基于建筑安全管理的BIM+AR技術(shù)應(yīng)用研究

黃陣仙 張愛青 方偉國

(福州外語外貿(mào)學(xué)院 福建福州 350202)

0 引言

安全，不僅是建筑行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的保障，而且也是建筑施工企業(yè)賴以生存的基石。但建筑行業(yè)施工活動復(fù)雜，施工環(huán)境多變，施工人員流動性較強，往往給建筑行業(yè)帶來了諸多風(fēng)險因素，容易造成人員和財產(chǎn)的巨大損失。而且，隨著各種高層、異形、大跨度結(jié)構(gòu)建筑的增多，建筑施工安全管理問題越來越突出。根據(jù)住建部統(tǒng)計，2015年至2017年期間，全國共發(fā)生房屋市政工程生產(chǎn)安全事故1768起，死亡2096人。而造成安全事故的主要原因是建筑從業(yè)人員的不安全行為導(dǎo)致。因此，建筑安全管理問題一直是建筑行業(yè)聚焦的關(guān)鍵問題。當(dāng)前，我國的建筑安全管理方法還處于比較初級水平，基本依靠安全管理手冊和施工設(shè)計平面圖紙來辨別和比對施工現(xiàn)場的不安全因素[1]，這種原始的以管理者的主觀判斷和個人經(jīng)驗為主的管理方法，顯然已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代建筑行業(yè)的發(fā)展需要。而且，這種初級的管理方法還會因為過于依賴管理者的經(jīng)驗而使得安全管理水平受到影響。因此，如何把現(xiàn)代技術(shù)手段應(yīng)用于建筑安全管理工作中已成為當(dāng)務(wù)之急。

能夠有效地整合建筑相關(guān)信息，對項目施工具有較強的指導(dǎo)作用，大大地提高管理效率，大大降低管理成本，所以，BIM技術(shù)的產(chǎn)生并受到建筑行業(yè)的極大關(guān)注和推崇。但在具體的實踐過程中，BIM也存在明顯的不足，最突出的缺點就是建筑工程信息只能人為輸入，不能與建筑工程的實際環(huán)境和施工狀況進(jìn)行有效的實時的交互，現(xiàn)場反饋效果不理想。因此，業(yè)界急需尋找一種技術(shù)能夠更好地解決這一問題，完善建筑工程現(xiàn)場安全管理。

AR(Augmented Reality)即增強現(xiàn)實之意，一種全新的人機交互技術(shù)，可以模擬真實場景，突破時空與其它客觀限制，為建筑工程管理實踐提供技術(shù)支持。

1 BIM與AR技術(shù)相結(jié)合優(yōu)勢

BIM技術(shù)在建筑工程施工領(lǐng)域中應(yīng)用的突出優(yōu)勢，在于它可以在建筑相關(guān)的數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上構(gòu)建模型，通過虛擬仿真技術(shù)來實現(xiàn)對建筑物真實信息的模擬。它貫穿于整個工程的設(shè)計、施工和運營全過程，具有可視化、直觀化等無可比擬的優(yōu)越性；但在長期的實踐應(yīng)用中，也漸已凸顯它的不足，特別是在處理龐雜的數(shù)據(jù)信息時，BIM技術(shù)無法實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實之間的交互，而且數(shù)據(jù)信息所呈現(xiàn)出的結(jié)果也不夠直觀等，對實際的工作效率產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。因此，如若引入AR增強現(xiàn)實技術(shù)，通過虛擬技術(shù)與現(xiàn)實進(jìn)行交互，從而突破時空和其他條件的限制，則將更好地解決工程施工過程中的實際問題，兩者結(jié)合則將充分挖掘并實現(xiàn)最大價值，揚長避短，為建筑安全管理帶來新的變革。

