基于BIM技術(shù)的河道治理工程施工安全預(yù)監(jiān)督研究

諸衛(wèi)衛(wèi)，劉永強(qiáng)，吳 浩，朱 斌，高 陽

(1.南京市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

隨著新時期治水新理念的深入推進(jìn)，河道治理工程不斷受到各級部門的重視[1]。河道治理工程可以分為長河段治理和局部河段治理，其河道整治內(nèi)容包括：堤防除險(xiǎn)加固、灌區(qū)水利設(shè)施建設(shè)、開口堤修建、堤防溢洪堰建設(shè)、閘站泵站修建及河床疏浚。因?yàn)楹拥廓M窄且施工路線比較長，所以河道治理工程具有施工范圍大且不同地段的施工條件變化差異大的特點(diǎn)，這會導(dǎo)致施工人員調(diào)配和管理及施工有一定的困難。施工現(xiàn)場人與物的狀態(tài)隨時間一直發(fā)生變化，使得施工安全監(jiān)督一直處于動態(tài)變化的過程，如何高效辨識不安全因素并且進(jìn)行預(yù)控，實(shí)現(xiàn)事前控制與施工現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)督是施工安全監(jiān)督的難點(diǎn)[2]。目前，安全風(fēng)險(xiǎn)管理信息在傳遞過程中往往以紙質(zhì)文件的形式進(jìn)行傳遞、存儲、查詢及利用，缺乏信息化集成，容易導(dǎo)致信息斷層，無法滿足新時代水利現(xiàn)代化建設(shè)的需求。

近年來BIM技術(shù)在各行各業(yè)受到廣泛推廣，其應(yīng)用大放異彩，特別是在建設(shè)期的項(xiàng)目管理中成就諸多。而安全管理作為工程項(xiàng)目管理中的重點(diǎn)工作，其形成的研究成果更為豐碩，越來越多的學(xué)者使用BIM技術(shù)進(jìn)行施工模擬、隱患排查、安全預(yù)警和方案優(yōu)化等方面的研究與應(yīng)用。Collins等[3]通過將腳手架安全風(fēng)險(xiǎn)與BIM 4D進(jìn)度計(jì)劃關(guān)聯(lián)，告知安全管理者與腳手架相關(guān)的高安全風(fēng)險(xiǎn)活動；V.K.Bansal[4]主要研究在使用BIM技術(shù)進(jìn)行安全管理的過程中引入GIS系統(tǒng)，在集成安全規(guī)則的同時，對其進(jìn)行基于地理信息的監(jiān)控篩選通過壞境信息輔助指定安全措施的計(jì)劃，此技術(shù)在印度取得了較大的成功；陳麗娟[5]針對地鐵施工空間安全方面、施工環(huán)境方面的問題，利用BIM技術(shù)進(jìn)行了模擬，對施工現(xiàn)場環(huán)境、器材進(jìn)入路線進(jìn)行了合理規(guī)劃，減少施工空間沖突以及機(jī)械碰撞，防止安全問題的產(chǎn)生；杜長亮[6]基于BIM技術(shù)，借助VR來解決現(xiàn)場鋼筋排布問題；仲青等[7]收集并整合了施工現(xiàn)場的有效安全信息，并將之運(yùn)用于施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控之中，有效地實(shí)現(xiàn)了可視化、信息自動化等多方協(xié)同參與的高效安全監(jiān)控?，F(xiàn)階段，BIM技術(shù)已經(jīng)逐步推廣開來，但相關(guān)研究主要都集中在安全規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，在施工階段僅僅利用BIM技術(shù)協(xié)助進(jìn)行安全教育和碰撞檢查，對BIM技術(shù)進(jìn)行危險(xiǎn)源的自動識別、智能化管理、BIM輕量化等的研究尚有不足。

