基于BIM的建筑工程安全管理體系分析
——以金通大廈建筑工程為例

符煥新 常州工學(xué)院

1 工程背景及實(shí)施思路

1.1 工程背景

本次案例研究的對(duì)象為金通大廈，該大廈層高為21 層，并將地下4 層的房間設(shè)計(jì)為停車(chē)庫(kù)，建筑面積達(dá)到90 000 m2，地上與地下面積分別為81 350 m2和10 650 m2，主體達(dá)到88.4 m，整體地下結(jié)構(gòu)深度更高達(dá)到10 m。此外，該工程的地基坑總面積達(dá)到1 286 m2，深度為9.9 m，安全等級(jí)為二級(jí)，而基坑設(shè)計(jì)屬于甲級(jí)工程，整體支護(hù)性能為二級(jí)，抗震度達(dá)到8 度。預(yù)計(jì)工期為兩年半，施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地使用空間不大，工期時(shí)間相對(duì)較短，工程工序復(fù)雜程度高。

1.2 項(xiàng)目實(shí)施思路

建立在BIM 體系下的建筑安全管理流程是為對(duì)工程項(xiàng)目的研究分析，通過(guò)模擬的方式演練出來(lái)，最后實(shí)施控制的全過(guò)程。科學(xué)合理地將建筑工程周期與BIM 技術(shù)相結(jié)合，能夠有效實(shí)現(xiàn)工程實(shí)施各個(gè)階段的安全分析和模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)該工程進(jìn)程實(shí)施全面管理與控制的目的，最終完成安全管理的目標(biāo)[1]?；贐IM的全壽命周期建筑工程安全管理如圖1 所示。

圖1 基于BIM 的全壽命周期建筑工程安全管理

2 基于BIM 的建筑工程安全管理平臺(tái)應(yīng)用

2.1 基于BIM 的建筑工程決策階段安全管理

基于BIM 技術(shù)工程建設(shè)項(xiàng)目決策過(guò)程中的安全管理模式實(shí)現(xiàn)可視化管理，首先要圍繞相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行多個(gè)維度的模擬，從而升級(jí)到虛擬仿真的目的。如果無(wú)法滿(mǎn)足工程建設(shè)項(xiàng)目安全管理的需求，工程計(jì)劃在進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整后，其呈現(xiàn)的信息模擬也是建立在調(diào)整后的建筑方案上，以實(shí)施全面的安全管理評(píng)估，只有工程項(xiàng)目達(dá)到安全管理規(guī)定時(shí)，該工程項(xiàng)目才能夠被批準(zhǔn)[2]。

2.2 基于BIM 的建筑工程設(shè)計(jì)階段安全管理

2.2.1 設(shè)計(jì)綜合信息模型

工程建設(shè)項(xiàng)目本身具備涉及面廣、涉及工種眾多以及涉及學(xué)科知識(shí)廣泛的特點(diǎn)，需要各個(gè)部門(mén)協(xié)同合作才能順利完成。不同的建筑工程都必須從自身實(shí)際情況出發(fā)，考慮相應(yīng)的功能建設(shè)，如空間、環(huán)境、施工設(shè)備、工程結(jié)構(gòu)等方面[3]。本次研究中的對(duì)象金通大廈采用協(xié)同合作的方式構(gòu)建科學(xué)化與專(zhuān)業(yè)化的信息模型，從而構(gòu)成綜合性的信息模型，并在后續(xù)的安全檢測(cè)和分析過(guò)程中發(fā)揮重要的推動(dòng)作用?；贐IM 技術(shù)構(gòu)建綜合信息模型的具體程序如圖2 所示。

圖2 基于BIM 構(gòu)建綜合信息模型的具體程序

2.2.2 結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)

在建筑中，其整個(gè)結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵。如何保障結(jié)構(gòu)的安全，也是設(shè)計(jì)過(guò)程中最為慎重的內(nèi)容。在影響建筑安全的因素中，主要涵蓋了施工活荷載等。在BIM 結(jié)構(gòu)模型中，可以有效將所有的建筑組件進(jìn)行模擬，進(jìn)而了解組件的屬性與特性，而對(duì)建設(shè)工程進(jìn)行全面具體的信息記錄，同時(shí)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)調(diào)用等功能。針對(duì)BIM 有限元分析軟件，能夠完成結(jié)構(gòu)力學(xué)、安全參數(shù)的運(yùn)算分析工作，進(jìn)而提升建筑的安全性[4]。