1.1 BIM技術(shù)

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)在建筑工程的幾何、物理以及功能等信息基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建BIM模型，直觀地把建筑信息表現(xiàn)出來。利用BIM模型的可視化特點幫助管理者和施工人員辨識在施工作業(yè)全過程中存在的全部風(fēng)險源[1]。

管理者可以通過BIM模型分析各環(huán)節(jié)的風(fēng)險因素，制定科學(xué)的對策措施，預(yù)防安全事故的發(fā)生?？梢哉蠚w納建筑施工過程中的所有數(shù)據(jù)和信息，有效地協(xié)調(diào)相關(guān)的施工活動，提高建筑施工管理的效率。同時，還可以讓所有參建者在云端模型中進(jìn)行實時信息交流，對安全風(fēng)險點進(jìn)行實時跟蹤，以便及時地發(fā)現(xiàn)危險，消除安全隱患，實現(xiàn)協(xié)同、高效的現(xiàn)場管理。與此同時，BIM技術(shù)還可以通過模擬實驗，科學(xué)地進(jìn)行場地施工安排、施工過程構(gòu)件的承載力驗算等，合理地安排設(shè)備進(jìn)場、材料進(jìn)場、人員分配等。通過BIM模型與云數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字化的現(xiàn)場監(jiān)控，通過模擬和監(jiān)控強化現(xiàn)場管理。此外，BIM模型中還能匯集建筑工程中全部的真實數(shù)字信息，當(dāng)某一參數(shù)發(fā)生變化時，其他關(guān)聯(lián)參數(shù)可以隨之更改，便于管理者根據(jù)實時更新的信息，辨別出新的風(fēng)險因素，并且在第一時間作出相應(yīng)的對策，從而實現(xiàn)建筑工地科學(xué)、動態(tài)的現(xiàn)場管理。

1.2 AR技術(shù)

它將生成的虛擬對象、場景、影音、動畫和提示信息通過計算機技術(shù)疊加到虛擬現(xiàn)實世界中，用于向用戶呈現(xiàn)一個信息增強的現(xiàn)實世界和虛擬世界的混合物[2]。

可以說，AR技術(shù)是以交互性和構(gòu)想為基本特征的計算機高級人機界面。利用這種技術(shù)，使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)體驗到"身臨其境"的感覺，而且能感受到現(xiàn)實世界中無法經(jīng)歷的體驗。而且，通過增強現(xiàn)實技術(shù)，使用者還可以看到疊加到真實環(huán)境中的數(shù)字信息，可以讓使用者更好地理解和感知虛擬模型，大大提高了安全管理的效率[3]。換而言之，AR創(chuàng)建了一個與現(xiàn)實世界相關(guān)聯(lián)的虛擬世界。通過虛擬世界和現(xiàn)實世界的融合，形成了一個與現(xiàn)實世界既有聯(lián)系又有區(qū)別的超現(xiàn)實空間[4]，將相應(yīng)的數(shù)字信息嵌入虛擬現(xiàn)實世界界面，強有力地填補了可視化管理平臺的空白[5]。

1.3 BIM與AR結(jié)合

BIM模型集合了建筑的全部信息，AR技術(shù)讓BIM建筑信息模型呈現(xiàn)的內(nèi)容和方式更加豐富、生動，也讓建筑工程參建各方的溝通變得更加快捷、高效。AR技術(shù)可以融合虛擬和現(xiàn)實，進(jìn)行實時交互、跟蹤及定位，為建筑安全管理提供更加全面、科學(xué)的依據(jù)。但是，要更好地將兩者結(jié)合應(yīng)用，需要構(gòu)建以下3個模塊：

(1)BIM模塊：根據(jù)項目設(shè)計要求、工程實體屬性、建筑材料特性等構(gòu)建全信息覆蓋的可視化模型，可通過BIM模型與工程實際環(huán)境融合后得出反饋結(jié)果，修改和優(yōu)化BIM模型。

