超高層項(xiàng)目基于BIM的人員定位綜合技術(shù)

簡宏儒 田喜勝 路 彪 文方仁 王 軍 趙研華

中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提升，城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，建筑行業(yè)得以蓬勃發(fā)展。越來越多的超高層建筑拔地而起，此類工程建設(shè)周期長，施工環(huán)境復(fù)雜，保障施工人員的安全乃是重中之重。

在房建領(lǐng)域智能化建造中，用于監(jiān)控施工人員進(jìn)出的方式主要為智能化人臉識別系統(tǒng)及攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)都存在以下幾點(diǎn)弊端：

1）覆蓋面狹窄。施工人員只有在特定的地方才能觸發(fā)定位條件，無法通過設(shè)備對人員進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

2）布設(shè)攝像頭監(jiān)控網(wǎng)需投入的成本大，且受網(wǎng)絡(luò)影響因素較大。若網(wǎng)絡(luò)突然失效，則無法對進(jìn)場施工人員人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時難以留存監(jiān)管影像。

3）對現(xiàn)場人員管理的實(shí)際效果不明顯。在視野盲區(qū)，人員的不安全行為無法被監(jiān)控，施工禁區(qū)仍需要投入人員值守，浪費(fèi)勞動力資源。

目前，針對這種情況，在地鐵施工、山區(qū)隧道施工、海上船舶建造領(lǐng)域推出了“視頻監(jiān)控、人員定位管理系統(tǒng)”，可實(shí)現(xiàn)“人員實(shí)時定位、移動軌跡查詢、一鍵緊急求助、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、電子圍欄預(yù)警”等多種功能?；诂F(xiàn)有領(lǐng)域人員定位技術(shù)發(fā)展[1-3]，本文主要探究人員定位與BIM技術(shù)的融合與應(yīng)用，形成一套房建領(lǐng)域BIM人員定位的新技術(shù)。

1 工程概況

化龍橋超高層二、三期項(xiàng)目是重慶市重點(diǎn)工程之一，位于重慶市渝中區(qū)化龍橋片區(qū)，東鄰嘉華大橋，南鄰化龍橋路，西側(cè)為重慶天地高檔住宅區(qū)，北鄰嘉陵江畔。工程占地面積約19 105 m2，總建筑面積約520 000 m2，其中地上建筑面積387 606.0 m2，地下建筑面積113 543.7 m2，主要由2座主塔樓及商業(yè)裙房組成，是集商業(yè)、辦公于一體的超大型綜合性的建筑群，其中二期塔樓為建筑高度458 m的超高層辦公樓和酒店，三期塔樓為建筑高度181 m的酒店式公寓，地下室均為4層。在項(xiàng)目建造過程中，工程建造周期長達(dá)5年，場地內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，超高的建筑高度造成高空墜落以及物體打擊風(fēng)險極高，施工人員數(shù)量巨大，工種繁多，尤其是458 m主塔樓立體交叉施工多，上下交叉作業(yè)頻繁，人員組織難度極大。

2 BIM人員定位系統(tǒng)概述

2.1 BIM人員定位系統(tǒng)概念

BIM人員定位系統(tǒng)通過描繪建筑物的三維地圖，依靠定位裝置，實(shí)現(xiàn)人員在不同樓層的精準(zhǔn)定位，同時還兼具人員考勤、定位追蹤及一鍵報警等功能。

通過BIM模型與人員定位系統(tǒng)的聯(lián)動，不僅可實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場的全覆蓋定位，同時設(shè)備成本投入少，還可設(shè)置電子禁區(qū)，監(jiān)控人員的不安全行為，規(guī)避了施工面臨的交叉作業(yè)風(fēng)險，保證了現(xiàn)場的安全管理，提高施工現(xiàn)場信息化建設(shè)水平。

2.2 BIM人員定位系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.2.1 低功耗性

化龍橋超高層二、三期項(xiàng)目根據(jù)使用需求在總平面上布置了200個低功耗藍(lán)牙信標(biāo)，相較于傳統(tǒng)藍(lán)牙信標(biāo)，低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)用深度睡眠狀態(tài)來替換傳統(tǒng)藍(lán)牙的空閑狀態(tài)，節(jié)省了更多的能源，可持續(xù)使用3年以上。

