基于Cloud-BIM的建筑工人高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)構(gòu)建

夏 楊，孫文建

(南京工業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 211816)

建筑業(yè)作為支撐我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一，其建設(shè)規(guī)模逐年增長，這也導致安全事故率隨之增長，其中高空作業(yè)事故導致的傷亡人數(shù)占比最高[1]。與此同時，建筑施工現(xiàn)場具有施工人員流動性大、人員密集且施工環(huán)境復雜的特點，而高空作業(yè)涉及多工種的交叉作業(yè)和各種大型機械設(shè)備的操作，以傳統(tǒng)的人工管理方式難以對其進行全方位的監(jiān)測和預控，無法及時發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患。因此，面對目前嚴峻的行業(yè)安全形勢，借助現(xiàn)代化信息技術(shù)預防建筑工人高空作業(yè)安全事故的發(fā)生，對降低建筑業(yè)安全生產(chǎn)事故具有重要意義。

RFID作為近些年興起的先進的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，具有實時性、耐久性、遠程性和定位精準等技術(shù)優(yōu)勢[2]，而Cloud-BIM是將云計算的快速儲存、數(shù)據(jù)處理分析能力與BIM的協(xié)同管理、可視化、智能化技術(shù)重新進行整合，克服了BIM技術(shù)在計算能力和硬件配置方面的不足，最大限度地發(fā)揮出了云計算和BIM技術(shù)的優(yōu)勢[3]。CHAE等[4]通過運用RFID標簽實現(xiàn)了對施工人員和機械的實時定位與安全預警。LI等[5]首次提出將云計算與BIM技術(shù)結(jié)合可以降低BIM軟件的使用成本并提高軟件的拓展性，而云計算中的移動計算技術(shù)也從根本上改變了傳統(tǒng)BIM的開發(fā)方式。畢振波等[6]提出適用性更強的云服務模式下的BIM系統(tǒng)框架，并對已投入使用云BIM技術(shù)的企業(yè)進行了軟件的適用性分析，證明云BIM技術(shù)的使用可以有效提高軟件計算能力，降低軟件運維成本，擴大軟件應用范圍。仲青等[7]將BIM技術(shù)與RFID技術(shù)集成構(gòu)建施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)，并通過深度探索系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)解決了傳統(tǒng)安全管理系統(tǒng)中可視化程度不高和實時定位不精確的問題。郭紅領(lǐng)等[8]開創(chuàng)性地將BIM技術(shù)與PT技術(shù)進行集成，構(gòu)建了建筑工人不安全行為預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對建筑工人實時位置、機械操作和預防碰撞事故的功能。上述研究主要運用BIM技術(shù)構(gòu)建施工現(xiàn)場安全管理系統(tǒng)框架，而未解決安全系統(tǒng)中功能模塊的信息處理、計算和分析能力不高的問題，且對如何運用信息化技術(shù)降低高空作業(yè)安全事故的研究較少。筆者認為運用先進的信息技術(shù)集成構(gòu)建高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)，可有效降低施工現(xiàn)場安全事故發(fā)生率。

筆者針對目前我國建筑業(yè)高空作業(yè)安全管理現(xiàn)狀，將先進的Cloud-BIM和RFID技術(shù)集成并構(gòu)建高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)，對系統(tǒng)4個功能模塊進行深入的研究并通過案例驗證系統(tǒng)實現(xiàn)的可行性，極大程度上提高對建筑工人高空作業(yè)的安全管理效率。

1 高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)構(gòu)建思路

1.1.1 系統(tǒng)功能需求分析

基于建筑工人高空作業(yè)安全管理現(xiàn)狀及Cloud-BIM與RFID技術(shù)集成優(yōu)勢，對高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)的功能需求總結(jié)如下：①自動化的數(shù)據(jù)信息采集。通過RFID技術(shù)自動收集施工現(xiàn)場高空作業(yè)人員、材料、機械的對象屬性及實時位置等信息[9-10]，并結(jié)合傳感器技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)收集施工現(xiàn)場的環(huán)境信息。②數(shù)據(jù)信息的集成和交互。在建筑工人高空作業(yè)中存在很多與項目相關(guān)的數(shù)據(jù)，如人員、材料、機械的位置和屬性信息以及環(huán)境信息等，系統(tǒng)需要完成數(shù)據(jù)的集成、處理和交互，才能確保最終輸出結(jié)果的準確性。③可視化的安全監(jiān)控。通過云計算、BIM和RFID這3種技術(shù)不同優(yōu)勢的相互融合，安全管理人員可以通過高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)直觀地獲取到高空作業(yè)人員的安全行為、環(huán)境信息和物的不安全狀態(tài)。

