BIM技术在水利工程施工现场安全管理中的应用

蔡旭光

广东省水利水电建设有限公司 广东 广州 510635

引言

水利工程施工区域一般地质条件复杂，受气候条件影响较大，施工人员职业素质不高，安全意识相对淡薄，这些增加了施工现场安全管理的难度[1]。针对水利工程安全生产中存在的问题，要想有效保证施工建设安全，BIM技术可以发挥重要作用，这是基于其可视化、协调性、模拟性、优化性的技术特征[2]。有鉴于此，本文对BIM技术在水利工程施工现场安全管理中的应用进行了探讨。

1 水利工程施工现场危险源的识别

1.1 危险源识别的必要性

水利工程施工规模较大，参与单位多，施工场地多为敞开式，施工区域相对分散，安全隐患多，整体管理难度大，要加强施工现场安全管理，必须加强危险源尤其是重大危险源的识别，因为只有识别了危险源，才能有针对性地提出安全控制措施，实现降低事故发生率的目标[3]。

1.2 危险源释义

危险源是可能导致人员伤亡、物体损坏的潜在不安全因素，其特征如下：一是潜在危害性。危险源一旦爆发就可能带来人员损害、财产损失、环境破坏等危害性后果。二是其存在具有一定条件，包括物质的存储条件、设备的防护条件、人员的控制管理条件等，它们是危险源爆发的约束条件和存在状态。三是触发因素。危险源是潜在的危险性，只有当其被触发并引起事故，才成为真正的安全事故。

1.3 水利工程施工现场的危险源

依据《企业职工伤亡事故分类》（GB/T 6441-1986）第2章《事故类别》，危险源可以分为物体打击、车辆伤害、机械伤害、起重伤害、触电、淹溺、灼烫、火灾、高处坠落、坍塌等20类。目前，水利工程现场施工中存在的危险源主要有：①火灾或爆炸性危险源，例如压力容器、炸药库、油库等，在运输、存储、使用过程中可能发生爆炸。②高处坠落或物体打击性危险源，例如起重设备、承重排架、栈桥等。③坍塌性危险源，例如高边坡、基坑开挖等。④中毒性危险源，主要发生在施工人员居住区。⑤自然灾害，例如台风、龙卷风、雷暴天气等。

1.4 事故触发机制

危险源演变为事故的背后是人、物、环境三重因素共同作用的结果。首先，物的各种不安全状态成为事故发生的各个危险源。其次，人的不安全行为和环境因素形成一个个触发因素。而安全管理的任务是识别各种危险源，并制定相应的安全防控措施。如果成功识别危险源并进行有效防控，事故发生条件就会失效，否则事故就可能发生。

1.5 危险源识别方法

识别危险源大致可分为经验法和系统分析法。经验法是基于以往安全管理经验和可供借鉴的危险源案例进行识别，前者称为直接经验法，后者称为类比法。系统分析法是利用系统安全理论进行识别，例如安全检查表法、事故树分析法、预先危险性分析法、事件树分析法等。

1.6 BIM技术在水利工程施工现场危险源识别中的应用

第一，利用Oracle、SQL Server、Access等数据库软件建立危险源识别信息数据库。首先，整合水利工程施工相关规范，例如《建筑施工高处作业安全技术规范》《施工现场临时用电安全技术规范》《建筑机械使用安全技术规程》《建设工程施工现场消防安全技术规范》《建筑边坡工程技术规范》等，目的是在危险源识别时与规范对比，可以及早发现安全管理中存在的问题。其次，整合水利工程危险源评价数据。利用LEC评价法（即作业条件危险性评价法）对各种危险源进行评级，例如临边护栏高度低于1.2m且无密目网遮挡，L=3，E=2，C=7，D=42（L为事故发生可能性，E为人员暴露频繁程度，C为事故后果严重程度，D为风险值），等级为一般。最后，确立危险源标准参数和防控信息库，在危险源识别时通过与标准参数对比，确认危险源的同时明确相关安全对策。

第二，构建危险源识别系统模块，包括信息采集与模拟、信息交互两大模块，前者在BIM模型基础上可利用VR（虚拟现实）技术模拟各种危险源引发的事故场景，后者便于信息共享。将BIM模型导入到Navisworks中，利用冲突与碰撞检查可以发现并标记危险源。还可以将BIM模型导入到FUZOR（VR平台）中分析和标注危险源。

