試析裝配式建筑安全管理中BIM技術(shù)的應(yīng)用

文／翁益民 上海市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站 上海 200032

引言：

我國的裝配式建筑正處在起步的階段，施工管理經(jīng)驗及理論技術(shù)研究相對缺乏致使現(xiàn)階段裝配式建筑安全管理風(fēng)險上升。建筑信息模型BIM技術(shù)是一種三維幾何數(shù)據(jù)模型，作為信息化技術(shù)的一種，其準(zhǔn)確的定義應(yīng)該為：利用數(shù)字化的表達(dá)方式將建筑項目的物理特性和功能特征展現(xiàn)出來，BIM技術(shù)是建筑項目全周期可靠的知識共享及決策基礎(chǔ)，同時也是構(gòu)建建筑虛擬模型的行為。可見BIM技術(shù)在建筑初期就為項目提供了施工方案，策劃，及程序保證。BIM還擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力。其強大的加點處理能力和多用戶協(xié)同工作模式給工程進(jìn)度節(jié)省了時間，其數(shù)據(jù)可以與云端技術(shù)相結(jié)合，數(shù)據(jù)隨取隨用，模型和圖紙的永久關(guān)聯(lián)保證了構(gòu)件準(zhǔn)確的制造。BIM技術(shù)采用模塊化的方式建模，接觸構(gòu)件都包含建筑信息和屬性，在遇到需要變動的情況下，只需要對相關(guān)模塊的屬性進(jìn)行修改。整個施工項目都可在BIM技術(shù)平臺實現(xiàn)，其施工階段主要包括規(guī)劃，設(shè)計，施工，運營維護(hù)等。

裝配施工的BIM可視化交底技術(shù)實現(xiàn)：所有裝配建筑的工序，施工關(guān)鍵注意點，安裝步驟及風(fēng)險點，以及質(zhì)量交接工藝標(biāo)準(zhǔn)等，這些都可以以視頻文件的方式進(jìn)行傳輸，播放，給現(xiàn)場工人施工，提供了極大的便利性。BIM技術(shù)的設(shè)計思路不同于傳統(tǒng)建筑設(shè)計理念，將整體思路進(jìn)行分解細(xì)化，并將設(shè)計方法劃分成四個階段：預(yù)制構(gòu)件庫構(gòu)建形、BIM模型構(gòu)建、BIM模型結(jié)構(gòu)參數(shù)分析與BIM模型建造實施。

圖1 裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

具體操作在裝配式建筑的施工階段，主要作用在兩個方面：（1）構(gòu)件管理：構(gòu)件實體的管理以及施工中質(zhì)量進(jìn)度控制的結(jié)合對構(gòu)件的生產(chǎn)和運輸及在施工現(xiàn)場的存儲管理和施工進(jìn)度質(zhì)量等成本控制實現(xiàn)完整監(jiān)控。（2）施工過程中的質(zhì)量與進(jìn)度控制：通過BIM的標(biāo)簽技術(shù)、生產(chǎn)工藝、施工過程、運營維護(hù)、報廢回收等階段結(jié)合起來，不但可以解決信息創(chuàng)建、管理、傳遞的問題，還可以將三維圖紙，裝配過程，管理過程的全程跟蹤通過BIM數(shù)據(jù)庫為裝配式建筑施工奠定基礎(chǔ)，對于實現(xiàn)建筑工業(yè)化有極大推動作用。

圖2 基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

1、裝配式建筑施工危險源分析

裝配式建筑日益發(fā)展成為我國建筑業(yè)的中堅力量，諸多傳統(tǒng)現(xiàn)澆式建筑安全隱患在裝配式建筑施工機械化、生產(chǎn)工廠化等優(yōu)勢下不復(fù)存在。然而裝配式建筑機械拆裝、構(gòu)件吊裝、人機配合等復(fù)雜作業(yè)較多，稍有不慎即有可能引發(fā)安全事故，新的安全隱患危險源仍不容忽視。

