基于BIM的裝配式建筑墜落識(shí)別與預(yù)防

文/西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 文艷芳 楊 帆

0 引言

近年來，隨著我國加速推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化及全面提高建筑質(zhì)量與品質(zhì)，推動(dòng)了裝配式建筑的快速發(fā)展。陳偉等[1]結(jié)合裝配式建筑工程施工組織特點(diǎn)，指出高空墜落事故占我國建筑行業(yè)安全事故的比例最大。裝配式建筑工程由于吊裝運(yùn)輸及構(gòu)件安裝需要，采用預(yù)制構(gòu)件拼接，專業(yè)施工人員必須進(jìn)行高空臨邊作業(yè)，若外圍防護(hù)措施不到位，高空墜落事故發(fā)生的可能性極高。高空墜落一般是指人從距離地面一定高度的地方，因疏忽或防護(hù)不到位而掉落導(dǎo)致傷亡的情況，該事故類型的常見情況包括工人從洞口、臨邊、施工安裝中的工程結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備等處墜落。發(fā)生此類事故的原因：一方面由于工作人員經(jīng)驗(yàn)欠缺或?qū)ξｋU(xiǎn)情況的錯(cuò)誤判斷；另一方面由于事故地點(diǎn)防護(hù)不到位，缺少適當(dāng)?shù)陌踩胧2]。方東平等[3]強(qiáng)調(diào)要對(duì)高處墜落事故易發(fā)地點(diǎn)、時(shí)間、人群采取積極的預(yù)防措施，包括設(shè)置防墜設(shè)施，洞口和臨邊的安全圍護(hù)及預(yù)防標(biāo)識(shí)等。

1 基于BIM的安全規(guī)劃

有效安全規(guī)劃的主要障礙之一是傳統(tǒng)的安全規(guī)劃主要依靠紙質(zhì)圖紙和進(jìn)度表把握施工現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)的需求[4]。這種手動(dòng)墜落危險(xiǎn)源識(shí)別和規(guī)劃效率較低，因?yàn)橛行┌踩[患需要安全工程師根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。許多安全問題是隱含的，在建筑平面圖中無法完全顯示。建筑項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)屬性導(dǎo)致基于靜態(tài)的圖紙很難識(shí)別不同施工階段的潛在墜落危險(xiǎn)。施工進(jìn)度可能會(huì)隨天氣、材料交付等原因發(fā)生變化，從而導(dǎo)致安全計(jì)劃發(fā)生改變，每次計(jì)劃變更時(shí)均需更新安全計(jì)劃。

翟越等[5]認(rèn)為在施工作業(yè)前應(yīng)準(zhǔn)確識(shí)別所有可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生的危險(xiǎn)因素, 并有針對(duì)性地制定相應(yīng)的安全防范措施。充分利用BIM技術(shù)特點(diǎn), 使項(xiàng)目參與者可更準(zhǔn)確地辨識(shí)潛在的安全隱患,更直觀地分析現(xiàn)場(chǎng)施工條件和風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)調(diào)整施工方案，制定安全合理的防范措施。

因此，在項(xiàng)目資料的基礎(chǔ)上建立BIM模型，對(duì)樓層結(jié)構(gòu)、空間形體進(jìn)行分析，主動(dòng)查找需采取防護(hù)措施的洞口，布置安全防護(hù)欄桿。將欄桿的安裝與拆除時(shí)間應(yīng)用到4D模擬中，通過可視化方式對(duì)施工人員進(jìn)行安全交底，以提高安全防護(hù)效果。

2 基于BIM的安全規(guī)則檢查

2.1 規(guī)則檢查途徑

現(xiàn)有的安全規(guī)則可與已有的三維設(shè)計(jì)和進(jìn)度信息結(jié)合使用，形成自動(dòng)化安全規(guī)則檢查系統(tǒng)。目的是在建造過程中自動(dòng)識(shí)別這些動(dòng)態(tài)條件在3D空間中的位置，并提供可視化防護(hù)系統(tǒng)解決方案。ZHANG S J等[6]開發(fā)的平臺(tái)可作為一種工具，提供易于訪問和可理解的可視化建筑和安全的最新進(jìn)展，特別是檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)部位，有助于安全管理人員在施工規(guī)劃階段及施工期間提前規(guī)劃安全防護(hù)措施。規(guī)則檢查過程如圖1所示。