基于此，針對河道治理工程的施工特點(diǎn)，本文提出了基于BIM的河道治理工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)辨識流程，對建立的BIM模型進(jìn)行輕量化處理，搭建河道治理工程安全監(jiān)督系統(tǒng)平臺并對平臺進(jìn)行功能設(shè)計(jì)以滿足河道治理工程施工安全管理的需求。通過將安全管理中的危險(xiǎn)源辨識工作前移，變被動應(yīng)對為主動控制，從事中事后控制轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑翱刂?，同時將結(jié)構(gòu)中的危險(xiǎn)源依據(jù)相關(guān)法規(guī)及規(guī)范進(jìn)行識別，并及時形成危險(xiǎn)源預(yù)控方案，從而提升施工安全監(jiān)督效果，推動智慧水務(wù)的建設(shè)。

1 技術(shù)構(gòu)建分析

1.1 BIM技術(shù)

BIM(Building Information of Modeling)，中文名為建筑信息模型技術(shù)，在業(yè)內(nèi)有時候也會以虛擬設(shè)計(jì)和施工(Virtual Design and Construction，VDC)來表述，其目的在于在實(shí)際工地之外以數(shù)字工地作為項(xiàng)目實(shí)體的數(shù)字化表述[8]。BIM技術(shù)的可視化、交互性和優(yōu)化性特點(diǎn)決定了其在建設(shè)項(xiàng)目施工階段具有較大的應(yīng)用價(jià)值。作為一項(xiàng)在美國出現(xiàn)以來至今已經(jīng)在眾多發(fā)達(dá)國家被廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)，BIM近十幾年也在中國社會和學(xué)界都得到了充分的重視。

1.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是通過研究數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)、存儲、設(shè)計(jì)、管理以及應(yīng)用的基本理論和實(shí)現(xiàn)方法，并利用這些理論來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和理解的技術(shù)，其具有共享性、獨(dú)立性好的特點(diǎn)，在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用[9]。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有大小之分，大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有SQL Server、Oracle、DB2等，中小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有Foxpro、Access、MySQL。其中，Access數(shù)據(jù)庫支持廣泛，易于擴(kuò)展，彈性較大，可以通過鏈接表的方式來打開EXCEL文件、格式化文本文件等，被廣泛應(yīng)用于河道治理工程危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫和安全措施數(shù)據(jù)庫的建立。

1.3 BIM輕量化

輕量化是為了解決BIM數(shù)據(jù)流通的便捷性，同時保證數(shù)據(jù)安全信息的完整性的一種技術(shù)，該技術(shù)是為了解除模型對專業(yè)軟件的依賴并壓縮模型文件[10]。具體來說，就是將模型文件(可以是Revit模型、CAD、3dmax、Microstation、ArchiCAD等等)解析為其他格式，新格式可以通過HTML/WebGL技術(shù)顯現(xiàn)，利用瀏覽器或其他通用軟件進(jìn)行瀏覽。經(jīng)過BIM輕量化轉(zhuǎn)換后模型文件會被極大壓縮，使得文件傳輸速度、效率提升很多。

2 基于BIM的河道治理工程施工安全預(yù)監(jiān)督技術(shù)

2.1 基于BIM的河道治理工程施工安全預(yù)監(jiān)督流程

基于BIM的河道治理工程施工安全預(yù)監(jiān)督應(yīng)用流程見圖1。

a)構(gòu)建河道治理工程安全風(fēng)險(xiǎn)知識庫。通過信息的關(guān)鍵詞從安全管理規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)工程施工組織設(shè)計(jì)文件中篩選統(tǒng)計(jì)整理出不同階段、不同分部分項(xiàng)工程的施工特點(diǎn)與相對應(yīng)的危險(xiǎn)源及安全措施，并按照作業(yè)活動內(nèi)容進(jìn)行歸類整理，利用Access數(shù)據(jù)庫軟件構(gòu)建河道治理工程施工期危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫和安全措施庫，實(shí)現(xiàn)作業(yè)活動信息與危險(xiǎn)源關(guān)聯(lián)。

b)建立河道治理工程BIM模型。利用Revit等BIM建模軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，構(gòu)建河道治理工程族庫，將各族部件導(dǎo)入項(xiàng)目模板中形成河道治理工程治理BIM模型，同時結(jié)合施工文件中的作業(yè)內(nèi)容為各族部件添加WBS編碼，實(shí)現(xiàn)作業(yè)活動信息與BIM模型關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行模型輕量化處理。

