基于BIM技術的橋梁施工安全管理體系研究

朱森林　王國峰　付先雪　任常慶　張巖

摘要：本文從橋梁施工安全防治的角度出發(fā)，基于BIM技術的應用，構建了一套針對橋梁施工安全的安全管理體系，其中重點分析了橋梁施工階段危險源感知與識別、危險防避決策制定、多維可視化安全交底與安全教育等?；诖?，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡的方法建立了針對橋梁施工安全專項設計評價的模型，對提高施工安全管理水平有重要的作用。

Abstract： From the perspective of bridge construction safety prevention and control， based on the application of BIM technology， a set of safety management system for bridge construction safety is constructed， which focuses on the analysis and identification of hazard sources during the bridge construction phase， decision-making of hazard avoidance， multi-dimensional visualization of safety disclosure and safety education. Based on this， a model for the special design evaluation of bridge construction safety is established by the method of BP neural network， which plays an important role in improving the construction safety management level.

關鍵詞：BIM;信息化;橋梁;施工;安全管理

Key words： BIM;informatization;bridge;construction;safety management

中圖分類號：TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0247-03

0? 引言

當前，我國的橋梁施工管理領域主要以二維的施工管理為主，而橋梁項目大多技術難度較大、工藝復雜、交叉作業(yè)多、異型構件較多，在相對滯后的技術和管理水平下，長期存在著安全事故頻發(fā)的突出問題。而圍繞橋梁工程的施工安全管理技術一直是國內外專家學者研究的重要的課題。

BIM技術作為建筑業(yè)信息化發(fā)展的重要技術手段之一，已在行業(yè)內得到越來越多的認可，在施工安全領域BIM技術的應用也表現(xiàn)出不俗的能力，特別是在房建工程領域基于BIM技術的虛擬施工的施工安全管理技術已日趨成熟。而基于BIM技術的橋梁施工安全管理技術的研究在國內并沒有突出性的成果，本文針對現(xiàn)有的BIM技術，結合橋梁工程實際的施工現(xiàn)場環(huán)境，構建了基于BIM技術的橋梁施工安全管理體系。

1? 基于BIM技術的橋梁施工安全管理體系

從大多數(shù)的橋梁結構來說，其構件多是大而重的，橋梁結構又以超靜定體系居多，這就導致即使是外觀看起來完全相同的橋梁，若采用不同的施工方法進行建造，成橋后結構的內力也會截然不同的。所以，在橋梁設計時各個施工階段的受力體系，施工方法都會事先確定。

解決施工安全的關鍵環(huán)節(jié)就是能夠正確地認識橋梁在施工作業(yè)進程中的安全事故的誘發(fā)機制，并有針對性地制定有效的安全防避決策。在充分利用BIM技術帶來的過程可視化、過程全周期監(jiān)控、技術要點可參數(shù)化等功能，再結合相關信息技術，（譬如VR技術）可以使參與項目的施工建造者在施工前觀看到用BIM技術制作的三維交互式的橋梁施工建設全過程模擬動畫，項目安全決策者更能在這個過程中直觀地進行現(xiàn)場施工條件和風險評估，輔助其高效地進行安全預防決策，從而提升決策水平。利用BIM技術在施工過程中可以動態(tài)識別現(xiàn)場環(huán)境的安全隱患，并及時調整施工方案。本文構建的基于BIM的橋梁施工安全管理應用體系主要由：危險源感知與識別管理、安全措施制定、多維可視化安全交底與安全教育等主要模塊構成，其構成框架如圖1所示。

1.1 危險源的感知與識別管理

危險源是指可能導致人員傷害或疾病、物質財產(chǎn)損失、工作環(huán)境破壞的情況或這些情況組合的根源或狀態(tài)的因素。所以它是研究施工安全管理的主要對象。

基于BIM技術，我們主要可以從兩方面對危險源進行感知與識別管理。一方面，設計階段在定義各橋梁構件的尺寸、材質等參數(shù)信息時可以根據(jù)施工工序及工藝對構件進行排序編碼，并將相關信息備份上傳至云端平臺，若構件為預制構件在出廠時就可將構件的相關信息從云端平臺導出并通過張貼二維碼或條形碼方式賦予構件唯一的身份，若為現(xiàn)場施工可利用事先搭建的網(wǎng)頁BIM模型進行空間定位與網(wǎng)絡電子表格對現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息上傳，現(xiàn)場的安全員若發(fā)現(xiàn)施工安全問題，便可及時通過掃描早間布置在現(xiàn)場的二維碼等信息采集措施查看網(wǎng)頁端的BIM模型，并開發(fā)與子相關的標注系統(tǒng)，以便通過手機等移動端在模型上進行簡單的危險源標注。此外，由于現(xiàn)場網(wǎng)頁BIM模型需網(wǎng)絡電子表格輔助的局限性。則可用基于網(wǎng)絡電子表格的云安全員發(fā)現(xiàn)問題后，將具體的問題信息利用移動端APP上傳至網(wǎng)絡，項目有關人員即可通過移動端登陸云端平臺系統(tǒng)進行信息查詢和更新。

另一方面，根據(jù)橋梁的施工進度安排，將各施工階段需要的構件在FUZOR平臺上進行信息建模，形成4D模型，對于結構清晰，易于操作且具備項目特有信息的模擬項目可以提前讓參與者可以更加準確地辨識潛在的安全隱患。

