BIM技術(shù)在高層建筑安全管理中的應(yīng)用

姜玉婷，彭英健

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，高層建筑已經(jīng)成為房屋建筑工程發(fā)展的必然趨勢(shì)，但高層建筑安全管理難度大，對(duì)工人的專業(yè)能力要求較高，而B(niǎo)IM是一項(xiàng)把項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工建造到運(yùn)營(yíng)維護(hù)的全生命周期各個(gè)階段的信息融合在一起的儲(chǔ)備技術(shù)，以模型作為信息載體，通過(guò)集成工程中所有的信息實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理[1]，為建筑構(gòu)件或設(shè)備增加安全管理信息，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的安全檢查和設(shè)備的安全監(jiān)控；同時(shí)利用BIM 技術(shù)的可模擬性，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行模擬建造，工人通過(guò)模擬體驗(yàn)的方式經(jīng)歷事故，提升安全教育培訓(xùn)的效果，在一定程度上降低事故的發(fā)生。

1 高層建筑安全管理難點(diǎn)

1.1 危大工程較多

高層建筑涉及的危大工程較多，施工難度高，施工危險(xiǎn)性大，是建筑施工領(lǐng)域的重大危險(xiǎn)源。例如，高層建筑一般需要開(kāi)挖超過(guò)3 m 的深基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)容易受到地下水和周圍荷載的影響而發(fā)生變形坍塌，深基坑支護(hù)事故屢見(jiàn)不鮮[2]，基坑開(kāi)挖工程和支護(hù)工程都屬于危大工程，易造成群死群傷等重特大事故。對(duì)于危大工程的管理重點(diǎn)是編制專項(xiàng)施工方案，但專項(xiàng)施工方案存在與現(xiàn)場(chǎng)的施工工序不符、計(jì)算書(shū)存在錯(cuò)誤、專項(xiàng)施工方案操作性不強(qiáng)等問(wèn)題[3]。

1.2 高空作業(yè)多

附著式升降腳手架是高層建筑施工的主要設(shè)備之一，在高空中憑借提升機(jī)自行升降，可提高施工效率，加快施工進(jìn)度，但由于存在較高的重力勢(shì)能，一旦發(fā)生墜落，后果嚴(yán)重，在使用過(guò)程中往往存在安全教育培訓(xùn)不到位、安全檢查驗(yàn)收不到位等問(wèn)題，造成工人發(fā)生高處墜落事故[4]。

1.3 安全監(jiān)控難度大

高層建筑塔吊或施工升降機(jī)一般隨主體建設(shè)高度升高而升高，高度越高，發(fā)生傾覆的概率越大，一般施工單位在塔吊升節(jié)前利用經(jīng)緯儀對(duì)塔吊傾斜度進(jìn)行測(cè)定，但在塔吊使用過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如在使用過(guò)程中日常維護(hù)保養(yǎng)不到位、荷載突然增加、螺栓松動(dòng)或銹蝕，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)老化，則極易發(fā)生倒塌。

2 BIM技術(shù)在安全管理中應(yīng)用

2.1 安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控

利用BIM建立建筑三維數(shù)字模型，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，利用Navisworks 對(duì)專項(xiàng)施工方案進(jìn)行多次模擬建造，找到最優(yōu)方案，模型可自動(dòng)生成腳手架和模板計(jì)算書(shū)，對(duì)安全穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，在深基坑施工過(guò)程中利用BIM 模型+傳感器技術(shù)對(duì)基坑進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至模型中，實(shí)時(shí)掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高專項(xiàng)施工方案的可操作性，同時(shí)可利用模型進(jìn)行安全技術(shù)交底。

在塔吊使用過(guò)程中，安裝傳感器，采集塔吊運(yùn)行數(shù)據(jù)，及時(shí)監(jiān)測(cè)載重變化，在塔身安裝測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)塔吊傾斜度，并設(shè)定載重報(bào)警值和傾斜度報(bào)警值，將這些數(shù)據(jù)集成到BIM 模型中，利用數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)塔吊運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，了解塔吊的運(yùn)行信息。一旦模型報(bào)警，針對(duì)報(bào)警類型可對(duì)受力較大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)修理或者保養(yǎng)或增加對(duì)塔吊的附著，及時(shí)調(diào)整傾斜度，從而降低塔吊傾覆概率。

