基于BIM技術(shù)的水電站建設(shè)施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 娟

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 102206)

水源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)資源，為了讓水資源能夠更好地為人類所用，各種水利工程被修建出來，其中水電站是最重要的一種[1]。水電站不僅實(shí)現(xiàn)了擋水、泄水、引水等功能，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了水力發(fā)電，為人類生產(chǎn)、生活提供了電力保障。在此背景下，水電站工程的修建一直是重點(diǎn)民生工程之一。水電站一般修建在條件比較惡劣的地區(qū)，此外，工程的施工工序更為復(fù)雜，因此與其他一般建筑工程相比，施工風(fēng)險(xiǎn)性更高，導(dǎo)致施工事故發(fā)生的比率也相對較大。為此，施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控工作愈加重要。

關(guān)于施工現(xiàn)場安全監(jiān)控研究有很多，如，趙龍國以甄峰嶺2號隧道動態(tài)施工為例，設(shè)計(jì)了一種信息管理系統(tǒng)，有效地避免了事故的發(fā)生；王培成，包騰飛，朱茜，將BIM模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，開發(fā)了大壩安全施工監(jiān)測信息管理系統(tǒng)；林俊峰，李可從建筑工程發(fā)展的現(xiàn)狀出發(fā)，在 BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一般建筑施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)；吳躍星從建筑工程施工階段的典型事故危險(xiǎn)因素出發(fā)，結(jié)合BIM 與移動設(shè)備、RFID、數(shù)據(jù)庫等 Eworks 現(xiàn)代信息技術(shù)和工具，設(shè)計(jì)了一種建筑工程事故預(yù)防系統(tǒng)。

雖然現(xiàn)有的施工現(xiàn)場安全監(jiān)控研究有很多，但是針對水電站建設(shè)施工現(xiàn)場安全監(jiān)控的研究相對較少，因此本文以其他建筑工程施工現(xiàn)場監(jiān)控研究為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種專門針對水電站建設(shè)施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控系統(tǒng)。通過本研究以期降低水電站建設(shè)施工風(fēng)險(xiǎn)，保證施工現(xiàn)場安全。

1 基于BIM的水電站建設(shè)施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)的水電站建設(shè)施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)框架組成包括四個(gè)層次，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、模型應(yīng)用層和可視化展示層，具體如圖1所示[2]。

圖1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集層：采集施工現(xiàn)場與安全相關(guān)的信息，包括人員、設(shè)備、建筑材料、位置、狀態(tài)等[3]。

數(shù)據(jù)處理層：將采集到的數(shù)據(jù)按照IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理，消除不同數(shù)據(jù)量級之間的量綱。

模型應(yīng)用層：根據(jù)采集到的信息分析現(xiàn)場情況，識別現(xiàn)場不安全因素，以達(dá)到施工風(fēng)險(xiǎn)事故預(yù)防的目的[4]。

可視化展示層：提供與工程安全負(fù)責(zé)人的可視化交互窗口，用戶可以通過展示界面實(shí)時(shí)掌握施工情況，及時(shí)作出施工事故預(yù)防[5]。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

要想實(shí)現(xiàn)對施工現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對施工現(xiàn)場各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集是必不可少的。采集的數(shù)據(jù)包括施工人員、建筑材料、機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)、位置數(shù)據(jù)、建筑模型數(shù)據(jù)、危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)、各種機(jī)械的基本屬性信息等[6]。由于需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)眾多，因此需要的采集設(shè)備也很多。

監(jiān)控?cái)z像頭：采集施工現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行、人員工作狀態(tài)、機(jī)械工作位置等一系列施工現(xiàn)場活動的監(jiān)控圖像，來源與型號：Hikvision C2S攝像頭。優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、畫面清晰，根據(jù)監(jiān)控設(shè)備自動調(diào)整相應(yīng)碼流，意外斷電數(shù)據(jù)保護(hù)不丟失，室外防塵、防水設(shè)計(jì)，不怕風(fēng)吹日曬[7]。

RFID設(shè)備：對現(xiàn)場的建筑材料、人員和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行跟蹤與管理。型號為 LJYZN AFD-8320A，功率小，讀寫距離穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)讀取速率快、標(biāo)簽喚醒識別，多區(qū)域多標(biāo)簽識別，多兼容設(shè)計(jì)，防水性外觀設(shè)計(jì)[8]。

3D激光掃描設(shè)備：施工進(jìn)度監(jiān)控、現(xiàn)場環(huán)境評價(jià)等。 來源與型號：wiiboox Wscan工業(yè)級高精度3D激光掃描儀。優(yōu)點(diǎn)有采用線激光陳列掃描技術(shù)，測量精度可達(dá)0.03 mm，高質(zhì)量還原物件表面的幾何信息和表面細(xì)節(jié)；掃描速率可達(dá)200 000次/s，滿足高速掃描的需求；不僅支持標(biāo)志點(diǎn)拼接掃描，還支持框架掃描模式搭載 Digimetric全局?jǐn)z影測量系統(tǒng)，測量范圍可擴(kuò)展至幾十米；支持對三維數(shù)據(jù)模型、圖片和文字進(jìn)行綜合管理，數(shù)據(jù)輸出接口廣泛，且可與市面上大多數(shù)逆向工程軟件進(jìn)行自由交換數(shù)據(jù)[9]。