1.1 施工方案編制不清晰

裝配式建筑配合環(huán)節(jié)眾多。其中施工方案在編制過程中難免有漏洞，尤其在臨時性工程上表現(xiàn)明顯。例如裝配式陽臺板，預(yù)制梁等預(yù)制構(gòu)件的安裝都需要在吊裝時設(shè)置臨時支撐部件，但是在施工方案中對代固定件的連接方式和大件的支撐點位置等表述不清楚，在現(xiàn)場實際生產(chǎn)中一旦安裝偏差過大，臨時支撐系統(tǒng)很容易發(fā)生受力不均，站樁不穩(wěn)等安全隱患，有時還會發(fā)生預(yù)制構(gòu)件失穩(wěn)的安全事故。

由此看出，施工方案對工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度等均能產(chǎn)生直接的影響，而且還會牽涉到建設(shè)項目的人力、物力、環(huán)境和技術(shù)等多個方面的影響維度。

1.2 施工場地布局不合理

裝配式建筑的最大特點就是，標(biāo)準(zhǔn)件的施工順序及吊裝組合。在施工前就需要將相應(yīng)物資運輸儲存，以保證工程建設(shè)的順利開展。例如裝配式建筑構(gòu)件現(xiàn)場存放位置與物料運輸，塔吊運轉(zhuǎn)等諸多環(huán)節(jié)前后相關(guān)，若擺放位置不合理，則塔吊運轉(zhuǎn)時將極易與較大構(gòu)件發(fā)生碰撞，引發(fā)構(gòu)件墜落、倒塌等重大安全事故。另外，裝配式建筑還存在交叉作業(yè)較多的安全隱患。無論從時間跨度，還是立體跨度，交叉作業(yè)都在所難免。

1.3 現(xiàn)場施工作業(yè)安全隱患

塔吊設(shè)備是裝配式建筑最重要的吊裝工具，頻繁的吊裝作業(yè)也預(yù)示著安全風(fēng)險會增加。也是裝配式建筑使用最多的大型機械工具之一。塔吊的安全運行對項目安全施工至關(guān)重要。在實際運行當(dāng)中，塔吊經(jīng)常出現(xiàn)的故障主要由：機械故障、操作失誤、塔吊指揮不當(dāng)、引導(dǎo)員配合不當(dāng)?shù)取Ｃ恳粋€失誤都會引發(fā)嚴(yán)重的安全事故：如構(gòu)件墜落、碰撞、倒塌等。

1.4 現(xiàn)場應(yīng)急疏散方案不完善

建立有效的建筑施工現(xiàn)場應(yīng)急疏散方案是提升職工自救能力及應(yīng)對突發(fā)事件綜合能力的重要保障，但是部分現(xiàn)場單位僅是簡單地將過往所編制方案用于當(dāng)前工程之中，導(dǎo)致其具體內(nèi)容與施工現(xiàn)場存在偏差，一日發(fā)生重大安全事故，施工人員將無法及時確定疏散路徑，有效進(jìn)行人員疏散，繼而導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生。

1.5 安全培訓(xùn)工作未落實

裝配式建筑的從業(yè)人員必須進(jìn)行嚴(yán)格的安全教育，并建立三級教育制度，從入職到上崗，安全教育應(yīng)該貫穿施工人員的整個作業(yè)過程，并將技術(shù)與安全相結(jié)合。在安全教育過程中，應(yīng)該避免說教宣講、死記硬背書面考試的形式，有條件的可以開展實訓(xùn)操作，構(gòu)件拼接，事故教訓(xùn)及模擬體驗，等進(jìn)一步較深員工的安全意識。所有安全教育要留檔，有記錄，并定時檢查培訓(xùn)效果。