c)構(gòu)建基于BIM的河道治理工程建設(shè)安全監(jiān)督系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)知識庫和BIM模型融合。將數(shù)據(jù)庫文件以及BIM輕量化模型加載至建立的河道治理工程建設(shè)安全監(jiān)督系統(tǒng)平臺，以作業(yè)活動為紐帶，實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)件與危險(xiǎn)源關(guān)聯(lián)，得到基于BIM的施工期安全預(yù)監(jiān)督模型。通過建立的河道治理工程建設(shè)安全監(jiān)督系統(tǒng)平臺，可以實(shí)現(xiàn)各參建單位的施工安全信息共享、河道治理工程危險(xiǎn)源管理及預(yù)控方案的制定。

圖1 基于BIM的河道治理工程施工安全預(yù)監(jiān)督流程

2.2 河道治理工程施工風(fēng)險(xiǎn)分析

河道治理工程主要包含的建筑物類型有水閘、泵站和堤防，影響其施工的風(fēng)險(xiǎn)因素有很多，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)來源可以分為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、社會風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、政治風(fēng)險(xiǎn)以及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等；根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)可控程度劃分可控風(fēng)險(xiǎn)與不可控風(fēng)險(xiǎn)；根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)對象分為人身風(fēng)險(xiǎn)、責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)；根據(jù)各參與方的責(zé)任可以分為業(yè)主風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)計(jì)單位風(fēng)險(xiǎn)、施工方風(fēng)險(xiǎn)、監(jiān)理單位風(fēng)險(xiǎn)以及供應(yīng)商風(fēng)險(xiǎn)；根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)損失的程度分為輕度風(fēng)險(xiǎn)、中度風(fēng)險(xiǎn)及高度風(fēng)險(xiǎn)[11]。

目前，對于施工現(xiàn)場危險(xiǎn)源的種類有很多種分類方式，按照《企業(yè)職工傷亡事故分類標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合河道治理工程的實(shí)際情況進(jìn)行合理分析，總結(jié)出5種最為常見及最為典型的施工安全事故，分別為高處墜落、物體打擊、機(jī)械傷害、坍塌以及觸電傷害[12]，具體內(nèi)容見表1。

表1 河道治理工程常見施工安全事故

2.3 河道治理工程安全風(fēng)險(xiǎn)知識庫構(gòu)建

根據(jù)已有的安全法規(guī)、相關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及施工安全危險(xiǎn)源辨識有關(guān)的文獻(xiàn)資料，對河道治理工程中不同階段，不同分部分項(xiàng)工程的不安全因素進(jìn)行分析，基于語義分析對河道治理工程的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提取，同時結(jié)合已識別出的危險(xiǎn)源制定對應(yīng)的處理措施。例如：“吊籃是否經(jīng)過檢測”“腳手架上堆放的荷載是否均勻”“在腳手架上是否按規(guī)則操作”，此類表述中存在“是否”這類判斷詞，分析得出“吊籃未經(jīng)過檢測”“腳手架上堆放的荷載不均勻”“在腳手架上未按規(guī)則操作”為對應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過該文本語義分析方法對相關(guān)安全法規(guī)及相關(guān)行業(yè)規(guī)范進(jìn)行遍歷，以相關(guān)工程案例為補(bǔ)充，以工序作業(yè)活動為安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生對象，明確每項(xiàng)工作中存在的危險(xiǎn)源及對應(yīng)的安全措施[13]。同時，為便于后續(xù)河道治理工程BIM模型加載河道治理工程安全風(fēng)險(xiǎn)信息，需對危險(xiǎn)源按分部分項(xiàng)、作業(yè)類型和涉及構(gòu)件進(jìn)行歸類整合。最終，利用Access數(shù)據(jù)庫軟件構(gòu)建包含單位工程、分部分項(xiàng)工程、作業(yè)活動、涉及構(gòu)件、危險(xiǎn)源和安全措施的河道治理工程安全風(fēng)險(xiǎn)知識庫。