針對(duì)建設(shè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高和施工難度較大的工程結(jié)構(gòu)，需要全面驗(yàn)證工程結(jié)構(gòu)方案的穩(wěn)定性、合理性以及安全性。合理運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)工程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的模擬驗(yàn)證，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)的安全管理提供切實(shí)有效的保障。

2.2.3 設(shè)計(jì)沖突檢測(cè)

基于BIM 的安全管理沖突檢測(cè)能夠參與到對(duì)工程設(shè)計(jì)方案的全面檢查，支持項(xiàng)目通過(guò)工程自檢與結(jié)構(gòu)檢測(cè)、設(shè)備檢查、建筑檢查等多套系統(tǒng)相結(jié)合的方式實(shí)施交互檢查。只有當(dāng)工程設(shè)計(jì)全部通過(guò)上述沖突檢查的內(nèi)容之后，才能開(kāi)展下一步流程，否則必須針對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，確保工程設(shè)計(jì)方案的安全沖突檢查最終順利通過(guò)，才能開(kāi)展接下來(lái)的工作。

經(jīng)過(guò)多系統(tǒng)與項(xiàng)目自檢的相互碰撞檢查后，工程設(shè)計(jì)方案中發(fā)現(xiàn)存在多種管線(xiàn)碰撞的問(wèn)題，在工程設(shè)計(jì)人員的討論和分析后，對(duì)工程設(shè)計(jì)圖紙中所有出現(xiàn)碰撞的管線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，進(jìn)而對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面調(diào)整。 根據(jù)相應(yīng)的碰撞設(shè)計(jì)檢查，針對(duì)BIM 工程設(shè)計(jì)模型實(shí)施深入優(yōu)化調(diào)整，對(duì)工程圖紙進(jìn)行重新調(diào)整與審核。采用BIM 技術(shù)模擬的工程安全管理平臺(tái)模型在優(yōu)化更新之后的界面，根據(jù)實(shí)際情況需要做到隨時(shí)更新并調(diào)整模型的功能。

2.3 基于BIM 的建筑工程施工階段安全管理

2.3.1 4D 施工模擬

利用BIM 技術(shù)通過(guò)建設(shè)三維模型的方式全面展示工程設(shè)計(jì)施工圖的所有信息，在條件允許的情況下，加入相應(yīng)的時(shí)間軸，實(shí)現(xiàn)帶有工程節(jié)點(diǎn)的4D 模型，以此制訂科學(xué)合理的施工方案。針對(duì)本次研究的工程項(xiàng)目，在施工之前應(yīng)當(dāng)利用三維建模的方式圍繞各個(gè)施工階段的場(chǎng)地進(jìn)行合理安排，明確最終場(chǎng)地布置圖，該場(chǎng)地合理避免出現(xiàn)重復(fù)交叉施工過(guò)程中產(chǎn)生的建筑垃圾堆放和原材料運(yùn)送沖突。另外針對(duì)該施工項(xiàng)目采用全程4D 模擬，合理運(yùn)用BIM技術(shù)模擬工程建設(shè)過(guò)程和竣工成果，通過(guò)數(shù)字模擬的方式率先達(dá)成了預(yù)覽工程效果，并在此基礎(chǔ)上加入了時(shí)間節(jié)點(diǎn)這一維度，形成了4D BIM 模型。

2.3.2 安全預(yù)警系統(tǒng)

在以往建筑工程安全事故的案例中，其中超過(guò)80%的安全事故是由于施工人員的不規(guī)范施工導(dǎo)致的。可見(jiàn)在實(shí)際的施工現(xiàn)場(chǎng)，降低人為產(chǎn)生的不安全影響是安全管理最為關(guān)鍵的內(nèi)容。在BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)復(fù)雜施工的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)管，極大地提升其優(yōu)勢(shì)。

該系統(tǒng)中的定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)施工安全事故預(yù)警的關(guān)鍵基礎(chǔ)，綜合考慮實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中存在的各類(lèi)問(wèn)題，在條件允許的情況下，可以適當(dāng)將此項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的定位中。合理運(yùn)用BIM 技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全程監(jiān)控和定位，能夠?qū)κ┕ぴO(shè)備和施工人員進(jìn)行高效管理，其在安全管理層面發(fā)揮的作用主要涵蓋以下幾點(diǎn)。

（1）機(jī)器操作權(quán)限驗(yàn)證。該施工現(xiàn)場(chǎng)的施工機(jī)械設(shè)備裝置通常需要使用二維碼編碼，其中涵蓋了各類(lèi)關(guān)鍵速成信息。操作人員正常施工的情況下，系統(tǒng)收到該設(shè)備發(fā)出的確認(rèn)信息，從而確認(rèn)施工人員操作是否是規(guī)范。一旦施工設(shè)備在沒(méi)有經(jīng)過(guò)授權(quán)的施工人員手中工作，系統(tǒng)會(huì)向相關(guān)管理部門(mén)發(fā)出預(yù)警信息，同時(shí)對(duì)沒(méi)有經(jīng)過(guò)授權(quán)的施工人員發(fā)出警告。