2.2.2 實(shí)時性

BIM人員定位系統(tǒng)主要由藍(lán)牙信標(biāo)、鈦準(zhǔn)基站、定位標(biāo)簽、主機(jī)后臺四部分組成。人員佩戴定位標(biāo)簽后，當(dāng)踏入地圖區(qū)域時，定位標(biāo)簽自動將信號傳輸至就近的藍(lán)牙信標(biāo)，再傳至鈦準(zhǔn)基站，最后傳輸至數(shù)據(jù)后臺，即可在平臺內(nèi)查看實(shí)時的人員信息。以此有效幫助現(xiàn)場管理人員了解每個區(qū)域?qū)崟r的施工人員數(shù)量，做出相應(yīng)的統(tǒng)籌調(diào)整。

2.2.3 可周轉(zhuǎn)性

本定位系統(tǒng)所使用的材料使用壽命長至3～5年，一般房建工程2年左右竣工，可循環(huán)使用2次以上。當(dāng)設(shè)備損壞時，直接轉(zhuǎn)回廠商維修，不產(chǎn)生多余的垃圾，綠色環(huán)保，符合施工現(xiàn)場綠色建造的要求。

使用藍(lán)牙傳輸技術(shù)，采用先進(jìn)的功耗控制技術(shù)，加上獨(dú)特的供電方式，綠色無污染。

2.2.4 移動載體可操作性

通過將鈦準(zhǔn)基站及藍(lán)牙信標(biāo)安裝在如爬架、頂模等移動載體上，能夠?qū)崿F(xiàn)每層施工時人員的精準(zhǔn)定位，無需二次轉(zhuǎn)運(yùn)及安裝相應(yīng)設(shè)備，減少費(fèi)用投入。在本次研究中，并未出現(xiàn)串樓層定位、報警不響應(yīng)等技術(shù)問題，使用效果良好。

3 BIM人員定位系統(tǒng)在超高層建筑中的應(yīng)用

3.1 BIM模型繪制

根據(jù)項(xiàng)目施工現(xiàn)場實(shí)際情況，繪制出總平面、外框作業(yè)層及頂模鋼平臺層三維地圖，使之與施工現(xiàn)場實(shí)際情況完全一致。

但在實(shí)際使用中，總平面一直在變化，對于如堆場擴(kuò)大或縮小、部分構(gòu)件挪動等涉及細(xì)部的變化，不需要對地圖進(jìn)行更新；而對于如基坑開挖、新起樓棟、新增塔吊等涉及總平面巨大變化時，需提前繪制CAD平面圖，重新繪制三維地圖，確保地圖與現(xiàn)場一致（圖1）。

圖1 三維地圖建立

因此，地圖更新頻率以3個月為1個周期，通過對施工現(xiàn)場總平面的觀察，視其變化程度適當(dāng)修改。

3.2 硬件安裝

3.2.1 藍(lán)牙信標(biāo)

在總平面作業(yè)層、頂模作業(yè)層、內(nèi)筒作業(yè)層使用S1U-G藍(lán)牙信標(biāo)，此類信標(biāo)適合貼地部署，能適應(yīng)戶外惡劣環(huán)境，使用2 400 mA·h鋰壓電池，續(xù)航可達(dá)3年以上，完全可以使用至工程完工。另因其尺寸小，所以安裝后不會破壞原有環(huán)境。

藍(lán)牙信標(biāo)安裝第1步即選取施工作業(yè)面，選取最典型的交叉作業(yè)面，即頂模鋼平臺層、外框鋼結(jié)構(gòu)施工作業(yè)層、總平層三處，單層面積約為2 400 m2，單層共布設(shè)50個藍(lán)牙信標(biāo)。第2步為安裝藍(lán)牙信標(biāo)，使用自攻螺絲將其固定在板面上。

信標(biāo)設(shè)置的作業(yè)面應(yīng)遠(yuǎn)離磁場、射頻干擾的區(qū)域，保持藍(lán)牙信號暢通，同時藍(lán)牙信標(biāo)離鈦準(zhǔn)基站不得超過30 m，否則信號無法傳給基站，人員定位系統(tǒng)無法正常運(yùn)行（圖2、圖3）。

圖2 藍(lán)牙信標(biāo)