3 基于BIM的河道治理工程建設(shè)安全監(jiān)督系統(tǒng)平臺

將BIM技術(shù)引入河道治理工程建設(shè)安全預(yù)監(jiān)督，可以實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場的危險(xiǎn)源可視化管理，在安全監(jiān)督系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)輕量化BIM模型與進(jìn)度計(jì)劃、資源計(jì)劃、安全風(fēng)險(xiǎn)等相對接。本文以南京市江寧區(qū)一干河河道治理工程為例，對堤防標(biāo)段K0+050～K0+100進(jìn)行BIM建模以及輕量化處理，最后通過河道治理工程建設(shè)安全監(jiān)督系統(tǒng)平臺進(jìn)行安全監(jiān)督，實(shí)現(xiàn)河道治理工程施工期安全管理信息化。

3.1 BIM模型建立及輕量化處理

河道治理工程BIM模型作為信息化載體，是構(gòu)建安全預(yù)監(jiān)督系統(tǒng)的基礎(chǔ)。針對河道治理工程信息化模型編碼統(tǒng)一性不足的現(xiàn)狀，將河道治理工程模型分解為族構(gòu)建單元，并對其進(jìn)行統(tǒng)一的編碼和命名[14]。本文研究的河道治理工程施工對象為堤防，其主要組成部分包括堤基基礎(chǔ)、堤身主體、堤防道路、防滲墻、護(hù)坡等。本次運(yùn)用的建模軟件為Revit2018，由于Revit2018自帶的族庫并不能滿足針對堤防的設(shè)計(jì)，雖然堤防工程構(gòu)造相對其他水利工程簡單，多為線性結(jié)構(gòu)，但是由于各樁號斷面不一，使其多數(shù)部件需要在Revit中創(chuàng)建公制常規(guī)模型，通過族編輯器進(jìn)行編輯與構(gòu)建，再載入到建筑選項(xiàng)板中按照一定原則拼接。在建筑面板上針對族面板中創(chuàng)建的模型進(jìn)行構(gòu)建之后的創(chuàng)建的簡化模型見圖2。

圖2 河道治理工程BIM模型

隨后，針對堤防模型在Revit軟件中顯示端便攜性較差的問題，擬對其進(jìn)行輕量化處理。在進(jìn)行輕量化處理之前，對其構(gòu)件進(jìn)行編號以便于安全規(guī)則的匹配、顯示與管理。以堤身主體第一部分構(gòu)件編碼為例，在Revit軟件的管理選項(xiàng)卡下的設(shè)置面板中選擇“項(xiàng)目信息”“項(xiàng)目參數(shù)”和“共享參數(shù)”，即可實(shí)現(xiàn)對模型構(gòu)件編碼屬性的創(chuàng)建及添加。添加的模型構(gòu)件編碼屬性見圖3。

圖3 全局參數(shù)設(shè)置展示

在構(gòu)建完BIM模型后，為使BIM模型能與建立的安全風(fēng)險(xiǎn)知識庫進(jìn)行有機(jī)融合，需在不影響核心數(shù)據(jù)的前提下進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)取舍，將BIM模型進(jìn)行輕量化處理。本文利用模型轉(zhuǎn)換器作為中間件，通過HTML文件環(huán)境中JavaScript顯示組件庫，在網(wǎng)頁上新建DOM元素再根據(jù)viewToken指定待顯示的模型，最后設(shè)置加載模型的回調(diào)參數(shù)，經(jīng)過以上操作后，便可以在網(wǎng)頁端顯示輕量化的模型[15]。輕量化模型轉(zhuǎn)換流程見圖4,輕量化處理后的BIM模型見圖5。

圖4 輕量化模型轉(zhuǎn)換流程

圖5 河道治理工程輕量化模型轉(zhuǎn)換

3.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

安全監(jiān)督系統(tǒng)平臺具體涉及到建設(shè)項(xiàng)目的項(xiàng)目管理、進(jìn)度管理、安全管理和勞務(wù)管理等業(yè)務(wù)內(nèi)容。本系統(tǒng)平臺管理軟件采用B/S架構(gòu)，使用瀏覽器就可以訪問管理平臺，降低了系統(tǒng)維護(hù)成本，便于軟件的升級和擴(kuò)展，系統(tǒng)主體平臺采用JAVA語言開發(fā)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路見圖6，系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖7。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

