基于BIM和RFID傳感器集成技術(shù)的施工安全預(yù)警研究

陳悅?cè)A 申錢依

摘要：為了降低安全事故率、提高安全管理水平，通過引入BIM和RFID傳感器集成技術(shù)，從危險源管控角度出發(fā)，識別人、物、機械設(shè)備三方面的危險源，構(gòu)建應(yīng)用于施工現(xiàn)場的安全預(yù)警系統(tǒng)，最后運用層析分析法和模糊綜合評價方法對使用該系統(tǒng)前后的安全管理水平進行評價。該系統(tǒng)能明顯提高施工現(xiàn)場安全管理水平，為安全管理提供了一種新的管理方式。

關(guān)鍵詞：BIM;RFID傳感器;施工安全管理

中圖分類號：TU714

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020） 08-0145-06

DOI：IO.14088/j .cnki.issn0439- 8114.2020.08.033

隨著中國城鎮(zhèn)化進程的加快，建筑行業(yè)快速發(fā)展，高居不下的建筑安全事故發(fā)生率不容忽視，建筑安全作為項目管理中的關(guān)鍵組成部分，對建設(shè)項目的進程、施工工人生命安全和建筑行業(yè)的穩(wěn)定具有十分重要的意義。建筑安全事故.不僅影響了項目施工的效率和經(jīng)濟效益，還對施工工人個體、家庭、企業(yè)甚至社會產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響。因此，如何加強建設(shè)工程安全管理，提高項目安全管理水平，進而保障人民群眾生命和財產(chǎn)安全，是當(dāng)前亟需解決的問題.

1 建筑安全施工管理現(xiàn)狀、方法與不足

1.1 建筑安全施工管理現(xiàn)狀

近年來，中國建筑施工安全事故頻發(fā)。2010-2018年建筑安全事故情況如圖1所示。由圖1可知，2010-2015年建筑安全事故發(fā)生數(shù)量略有下降和波動，但2015-2018年安全事故發(fā)生頻數(shù)增長較快，2018年全國共發(fā)生房屋市政工程生產(chǎn)安全事故734起、死亡840人，與2017年相比，事故增加42起、死亡人數(shù)增加33人，同比分別上升6.1%和4.1%[1]。目前，中國建筑安全事故總量一直高居不下，亟需解決建筑施工安全問題和提高施工安全管理水平。

1.2傳統(tǒng)建筑安全施工管理方法

傳統(tǒng)施工安全管理多采用人工模式，即管理人員通過巡查與排查進行管理。在傳統(tǒng)的安全管理中，監(jiān)測工程師是安全管理監(jiān)測的核心。監(jiān)測工程師隸屬于工程項目部，并接受工程項目部的直接管理，同時就安全管理問題向業(yè)主方負(fù)責(zé)，對項目經(jīng)理、現(xiàn)場監(jiān)測人員等相關(guān)人員提供的意外缺陷報告、現(xiàn)場監(jiān)測報告制定相應(yīng)的計劃并進行審查。針對某些突發(fā)事件則還需提供計劃修正方案，并最終向業(yè)主方提供項目安全報告和建議[2]。在這個過程中，傳遞信息一般借助紙張資料，且安全管理相關(guān)方需要通過監(jiān)測工程師進行溝通。

1.3 傳統(tǒng)建筑安全施工管理方法不足

1）信息獲取不及時、不便利、不全面。傳統(tǒng)的建筑安全管理模式中，信息獲取需要通過重復(fù)繁雜的統(tǒng)計分析工作，并非簡單有效。施工方安全工作人員主要是通過紙張記錄信息并進行傳遞信息，人工巡邏監(jiān)管記錄的方式，也需要及時對記錄的數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計和分析整理，對施工方的監(jiān)管存在滯后性。若現(xiàn)場監(jiān)測人員存在故意違章操作的情況，工程項目部要全面地掌握安全管理資料和制定相應(yīng)的應(yīng)對措施，因而不能及時發(fā)現(xiàn)可能存在的危險源，對施工現(xiàn)場進行安全管理控制，消除施工過程中的安全隱患。

2）安全管理方法落后，缺乏先進的施工安全管理技術(shù)。傳統(tǒng)的建筑安全管理模式中，主要依靠人工進行現(xiàn)場管理，對新技術(shù)的接受度不高。在信息工業(yè)化時代下，建筑形態(tài)多樣化、施工環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜、施工難度和施工工藝愈加復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式進行安全管理可能無法及時應(yīng)對復(fù)雜的施工現(xiàn)場的安全問題[3]。人工觀測耗費巨大的人力、物力和財力，如果不跟隨時代更新技術(shù)，隨著施工設(shè)備的老化和安全管理方法的落后，會帶來更多的安全隱患，造成更多的建筑施工安全事故。

