基于 BIM 技術(shù)的 PC 構(gòu)件施工安全管理應(yīng)用

黃 瑞，趙小明，楊智明，杜曉英，陳 斌，丁亞飛

（甘肅第六建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

國家近年來大力發(fā)展裝配式建筑，推動科技創(chuàng)新發(fā)展，不僅大力發(fā)展裝配式建筑，而且也在不斷提高裝配率。裝配式建筑具有一定的難點(diǎn)，存在大量安全管理問題，BIM 技術(shù)能夠促進(jìn)建筑施工方面的不斷發(fā)展，裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑相比對科技信息需求更為迫切，基于 BIM 技術(shù)的 PC 構(gòu)件施工安全管理應(yīng)用，是目前急于要解決的問題。

本文以裝配式建筑產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目為例，提出基于 BIM 技術(shù)的 PC 構(gòu)件施工安全管理存在的問題，并對裝配式建筑的特點(diǎn)及施工安全管理等各個方面進(jìn)行了分析及論證，為裝配式建筑施工安全管理提供解決方法。

1 建筑施工安全管理理論

1.1 施工安全管理理念

施工現(xiàn)場安全管理依托于先進(jìn)的管理方式對現(xiàn)場施工進(jìn)行管理，通過管理能及時(shí)掌握并了解施工過程各種不良危害，最終可消除施工過程不安全因素，減少安全施工發(fā)生，達(dá)到施工過程安全目的。安全管控為宏觀管控及微觀管控。宏觀管控依據(jù)政策法規(guī)、政策文件對施工項(xiàng)目進(jìn)行安全管理；微觀管控基于各參與方，即建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理及設(shè)計(jì)單位等對施工項(xiàng)目進(jìn)行安全管理。施工項(xiàng)目根據(jù)自身復(fù)雜程度決定了其有流動性、復(fù)雜性及非常規(guī)等特性。

1.2 安全管理原理

1）系統(tǒng)原理。根據(jù)系統(tǒng)理論等因素對施工安全管理進(jìn)行全面分析，即有安全管理、成本管理、進(jìn)度管理及質(zhì)量管理。

2）人本原理。人既是安全管控主體，也是安全管控客體、基于安全管理的原則，要積極發(fā)揮人在施工現(xiàn)場的主觀能動性。

3）預(yù)防預(yù)控原理。施工現(xiàn)場的安全管理更加側(cè)重于預(yù)防預(yù)控的原則，通過采取相應(yīng)的預(yù)防措施，事前事中采用相應(yīng)技術(shù)措施，能都最大限度地規(guī)避事故的發(fā)生。

4）動態(tài)控制原理。根據(jù)施工現(xiàn)場人員的流動及施工環(huán)境的變化及時(shí)調(diào)整各類施工安全管理方案，能夠確保施工項(xiàng)目的順利實(shí)施。

5）強(qiáng)制原則。依據(jù)強(qiáng)制執(zhí)行力，嚴(yán)格管控施工現(xiàn)場作業(yè)人員行為，避免施工過程中不安全行為的發(fā)生。

6）安全經(jīng)濟(jì)學(xué)風(fēng)險(xiǎn)。投入施工安全管理資金，能夠使得施工項(xiàng)目獲取更多的收益。

1.3 安全管理過程及危險(xiǎn)源識別

施工過程是動態(tài)的，施工安全管理也基于動態(tài)管理。依托項(xiàng)目實(shí)際施工情況，確保施工項(xiàng)目安全目標(biāo)，合理規(guī)劃周邊情況，合理劃分區(qū)域，確定材料的最佳堆放位置。施工相關(guān)政策改變，及時(shí)評價(jià)施工過程中重大風(fēng)險(xiǎn)因素，持續(xù)改進(jìn)以達(dá)施工安全管理目標(biāo)［1-8］。