1.1.2 研究技術(shù)路線圖

系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)路線圖如圖1所示，筆者從高空作業(yè)安全管理現(xiàn)狀和Cloud-BIM與RFID技術(shù)優(yōu)勢出發(fā)，提出系統(tǒng)功能需求，從而構(gòu)建能夠切實解決高空作業(yè)事故的安全系統(tǒng)，整個系統(tǒng)以功能模塊為核心，分別構(gòu)建數(shù)據(jù)層和模型層，為功能模塊的實現(xiàn)提供技術(shù)支持，并通過案例分析驗證系統(tǒng)實現(xiàn)的可能性。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)路線圖

1.2 系統(tǒng)總體框架

建筑工人高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)的來源主要由RFID實時采集數(shù)據(jù)、危險源清單、安全控制措施清單及高空事故案例庫組成，并將收集的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡傳輸至云服務器，通過云服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)與BIM模型層的實時交互，最終完成功能層中安全規(guī)劃、實時定位、安全預警和教育培訓4個功能模塊及其子功能模塊的開發(fā)，用戶可通過不同操作端的設(shè)備實現(xiàn)對建筑工人高空作業(yè)的安全管理，系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 安全規(guī)劃模塊

安全規(guī)劃是指通過制定有效的事前控制措施，以提高過程中的安全管理效率及預防危險的發(fā)生。目前對建筑工人高空作業(yè)安全管控的事前控制措施很薄弱，傳統(tǒng)的安全管理預控手段主要依靠人工策劃，較少使用信息化的技術(shù)進行安全預控。通過開發(fā)安全管理系統(tǒng)的安全規(guī)劃模塊，可以改進現(xiàn)有的不足，提高安全監(jiān)管的效率。

高空作業(yè)安全管理的核心工作是能夠及時發(fā)現(xiàn)危險源并采取有效的安全控制措施。因高空作業(yè)事故類型多，可能引發(fā)事故發(fā)生的危險源更多，因此系統(tǒng)在進行危險源的識別時，需要事先建立一個可靠的危險源數(shù)據(jù)庫。高空作業(yè)的危險源清單由同類型或相似類型安全事故案例、安全風險評估報告、安全風險檢查表和與高空作業(yè)相關(guān)的行業(yè)規(guī)范標準組成。

安全控制措施清單的數(shù)據(jù)構(gòu)建與危險源清單的構(gòu)建思路相同，同樣以表的形式儲存在數(shù)據(jù)庫中。安全措施清單表的基本屬性信息包括安全控制措施ID、名稱、位置、所屬功能模塊、措施成本等。筆者以腳手架安全防護用具和防護設(shè)施不到位導致的高處墜落為例，建立高空作業(yè)安全危險源表，如表1所示。

表1 高空作業(yè)安全危險源表

針對上述危險因素將采取以下控制措施：①檢查腳手架連接的安全狀態(tài)；②安全防護設(shè)施按規(guī)范搭設(shè)；③施工人員正確佩戴防護用具；④作業(yè)人員安全教育和交底記錄[11]。這4條安全控制措施不只是完全針對腳手架上作業(yè)的高處墜落風險，其中部分也可以應用于其他類型的危險源。因此，危險源清單表和安全措施清單表中并非是一一對應的關(guān)系，可能存在著單對多、多對多的關(guān)系。筆者通過應用Access2013軟件構(gòu)建危險源清單表和安全控制措施表間這種多對多關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，兩類表稱之為儲存型表，兩者之間的關(guān)聯(lián)需要通過增加一個新的含有公共字段的表來實現(xiàn)，稱之為關(guān)聯(lián)型表，而關(guān)聯(lián)型表中的公共字段則為危險源ID，具體如圖3所示。

