Fig.2 Schematic diagram of coal mine construction project

煤矿建筑工程的主体部分利用REVIT软件构建，依据数据处理层传输的建筑工程信息，通过确认相应的样板数据，设置好建筑的标高与轴网，将CAD工程图纸导入REVIT软件内，通过对建筑框架结构执行柱体填充、添加梁、门窗等操作步骤，建立该煤矿建筑工程模型。所构建的BIM建筑模型如图3所示。

图3 煤炭建筑工程BIM模型Fig.3 BIM model of coal construction project

1.4 基于层次分析法的施工过程安全分析

层次分析法属于运筹学理论，应用层利用层次分析法分析煤矿建筑工程施工过程的安全性。首先先将煤矿建筑工程BIM模型内的建筑施工信息划分为3个层次，其中目标层是整体建筑施工信息，准则层和方案层均是其上一层次向下延伸的较为具体的目标[19]，对该目标进行重要性判断后，建立煤矿建筑安全分析矩阵，其步骤如下。

R表示煤矿建筑安全分析矩阵，其表达式为：

(1)

依据上述公式结果，将煤矿建筑安全分析矩阵涵盖的所有安全因素排列并归一化处理，其表达式为：

(2)

利用归一化处理后的建筑安全因素建立新建筑安全分析矩阵R′，对该矩阵内按照行排列的建筑安全因素相加得到行向量[20]，由U=(U1，U2，…，Un)T表示，计算行特征向量权重，其表达式为：

(3)

对公式(3)进行归一化处理后，得到建筑安全因素行特征向量权重，其表达式为：

(4)

式中，Ui为建筑安全因素行特征向量权重。

对式(4)结果进行一致性检验后，对建筑安全因素行特征向量权重进行由高至低层次排序，进而获取到影响煤矿建筑施工过程中安全因素，对比其是否符合安全预警标准，判断是否进行煤矿建筑工程施工安全预警。

2 应用实例

为验证本文方法实际应用过程中对煤矿建筑安全检测效果，利用本文方法从以下几个方面对其展开安全检测，测试效果如下。

2.1 孔洞标记测试

为该煤矿建筑工程的调度中心墙体设置10个孔洞，经过RFID和WSN数据采集后，实时更新调度中心的BIM模型，更新结果如图4所示，并利用该模型输出孔洞标记结果，见表1。结合图4与表1可知，在使用本文方法实时更新后的BIM指挥楼建筑模型内，所设置的10个墙体孔洞均被标记出且已标注好序号，将孔洞数据输出后，可充分描述孔洞位置、尺寸、标高以及孔洞构成材料。该结果表明，本文方法在建筑施工过程中可有效更新建设施工信息，且能较为具体地描述所更新的建筑施工情况，为后续建筑施工安全检测提供较为符合实际情况的决策依据。

图4 调度中心孔洞更新结果Fig.4 Update results of the holes in the emergency command building

2.2 冲突检测

在建筑施工过程中，塔吊运送建筑物资时，塔吊与塔吊间、塔吊与楼体间均存在碰撞冲突风险。塔吊如图5所示。分别使用2台塔吊为该煤矿建筑运输砂石等物资，塔吊臂长分别为60 m和70 m，分别标记为塔吊A、塔吊B，初始角度均为30°，塔吊臂均以匀速逆时针方向运转，设置塔吊距楼体冲突阈值为10 m，使用本文方法对两个塔吊臂以每3 s检测1次的检测速度对其进行冲突检测，检测结果如图6所示。分析图6可知，检测次数越多，则塔吊臂与楼体的距离越近，二者呈正比关系，即每3 s检测1次塔吊臂与楼体距离情况，随着检测时间的增加，塔吊以匀速方式运转因此距楼体距离越来越近，在测试第30次、35次和40次时，两个塔吊臂与楼体距离均低于10 m，因此出现5次冲突预警。该结果表明：本文方法可有效检测塔吊臂与楼体距离，实现煤矿建筑施工过程中的冲突预警功能。

图5 塔吊模拟示意Fig.5 Schematic diagram of tower crane simulation

图6 冲突检测结果Fig.6 Conflict detection results

2.3 安全隐患追踪

利用本文方法对该煤矿的调度中心进行安全隐患排查，利用手机端初始排查结果以及安全隐患排除结果，如图7所示。分析图7(a)可知，对该矿区的调度中心进行安全隐患排查时，发现8条安全隐患，当前待整改数目为1条，而点开隐患整改选项后，则图7(b)中的最下方水管冲突改造为灰色进度条，灰色进度条表示该项目是当前待整改项目进度，并且呈现其预计整改天数是14 d。同时图7(b)中通过进度条显示了主体钢结构裂隙整改、负一层电路卡槽拓宽以及区域回填3个整改项目都已经完成了整改。

图7 安全隐患追踪测试Fig.7 Security hazard tracking test

综上可知，本文方法可有效对煤矿建筑工程安全进行安全隐患追踪，并依据追踪结果规划整改时间，描述整改进度，具备较强的工程安全检测能力。

3 结语

本文研究基于BIM技术的煤矿建筑工程安全检测方法，该方法通过REVIT软件构建煤矿建筑工程的BIM模型，利用层次分析法对建筑工程安全进行分析。经过实验验证，本文方法标记建筑孔洞准确，且可充分描述孔洞相关信息，建筑施工情况更新能力好；可有效检测塔吊臂与楼体距离，具有较强的冲突预警功能；安全隐患排查能力较好，且可充分描述安全隐患情况，并可规划整改项目实际与记录进度。