圖1 規(guī)則檢查過程

2.2 基于規(guī)則的算法

一旦建筑信息模型構(gòu)建良好且模型對(duì)象與進(jìn)度表之間已建立連接，則可應(yīng)用規(guī)則檢測(cè)安全隱患。

1）板邊保護(hù) 根據(jù)安全規(guī)則檢測(cè)所需預(yù)防方法的算法，如圖2所示，對(duì)于每個(gè)任務(wù)，檢查板對(duì)象是否鏈接到給定的工作任務(wù)。對(duì)于與任務(wù)關(guān)聯(lián)的每個(gè)板對(duì)象，算法檢查板是否需要與現(xiàn)有板合并。如果同一水平上沒有現(xiàn)有板，則計(jì)算板邊界。此外，檢測(cè)現(xiàn)有墻元件以查看板邊界的任何部分，計(jì)算需要護(hù)欄保護(hù)的板邊緣，檢查是否需要防墜落措施。另一方面，在板合并后，分別基于幾何條件計(jì)算現(xiàn)有邊界、未保護(hù)邊界和重疊邊界，為未受保護(hù)的板邊緣安裝新的護(hù)欄，并移除位于重疊邊緣的現(xiàn)有護(hù)欄。

圖2 用于檢測(cè)板邊所需防護(hù)的規(guī)則檢查算法

2）板孔保護(hù) 通常有2種方法可檢測(cè)平板孔，分別為基于幾何的檢測(cè)和基于對(duì)象的檢測(cè)。由于一些孔被設(shè)計(jì)者分割成復(fù)雜的板坯幾何形狀，因此不應(yīng)將其歸類為具有潛在墜落危險(xiǎn)的孔。即使基于幾何的檢測(cè)可以找到板的所有內(nèi)部多邊形，這也將包括一些誤報(bào)誤差。對(duì)于基于對(duì)象的檢測(cè)，需要額外的標(biāo)記工作輔助模型中其他對(duì)象的孔識(shí)別。在這項(xiàng)研究中，主要依靠物體識(shí)別，但也通過比較板的厚度和孔的深度檢查其是否是可產(chǎn)生墜落危險(xiǎn)的板孔。

3）墻壁開口保護(hù) 墻壁開口檢測(cè)過程與板孔檢測(cè)類似。需要考慮的特殊情況是墻元件的位置，無論是內(nèi)墻還是外墻，對(duì)于位于板坯邊緣部分，一旦安裝了墻壁元件，就可以移除用于板邊緣保護(hù)的護(hù)欄。如果存在墻壁開口就需要采取保護(hù)措施，如果沒有板孔，如電梯井的孔靠近內(nèi)壁，則不需要保護(hù)墻壁開口。

3 應(yīng)用案例

在研究中，將開發(fā)的自動(dòng)規(guī)則檢查工具應(yīng)用于某多層預(yù)制公寓建筑模型（見圖3）。所有預(yù)制混凝土構(gòu)件均為工廠制造并運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，按照預(yù)定的順序從A→B→C進(jìn)行安裝。該項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)模型基于從承包商獲得的信息使用Tekla Structures建模，將開發(fā)的自動(dòng)規(guī)則檢查平臺(tái)所需的進(jìn)度表添加到結(jié)構(gòu)模型中。該信息由現(xiàn)場(chǎng)工程師以傳統(tǒng)格式的施工進(jìn)度表和工作分解結(jié)構(gòu)（WBS）提供，涉及安裝順序。

圖4為混凝土板件的細(xì)部圖。板拼裝后，對(duì)板的連接部位進(jìn)行澆筑加固，而在下一層樓板安裝之前，墻板已開始安裝。墻和升降機(jī)軸與板一起作為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將負(fù)載傳遞到基礎(chǔ)。平板部分由A、B、C三部分組成，建造1個(gè)部分需5～6周。護(hù)欄解決方案需根據(jù)樓板部分的變化進(jìn)行更新。例如，當(dāng)2個(gè)平板部分在同一水平面上合并時(shí)，需移除其間的護(hù)欄。