圖3 危險源數(shù)據(jù)表與控制措施表間的關(guān)系

圖4 高空作業(yè)安全控制措施表

安全規(guī)劃模塊的數(shù)據(jù)庫由危險源數(shù)據(jù)表、安全控制措施表及二者之間的關(guān)聯(lián)表構(gòu)成，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的危險因素，按照相關(guān)規(guī)范在危險源數(shù)據(jù)表中創(chuàng)建相應的安全控制措施、措施規(guī)則和所屬功能模塊，高空作業(yè)安全控制措施表如圖4所示。安全規(guī)劃模塊數(shù)據(jù)庫主要通過“位置”字段，查詢某一高空作業(yè)位置里存在的危險源，針對不同的危險源提出相關(guān)的安全控制措施，為高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)中安全規(guī)劃功能模塊的數(shù)據(jù)需求提供參考依據(jù)。

1.4 實時定位模塊

1.4.1 危險區(qū)域劃分

根據(jù)可能造成事故的程度和GB50870-2013《建筑施工安全技術(shù)統(tǒng)一規(guī)范》[12]將預警分為4個等級，由小到大依次為綠色、黃色、橙色、紅色，方便在系統(tǒng)中進行不同等級的危險區(qū)域識別，具體劃分如表2所示。

表2 高空作業(yè)危險區(qū)域劃分

通過識別BIM安全模型中的危險區(qū)域，系統(tǒng)可以及時判定人員或機械是否處于安全區(qū)域，實現(xiàn)對人員和機械作業(yè)過程是否存在不安全行為或不安全狀態(tài)的監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)危險隱患將立即預警[13]。通過查閱相關(guān)文獻資料[14-15]，得到建筑工人高空作業(yè)危險區(qū)域的界定規(guī)則，在實際施工過程中，具體的危險區(qū)域半徑界定不僅需參考相關(guān)規(guī)范，還需結(jié)合施工現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境做綜合設(shè)定。高空作業(yè)危險因素的區(qū)域界定如表3所示。

1.4.2 定位模塊運行流程

實時定位模塊運行需要解決的關(guān)鍵問題在于危險區(qū)域的劃分、不同危險因素的區(qū)域界定及確定人員、機械處于危險狀態(tài)下有效的安全控制措施。當RFID標簽進入施工現(xiàn)場后，實時定位模塊將立即捕捉對象位置，一旦判定標簽處于危險區(qū)域?qū)⒘⒓锤鶕?jù)危險距離發(fā)布相應預警等級。因此，定位模塊的運行需與其他模塊實時關(guān)聯(lián)進行動態(tài)數(shù)據(jù)交互，并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析制定有效的安全控制措施和安全教育培訓交底。在前文的研究基礎(chǔ)上對定位模塊的運行流程進行詳細設(shè)計，如圖5所示。

表3 高空作業(yè)危險因素的區(qū)域界定

圖5 實時定位模塊運行流程圖

1.5 安全預警模塊

安全預警模塊主要針對建筑工人高空作業(yè)過程中的不安全行為、物的不安全狀態(tài)和不安全環(huán)境進行預警，包括人員、材料、機械的位置信息、屬性信息及環(huán)境信息。高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)的安全預警模塊主要分4個階段，分別為定義預警規(guī)則、預警識別、警情預測及警報發(fā)布，預警過程示意圖如圖6所示。

圖6 預警過程示意圖

(1)預警規(guī)則。預警模塊作為系統(tǒng)的核心部分，其正常運行的前提是將合理的預警標準和高空作業(yè)危險區(qū)域界定規(guī)則錄入預警模塊，確保預警結(jié)果的準確性。

(2)預警識別。通過RFID閱讀器可以對施工現(xiàn)場內(nèi)的人員和機械信息進行實時跟蹤，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡傳輸至云服務器，通過云服務器實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的計算、存儲及各功能模塊間的數(shù)據(jù)交互。

(3)警情預測。待數(shù)據(jù)處理完畢后，將通過集成在Cloud-BIM管理平臺中的BIM模型預測該次人員或機械的實際情況是否會導致高空作業(yè)安全事故的發(fā)生。