2 裝配式混凝土（PC）建筑

2.1 PC 建筑概念

裝配式建筑是利用工廠預(yù)制的部品部件組裝而成的建筑物，裝配式混凝土建筑大部分構(gòu)件是由混凝土構(gòu)件組成的。

2.2 PC 建筑特點(diǎn)

與傳統(tǒng)建筑相比，裝配式建筑施工工藝具有一定的先進(jìn)性，基于環(huán)境因素具有下列的特點(diǎn)。

1）現(xiàn)場施工構(gòu)件主要采用工廠預(yù)制化，構(gòu)件精度要求高，機(jī)械化程度高，現(xiàn)場濕作業(yè)少，具有施工速度快，生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。

2）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作構(gòu)件模具可多次重復(fù)使用，具有裝配式構(gòu)件現(xiàn)場組裝噪音小、施工現(xiàn)場污染小及環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

3）施工現(xiàn)場機(jī)械程度高，減少施工人員數(shù)量，且集成化程度高，施工現(xiàn)場物資損耗少，施工現(xiàn)場精細(xì)化程度高。

2.3 PC 建筑施工工藝流程

將工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件養(yǎng)護(hù)后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，通過施工現(xiàn)場裝配建造而成，如圖 1 所示。

圖1 PC 建筑施工工藝流程

3 基于 BIM 技術(shù)的 PC 建筑安全管理

3.1 PC 建筑安全管理問題提出

PC 建筑的施工安全不僅具有傳統(tǒng)施工安全特點(diǎn)，也有施工過程中的其他特點(diǎn)。結(jié)合 PC 建筑施工工藝流程，其特點(diǎn)如下。

1）裝配式構(gòu)件涉及現(xiàn)場堆放及運(yùn)輸問題，這個過程的施工安全管理尤為重要，也是重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2）構(gòu)件重量大、體積大，選擇垂直運(yùn)輸工具尤為重要，吊裝前需嚴(yán)格審查，確保塔吊起重滿足合理要求，塔吊施工處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

3）PC 建筑采用現(xiàn)場拼裝，濕作業(yè)少，施工人員數(shù)量較傳統(tǒng)人員少，方便人員管理。

3.2 基于 BIM 技術(shù)的 PC 建筑安全管理適用性分析

3.2.1 經(jīng)濟(jì)適用性

基于 BIM 技術(shù)的應(yīng)用，不僅需要配置軟件及硬件設(shè)備，而且需要儲備專業(yè)技術(shù)人員。國內(nèi) BIM 軟件所提供的 BIM 軟件服務(wù)費(fèi)高，需高配置的電腦來運(yùn)行 BIM 軟件。

3.2.2 環(huán)境適用性

裝配式建筑與 BIM 技術(shù)基于工業(yè)與信息化應(yīng)用的研究，一方面結(jié)合目前國家的政策要求，符合現(xiàn)行我國政策要求，另一方面裝配式建筑符合“四節(jié)一環(huán)?！苯ㄖ砟睿瑑烧呓Y(jié)合應(yīng)用后在環(huán)境保護(hù)方面具有技術(shù)可行性。

3.3 基于 BIM 技術(shù)的 PC 建筑安全管理模型

3.3.1 安全管理模型設(shè)計(jì)原則

1）動態(tài)性。施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，為保證施工安全管理有效性，需及時(shí)掌握施工現(xiàn)場各種復(fù)雜多變的情況，這些信息在系統(tǒng)中動態(tài)體現(xiàn)。

2）準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確完整的數(shù)據(jù)信息是保證施工安全管理工作的準(zhǔn)確性及高質(zhì)量發(fā)展的首要條件，基于 BIM 技術(shù)的模型建立，是保證施工安全管理準(zhǔn)確性的必要條件。

3）模塊化。根據(jù)建筑施工安全管理模型，將部件管理對象和功能進(jìn)行分區(qū)，按照施工項(xiàng)目具體內(nèi)容要求，施工安全管理應(yīng)用模塊既互相聯(lián)系又互相獨(dú)立。

3.3.2 基于 BIM 技術(shù)的 PC 建筑安全管理模型

為了能夠基于 BIM 技術(shù)對 PC 構(gòu)件施工安全管理進(jìn)行信息化管理，通過建筑施工安全管理原則，對 PC 建筑施工安全管理特點(diǎn)及 PC 建筑施工安全管理問題等方面進(jìn)行闡述，建立了基于 BIM 技術(shù)的 PC 構(gòu)件施工安全管理模型，如圖 2 所示。