由軌跡交叉理論可知，事故的發(fā)生是由于人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)在同一時(shí)間和空間維度運(yùn)動(dòng)軌跡交叉所導(dǎo)致的，利用人員定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)人的活動(dòng)軌跡，將采集到的數(shù)據(jù)接入BIM模型，當(dāng)系統(tǒng)分析出塔吊的運(yùn)動(dòng)軌跡將與施工人員的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生交叉導(dǎo)致事故時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出聲光預(yù)警信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)人員立即采取措施，及時(shí)消除危險(xiǎn)，待危險(xiǎn)解除后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止報(bào)警[5]。

2.2 安全檢查

傳統(tǒng)的安全檢查表是按照《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》[6]編制的，共有180 個(gè)檢查項(xiàng)目767 條評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，有很大一部分是對(duì)安全制度、施工組織設(shè)計(jì)、專項(xiàng)施工方案等資料的檢查，利用BIM強(qiáng)大的信息管理系統(tǒng)，逐項(xiàng)核對(duì)安全資料，可及時(shí)對(duì)安全資料進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。除了這些項(xiàng)目外，安全檢查表中其他項(xiàng)目主要是建筑施工機(jī)械設(shè)備和輔助生產(chǎn)設(shè)施的檢查，項(xiàng)目繁多，僅腳手架的檢查表就有6 個(gè)，對(duì)于規(guī)模較大的建筑體，由于不同單體的施工進(jìn)度不同，導(dǎo)致危險(xiǎn)源出現(xiàn)的時(shí)間和部位發(fā)生較大變化，利用傳統(tǒng)方式檢查一是工作量大，二是檢查內(nèi)容繁瑣，如何實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確全面識(shí)別危險(xiǎn)源是安全檢查需要解決的問(wèn)題。

利用BIM系列軟件中的Navisworks對(duì)模型進(jìn)行漫游安全檢查，模擬人在實(shí)際檢查過(guò)程，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源，見(jiàn)圖1、圖2；同時(shí)，BIM 軟件具有多接口數(shù)據(jù)共享能力，利用BIM 中的Revit 軟件和和項(xiàng)目施工模擬軟件Project 組成BIM4D 模型，對(duì)本工程中出現(xiàn)檢查項(xiàng)目進(jìn)行快速調(diào)用并賦予構(gòu)件安全管理信息[7]，模擬不同單體施工到不同的階段，對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行時(shí)間和空間維度的危險(xiǎn)源辨識(shí)，同時(shí)結(jié)合自己以往的工作經(jīng)驗(yàn)，將這些危險(xiǎn)源輸入BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)自動(dòng)同模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（1）可以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)源辨識(shí)的全面，避免由于辨識(shí)不全在后期施工中出現(xiàn)事故。

（2）可以結(jié)合辨識(shí)結(jié)果提前設(shè)計(jì)安全防護(hù)措施，見(jiàn)圖3。

圖2 發(fā)現(xiàn)墜落隱患

（3）可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。在后期施工時(shí)，若模型中該構(gòu)件需要設(shè)置安全防護(hù)但實(shí)際未設(shè)置時(shí)，構(gòu)件在模型中的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別顏色則變?yōu)榧t色，工程管理人員可迅速根據(jù)顏色找到未采取防護(hù)措施的部位及時(shí)進(jìn)行安全管理。

（4）可以生成危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫(kù)，便于類似工程的安全管理。

圖3 安全防護(hù)設(shè)施示例

2.3 安全教育培訓(xùn)

建筑安全培訓(xùn)主要分為三級(jí)，其中班組級(jí)安全教育更加側(cè)重對(duì)事故案例和應(yīng)急處置措施的教育，傳統(tǒng)的教育方式為多為安全講座、事故案例視頻及應(yīng)急培訓(xùn)視頻，這種教育方式的弊端是工人的參與度低，不能身臨其境地體驗(yàn)事故，很多安全教育流于形式，不能引起對(duì)安全的足夠重視，突發(fā)緊急事故時(shí)，也不能采取及時(shí)有效正確的處置方式，延誤救治時(shí)機(jī)，導(dǎo)致工人的傷亡。