第三，识别危险源的方法。首先，根据相关软件操作方式在危险源识别信息数据库与Navisworks模型之间建立链接，以实现数据库与模型对接。然后，模拟水利工程现场施工各工序，根据数据库存储的危险源相关信息判别各工序中潜在的危险源。遍历数据库中所有危险源数据，选出匹配的危险源，逐一对比分析，直至找出所有危险源。利用FUZOR平台可以模拟事故场景和展现危险源危害性，通过对模型设置二维码可以更加方便地获取危险源信息。

2 水利工程现场施工安全检查

2.1 安全检查现状

经过多年实践，关于水利工程施工建设的安全标准、指导原则、实践经验已极为丰富，能为任一种施工建立安全检查流程，例如施工排架拆除作业控制检查流程、高边坡开挖作业控制检查流程等，然而这些流程在实践中应用并不方便，因为它只是停留在纸质规则文件上，虽然展示了各参与方职责和任务要求，但并不方便各方相互交流，由于沟通不到位或各方理解不一，存在难以洞察的漏洞，现场施工中也无法避免安全隐患的出现。

2.2 BIM技术用于安全检查的优势

BIM技术具有的施工可视化、参数化、协调化、动态化的优点，让现阶段水利工程安全检查难题迎刃而解，结合三维信息模型，建立基于安全规则标准的检查系统，可以实现施工全过程监控，动态检查施工安全问题，并以交互方式提供解决方案，帮助安全管理人员更科学地规划施工任务和规避安全风险。

2.3 BIM技术在水利工程施工现场安全检查中的应用

建立基于BIM技术的安全检查系统分为以下几个步骤：

第一，映射安全规则标准，即将当前已存在的安全检查相关的规则标准文件映射为系统可读形式。规则标准的应用适用条件包括标准应用背景、适用属性两方面。应用背景用于识别施工对象，例如施工排架拆除或高边坡开挖施工。适用属性用于安全检查的关键参数，例如开挖口所处位置、长宽尺寸等。将现有的安全检查表重新整理成系统可读的参数化形式，例如高处作业面和通道需设置安全护栏或悬挂安全网，整合之后“对象”为高处作业面和通道；条件①：临水——设置不低于1.2m安全护栏的防护措施；条件②：临空——悬挂安全网的防护措施。

第二，建立基于对象的模型。为实现系统自动检查的目的，需要包含多种信息的模型，该模型比常规三维模型更严格，除了对象名称、类别、属性以外，还包括识别号、日期、创建者姓名、空间关系等信息，并且实时更新。

第三，执行自动安全检查。建立了可供系统使用规则标准集和基于对象的模型以后，系统通过对象名称、类别、属性等信息，对照规则标准进行自动检查。检查方式分为两种情况：一是根据系统默认设置应用安全解决方案；二是提供可能的解决方案。对于后一种情况，系统会比较所有可能的方案，然后选择一个最佳方案。

第四，生成安全检查报告。系统可生成两种形式的报告，其一为可视化安全防护设备，其二是安全检查表。后者包含模型对象信息、解决方案信息、防护设备清单等。

第五，提出安全措施。为方便决策者做出更好决策，系统会针对安全检查结果提供相应的纠正措施，以方便任务调度和工作安排。

3 水利工程现场施工安全风险的预警

3.1 BIM技术用于施工安全风险预警的意义

施工安全风险是施工中可能发生事故导致人身伤害、财产损失的可能性，在安全风险成为事故前预警，可以及时采取措施避免事故的发生。然而水利工程往往施工组织复杂，安全管理难度大，传统安全风险评估预警方法存在种种不足。例如层次分析法（AHP）可针对多个评价指标自适应分配，但其预测环境适应度不好。再如通过理论与实证结合建立预警模型，但其预测可靠性不高。应用BIM技术对施工安全风险进行预测评价可靠，准确度较高，对于提高水利工程施工安全风险控制能力具有重要意义[4]。

3.2 创建基于BIM技术的施工安全风险预警模型

第一，采用Revit创建三维BIM模型。创建规则模型可以直接从Revit族库中选择同型构件，调整修改族属性参数即可。创建不规则构件模型可使用体量族方式。

第二，设置参数。模型创建后，赋予相关信息，如施工单位、开始/结束时间。针对施工安全风险预警信息，应在施工设计初期创建。以桩基础工程为例，按施工工序分为桩基施工和桩帽施工两道工序，运用Revit软件划分为两个施工阶段，分别评估施工安全风险。首先，从模型中提取施工信息并生成明细表。然后进行仿真模拟，将模型导入Navisworks软件进行全方位观察和试验。通过仿真试验，确定桩基施工和桩帽施工的风险等级，并采取相应的处理措施。

