基于 BIM 技术的 PC 构件施工安全管理应用

黄 瑞，赵小明，杨智明，杜晓英，陈 斌，丁亚飞

（甘肃第六建设集团股份有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

国家近年来大力发展装配式建筑，推动科技创新发展，不仅大力发展装配式建筑，而且也在不断提高装配率。装配式建筑具有一定的难点，存在大量安全管理问题，BIM 技术能够促进建筑施工方面的不断发展，装配式建筑与传统建筑相比对科技信息需求更为迫切，基于 BIM 技术的 PC 构件施工安全管理应用，是目前急于要解决的问题。

本文以装配式建筑产业园项目为例，提出基于 BIM 技术的 PC 构件施工安全管理存在的问题，并对装配式建筑的特点及施工安全管理等各个方面进行了分析及论证，为装配式建筑施工安全管理提供解决方法。

1 建筑施工安全管理理论

1.1 施工安全管理理念

施工现场安全管理依托于先进的管理方式对现场施工进行管理，通过管理能及时掌握并了解施工过程各种不良危害，最终可消除施工过程不安全因素，减少安全施工发生，达到施工过程安全目的。安全管控为宏观管控及微观管控。宏观管控依据政策法规、政策文件对施工项目进行安全管理；微观管控基于各参与方，即建设单位、施工单位、监理及设计单位等对施工项目进行安全管理。施工项目根据自身复杂程度决定了其有流动性、复杂性及非常规等特性。

1.2 安全管理原理

1）系统原理。根据系统理论等因素对施工安全管理进行全面分析，即有安全管理、成本管理、进度管理及质量管理。

2）人本原理。人既是安全管控主体，也是安全管控客体、基于安全管理的原则，要积极发挥人在施工现场的主观能动性。

3）预防预控原理。施工现场的安全管理更加侧重于预防预控的原则，通过采取相应的预防措施，事前事中采用相应技术措施，能都最大限度地规避事故的发生。

4）动态控制原理。根据施工现场人员的流动及施工环境的变化及时调整各类施工安全管理方案，能够确保施工项目的顺利实施。

5）强制原则。依据强制执行力，严格管控施工现场作业人员行为，避免施工过程中不安全行为的发生。

6）安全经济学风险。投入施工安全管理资金，能够使得施工项目获取更多的收益。

1.3 安全管理过程及危险源识别

施工过程是动态的，施工安全管理也基于动态管理。依托项目实际施工情况，确保施工项目安全目标，合理规划周边情况，合理划分区域，确定材料的最佳堆放位置。施工相关政策改变，及时评价施工过程中重大风险因素，持续改进以达施工安全管理目标［1-8］。

2 装配式混凝土（PC）建筑

2.1 PC 建筑概念

装配式建筑是利用工厂预制的部品部件组装而成的建筑物，装配式混凝土建筑大部分构件是由混凝土构件组成的。

2.2 PC 建筑特点

与传统建筑相比，装配式建筑施工工艺具有一定的先进性，基于环境因素具有下列的特点。

1）现场施工构件主要采用工厂预制化，构件精度要求高，机械化程度高，现场湿作业少，具有施工速度快，生产率高等优点。

2）设计标准化程度高，制作构件模具可多次重复使用，具有装配式构件现场组装噪音小、施工现场污染小及环境污染小等优点。

3）施工现场机械程度高，减少施工人员数量，且集成化程度高，施工现场物资损耗少，施工现场精细化程度高。

2.3 PC 建筑施工工艺流程

将工厂生产的预制构件养护后运输到施工现场，通过施工现场装配建造而成，如图 1 所示。

图1 PC 建筑施工工艺流程

3 基于 BIM 技术的 PC 建筑安全管理

3.1 PC 建筑安全管理问题提出

PC 建筑的施工安全不仅具有传统施工安全特点，也有施工过程中的其他特点。结合 PC 建筑施工工艺流程，其特点如下。

1）装配式构件涉及现场堆放及运输问题，这个过程的施工安全管理尤为重要，也是重点与难点。

2）构件重量大、体积大，选择垂直运输工具尤为重要，吊装前需严格审查，确保塔吊起重满足合理要求，塔吊施工处于安全稳定的状态。

3）PC 建筑采用现场拼装，湿作业少，施工人员数量较传统人员少，方便人员管理。

3.2 基于 BIM 技术的 PC 建筑安全管理适用性分析

3.2.1 经济适用性

基于 BIM 技术的应用，不仅需要配置软件及硬件设备，而且需要储备专业技术人员。国内 BIM 软件所提供的 BIM 软件服务费高，需高配置的电脑来运行 BIM 软件。

3.2.2 环境适用性

装配式建筑与 BIM 技术基于工业与信息化应用的研究，一方面结合目前国家的政策要求，符合现行我国政策要求，另一方面装配式建筑符合“四节一环保”建筑理念，两者结合应用后在环境保护方面具有技术可行性。