圖3 貼地安裝

3.2.2 鈦準(zhǔn)基站

使用BLG2P鈦準(zhǔn)基站進(jìn)行室外部署，通過220 V電壓供電，覆蓋距離可達(dá)1 km以上，全鑄鋁外殼設(shè)計(jì)可防火、防水、防雷，滿足復(fù)雜工況下的通信要求。同時支持4G全網(wǎng)通，人員定位信息在5 s內(nèi)自動刷新，是保障工人實(shí)時性安全的重要因素。

根據(jù)藍(lán)牙信標(biāo)布設(shè)位置，選取作業(yè)層進(jìn)行基站安裝，其中頂模鋼平臺層基站可覆蓋2～3層作業(yè)面，可以實(shí)現(xiàn)移動載體的人員精準(zhǔn)定位。因鈦準(zhǔn)基站需要取電，需選擇離電箱較近的地方進(jìn)行架設(shè)（圖4、圖5）。

圖4 鈦準(zhǔn)基站

圖5 基站安裝

3.2.3 定位標(biāo)簽

使用人員佩戴BLT6-Exx定位標(biāo)簽，此定位標(biāo)簽質(zhì)量僅38 g，電池容量可續(xù)航3～4個月，電量使用完后可充電。使用專用布帶安裝在安全帽上，簡單高效。該定位標(biāo)簽包含LED指示、報警、動靜判斷等功能，當(dāng)人員遇到危險時，可按下標(biāo)簽上的“SOS”進(jìn)行求助，后臺端即可顯示具體人員信息及所處位置（圖6、圖7）。

圖6 定位標(biāo)簽

圖7 定位標(biāo)簽安裝

3.3 實(shí)施效果

3.3.1 人員信息

登錄定位系統(tǒng)后臺，一個賬號可多人使用，通過綁定人員的標(biāo)簽，可以實(shí)現(xiàn)對佩戴定位卡片人員的定位監(jiān)控。根據(jù)工人入場登記表，將每個人的信息錄入后臺系統(tǒng)，激活定位標(biāo)簽后下發(fā)至各施工人員，即可在BIM三維模型中查看人員姓名、工種等相關(guān)信息（圖8）。

圖8 人員信息識別

3.3.2 一鍵報警功能

施工現(xiàn)場存在部分孔洞位置，人員不能靠近，通過設(shè)置電子圍欄，當(dāng)人員在電子圍欄附近時，將觸發(fā)一鍵報警。

同時，若人員發(fā)生危險，定位標(biāo)簽長時間保持靜止?fàn)顟B(tài)下，也將觸發(fā)一鍵報警的功能，與之對應(yīng)的定位標(biāo)簽會產(chǎn)生強(qiáng)烈振動，同時PC端發(fā)出強(qiáng)警報，PC端可以根據(jù)“人員姓名、SN號、日期、開始時間、結(jié)束時間、報警類型、報警狀態(tài)、區(qū)域類型”8個查詢條件查看所有報警事件詳情，即可實(shí)時掌控人員位置及安全信息（圖9、圖10）。

圖9 電子圍欄繪制

圖10 報警通知

3.3.3 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤

利用定位系統(tǒng)可通過人員姓名、查詢?nèi)掌?、時間3個查詢條件，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)人員在當(dāng)前條件下的精準(zhǔn)定位。同時，事后可查詢起點(diǎn)至終點(diǎn)行走軌跡路線的展示及歷史視頻回放，及時掌握施工人員的動向與安全情況（圖11）。

圖11 人員行為分析

4 結(jié)語

BIM人員定位系統(tǒng)提高了作業(yè)人員的安全保障，相對降低了安全事故發(fā)生率，與傳統(tǒng)智慧工地建設(shè)（即攝像頭部署和定位模塊部署）的方式相比，降低了設(shè)備投入費(fèi)用及因安全事故導(dǎo)致的額外支出。

本文提到的化龍橋超高層二、三期項(xiàng)目使用BIM人員定位系統(tǒng)，從三維模型與人員定位出發(fā)，通過兩項(xiàng)技術(shù)的融合形成了一套可推廣至其余房建項(xiàng)目的BIM人員定位技術(shù)，在安全管理上進(jìn)行了創(chuàng)新，降低了安全風(fēng)險，提高了工程的智能化程度。