第三，评估施工安全风险，可结合风险评估常用方法对施工安全风险进行评分，然后判断安全等级，再提出风险接受准则。评价施工安全风险等级，可根据现行风险评价等级划分原则及相关资料。

第四，风险预警。根据施工安全风险评估结果，将不同风险等级及防控措施以不同颜色展示，效果清晰而醒目，易为参建各方查阅和重视。

3.3 构建施工安全风险预警体系

第一，对工程系统进行分解。一般可按施工工序的先后顺序分解，例如桩基础工程先施工桩基，再施工桩帽；也可按工程分项、功能、要素等进行分解。使用分解树或分解表表达工程系统分解后的情况。

第二，对风险事故进行分类。根据《企业职工伤亡事故分类》（GB/T 6441-1986）将风险事故进行分类，例如物体打击、高处坠落、机械伤害、触电等。

第三，识别施工安全风险。结合施工事故分类表，对水利工程施工中可能发生的风险事故进行归类，作为制定控制安全风险方案的依据。

第四，建立施工安全风险评估指标体系。与常规风险评估方法依靠专家打分赋值不同，利用BIM技术可以根据客观事实获取精确信息。通过风险评估指标函数量化风险等级，据此计算风险评估指标参数。使用三维BIM模型评判工程规模、施工复杂程度和计算工程量。施工安全事故研究结果表明，事故发生概率与施工复杂程度相关，复杂程度越高，发生事故的概率越大，通过这一关系可以为各分项工程风险评估指标进行赋值。同时，施工安全风险与现场施工人员数量有关，参与施工的人数越多，发生安全事故的风险越大，所以在为风险评估指标赋值时还要加上施工人员数量因素。水利工程现场施工机具种类较多，其中不乏大型施工机械，而大型施工机械种类越多，发生安全事故的风险也越大，所以在对风险评估指标赋值时还要加上施工机械因素。在应用BIM模型过程中，可以直接提取相关机械信息。风险评估指标设置时，还应考虑单个构件的施工难度，因为单个构件施工难度越大，事故风险也越高。

第五，建立施工安全风险预警体系。建立过程包括参数设置、评估指标权重计算、风险评估和构建评估模型评判集。参数设置即为前述评估指标参数赋值。评估指标权重计算可采用AHP法。根据评估指标参数赋值及权重计算结果可计算风险评估值。评判集即对施工安全风险进行分级，例如重大事故、较大事故、一般事故等，据此可为施工安全风险进行分级。

第六，制定施工安全风险防控措施。根据施工安全风险评估结果，制定相应的防控措施。例如预防物体打击就要求施工人员必须佩戴安全帽、远离起重设备等。

第七，施工安全风险预警。在BIM模型中以不同颜色表达施工安全风险等级。选择相应的构件可以查看信息反馈效果。还可以动态图片或动画视频方式演示安全风险发生情况，结合事故预防措施，让施工人员直观了解施工安全风险，从而自觉遵守安全防护要求，降低事故发生率。

4 BIM技术在水利工程施工现场安全管理中的其他应用

4.1 施工图检验

利用BIM技术的冲突检查或碰撞检测功能，分析不同专业施工图有无冲突，从而对施工图进行优化，加快施工图会审效率。

4.2 安全交底

利用VR技术展示施工中可能遇到的各种安全风险及安全控制措施的作用，可以增强施工人员体验效果，克服传统安全交底不直观、效果差的问题。

4.3 场地分析

水利工程场地规模大，现场地形、地貌、环境复杂，利用BIM技术并结合GIS（地理信息系统）分析施工场地对施工安全的影响，有利于提高施工组织设计的科学性。

4.4 现场学习和应急处理

在施工现场重要部位粘贴施工流程图，图示中关键节点附二维码，当施工人员忘记安全要点或希望重温相关细节时，利用手机扫码即可获得BIM技术制作的视频材料。遇到紧急情况，施工人员不知如何处理时也可扫码获取相关信息。

5 结束语

BIM技术以其三维可视化、协调性、模拟性、动态优化性的优势，可以在水利工程施工现场安全管理中发挥重要作用，但因BIM技术在我国推广应用较晚，许多工程技术人员对其不够熟悉，然而其具有的巨大价值值得关注和研究。