2 BIM-RFID傳感器集成技術(shù)的適用性

BIM（ Building Information Modeling）技術(shù)也稱建筑信息模型，就是把建設(shè)工程項目的各相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，建立建筑模型，然后運用數(shù)字信息技術(shù)搭建共享平臺，仿真模擬建筑物所包含的全部信息，實現(xiàn)全生命周期實施[3]。BIM技術(shù)集可視化、參數(shù)化、協(xié)同性、優(yōu)化性等特點于一體，能實現(xiàn)擬建建筑的可視化顯示，展現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的所有位置信息和技術(shù)信息[41。

RFID傳感器技術(shù)是將無線射頻識別技術(shù)與傳感器技術(shù)進行結(jié)合（圖2），包含有源和無源兩類，有源RFID傳感器電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，通常支持遠(yuǎn)距離識別，設(shè)備器件成本較高;無源RFID傳感器，即無源射頻電子標(biāo)簽無內(nèi)裝電池，可在無主動功率和信號處理電路供給情況下實現(xiàn)測量。RFID無線射頻識別技術(shù)可通過無線電傳播信息，運用該技術(shù)可將BIM技術(shù)傳遞的施工現(xiàn)場模型信息精準(zhǔn)地傳遞給施工人員，這種技術(shù)無需在系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立連接就可以通過無線電波識別特定目標(biāo)及其所包含的相關(guān)信息[5]，最終達到規(guī)避風(fēng)險的目的[6]。結(jié)合傳感器技術(shù)，帶有傳感器的電子標(biāo)簽天線可捕獲周圍環(huán)境、化學(xué)特性等情況發(fā)生變化產(chǎn)生的變動，這些變動會被讀寫器接受并傳遞信息，傳感器擁有傳統(tǒng)RFID標(biāo)簽天線的各種優(yōu)點，其通用性也更強[7]。

目前，建筑業(yè)向產(chǎn)業(yè)化、信息化、智能化發(fā)展，建筑業(yè)開始重視BIM技術(shù)和RFID以及傳感器技術(shù)的應(yīng)用。而BIM技術(shù)為建設(shè)項目的規(guī)化、設(shè)計、施工以及后期運維提供了有效的支撐。而RFID技術(shù)在庫存管理、監(jiān)控管理、進度管理、設(shè)施維護管理、工具追蹤、物料管理和質(zhì)量控制方面得到較廣泛的應(yīng)用[8]。在建筑安全管理方面，BIM技術(shù)在安全預(yù)警、安全疏散、預(yù)防高空墜物方面有相應(yīng)的研究;RFID技術(shù)在人員定位，危險源監(jiān)控、人機碰撞事故預(yù)防、施工現(xiàn)場管理等方面有相應(yīng)的應(yīng)用[9]。傳感器技術(shù)應(yīng)用于施工現(xiàn)場物的狀態(tài)以及環(huán)境的狀態(tài)可被安全監(jiān)測。

海里因希（Heinrich）事故致因理論表明，安全事故發(fā)生的重要原因是人的不安全行為[5]與物的不安全狀態(tài)。本研究將基于BIM和RFID傳感器技術(shù)的集成應(yīng)用，建立施工現(xiàn)場人、物、機械危險源監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)模型，預(yù)防建筑施工安全事故的發(fā)生。

將BIM技術(shù)與RFID傳感器技術(shù)集成，構(gòu)建施工現(xiàn)場安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，用于解決目前施工現(xiàn)場安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)空白或者手工錄入紙質(zhì)傳遞、施工方一方主導(dǎo)、憑經(jīng)驗管理、信息傳遞不及時和溝通不順暢等問題，以實現(xiàn)施工安全的自動化、信息化、可視化、全程性的高效預(yù)警監(jiān)控[10]。

3 施工現(xiàn)場安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建

為確保項目的施工安全，需要對可能引發(fā)安全事故的危險源進行監(jiān)控與預(yù)警，本研究將引入BIM-RFID傳感器集成技術(shù)到項目施工安全管理中，構(gòu)建施工現(xiàn)場安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。該技術(shù)在施工安全管理中的應(yīng)用原理如下：①危險源識別。根據(jù)BIM技術(shù)建立的BIM5D模型，結(jié)合SCL安全檢查法，分析識別出項目在施工過程中存在的危險源;②危險源管理。識別出危險源后，安裝RFID傳感器標(biāo)簽，然后在BIM模型中標(biāo)識出裝有RFID傳感器標(biāo)簽的危險源，并在危險區(qū)域安裝RFID閱讀器;③數(shù)據(jù)處理中心管理。數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)閱讀器反饋至數(shù)據(jù)中心的信息，實現(xiàn)對危險源的實時監(jiān)控和對工作人員的預(yù)警。主要應(yīng)用原理如圖3所示。