(4)警報發(fā)布。最終的預測結(jié)果將以可視化的方式顯示在預警模塊中，并根據(jù)預測結(jié)果發(fā)布該次警報。

1.6 教育培訓模塊

教育培訓模塊主要包括教育培訓與測試和安全教育評價。

(1)教育培訓與測試。安全教育和培訓的具體內(nèi)容包括可視化視頻與圖文、BIM模型關(guān)鍵節(jié)點和技術(shù)及相關(guān)規(guī)范等。由于建筑工人的受教育程度普遍不高且部分工人年齡較大，因此教育培訓模式應優(yōu)先采用視頻的方式，其次是圖片，盡量將文字資料轉(zhuǎn)成語音材料，方便工人學習。經(jīng)教育培訓后，系統(tǒng)自動根據(jù)不同工種和工作區(qū)域分發(fā)對應的測試題。工人在答題過程中，不論結(jié)果正確與否，系統(tǒng)均會給出正確答案及相應的視頻或圖文并記錄測試成績。

(2)安全教育評價。根據(jù)參加測試人員的成績進行不同的等級評價，主要包括不合格、合格、良好和優(yōu)秀。測試成績不合格的工人，可重新參加培訓，若測試不合格次數(shù)達3次及以上將予以調(diào)換崗位或辭退；測試成績?yōu)楹细竦墓と耍到y(tǒng)將自動納入安全檢查名單進行重點監(jiān)控；測試成績?yōu)榱己没騼?yōu)秀的工人可給予適當獎勵。在某些危險性較大的工序中，測試成績將作為選擇施工人員的依據(jù)。此外，系統(tǒng)還將對所有測試人員的答題結(jié)果進行統(tǒng)計，歸納出錯誤率最高的題型，有助于制定針對性的安全控制措施，并作為后期教育培訓的重點，同時在施工現(xiàn)場巡查時重點關(guān)注。

2 案例應用

2.1 項目簡介

案例工程為南京市某項目A2地塊三期1～7號樓工程。項目地下一層，主要為停車庫和設(shè)備用房。規(guī)劃1號樓為商業(yè)綜合體，建筑面積為54 345 m2，為框剪結(jié)構(gòu)；2號～3號樓為超高層住宅，結(jié)構(gòu)設(shè)置結(jié)構(gòu)縫將建筑分成兩個單體，共57層，為剪力墻結(jié)構(gòu)，可能誘發(fā)高空作業(yè)事故的危險源眾多，故本案例選取2號～3號樓構(gòu)建BIM模型，驗證高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)功能。

2.2 應用分析

高空作業(yè)安全管理信息系統(tǒng)以Navisworks軟件為開發(fā)基礎(chǔ)，通過增添自定義插件的方式增加軟件的附加功能，最終完成高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)的創(chuàng)建。筆者選擇將Navisworks.API中的通用型插件集成到Navisworks軟件中的方式實現(xiàn)系統(tǒng)功能模塊的開發(fā)。在模塊面板中，每個功能模塊的子模塊選用停靠窗口型插件。通過在Navisworks安裝目錄的plugins文件里創(chuàng)建與應用軟件格式相同的文件，最后將編寫完成的應用軟件移動到Navisworks中完成插件的添加。

在系統(tǒng)運行過程中，一旦監(jiān)測到施工人員的位置或狀態(tài)可能引發(fā)安全事故時，將立即向管理人員和施工人員發(fā)送預警信息。高空作業(yè)人員位置預警圖如圖7所示，案例中的3名施工人員在靠近電梯井口時，系統(tǒng)會測算其距電梯井口的距離并發(fā)布對應的預警等級提示，同時安全管理人員會收到預警提示。

圖7 高空作業(yè)人員位置預警圖

3 結(jié)論

筆者針對我國建筑領(lǐng)域高空作業(yè)安全管理問題，將Cloud-BIM與RFID技術(shù)集成構(gòu)建建筑工人高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)功能需求分析，設(shè)計從安全規(guī)劃、實時定位、安全預警到教育培訓4個模塊的全過程安全管理模式，并以Navisworks軟件作為開發(fā)平臺基本實現(xiàn)系統(tǒng)部分功能模塊開發(fā)，同時運用案例分析的方法驗證了系統(tǒng)運行的有效性。實踐結(jié)果表明：基于Cloud-BIM技術(shù)的建筑工人高空作業(yè)安全管理系統(tǒng)的應用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對高空作人員全過程的安全監(jiān)管，降低高空作業(yè)事故的發(fā)生率，還將對提高整個建筑業(yè)安全管理的信息化進程具有一定的借鑒和實踐意義。