（2）施工人員危險(xiǎn)位置判定和預(yù)警。運(yùn)用定位系統(tǒng)對(duì)施工人員和設(shè)備進(jìn)行定位，能夠快速獲取施工人員和設(shè)備的具體位置，同時(shí)對(duì)各自所處環(huán)境的安全性能進(jìn)行判定與評(píng)估。一旦出現(xiàn)安全隱患，就會(huì)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息和警報(bào)。例如定位系統(tǒng)需要計(jì)算出施工人員所處的位置是否處于危險(xiǎn)范圍，并計(jì)算出明確的安全臨界值，一旦雙方距離持續(xù)縮小，系統(tǒng)會(huì)在第一時(shí)間提示施工人員，實(shí)現(xiàn)實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)的安全預(yù)警工作。

BIM 技術(shù)針對(duì)施工人員的安全隱患發(fā)出警報(bào)。根據(jù)安全防護(hù)情況、機(jī)械設(shè)備信息以及操作權(quán)限等基礎(chǔ)信息，以此判斷員工在現(xiàn)場(chǎng)中的安全范圍和極限位置。但在使用過(guò)程中，依然存在部分安全隱患區(qū)域不能快速識(shí)別、施工人員個(gè)人信息提示不當(dāng)?shù)葐?wèn)題[5]。

2.4 基于BIM 的建筑工程運(yùn)營(yíng)階段安全管理

2.4.1 運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)

合理運(yùn)用BIM 技術(shù)不僅能夠有效達(dá)到建筑工程在施工之前進(jìn)行建模的目的，而且能夠在施工過(guò)程中通過(guò)4D 建模進(jìn)行相應(yīng)的模擬和改善。另外，BIM 技術(shù)在針對(duì)施工安全監(jiān)測(cè)方面起到至關(guān)重要的積極作用。建筑物利用預(yù)裝的監(jiān)控?cái)z像頭本身就是合理運(yùn)用監(jiān)控技術(shù)的重要措施?？茖W(xué)合理地將監(jiān)控?cái)z像與BIM 模型有機(jī)結(jié)合，操作者通過(guò)操作BIM 模型虛擬攝像機(jī)，以此將建筑物中攝像機(jī)拍攝的畫(huà)面調(diào)取出來(lái)，從而得到實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面。在條件允許的情況下，可以利用大屏幕顯示建筑中全部的監(jiān)控視頻畫(huà)面。合理運(yùn)用實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化的管理模式不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全生產(chǎn)隱患，同時(shí)能夠第一時(shí)間定位安全隱患的具體位置信息。

2.4.2 火災(zāi)消防管理

BIM 可以設(shè)置有效的數(shù)字環(huán)境，并且所有和建筑物安全相關(guān)的信息都能夠進(jìn)行模擬處理。操作人員能夠運(yùn)用BIM 技術(shù)對(duì)不同火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)和救援信息進(jìn)行全程模擬，同時(shí)模擬火災(zāi)出現(xiàn)的原因，從而準(zhǔn)確探尋起火原因和起火點(diǎn)。利用BIM 技術(shù)，協(xié)助管理施工現(xiàn)場(chǎng)消防、運(yùn)輸，必須有專(zhuān)業(yè)人員對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的消防設(shè)施采取常規(guī)性的維護(hù)與檢修。通過(guò)BIM 技術(shù)能夠全面模擬消防設(shè)備的所有信息，并與二次開(kāi)發(fā)的安全管理系統(tǒng)相結(jié)合，將消防設(shè)備和智能傳感器等設(shè)進(jìn)行統(tǒng)一，從而形成CPU。一旦施工現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)火情時(shí)，CPU能夠通過(guò)BIM 模擬的模型中檢測(cè)并抽調(diào)出消防設(shè)備的所有信息，從而及時(shí)啟動(dòng)滅火和警報(bào)系統(tǒng)。

3 結(jié)論

基于BIM 的建筑工程安全管理平臺(tái)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的安全進(jìn)行管理，并且涵蓋了從決策到運(yùn)營(yíng)的全部環(huán)節(jié)。運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、空間以及火災(zāi)等情況的模擬，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)的全程安全管理，為施工人員和工程設(shè)備提供切實(shí)有效的安全保障。