1.2 危險防避決策的制定

根據(jù)已有的不同階段的橋梁4D施工模擬，可以整合出一套橋梁生命周期中各個階段的模型示意圖。并且在施工階段，結合現(xiàn)有的智能探測和視頻監(jiān)控等技術，施工單位、監(jiān)理、建設單位以及政府安全部門都可以進行可視化施工安全遠程管理。通過理想模型與實時監(jiān)控之間的對比，直觀的從橋梁各階段的施工進度與構件施工工藝進行監(jiān)管，特別是那些對橋梁受力體系影響重大的異型構件，進行重點管理，并且以此來制定危險防避決策。如果在實際施工中如果出現(xiàn)了模擬模型與實際施工條件、環(huán)境出現(xiàn)較大差異，現(xiàn)場安全人員可通過預先布設的信息反饋裝置，如二維碼等可將實際問題上傳至云端平臺，核心決策者可以根據(jù)實際情況制定特殊的安全防避決策。

1.3 多維可視化安全交底與安全教育

安全管理的主要傾向于減少施工人員的不安全行為，從組織行為學和工程心理學的角度來看，結合經(jīng)典的知識-態(tài)度-技能（KAP）模型，即安全知識的擴展、安全意識的提高、安全操作技術與意識的積累。都可以通過安全培訓來加以控制，而且這種安全教育，能巧妙地擺脫傳統(tǒng)的口說手記模式，而過渡到現(xiàn)代化的多維交互式安全交底。

基于BIM的信息完備性和可視化性優(yōu)勢，可通過其進行多維可視化安全交底與安全教育，施工人員可在多維的建筑模型中認識、學習、熟悉橋梁各階段的施工流程、獨特的施工工序以及現(xiàn)場用電安全培訓、中大型機械使用安全培訓等，BIM的特性將打破此前在橋梁施工安全領域的安全交底主要以文本或者口頭形式的安全交底的傳統(tǒng)形式，實現(xiàn)有別于傳統(tǒng)方式的可視化安全教育。這不但會提高安全教育的成效，對于安全培訓的效率也會大大的提高，從而減少了因培訓低效所產(chǎn)生的不必要的時間成本和資金成本，又大幅度提升了施工人員的整體素質。安全管理人員也可以根據(jù)安全交底模型進行有目的性的安全檢查，使安全檢查工作有據(jù)可依。此過程可以用Navisworks軟件為載體，可視化安全交底的步驟主要是用約定的特定方式從不同角度、視場中標注出構件的不同交底信息，再以鏈接等形式傳遞此信息，再根據(jù)不同的施工精度要求，用BIM相關軟件做成動畫或漫游形式，壓縮成GIF形式上傳至網(wǎng)絡供相關參與者使用。

2? 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法的橋梁施工安全專項設計評價模型

橋梁施工安全專項設計的好壞需要一個詳細且科學的安全評價模型，此模型能按照特定指標對于施工安全要素進行評價，并在評價過程中收集設計的缺陷，然后用缺陷去修正設計結果，這樣才能夠得到更加精確更加安全的安全評價效果。

而BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法恰好能滿足這一要求，BP神經(jīng)網(wǎng)絡法也叫反向傳播方法，它主要傳播誤差，并在模擬過程中收集系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差，與此同時將這些誤差作為輸出值，之后用這些誤差來調整神經(jīng)元的權重，生成一個可以描述原始問題的人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)。具體過程如下：

首先，我們將橋梁施工安全專項設計的評價元素分為以下幾點：危險源感知與識別、危險防避決策制定、多維可視化安全交底與安全教育。再使用AHP綜合評價方法生產(chǎn)網(wǎng)絡訓練樣本，其步驟為，先使用層次分析法確定指標的權重，一般來說，橋梁施工安全專項設計中最重要的兩個指標是安全投入和合理的施工組織設計，在確定這兩個指標無誤之后就需要對施工現(xiàn)場的安全檢查和安全意識做出要求，企業(yè)對于這些重要指標進行詳細評估，根據(jù)實際情況確定適當?shù)念A防措施，保證施工能夠安全順利的完成。其次是對于施工現(xiàn)場安全狀態(tài)進行綜合評估。而所謂的安全程度是比較模糊的一個概念，誰也不知道如何對其進行詳細的描述，此處我們借助模糊數(shù)學工具進行輔佐評估，再按照AHP法所得到的要素權重，建立出符合施工的安全評估模型。本模型主要分為以下幾點：①危險源感知與識別評價集合。對于施工現(xiàn)場安全情況，將安全分為五大方面，分別為人員、機械、物料、法規(guī)、環(huán)境，再根據(jù)這五方面的安全評價建立安全程度的集合，按照安全程度的劃分可以分為很安全、較安全、合格、較危險、很危險這五個程度。②建立矩陣。將①中得到的相關指標按照設立的標準安全程度登記建立出隸屬向量以及隸屬矩陣。③計算最終安全評估值。

接著我們可以通過訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡，使BP神經(jīng)網(wǎng)絡過度到學習期，人為將網(wǎng)絡的連接權修改，使得系統(tǒng)之間輸入以及輸出之間產(chǎn)生函數(shù)關系，從而確保系統(tǒng)的輸出為期望輸出。也就是我們需要的最優(yōu)橋梁施工安全專項設計方案。訓練完成之后便將各個連接權限固定，待其穩(wěn)定再對于每個單元的狀態(tài)變化進行計算。計算出最終的輸出值，這一輸出值便是通過綜合計算以及處理后較為準確的橋梁施工安全專項設計方案。

3? 結語

在橋梁建造中，施工安全問題就是人身安全問題。而基于BIM技術，我們可以將項目的安全要素進行細化，拆分為橋梁施工階段危險源感知與識別、危險防避決策制定、多維可視化安全交底與安全教育等模塊，通過多維布局與信息化的結合，建立一套基于BIM技術的橋梁施工安全管理體系，對橋梁施工安全管理的實際操作提供了一定的理論依據(jù)。

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