2、裝配式建筑安全管理中BIM技術(shù)的應(yīng)用

通過質(zhì)量控制、場地布置等應(yīng)用場景對BIM在裝配式建筑安全管理中的應(yīng)用情況進(jìn)行展示。

2.1 施工方案優(yōu)化

施工方案優(yōu)化對于裝配式建筑項目實現(xiàn)效益最大化意義重大。傳統(tǒng)方式下施工方案的優(yōu)化主要依靠施工前現(xiàn)場調(diào)研，制定多組施工方案以備項目經(jīng)理做出最優(yōu)化選擇。此方式下制定的施工方案過多依賴現(xiàn)場調(diào)研人員的主觀經(jīng)驗完成，對施工過程及技術(shù)細(xì)節(jié)很難全面展示和精準(zhǔn)把握，方案中難免出現(xiàn)設(shè)計漏洞，不能法足裝配式建筑構(gòu)件精準(zhǔn)化施工的要求。運用BIM技術(shù)對相關(guān)施工方案進(jìn)行比選時，通過創(chuàng)建相應(yīng)的安全信息模型對不同的施工方案進(jìn)行三維模擬，在施工前仿真模擬出預(yù)制構(gòu)件從進(jìn)場到安裝的全過程，并重點反復(fù)進(jìn)行碰撞監(jiān)測分析，使安全隱患在施工模擬中徹底暴露，為施工方案的優(yōu)化比選提供依據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)出具的分析報告，不斷深化改進(jìn)預(yù)制構(gòu)件的吊裝、安裝、運輸、堆放、設(shè)計等方案，使最終的裝配式建筑施工方案達(dá)到最優(yōu)化安全施工效果。

2.2 施工場地布局調(diào)整

裝配式建筑是由大量預(yù)制構(gòu)件所組成，交叉作業(yè)多，施工工藝復(fù)雜施工環(huán)境復(fù)雜多變，出于施工區(qū)域空間方面的限制施工現(xiàn)場布置方案設(shè)計如果不夠合理，將會嚴(yán)重影響到施工后期的吊裝過程，其至出現(xiàn)沖突安全事故。傳統(tǒng)圖紙停留在紙面描述，對裝配式建筑現(xiàn)場布置中的沖突錯漏無法動態(tài)展現(xiàn)。BIM安全信息模型能夠?qū)?gòu)建堆放、機械設(shè)備、道路設(shè)施、地形地貌等施工總平面布置效果進(jìn)行可視模擬，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建場地布置模型進(jìn)一步對塔吊作業(yè)、車輛運輸、構(gòu)件存放等環(huán)節(jié)進(jìn)行動態(tài)模擬，提前發(fā)現(xiàn)識別場地布置方案中的碰撞點、沖突點等存有安全隱患之處，并利用BIM軟件進(jìn)行模擬優(yōu)化，從而實現(xiàn)最優(yōu)化的布置效果。

2.3 施工現(xiàn)場安全檢查防護(hù)

傳統(tǒng)施工管理很難對危險源及時準(zhǔn)確定位，BIM安全管理模型將項目進(jìn)度、設(shè)計變更信息同步輸入，使安全設(shè)計驗證與安全規(guī)則檢查能夠伴隨項目進(jìn)展變化同步完成，并對危險源問題及時標(biāo)注提醒，提高安全檢查的時效性、準(zhǔn)確性。利用BIM防護(hù)功能和BIM模型提供給施工需要防護(hù)功能的部位，然后對需要預(yù)先進(jìn)行防護(hù)的“四口”和“五臨邊”等事故高發(fā)區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，以防現(xiàn)場工作人員誤入危險區(qū)發(fā)生危險，利用BIM還可以對現(xiàn)場防護(hù)設(shè)施設(shè)置合理性及防護(hù)效果進(jìn)行實時動態(tài)地模擬檢查。此外，模型中包含的項目所在地的氣候、天氣、地質(zhì)、材料等各項因素，也能為安全檢查和防護(hù)提供多維度信息支持。

總之，利用BIM對建筑工程施工安全隱患進(jìn)行動態(tài)管控，保證安全檢查時效性，降低建筑施工安全風(fēng)險發(fā)生概率。

2.4 安全應(yīng)急疏散方案優(yōu)化

創(chuàng)造安全疏散逃生條件是裝配式建筑施工現(xiàn)場發(fā)生事故時避免擁堵、踩踏等次生事故，減少人員傷亡的關(guān)鍵。將BIM安全信息模型和Pathfinder等應(yīng)急疏散模擬軟件相結(jié)合，將BIM模型轉(zhuǎn)化為應(yīng)急疏散軟件可識別格式后進(jìn)行導(dǎo)入，在BIM模型中對施工現(xiàn)場環(huán)境的全景模擬，利用疏散模擬軟件的人員蔬散路徑、時間計算、模擬功能，對施工現(xiàn)場進(jìn)行動態(tài)化疏散場景模擬，直觀觀察分析疏散路徑、人員分布、疏散速度等關(guān)鍵節(jié)點情況，并根據(jù)生成的圖表數(shù)據(jù)協(xié)助判斷分析，對既定應(yīng)急疏散方案進(jìn)行有的放矢地調(diào)整改進(jìn)，最終生成最優(yōu)應(yīng)急疏散方案。