建筑施工中很多工種操作過(guò)程繁瑣，使工人沒(méi)有耐心按照正確的操作流程進(jìn)行操作，從而導(dǎo)致了“三違”行為的發(fā)生，從安全事故統(tǒng)計(jì)來(lái)看，很多“三違”行為是事故發(fā)生的原因，同時(shí)據(jù)調(diào)查，施工現(xiàn)場(chǎng)工人文化素質(zhì)不高且多為男性，使用BIM 與VR 技術(shù)將繁瑣的操作流程和“三違”導(dǎo)致的事故做成有趣的游戲場(chǎng)景，提供沉浸式體感互動(dòng)，男性更容易接受游戲模式的安全教育培訓(xùn)，這種方式可使工人對(duì)安全教育培訓(xùn)產(chǎn)生濃厚興趣，在場(chǎng)景中更容易記住正確的操作方法。工人通過(guò)可穿戴設(shè)備VR眼鏡和操作手柄模擬進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)（見(jiàn)圖4），進(jìn)行作業(yè)模擬操作過(guò)程，如操作不當(dāng)或“三違”，則引發(fā)事故，工人在切身體驗(yàn)了事故的整個(gè)發(fā)生過(guò)程之后，心理會(huì)發(fā)生巨大的變化，心理狀態(tài)將由“要我安全”向“我要安全”轉(zhuǎn)變，從而提高對(duì)安全的重視程度和對(duì)自我的保護(hù)意識(shí)。

圖4 BIM+VR安全教育培訓(xùn)

場(chǎng)景可根據(jù)事故類型進(jìn)行設(shè)置，可單人進(jìn)入場(chǎng)景體驗(yàn)，也可多人同時(shí)進(jìn)入場(chǎng)景，模擬作業(yè)事故場(chǎng)景，如模擬腳手架坍塌場(chǎng)景，工人選擇拆除順序時(shí)如選擇錯(cuò)誤，或?qū)⒄麑舆B墻件拆除時(shí)，則引發(fā)腳手架坍塌；如工人進(jìn)入高處墜落體驗(yàn)場(chǎng)景，腳手架未系安全帶或吊掛點(diǎn)選擇錯(cuò)誤，則引發(fā)工人發(fā)生高處墜落事故。工人可重復(fù)進(jìn)入場(chǎng)景，場(chǎng)景體驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)對(duì)事故發(fā)生的原因進(jìn)行教育，使工人能夠深刻的記住正確的操作方法和操作順序，在實(shí)際操作中就不會(huì)發(fā)生類似錯(cuò)誤操作，從而很大程度上避免事故的發(fā)生。

圖5 基坑坍塌體驗(yàn)場(chǎng)景

同時(shí)BIM 與VR 的結(jié)合也可對(duì)工人進(jìn)行應(yīng)急處置培訓(xùn)。在發(fā)生事故后正確的急救方法是非常重要的，施工現(xiàn)場(chǎng)很少有人在紅十字會(huì)學(xué)習(xí)專門的急救操作，施工現(xiàn)場(chǎng)常發(fā)生的高處墜落、物體打擊、觸電、坍塌、機(jī)械傷害事故，通常會(huì)導(dǎo)致工人昏迷、失血、骨折和休克，在最短的時(shí)間內(nèi)急救可大幅度挽救生命，常用的心肺復(fù)蘇術(shù)、包扎、固定方法屬于比較專業(yè)的急救手段，通過(guò)VR 培訓(xùn)可使工人迅速學(xué)會(huì)正確的操作方法，及時(shí)救助傷員。

3 結(jié)語(yǔ)

在高層建筑施工安全管理中，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行專項(xiàng)施工方案模擬、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控，在施工前運(yùn)用構(gòu)件安全檢查表進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)，通過(guò)模擬事故場(chǎng)景對(duì)工人進(jìn)行安全教育培訓(xùn)，可更直觀的對(duì)高層建筑的安全管理實(shí)現(xiàn)可視化，有效的提升高層建筑安全管理水平。