執(zhí)行規(guī)則檢查算法后，防墜落系統(tǒng)和護(hù)欄在模型中自動(dòng)執(zhí)行并進(jìn)行可視化調(diào)整，并在施工進(jìn)度表中創(chuàng)建安裝和刪除安全相關(guān)設(shè)備的子任務(wù)。4D模擬模型如圖5所示，1層平面從A部分開始到B部分安裝，只要它們?cè)谑┕て陂g的某個(gè)時(shí)間匯合，就必須拆除其間的護(hù)欄。拆除也改善了現(xiàn)場(chǎng)工作流程，工人可安全地從A部分走到B部分而不用繞行不安全區(qū)域。

圖3 預(yù)制公寓建筑模型

圖4 混凝土板件細(xì)部

圖5 4D模擬模型

圖6 建筑物A部分及墻開口保護(hù)措施詳圖

圖6顯示了板邊緣保護(hù)和墻壁開口保護(hù)的詳細(xì)視圖。在模型中生成安全保護(hù)系統(tǒng)后也會(huì)自動(dòng)生成檢查報(bào)告，然后將此報(bào)告導(dǎo)出為Excel格式，如圖7所示。這種文件格式允許現(xiàn)場(chǎng)安全管理人員簡化使用所生成的數(shù)據(jù)，如可根據(jù)檢查報(bào)告表計(jì)算所需的安全保護(hù)設(shè)備等。該清單還能支持詳細(xì)的預(yù)制安全解決方案。該自動(dòng)規(guī)則檢查工具及其生成的數(shù)據(jù)可支持多種安全設(shè)計(jì)概念，生成的數(shù)據(jù)清單也可用作檢查清單，以完善施工現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)系統(tǒng)。

自動(dòng)規(guī)則檢查工具檢測(cè)到無保護(hù)的板邊緣后，使用BIM軟件的內(nèi)置功能可自動(dòng)生成護(hù)欄系統(tǒng)及數(shù)量計(jì)算。此外，用戶也可以手動(dòng)方式修改用于板邊緣和窗口的護(hù)欄自動(dòng)安裝。

圖7 板洞口檢查報(bào)告結(jié)果

在試驗(yàn)期間，用戶現(xiàn)在能夠在安全欄桿模型中選擇簡化模型表示或詳細(xì)表示。此外，還可以添加更詳細(xì)的護(hù)欄模型及相關(guān)的安全設(shè)備零部件，如焊接配件可自動(dòng)建模到鋼梁或混凝土板中，以便安裝護(hù)欄。也可在鋼梁或混凝土板制造中預(yù)先考慮相應(yīng)的預(yù)留和預(yù)埋，從而減少高空作業(yè)。

4 結(jié)語

1）在案例研究中成功開發(fā)了基于BIM的識(shí)別預(yù)防安全規(guī)則檢查平臺(tái)。該平臺(tái)能夠檢測(cè)混凝土板和邊緣潛在墜落危險(xiǎn)的位置，并提供相應(yīng)墜落防護(hù)設(shè)備的安裝指導(dǎo)，以便在實(shí)際施工中解決已識(shí)別的危險(xiǎn)。結(jié)果表明，所提出的方法在檢測(cè)和可視化潛在墜落危險(xiǎn)方面有效，特別是在安全設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段。

2）由于基于模型的設(shè)計(jì)和施工圖在動(dòng)態(tài)施工環(huán)境中經(jīng)常變化，因此有必要定期檢查模型以確保安全狀況識(shí)別和糾正措施是最新的，其自動(dòng)安全建模質(zhì)量和細(xì)節(jié)水平需進(jìn)一步提升，以滿足設(shè)計(jì)和施工人員的實(shí)際需要。并非所有模型都提供必要的用于安全計(jì)劃和檢查目的的信息，在未來，需在復(fù)雜的幾何模型上測(cè)試更全面的基于BIM的防墜落規(guī)劃解決方案，并為整個(gè)安全解決方案提供高水平細(xì)化方案。