傳感器：用于機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、地基承載力監(jiān)測等。包括紅外探頭、煙感探頭、位移傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器，以及承載力檢測儀等[10]。

1.2.2 核心處理器

系統(tǒng)中各種業(yè)務(wù)處理和功能的實(shí)現(xiàn)均依靠核心處理器來完成，因此核心處理器是系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備。本系統(tǒng)當(dāng)中的核心處理器為ARM?Cortex?-A9i.MX6Quad。該處理器相關(guān)功能參數(shù)如表1。

表1 核心處理器參數(shù)

1.2.3 監(jiān)控中心硬件設(shè)備

前期所有處理都需要傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以供相關(guān)工作人員進(jìn)行監(jiān)控，因此監(jiān)控中心的硬件設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要，關(guān)系到識別結(jié)果的呈現(xiàn)效果。本系統(tǒng)當(dāng)中的監(jiān)控中心硬件設(shè)備主要由四種組成：PC端計(jì)算機(jī)、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)(Intranet)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及打印機(jī)等外圍設(shè)備[11]。具體配置如下：

(1)處理器：CPU Intel Pentium IV 2.6 G。

(2)操作系統(tǒng)：Win2003 Server/Win2000 Server。

(3)硬盤：160 G。

(4)內(nèi)存：512 MB DDR2。

(5)顯示器：飛利浦 23.8英寸 AH-IPS顯示屏。

(6)打印機(jī)：HP Laser MFP 136nw銳系列激光多功能一體機(jī)。

1.3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)兩個(gè)部分[12]。

1.3.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)水電站施工現(xiàn)場監(jiān)控需求，系統(tǒng)功能模塊主要分為七大模塊，具體如表2。

表2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

1.3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)當(dāng)中重要數(shù)據(jù)存儲的地方，主要用于為其他功能業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中控制和管理。存儲在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量更高，更具有秩序化[13]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

為測試本系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)性能，以延慶賽區(qū)A部分場館配套基礎(chǔ)設(shè)施-造雪引水系統(tǒng)工程施工項(xiàng)目為例，進(jìn)行現(xiàn)場施工安全監(jiān)控仿真測試。該工程主要擋水建筑物為重力壩，等級為3級。1050 m 高程塘壩位于兩座山“V”形溝谷之間。兩座山分別是左右壩肩的位置，根據(jù)塘壩地質(zhì)情況，塘壩邊坡主要為花崗巖，又由于工期緊迫，故采用爆破方式進(jìn)行開挖。本測試就以該階段工程施工作為研究對象，1050 m塘壩爆破斷面見圖2，利用基于BIM技術(shù)的水電站塘壩爆破施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)源識別測試研究。

圖2 塘壩爆破斷面現(xiàn)場示意圖(單位：m)

2.1 風(fēng)險(xiǎn)清單設(shè)置

要想識別水電站塘壩爆破施工中存在的不安全因素，需要有一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)清單作為對照。水電站塘壩爆破施工過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)如表3所示。

表3 水電站塘壩爆破施工風(fēng)險(xiǎn)清單(部分)

2.2 基于BIM技術(shù)的施工現(xiàn)場建模

利用BIM技術(shù)中的ArcGIS軟件進(jìn)行施工場地建模，建模結(jié)果如圖3所示。

圖3 施工現(xiàn)場環(huán)境三維模型

2.3 危險(xiǎn)識別顯示

首先點(diǎn)擊系統(tǒng)“安全監(jiān)測模塊”按鈕，彈出“安全監(jiān)測模塊對話框”進(jìn)行子功能選取，點(diǎn)擊“危險(xiǎn)源識別”按鈕，系統(tǒng)就會顯示“危險(xiǎn)源搜索中……請稍候！”，單擊“確定”鍵，即進(jìn)入危險(xiǎn)源的識別和危險(xiǎn)區(qū)域的構(gòu)建。之后會顯示危險(xiǎn)識別的結(jié)果“開挖深度超過2 m及以上的基坑周邊未安裝防護(hù)欄桿”，單擊“確定”鍵，危險(xiǎn)區(qū)域識別完畢——“搜索完畢，共識別出洞口1處，臨邊1處，危險(xiǎn)區(qū)域已布置，請查看！”。

利用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對基于BIM技術(shù)水電站塘壩爆破施工過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別，識別出整個(gè)過程中存在兩種危險(xiǎn)因素，一種是開挖深度超過2 m及以上的基坑周邊未安裝防護(hù)欄桿，一種是洞口和臨邊存在高空墜落風(fēng)險(xiǎn)和物體打擊風(fēng)險(xiǎn)。通過本系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控，避免了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié) 論

水電站的建設(shè)不僅實(shí)現(xiàn)了水資源更好地利用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電力生產(chǎn)的目的，因此水電站工程的修建一直是我國重點(diǎn)的民生項(xiàng)目。在項(xiàng)目工程修建過程中，危險(xiǎn)一直伴隨始終。為此，基于BIM技術(shù)設(shè)計(jì)一種水電站建設(shè)施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)測試，很好地識別出了施工過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，證明了系統(tǒng)的應(yīng)用性能。