圖7 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.3 平臺功能模塊設(shè)計(jì)

制定了完整框架的情況下才能做出一個健康的系統(tǒng)。在對整個系統(tǒng)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)及規(guī)劃的同時，根據(jù)功能、實(shí)現(xiàn)的效果以及相關(guān)規(guī)范，將分成若干個大模塊，自頂向下科學(xué)的開發(fā)從而達(dá)到對系統(tǒng)整體安全性、操作性及后續(xù)的工作帶來更好效益的效果。通過圖7可知，本系統(tǒng)共有4個功能模塊，即項(xiàng)目管理模塊、進(jìn)度管理模塊、安全管理模塊和勞務(wù)管理模塊，各部分功能如下。

a)項(xiàng)目管理模塊可以將項(xiàng)目的總體信息予以展示，使得安全管理人員以及業(yè)主能夠?qū)τ陧?xiàng)目有一個直觀的基本概念。在該模塊下可對項(xiàng)目概覽內(nèi)的項(xiàng)目信息及項(xiàng)目下的單位工程進(jìn)行維護(hù)更改，同時開放WBS分解和工序分析功能，按照類別分級對模型構(gòu)件添加或修改WBS編碼，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件與編碼關(guān)聯(lián)。

b)進(jìn)度管理模塊依據(jù)WBS分解項(xiàng)逐級展開具體施工部位，對其進(jìn)行添加或修改開始日期、結(jié)束日期、工作量等施工進(jìn)度信息，同時還能配置資源項(xiàng)，反映人工成本及機(jī)械設(shè)備使用情況。

c)安全管理模塊是該系統(tǒng)的核心，通過數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入列表呈現(xiàn)了所有安全危險(xiǎn)源信息，且危險(xiǎn)源與作業(yè)活動進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，而編碼反映了作業(yè)活動，由此實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)源和構(gòu)件關(guān)聯(lián)，選取構(gòu)件便能查看該部分潛在的危險(xiǎn)源及對應(yīng)控制措施。此外，開放了施工信息采集功能及比對功能，管理人員可以預(yù)先添加人員、機(jī)械設(shè)備計(jì)劃數(shù)量，施工過程中可以將現(xiàn)場采集的施工現(xiàn)場人員機(jī)械位置信息、數(shù)量信息載入至對應(yīng)構(gòu)件，隨后計(jì)劃人機(jī)數(shù)量信息與施工現(xiàn)場人機(jī)數(shù)量信息進(jìn)行比對，若存在偏差則發(fā)出告警。

d)勞務(wù)管理模塊勞務(wù)管理模塊主要是對勞務(wù)班組信息進(jìn)行管理，添加或修改班組成員信息以及機(jī)械設(shè)備信息；實(shí)現(xiàn)對施工人員及機(jī)械的信息管理；機(jī)械人員的信息都在勞務(wù)管理的勞務(wù)班組中；涉及到工作人員的姓名、班組、崗位、工種以及上崗證等資質(zhì)證明。

4 結(jié)語

在河道治理工程施工安全管理中，傳統(tǒng)的信息傳遞方式需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，且信息化程度底，容易導(dǎo)致信息斷層，亟需引進(jìn)新技術(shù)來提升安全管理水平。BIM技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)在一定程度上能夠滿足河道治理工程管理信息化的需求。本文針對河道治理工程對安全監(jiān)督管理系統(tǒng)平臺的需求，以BIM技術(shù)作為信息化手段、數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲的載體，通過BIM輕量化將BIM模型與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，將施工期不安全因素的識別工作前移到設(shè)計(jì)階段，即通過危險(xiǎn)源自動識別與預(yù)控來加強(qiáng)事前控制，達(dá)到提高安全管理效率的目的。同時構(gòu)建出基于BIM技術(shù)的河道治理工程建設(shè)安全監(jiān)督管理系統(tǒng)平臺，進(jìn)一步提升河道治理工程施工安全管理的信息化、智能化水平，為智慧水利的建設(shè)提供新的解決方案。