圖2 基于 BIM 的 PC 建筑安全管理模型

3.4 基于 BIM 的 PC 建筑安全管理模型應(yīng)用

3.4.1 基于 BIM 技術(shù)的參數(shù)化建模

為實(shí)現(xiàn)基于 BIM 技術(shù)的 PC 構(gòu)件施工安全管理，首要任務(wù)是建立 BIM 模型。基于 BIM 模型的施工安全標(biāo)準(zhǔn)化管理，不單純在施工階段才使用，各階段信息息息相關(guān)，各施工參與方構(gòu)成施工項(xiàng)目整體，通過整體角度考慮施工項(xiàng)目管理，最終使得施工安全管理更加完善。

3.4.2 施工階段基于 BIM 技術(shù)模型應(yīng)用

施工企業(yè)能夠基于模型平臺獲取相應(yīng)信息，施工模型包括進(jìn)度、成本、資源及安全等，不僅可以減少模型建立成本，還可使設(shè)計(jì)和施工階段信息共享，最終達(dá)到不斷深化設(shè)計(jì)的目的。

3.4.3 基于 BIM 的 PC 建筑不安全因素識別

施工項(xiàng)目的安全管理是以建筑物安全識別、確定及衡量施工安全影響因素為基礎(chǔ)，制定、選擇和實(shí)施施工安全決策方案過程，堅(jiān)持了“預(yù)防為主”的思想，辨識出施工作業(yè)危險(xiǎn)因素，采取針對性的安全防范措施，確保施工項(xiàng)目管理人員安全。

4 項(xiàng)目概況

4.1 工程概況

本工程為天水裝配式建筑產(chǎn)業(yè)園一期建設(shè)項(xiàng)目，工程主要分為兩部分，辦公區(qū)及食堂。主要有兩部分工作，一是根據(jù)構(gòu)件深化設(shè)計(jì)圖紙，建立不同類型的裝配式構(gòu)件，建立 BIM 模型；二是提出施工安全管理模型，對模型進(jìn)行應(yīng)用實(shí)施。

4.2 應(yīng)用流程

首先通過定位目標(biāo)確定 BIM 應(yīng)用范圍，縮短工期，提高生產(chǎn)效率，減少施工現(xiàn)場安全事故的發(fā)生?；?BIM 技術(shù)的 PC 構(gòu)件對施工過程中的安全隱患進(jìn)行動態(tài)識別，及時(shí)調(diào)整施工方案，最終力求解決 PC 構(gòu)件建筑施工安全管理方面的問題。

首先依據(jù)拆分后的施工詳圖建立各類裝配式構(gòu)件的三維模型，主要包括 PC 構(gòu)件的幾何信息及非幾何信息，然后通過預(yù)制構(gòu)件拼裝 PC 構(gòu)件模型，最后根據(jù)完成的 PC 建筑 BIM 模型，融入施工進(jìn)度模型，從而實(shí)現(xiàn)虛擬施工。通過模擬能夠識別出施工現(xiàn)場潛在的各類危險(xiǎn)因素，避免施工現(xiàn)場安全事故的發(fā)生，如圖 3 所示。

圖3 BIM應(yīng)用流程

4.3 BIM 建模

4.3.1 工具選擇

基于 BIM 軟件操作平臺，在 Revit 中建立復(fù)雜的參數(shù)化構(gòu)件，如表 1 所示。

表1 項(xiàng)目 BIM 軟件配置

4.3.2 BIM 參數(shù)化建模

PC 構(gòu)件需進(jìn)行拼裝，要依據(jù)深化設(shè)計(jì)圖紙并建立 PC 構(gòu)件 BIM 模型。BIM 模型中包含的預(yù)制構(gòu)件數(shù)量多，信息量大。本文以現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)圖集為基礎(chǔ)，總結(jié)出一套裝配式構(gòu)件建模標(biāo)準(zhǔn)，基于此標(biāo)準(zhǔn)建立相應(yīng)模型，確保 BIM 模型中構(gòu)件的有效識別與管理，從而保證裝配式建筑 BIM 模型的規(guī)范性，如圖 4～圖 5 所示。