3.1 系統(tǒng)危險源識別與實時監(jiān)控

將BIM-RFID傳感器集成技術(shù)應(yīng)用到施工安全管理中首先是危險源識別。危險源可分為固有危險源和隨機危險源兩類，前者是指施工現(xiàn)場已被識別的危險源，一般與建筑永久結(jié)構(gòu)或臨時設(shè)施有關(guān)，如洞口、臨邊、腳手架踏板等因邊緣未設(shè)置防護或設(shè)置防護不規(guī)范等，其危險特性己被分析透徹且能被人們所控制。而隨機危險源是指在施工過程中，在受到各種內(nèi)部、外部條件的影響下，系統(tǒng)中每個元素相互作用，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)惡化而帶來危害的一種變化的客觀存在[11]。

利用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)，兩類危險源均可有效地被識別。危險源識別過程中，固有危險源可以通過已經(jīng)建立的BIM4D模型自動安全檢查生成的BIM安全模型進行識別，如在BIM建筑模型中存在未進行防護的樓板臨邊時，通過BIM自動安全檢查發(fā)現(xiàn)了該危險源，然后自動在樓板臨邊位置設(shè)置足夠高度的防護欄桿，在樓板臨邊添加防護欄桿后形成的模型即為BIM安全模型。隨機危險源包含了人、物和機械設(shè)備3個方面。首先，通過BIM的碰撞檢查及施工模擬，得到建筑物中比較重要的結(jié)構(gòu)部位，這些結(jié)構(gòu)部位失穩(wěn)容易引發(fā)安全事故，可以將其列為物的危險源。其次，對于機械設(shè)備，可以根據(jù)BIM技術(shù)的施工模擬，對于機械設(shè)備位置以及工作區(qū)域進行危險源識別。最后，采用SCL安全檢查法，從人、物、機械方面進行現(xiàn)場施工危險源識別，將識別的危險源信息導(dǎo)入BIM系統(tǒng)。利用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)，可以通過跟蹤監(jiān)視將隨機危險源固化為固有危險源，從而進行安全防控。

3.2 系統(tǒng)危險源管控

基于BIM技術(shù)分析識別出危險源后，利用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)對其從人的不安全行為、物和機械設(shè)備的不安全狀態(tài)3類危險源進行管理。

人的不安全行為的管理。主要是基于智能安全帽系統(tǒng)的應(yīng)用。其原理主要是將RFID傳感器標(biāo)簽嵌入在安全帽中，并在施工現(xiàn)場安裝閱讀器，當(dāng)有施工人員進入工作區(qū)域時，閱讀器通過讀取安全帽中嵌入的RFID傳感器標(biāo)簽來獲取入場施工人員基本信息，同時通過傳感器標(biāo)簽中的圖像信息處理功能獲取施工環(huán)境信息。通過RFID傳感器技術(shù)在智能安全帽系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠?qū)F(xiàn)場工作人員集中在統(tǒng)一的平臺，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場人員的高效安全管理[12]。

物的不安全狀態(tài)的管理。物的危險源主要分為施工危險主體和建設(shè)工具兩大類。①施工危險主體的安全管理主要是基于BIM模型分析，確定建筑物施工過程中和施工后易發(fā)生危險事故的結(jié)構(gòu)，在BIM模型中添加RFID溫度傳感器標(biāo)簽和位移傳感器標(biāo)簽，其目的是在施工過程中實時監(jiān)測危險結(jié)構(gòu)的現(xiàn)澆養(yǎng)護情況，實時監(jiān)測施工工藝;RFID位移傳感器標(biāo)簽可以通過傳感器中因受力改變而產(chǎn)生的位移變化實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)主體的安全性能，保證建筑主體的質(zhì)量和安全性能。②建設(shè)工具主要指用于輔助完成建筑施工的工具，如三腳架和模板支架等。為確保施工工藝的安全進行，腳手架和模板支架搭建在施工期間安全性能必須嚴(yán)格監(jiān)測。在三腳架和模板支架中嵌入RFID傾斜度傳感器標(biāo)簽，用集成垂直度的傳感器測量三腳架及模板支架的傾斜度。