(2)AR模塊：BIM模塊建成后，AR技術(shù)可以進(jìn)一步改善虛擬模型。通過計算機，圖像處理軟件，傳感器等建立與真實環(huán)境相匹配的虛擬場景模型，然后通過特定設(shè)備沉浸在虛擬真實環(huán)境中，感受另一個類似于現(xiàn)實世界的虛擬世界[6]。

(3)融合模塊：在BIM模塊和AR模塊的基礎(chǔ)上，融合模塊把周圍真實環(huán)境及項目進(jìn)展情況等信息，通過信息采集裝備，實時地反饋到BIM模型與AR模型中，從而實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實融合，并通過輸出設(shè)備將結(jié)果傳輸?shù)娇梢暺聊簧稀?/p>

三者緊密聯(lián)系在一起，BIM構(gòu)建了包含建筑全部信息的虛擬模型，AR增強了虛擬模型與現(xiàn)實世界的聯(lián)系，而環(huán)境融合模塊把真實環(huán)境及項目進(jìn)展情況實時地反饋到模型中，使BIM模型和AR模型得到不斷地調(diào)整和改善，從而實現(xiàn)了工程項目管理的實時交互和可持續(xù)發(fā)展。

2 BIM+AR技術(shù)在建筑安全管理中功能作用

BIM+AR建筑安全管理系統(tǒng)的建立，使項目管理者能夠更直觀地識別現(xiàn)場危險源，以即時采取有效措施消除安全隱患。同時，施工人員可以及時地了解到施工現(xiàn)場應(yīng)采取的安全防范措施，從而減少事故發(fā)生。

2.1 安全技術(shù)交底與安全培訓(xùn)

利用BIM技術(shù)建立施工安全指標(biāo)，系統(tǒng)分析建筑信息模型中的各項數(shù)據(jù)信息，通過模擬施工得到的結(jié)果反饋，優(yōu)化和完善安全指標(biāo)體系。

具體做法：把施工安全指標(biāo)與施工組織方案相結(jié)合，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的有效監(jiān)控。結(jié)合AR技術(shù)，將虛擬技術(shù)與現(xiàn)實環(huán)境聯(lián)系起來，可以讓管理者在高度真實的虛擬環(huán)境中更加直觀地理解和掌握項目工程特點、技術(shù)質(zhì)量要求、施工安全信息等相關(guān)內(nèi)容。項目管理者可以使用該模型對存在安全隱患的風(fēng)險點和區(qū)域進(jìn)行安全技術(shù)交底，將這些信息準(zhǔn)確地傳遞給施工人員。根據(jù)虛擬技術(shù)確定的安全隱患點，對施工人員進(jìn)行安全教育培訓(xùn)，利用建筑信息模型，模擬施工過程，制作相應(yīng)的三維圖像，并將三維圖像疊加到現(xiàn)實環(huán)境中，施工人員可以通過特定設(shè)備輸出和顯示的安全提示，在安全管理系統(tǒng)指導(dǎo)下順利完成任務(wù)。

2.2 沖突碰撞檢查與安全預(yù)警

在施工準(zhǔn)備階段，設(shè)計人員需要預(yù)先布置相關(guān)管線的位置時，可利用BIM技術(shù)可視化的特點，對管線間的沖突碰撞問題進(jìn)行三維檢查。在分析施工階段的施工信息模型之后，找出施工過程中可能出現(xiàn)的施工時序、材料進(jìn)場、人員分配等環(huán)節(jié)的沖突問題，最大程度地避免沖突碰撞情況的出現(xiàn)。利用BIM技術(shù)可以通過施工模擬不斷優(yōu)化施工組織設(shè)計方案，實現(xiàn)安全、高效、協(xié)同的施工安全管理。除此以外，BIM技術(shù)還可以及時地把質(zhì)量問題發(fā)生的部位、時間及處理情況導(dǎo)入BIM施工信息模型中進(jìn)行跟蹤，通過便攜設(shè)備實現(xiàn)安全管理的動態(tài)控制和過程控制，有效地預(yù)防安全事故的發(fā)生。進(jìn)入施工現(xiàn)場后，施工人員可以佩戴AR設(shè)備根據(jù)安全規(guī)范進(jìn)行初步判斷。而且，一旦施工人員進(jìn)入安全管理系統(tǒng)確定的危險區(qū)域，預(yù)警模塊將提醒施工人員并通知安全管理者采取相應(yīng)措施，確保施工人員安全地完成各項工作。