圖4 預(yù)制外墻三維模型和參數(shù)信息

圖5 整體 BIM 模型

4.4 基于 BIM 的 PC 建筑施工安全管理應(yīng)用

4.4.1 施工場地模擬

本工程采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，PC 構(gòu)件量多類廣，施工現(xiàn)場 PC 構(gòu)件需車輛進(jìn)行運(yùn)輸，大型設(shè)備設(shè)施較多，如若不能合理進(jìn)行規(guī)劃，會造成施工安全事故的發(fā)生。依據(jù) BIM 的三維模式充分展示了施工現(xiàn)場，充分考慮各種施工因素并結(jié)合施工方案進(jìn)行施工現(xiàn)場的 PC 構(gòu)件堆放區(qū)、施工機(jī)械停放區(qū)等的布設(shè)，如圖 6 所示。

圖6 PC 建筑施工場地模擬示意圖

4.4.2 施工動態(tài)模擬

施工過程復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的橫道圖及網(wǎng)絡(luò)圖不能清晰描繪出施工進(jìn)度全部過程，更不易表達(dá)動態(tài)關(guān)系。PC 構(gòu)件施工現(xiàn)場布置緊密，交叉作業(yè)多，構(gòu)件進(jìn)場堆放問題顯得尤為重要，二維施工布置圖紙不能指導(dǎo)復(fù)雜施工現(xiàn)場施工，因此基于 BIM 技術(shù)對 PC 建筑進(jìn)行動態(tài)施工模擬能夠讓現(xiàn)場施工作業(yè)人員把握好施工作業(yè)計(jì)劃，優(yōu)化施工資源。如圖 7～圖 10 所示。

圖7 PC 建筑施工動態(tài)模擬技術(shù)路線

圖8 施工模擬示意圖

圖9 預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場模擬

圖10 預(yù)制外墻吊裝模擬

4.4.3 可視化交底

BIM 技術(shù)具有可視化特點(diǎn)，建筑外部虛擬施工可明確危險(xiǎn)源類型及位置，現(xiàn)場施工人員能夠更好接受直觀的技術(shù)交底與安全交底。在內(nèi)部漫游過程中，隨著現(xiàn)場人員的行走，可清晰觀察到電梯井部位置及疊合板位置?；?BIM 技術(shù)的可視化安全培訓(xùn)工作，通過內(nèi)部漫游形式將培訓(xùn)工作全面落到實(shí)處，利用場景仿真技術(shù)，依據(jù)施工安全策略及施工安全細(xì)則，在能夠強(qiáng)化安全培訓(xùn)效果、提升培訓(xùn)效率的同時(shí)，還能減少時(shí)間及資金方面浪費(fèi)，如圖 11 所示。

圖11 電梯井部位漫游示意圖

4.4.4 臨邊、洞口防墜落保護(hù)

裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化程度高，高度通常達(dá)幾十米，需施工人員在高處作業(yè)。施工現(xiàn)場有大量預(yù)留洞口，作業(yè)邊緣如若沒有維護(hù)設(shè)施，高處作業(yè)會發(fā)生物體打擊等安全事故。運(yùn)用基于 BIM 虛擬施工技術(shù)，借助漫游手段，能夠快速準(zhǔn)確找到施工過程中不同部位墜落安全隱患。建立臨邊洞口防護(hù)模型，形成防墜保護(hù)系統(tǒng)，為施工現(xiàn)場作業(yè)人員提供可視化管理平臺，利用施工進(jìn)度模擬，依據(jù)進(jìn)度對防護(hù)欄桿進(jìn)行安裝、拆除，最終達(dá)到節(jié)約成本和循環(huán)使用的目的，如圖 12～圖 13 所示。