3.3 基于 BIM 技术的 PC 建筑安全管理模型

3.3.1 安全管理模型设计原则

1）动态性。施工现场环境复杂多变，为保证施工安全管理有效性，需及时掌握施工现场各种复杂多变的情况，这些信息在系统中动态体现。

2）准确性。准确完整的数据信息是保证施工安全管理工作的准确性及高质量发展的首要条件，基于 BIM 技术的模型建立，是保证施工安全管理准确性的必要条件。

3）模块化。根据建筑施工安全管理模型，将部件管理对象和功能进行分区，按照施工项目具体内容要求，施工安全管理应用模块既互相联系又互相独立。

3.3.2 基于 BIM 技术的 PC 建筑安全管理模型

为了能够基于 BIM 技术对 PC 构件施工安全管理进行信息化管理，通过建筑施工安全管理原则，对 PC 建筑施工安全管理特点及 PC 建筑施工安全管理问题等方面进行阐述，建立了基于 BIM 技术的 PC 构件施工安全管理模型，如图 2 所示。

图2 基于 BIM 的 PC 建筑安全管理模型

3.4 基于 BIM 的 PC 建筑安全管理模型应用

3.4.1 基于 BIM 技术的参数化建模

为实现基于 BIM 技术的 PC 构件施工安全管理，首要任务是建立 BIM 模型。基于 BIM 模型的施工安全标准化管理，不单纯在施工阶段才使用，各阶段信息息息相关，各施工参与方构成施工项目整体，通过整体角度考虑施工项目管理，最终使得施工安全管理更加完善。

3.4.2 施工阶段基于 BIM 技术模型应用

施工企业能够基于模型平台获取相应信息，施工模型包括进度、成本、资源及安全等，不仅可以减少模型建立成本，还可使设计和施工阶段信息共享，最终达到不断深化设计的目的。

3.4.3 基于 BIM 的 PC 建筑不安全因素识别

施工项目的安全管理是以建筑物安全识别、确定及衡量施工安全影响因素为基础，制定、选择和实施施工安全决策方案过程，坚持了“预防为主”的思想，辨识出施工作业危险因素，采取针对性的安全防范措施，确保施工项目管理人员安全。

4 项目概况

4.1 工程概况

本工程为天水装配式建筑产业园一期建设项目，工程主要分为两部分，办公区及食堂。主要有两部分工作，一是根据构件深化设计图纸，建立不同类型的装配式构件，建立 BIM 模型；二是提出施工安全管理模型，对模型进行应用实施。

4.2 应用流程

首先通过定位目标确定 BIM 应用范围，缩短工期，提高生产效率，减少施工现场安全事故的发生。基于 BIM 技术的 PC 构件对施工过程中的安全隐患进行动态识别，及时调整施工方案，最终力求解决 PC 构件建筑施工安全管理方面的问题。

首先依据拆分后的施工详图建立各类装配式构件的三维模型，主要包括 PC 构件的几何信息及非几何信息，然后通过预制构件拼装 PC 构件模型，最后根据完成的 PC 建筑 BIM 模型，融入施工进度模型，从而实现虚拟施工。通过模拟能够识别出施工现场潜在的各类危险因素，避免施工现场安全事故的发生，如图 3 所示。

图3 BIM应用流程

4.3 BIM 建模

4.3.1 工具选择

基于 BIM 软件操作平台，在 Revit 中建立复杂的参数化构件，如表 1 所示。

表1 项目 BIM 软件配置

4.3.2 BIM 参数化建模

PC 构件需进行拼装，要依据深化设计图纸并建立 PC 构件 BIM 模型。BIM 模型中包含的预制构件数量多，信息量大。本文以现有国家标准图集为基础，总结出一套装配式构件建模标准，基于此标准建立相应模型，确保 BIM 模型中构件的有效识别与管理，从而保证装配式建筑 BIM 模型的规范性，如图 4～图 5 所示。

图4 预制外墙三维模型和参数信息

图5 整体 BIM 模型

4.4 基于 BIM 的 PC 建筑施工安全管理应用

4.4.1 施工场地模拟

本工程采用装配式混凝土结构，PC 构件量多类广，施工现场 PC 构件需车辆进行运输，大型设备设施较多，如若不能合理进行规划，会造成施工安全事故的发生。依据 BIM 的三维模式充分展示了施工现场，充分考虑各种施工因素并结合施工方案进行施工现场的 PC 构件堆放区、施工机械停放区等的布设，如图 6 所示。

图6 PC 建筑施工场地模拟示意图

4.4.2 施工动态模拟

施工过程复杂多变，传统的横道图及网络图不能清晰描绘出施工进度全部过程，更不易表达动态关系。PC 构件施工现场布置紧密，交叉作业多，构件进场堆放问题显得尤为重要，二维施工布置图纸不能指导复杂施工现场施工，因此基于 BIM 技术对 PC 建筑进行动态施工模拟能够让现场施工作业人员把握好施工作业计划，优化施工资源。如图 7～图 10 所示。