2.3 危險源的辨識與安全告知

在施工過程中，危險源辨識是一項關(guān)系施工建設(shè)工作能否順利開展的重要工作。BIM模型可為參建各方提供建筑工程項目相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，通過模型可以系統(tǒng)地分析出危險因素，有利于管理者制定有效的安全預(yù)防措施，盡可能地減少危險因素對安全管理工作的不利影響。利用BIM技術(shù)，可將建筑的3D模型與施工進(jìn)度進(jìn)行鏈接，構(gòu)建4D模型，隨后，將4D施工模型與施工組織方案結(jié)合，優(yōu)化資源配置，提高施工活動的安全性和科學(xué)性。雖然在施工前，相關(guān)人員可以通過構(gòu)建模型、模擬施工，識別安全風(fēng)險點，也對施工人員進(jìn)行安全技術(shù)交底和安全培訓(xùn)，但在實際工作中仍然將可能遇到各種各樣的突發(fā)狀況，僅僅依靠培訓(xùn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要現(xiàn)場的實時指導(dǎo)。這時，就可以通過AR技術(shù)將整個施工操作規(guī)范，以動畫的形式呈現(xiàn)出來，為施工人員提供實時的幫助。同時，施工人員也可以通過AR設(shè)備看到自己面臨的危險，了解自己所應(yīng)當(dāng)采取的緊急措施，即時預(yù)防安全事故發(fā)生。

2.4 信息反饋與安全演練

BIM模型是真實建筑的虛擬信息化展現(xiàn)，通過與AR技術(shù)相結(jié)合，即可構(gòu)建了具象化的虛擬建筑環(huán)境[7]，讓管理者和施工人員在更加真實的虛擬環(huán)境中感知環(huán)境的緊迫性，更好地完成安全演練。通過BIM將危險源標(biāo)識在模型上，安全管理者可以通過這些關(guān)鍵點對現(xiàn)場安全進(jìn)行指導(dǎo)和管理。通過模型上相對應(yīng)的危險點位置，有針對性地采取安全措施，盡可能地避免事故的發(fā)生。在施工完成后，整個施工安全管理過程中的相關(guān)信息都會被記錄下來，并上傳到平臺的服務(wù)器中，BIM數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)得以不斷更新，最終形成較為完整的安全信息數(shù)據(jù)庫。安全管理者可以通過這些最新的數(shù)據(jù)和信息，分析施工過程中的種種不安全行為，為以后的施工安全與管理提供更加豐富的經(jīng)驗支持，也為建筑安全管理奠定一個良性循環(huán)的發(fā)展過程。

3 結(jié)語

建筑施工行業(yè)是高危行業(yè)之一，危險系數(shù)高，事故發(fā)生率多，安全工作一直是業(yè)界關(guān)注的焦點。在傳統(tǒng)的安全管理工作中，人為因素是主要的決定因素，建筑安全管理者的經(jīng)驗、水平、意識等方面將直接影響施工企業(yè)安全管理水平的高低。為了盡量避免主觀因素對安全管理工作的影響，引入BIM和AR技術(shù)，可以幫助管理者和施工人員更加直觀地辨識和感知整個施工過程各階段、各環(huán)節(jié)中的安全問題，利用BIM和AR技術(shù)虛擬化、可視化、交互性的特點，讓管理者和施工人員持續(xù)關(guān)注安全風(fēng)險點，及時消除安全隱患，全面提升建筑施工安全管理水平。