圖12 臨邊洞口防護(hù)設(shè)施示意圖一

圖13 臨邊洞口防護(hù)設(shè)施示意圖二

4.4.5 塔吊施工安全管理

裝配式建筑施工中構(gòu)件需現(xiàn)場拼裝，塔吊是最為重要的工具。PC 構(gòu)件體積大，不能很好地完成預(yù)制構(gòu)件的拆除工作。本工程需多臺塔吊同時(shí)作業(yè)，工作過程中存在交叉現(xiàn)象，有效管理塔吊工作是施工安全管控的第一保證。塔吊間距、與建筑物距離、回轉(zhuǎn)半徑及作業(yè)區(qū)域都應(yīng)做好詳細(xì)規(guī)劃，因此確定塔吊安全位置、合理作業(yè)區(qū)域及高度變得更加重要。優(yōu)化后的塔吊施工方案不但滿足施工現(xiàn)場及裝配式建筑施工精度要求，而且降低施工塔吊安全風(fēng)險(xiǎn)，避免塔吊發(fā)生碰撞，如圖 14 所示。

圖14 塔吊運(yùn)行模擬圖

4.5 應(yīng)用效果評價(jià)

本工程基于 BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn) PC 構(gòu)件五大方面施工安全管理，共有兩部分，一是直接基于 BIM 技術(shù)的施工安全管理，二是基于 BIM 技術(shù)識別施工中的不安全因素，采取相應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)安全施工管理。可視化交底和臨邊洞口的防墜落保護(hù)是第一種情況，施工過程模擬、施工現(xiàn)場模擬及塔吊避免交叉作業(yè)是第二種情況。本文通過案例分析，說明基于 BIM 技術(shù)的 PC 構(gòu)件施工安全管理具有一定的優(yōu)勢：通過 BIM 可視化特點(diǎn)，模擬分析中及時(shí)發(fā)現(xiàn)不安全因素，能夠快速將施工項(xiàng)目中未設(shè)置封閉擋墻、構(gòu)件堆放不合理等不安全因素識別出來，基于 BIM 技術(shù)的施工動態(tài)模擬識別出未采取臨邊防護(hù)措施、多塔之間互相作業(yè)等不安全因素。虛擬施工技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場不安全因素，做好施工風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，增強(qiáng)施工安全管理的事前控制效果；其次 BIM 可視化交底可提高施工安全技術(shù)交底的直觀性及有效性，BIM 技術(shù)能夠有效解決施工吊裝中操作不當(dāng)、施工作業(yè)人員素質(zhì)低、高空圍擋不到位等施工現(xiàn)場安全問題，對施工難度大、工序要求高等問題，能夠借助動態(tài)漫游和施工工藝的方式，形象直觀將操作場景展現(xiàn)于施工作業(yè)人員面前，基于 BIM 技術(shù)的 PC 構(gòu)件施工安全管理可以解決溝通不到位問題，提高各方協(xié)同效率。

5 結(jié)論

本文從裝配式建筑特點(diǎn)和傳統(tǒng)建筑施工安全管理方面進(jìn)行探討及分析，提出裝配式建筑施工安全管理等方面存在的問題，建立了相關(guān)裝配式建筑施工安全管理模型，通過現(xiàn)場實(shí)際案例驗(yàn)證模型的可行性，主要成果如下。

1）基于裝配式建筑特點(diǎn)和裝配式建筑施工安全管理理論，提出目前我國裝配式建筑在施工安全管理方面所存在的問題。

2）基于不同施工階段的不安全因素進(jìn)行分類，通過對比傳統(tǒng)建筑施工不安全因素，更加凸顯了基于 BIM 技術(shù)來模擬施工現(xiàn)場不安全因素的優(yōu)越性。

3）結(jié)合裝配式 PC 構(gòu)件施工安全管理的特點(diǎn)，建立基于 BIM 技術(shù)的 PC 構(gòu)件施工安全管理的模型框架，為施工安全管理提供參考依據(jù)。

4）結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行分析，研究基于 BIM 技術(shù)解決 PC 構(gòu)件施工安全管理在施工現(xiàn)場布置、虛擬施工、臨邊洞口防護(hù)、塔吊防碰撞等安全管理方面的應(yīng)用，驗(yàn)證基于 BIM 的 PC 構(gòu)件施工安全管理框架模型可行性及適用性，以期對 PC 建筑施工安全管理提供一定理論及實(shí)踐意義。Q