图7 PC 建筑施工动态模拟技术路线

图8 施工模拟示意图

图9 预制构件运输至现场模拟

图10 预制外墙吊装模拟

4.4.3 可视化交底

BIM 技术具有可视化特点，建筑外部虚拟施工可明确危险源类型及位置，现场施工人员能够更好接受直观的技术交底与安全交底。在内部漫游过程中，随着现场人员的行走，可清晰观察到电梯井部位置及叠合板位置。基于 BIM 技术的可视化安全培训工作，通过内部漫游形式将培训工作全面落到实处，利用场景仿真技术，依据施工安全策略及施工安全细则，在能够强化安全培训效果、提升培训效率的同时，还能减少时间及资金方面浪费，如图 11 所示。

图11 电梯井部位漫游示意图

4.4.4 临边、洞口防坠落保护

装配式建筑标准化程度高，高度通常达几十米，需施工人员在高处作业。施工现场有大量预留洞口，作业边缘如若没有维护设施，高处作业会发生物体打击等安全事故。运用基于 BIM 虚拟施工技术，借助漫游手段，能够快速准确找到施工过程中不同部位坠落安全隐患。建立临边洞口防护模型，形成防坠保护系统，为施工现场作业人员提供可视化管理平台，利用施工进度模拟，依据进度对防护栏杆进行安装、拆除，最终达到节约成本和循环使用的目的，如图 12～图 13 所示。

图12 临边洞口防护设施示意图一

图13 临边洞口防护设施示意图二

4.4.5 塔吊施工安全管理

装配式建筑施工中构件需现场拼装，塔吊是最为重要的工具。PC 构件体积大，不能很好地完成预制构件的拆除工作。本工程需多台塔吊同时作业，工作过程中存在交叉现象，有效管理塔吊工作是施工安全管控的第一保证。塔吊间距、与建筑物距离、回转半径及作业区域都应做好详细规划，因此确定塔吊安全位置、合理作业区域及高度变得更加重要。优化后的塔吊施工方案不但满足施工现场及装配式建筑施工精度要求，而且降低施工塔吊安全风险，避免塔吊发生碰撞，如图 14 所示。

图14 塔吊运行模拟图

4.5 应用效果评价

本工程基于 BIM 技术实现 PC 构件五大方面施工安全管理，共有两部分，一是直接基于 BIM 技术的施工安全管理，二是基于 BIM 技术识别施工中的不安全因素，采取相应措施实现安全施工管理。可视化交底和临边洞口的防坠落保护是第一种情况，施工过程模拟、施工现场模拟及塔吊避免交叉作业是第二种情况。本文通过案例分析，说明基于 BIM 技术的 PC 构件施工安全管理具有一定的优势：通过 BIM 可视化特点，模拟分析中及时发现不安全因素，能够快速将施工项目中未设置封闭挡墙、构件堆放不合理等不安全因素识别出来，基于 BIM 技术的施工动态模拟识别出未采取临边防护措施、多塔之间互相作业等不安全因素。虚拟施工技术能够及时发现施工现场不安全因素，做好施工风险规避，增强施工安全管理的事前控制效果；其次 BIM 可视化交底可提高施工安全技术交底的直观性及有效性，BIM 技术能够有效解决施工吊装中操作不当、施工作业人员素质低、高空围挡不到位等施工现场安全问题，对施工难度大、工序要求高等问题，能够借助动态漫游和施工工艺的方式，形象直观将操作场景展现于施工作业人员面前，基于 BIM 技术的 PC 构件施工安全管理可以解决沟通不到位问题，提高各方协同效率。

5 结论

本文从装配式建筑特点和传统建筑施工安全管理方面进行探讨及分析，提出装配式建筑施工安全管理等方面存在的问题，建立了相关装配式建筑施工安全管理模型，通过现场实际案例验证模型的可行性，主要成果如下。

1）基于装配式建筑特点和装配式建筑施工安全管理理论，提出目前我国装配式建筑在施工安全管理方面所存在的问题。

2）基于不同施工阶段的不安全因素进行分类，通过对比传统建筑施工不安全因素，更加凸显了基于 BIM 技术来模拟施工现场不安全因素的优越性。

3）结合装配式 PC 构件施工安全管理的特点，建立基于 BIM 技术的 PC 构件施工安全管理的模型框架，为施工安全管理提供参考依据。

4）结合实际项目进行分析，研究基于 BIM 技术解决 PC 构件施工安全管理在施工现场布置、虚拟施工、临边洞口防护、塔吊防碰撞等安全管理方面的应用，验证基于 BIM 的 PC 构件施工安全管理框架模型可行性及适用性，以期对 PC 建筑施工安全管理提供一定理论及实践意义。Q