機械設(shè)備的不安全狀態(tài)的管理。機械設(shè)備的危險源主要分為機械操作異常和機械故障兩大類。①機械操作是否規(guī)范主要取決于機械是否滿足施工現(xiàn)場要求，在入場前對大型重點機械安裝RFID傳感器標(biāo)簽，施工現(xiàn)場安裝閱讀器。②機械故障主要是在施工過程中，利用RFID傳感器標(biāo)簽實時搜集機械的運行相關(guān)數(shù)據(jù)，記錄設(shè)備的工作時間和運行狀態(tài)，實時監(jiān)控機械設(shè)備是否正常工作，實現(xiàn)對大型機械設(shè)備的施工進行安全管理。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心管理

為了實現(xiàn)安全預(yù)警功能，需要進行信息的收集、分析處理以及傳輸，本研究危險源信息傳遞如表1所示。在信息采集方面，采用了RFID傳感器技術(shù)，收集人員信息，如人員姓名、工號、工種、工齡等信息;收集物體信息，如建筑結(jié)構(gòu)位移、溫度等信息;收集機械設(shè)備的狀態(tài)信息等。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)層進行處理分析。在數(shù)據(jù)處理平臺，將得到的信息進行分析與判斷后進行安全管理。

利用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)進行危險源管理后，RFID傳感器標(biāo)簽將對危險源地定位和搜集的實時信息傳輸至BIM數(shù)據(jù)處理中心，由數(shù)據(jù)處理中心進行分析信息和輸出結(jié)果，達到入場判斷和實時監(jiān)測安全狀態(tài)的作用。如施工人員進入施工區(qū)域，然后計算機數(shù)據(jù)處理中心通過獲得的閱讀器讀取的數(shù)據(jù)進行信息處理，判斷施工人員是否正常進入和實時監(jiān)控施工人員及工作環(huán)境，當(dāng)有異常人員進入或施工環(huán)境出現(xiàn)危險時及時提供預(yù)警;物的狀態(tài)測量數(shù)據(jù)被實時反饋到BIM模型中，在數(shù)據(jù)處理中心判斷狀態(tài)是否符合施工要求，在出現(xiàn)異常時及時對工作人員發(fā)出警報;機械設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)被傳送至數(shù)據(jù)處理中心進行檢查和判斷，是否滿足施工現(xiàn)場要求，同時向現(xiàn)場工作人員發(fā)出“大型設(shè)備施工準(zhǔn)備，無關(guān)人員遠(yuǎn)離”警示。

4 應(yīng)用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)進行安全管理的效果評價

建筑施工過程安全是檢驗施工安全管理過程中應(yīng)用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)進行危險源識別、管理和數(shù)據(jù)處理中心管理等過程后最直接的效果檢驗。結(jié)合某橋梁物聯(lián)網(wǎng)云平臺項目中施工過程采用了BIM-RFID傳感器集成技術(shù)的經(jīng)驗，為了研究應(yīng)用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)前后項目安全管理的差異，為建筑施工安全管理提供決策參考。本研究運用層次分析法和模糊綜合評價方法對應(yīng)用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)的安全管理進行安全評價，判斷該技術(shù)的實施效果。首先，建立建筑施工安全的評價指標(biāo)體系，然后利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，最后根據(jù)模糊綜合評價進行評價。

4.1 建立評價指標(biāo)體系

在遵循科學(xué)性、全面性、針對性、可操作性與可比性等原則的基礎(chǔ)上，參考文獻[13，14]以及JGJ59-2011《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)法律法規(guī)，根據(jù)4MIE理論以及在橋梁物聯(lián)網(wǎng)云平臺項目建設(shè)過程中安全管理模塊的具體應(yīng)用，結(jié)合BIM-RFID傳感器集成技術(shù)本身的特點和專家的意見，構(gòu)建建筑施工安全管理安全評價指標(biāo)體系（表2）。

4.2 確定指標(biāo)權(quán)重

由于二級指標(biāo)之間相互獨立，運用層次分析法，構(gòu)造一個10×10的判斷矩陣，通過給5個參與項目的安全管理人員發(fā)放問卷，得到打分?jǐn)?shù)據(jù)，計算出二級指標(biāo)的權(quán)重，運用Matlab軟件得到評價指標(biāo)權(quán)重，如表3所示。

由4組有效數(shù)據(jù)得到二級指標(biāo)的權(quán)重（表2），將其相加可以得到相應(yīng)的一級指標(biāo)權(quán)重集A={0.386 0.0.115 1，0.499 1}，歸一化各向量權(quán)重可以得到二級指標(biāo)的權(quán)重如下：