2.5 安全教育培訓(xùn)

BIM安全信息模型可以使用3D或4D技術(shù)逼真展示建筑的建造順序，以及更加具體、真實地展示設(shè)備、材料、人員等各項參數(shù)。對機械進(jìn)場出場路線等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)演。在漫游路徑中將安全事故的發(fā)生過程以動畫視頻的形式節(jié)選導(dǎo)出，得到逼真的安全事故情景。再將視頻動畫導(dǎo)入VR引擎，在VR眼鏡、手柄等設(shè)備的輔助配合下，施工人員將體驗到“身臨其境”的事故現(xiàn)場感受。這種新型的安全培訓(xùn)方式改變了傳統(tǒng)古板的教育形式，從以往的“說教式”教育跨越到如今的“沉浸體驗式”教育，更能激發(fā)工人參加安全培訓(xùn)的熱情，進(jìn)一步加強現(xiàn)場施工人員的安全意識，使安全培訓(xùn)能起到更好的警示效果。

3、工程應(yīng)用案例

蘇州政務(wù)中心綜合停車樓項目，位于蘇州市政府北側(cè)地塊。停車綜合樓建筑總高度為57.15米，總建筑面積48972.21平方米，其中地上建筑面積42085.27平方米，地下建筑面積6886.94平方米。

該項目將裝配整體式框架與現(xiàn)澆核心筒結(jié)構(gòu)體系相結(jié)合，是一種典型的預(yù)制裝配式建筑類型。整個項目圍欄及基礎(chǔ)構(gòu)件裝配率達(dá)到92%，其余構(gòu)件預(yù)制率占比達(dá)到54%。整個項目研發(fā)著重與多組合，多裝配，少規(guī)格的基本原則和手段。將預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，種類簡單化，從而降低項目成本，體現(xiàn)裝配式建筑的優(yōu)勢特點；另外，在施工技術(shù)方面加強與結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新整合，達(dá)到整個施工過程降低腳手架搭設(shè)，無需外模板貼合，減少抹灰面積，無現(xiàn)場堆砌的綠色建筑工程，既達(dá)到縮短工期的目的，又實現(xiàn)了項目的環(huán)境保護(hù)。

該項目中的BIM應(yīng)用主要體現(xiàn)在：建筑性能設(shè)計的模擬利用了Revit軟件核心平臺；預(yù)制梁柱節(jié)點的精細(xì)化設(shè)計采用了Cartier軟件平臺；施工過程的可視化模擬和碰撞檢查應(yīng)用魯班軟件來實現(xiàn)。該裝配式建筑最后獲得了江蘇省建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化示范項目和國家住建部裝配式建筑科技示范項目的榮譽，是一例典型的裝配式建筑應(yīng)用。

結(jié)語：

綜上分析裝配式建筑安全管理中引進(jìn)和應(yīng)用BIM技術(shù)，有效提高了施工質(zhì)量并控制返工率，既降低了施工成本，在一定程度上又能夠減少事故發(fā)生，達(dá)到經(jīng)濟化、安全化施工效果。同時，基于BIM技術(shù)的施工安全預(yù)防機制對裝配式建筑生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的建立更具有直觀和便利性，技術(shù)與實踐相結(jié)合，對人、機、料、法，環(huán)，測等各個方面的持續(xù)優(yōu)化提供了支撐平臺?？傊?，BIM技術(shù)的應(yīng)用引導(dǎo)裝配式建筑安全管理從平面化向立體化轉(zhuǎn)變，提升安全管理的模擬性和智能化，降低安全風(fēng)險和事故的發(fā)生率推動裝配式建筑施工向最佳管控模式靠攏。