A1= （0.106 7，0.686 5，0.206 8）

A2= （0.163 4，0.128 6.0.472 6，0.235 4） （1）

A3= （0.471 6，0.266 1，0.262 3）

4.3 模糊綜合評價

首先，將建筑施工安全管理水平劃分為好、較好、一般、較差、差5個等級，并賦分表示為V={v1，v2，V3，V4，v5}={90，75，60，45，30}，然后根據(jù)項目參與人員的評價計算各等級的隸屬度，進一步計算得到應(yīng)用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)前后模糊綜合評價對比結(jié)果。

4.3.1 應(yīng)用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)前

1）構(gòu)造模糊綜合評價矩陣。對于人員因素U.中的人員操作技術(shù)U1，，統(tǒng)計結(jié)果表明，有60%的人認(rèn)為其處于好，有30%的人認(rèn)為其處于較好，有5%的人認(rèn)為其處于一般，有3%的人認(rèn)為其處于較差，有2%的人認(rèn)為其處于差。則該指標(biāo)的評判集為（0.60，0.30，0.05，0.03，0.02）;同理可得，各因素評判集的隸屬度組成評判矩陣。

0.60 0.30 0.05 0.03 0.02

R1=10.50 0.20 0.10 0.15 0.01 （2）

0.20 0.40 0.20 0.10 0.10

2）進行模糊綜合評價。由綜合評判模型B=A。R可得一級因素的評判集，其隸屬度組成的評判矩陣如下：

由建筑施工安全性的綜合評判模型B=A。R可得歸一化處理后的評價結(jié)果為：

B= （0.428 9 0.2274 0.152 8 0.114 6 0.076 3）（4）

最后該建筑施工安全管理評價總體得分為：

S= 0.428 9×90+0.2274×75+0.152 8×60+0.114 6×45+0.076 3×30=73

應(yīng)用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)預(yù)警系統(tǒng)前該建筑施工安全評價處于一般水平，還未達到較好水平。

4.3.2 應(yīng)用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)后 第二次向項目參與人員發(fā)放問卷主要是針對應(yīng)用了BIM-RFID傳感器集成技術(shù)。評價結(jié)果為：

B= （0.715 9 0.165 1 0.0714 0.047 6 0.0） （5）

該建筑施工安全管理評價總體得分為：

S= 0.715 9×90+ 0.165 1×75+ 0.071 4×60+0.047 6 x45+0.0×30= 83

應(yīng)用BIM-RFID傳感器技術(shù)前后，各評價指標(biāo)得分的變化如表4所示。由表4可知，應(yīng)用BIM-RFID傳感器集成技術(shù)預(yù)警系統(tǒng)，明顯提升了人員因素、設(shè)備因素效果。其中人員因素評價得分提高幅度最大，表現(xiàn)為人員安全意識水平及人員疲勞程度評價得分的提高，可能原因是帶有RFID傳感器標(biāo)簽的安全帽等安全設(shè)備的佩戴，使工作人員的安全意識得到提高以及在預(yù)警系統(tǒng)下，能實時監(jiān)控施工人員的疲憊工作狀態(tài)和不安全行為。在設(shè)備因素中，對機械設(shè)備防護因素評分有很大提高，其原因可能是對機械設(shè)備可能造成的危險區(qū)域進行預(yù)警，禁止施工人員進入，從而保證了人員的安全。管理因素在應(yīng)用預(yù)警系統(tǒng)前后的安全得分相差不如前兩個因素大，原因可能是由于管理因素對施工安全管理主要是通過對人和物以及機械設(shè)備進行管理，從而間接影響施工安全，而預(yù)警系統(tǒng)直接對人、物、機械產(chǎn)生影響，因而管理因素方面的變化幅度相對較小。

5 小結(jié)

針對傳統(tǒng)管理方式的缺陷，通過引入BIM-RFID傳感器集成技術(shù)，構(gòu)建了安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于施工現(xiàn)場安全管理并對該系統(tǒng)進行了安全評價：①從人、物、機械設(shè)備3個方面進行了較為全面的危險源識別;②借助BIM-RFID傳感器集成技術(shù)，實現(xiàn)了危險源危險狀態(tài)的實時監(jiān)控和安全預(yù)警功能;③通過層次分析法和模糊綜臺評價方法對系統(tǒng)進行安全評價，該系統(tǒng)能有效提高安全管理水平。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（ 71073117）

作者簡介：陳悅?cè)A（1968-），男，廣西合浦人，副教授，博士，主要從事建筑信息化研究，（電話）18071121131（電子信箱）chenvh68@126.com。