基于BIM技術(shù)的高層建筑施工安全管理分析

文｜北京京石建業(yè)建設(shè)工程有限公司 宋淳

BIM 技術(shù)即建筑信息模型技術(shù)，是指基于與建筑工程有關(guān)的真實(shí)數(shù)據(jù)，在BIM軟件中構(gòu)建建筑模型，通過數(shù)字信息完成建筑物各項(xiàng)信息的模擬與仿真。這種技術(shù)并非簡(jiǎn)單地將數(shù)字信息進(jìn)行集成，而是在利用數(shù)字信息的基礎(chǔ)上，將建筑設(shè)計(jì)、施工建造、管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)，從而創(chuàng)設(shè)出新的建筑工程管理模式，最終令建筑工程的施工效率顯著提高、安全事件的發(fā)生率大幅度降低?？傮w而言，BIM 技術(shù)應(yīng)用于高層建筑施工安全管理時(shí)能夠發(fā)揮較強(qiáng)的作用，值得深入分析。

1.BIM 技術(shù)應(yīng)用于高層建筑施工安全管理方面的適用性分析

1.1 BIM 技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

BIM 技術(shù)應(yīng)用于高層建筑施工安全管理工作時(shí)呈現(xiàn)出的特點(diǎn)為：不僅在施工階段應(yīng)用，而是從建筑工程項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)乃至全生命周期中均有所應(yīng)用[1]。比如在設(shè)計(jì)階段：技術(shù)人員在獲得原始數(shù)據(jù)之后，將擬建建筑體的外部形態(tài)、內(nèi)部構(gòu)造以虛擬建筑模型的形式予以呈現(xiàn)，可以使施工單位、業(yè)主單位的施工參與人員直觀、清晰地觀察，以便在項(xiàng)目初期便提高了解程度。進(jìn)入施工階段之后，BIM 虛擬建筑模型會(huì)配合分階段、分項(xiàng)工程，為每一家施工參與單位提供具有針對(duì)性的虛擬模型。如負(fù)責(zé)建筑結(jié)構(gòu)施工單位會(huì)獲得鋼筋、模板、混凝土的三維虛擬模型圖；機(jī)電安裝單位會(huì)獲得建筑內(nèi)部空間、管道布設(shè)三維模型；幕墻施工單位會(huì)獲得建筑內(nèi)隱蔽區(qū)、支護(hù)結(jié)構(gòu)存放區(qū)的三維模型。這些模型可根據(jù)施工單位的需求而拉近、拉遠(yuǎn)、隨意調(diào)整視角，進(jìn)而為具體施工提供諸多便利。除此之外，現(xiàn)場(chǎng)管理人員可根據(jù)多種具體的三維模型，對(duì)施工進(jìn)度、各項(xiàng)施工細(xì)節(jié)進(jìn)行深度管理，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除施工現(xiàn)場(chǎng)存在的安全隱患，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 BIM 技術(shù)應(yīng)用于高層建筑施工安全管理工作的適用性

BIM 技術(shù)應(yīng)用于高層建筑施工安全管理工作的主要流程如圖1所示。從中可以看到，完成模型的建設(shè)之后，技術(shù)人員可采用多種方法完成信息的處理與傳遞，可以將工程進(jìn)展情況、管理情況實(shí)時(shí)傳遞給有關(guān)人員，進(jìn)而整體性提高工程現(xiàn)場(chǎng)管理水平。其中，與施工安全管理有關(guān)的內(nèi)容如圖2所示?？傮w來看，應(yīng)用BIM 技術(shù)之后，高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的所有事項(xiàng)都會(huì)得到系統(tǒng)性地總結(jié)，工程進(jìn)展至任何階段、使用任何材料時(shí)都會(huì)在虛擬建筑模型中有所體現(xiàn)，實(shí)際上便是對(duì)施工進(jìn)程進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，安全性可大幅度提高。

圖1 BIM 技術(shù)應(yīng)用于建筑工程的結(jié)構(gòu)總圖

圖2 基于BIM 模型的施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理要素

2.BIM 技術(shù)在高層建筑施工安全管理工作中的具體應(yīng)用

2.1 高層建筑施工安全管理資料的收集與整理

BIM 技術(shù)應(yīng)用于高層建筑施工安全管理工作時(shí)，首先需要對(duì)各項(xiàng)資料進(jìn)行收集與整理[2]。具體而言：其一，高層建筑施工場(chǎng)地內(nèi)的道路標(biāo)高、給排水系統(tǒng)、塔吊及升降機(jī)等設(shè)備的位置必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)確定完畢，相關(guān)信息應(yīng)如實(shí)顯示在BIM 虛擬模型中。其二，鋼筋加工棚、鋼筋成品存儲(chǔ)區(qū)、施工電力相關(guān)設(shè)備（包括電箱、防護(hù)棚、變壓器等）、消防器材、圍擋等應(yīng)該呈現(xiàn)出什么樣的外在形態(tài)同樣需要呈現(xiàn)在BIM 虛擬模型中?，F(xiàn)場(chǎng)管理人員基于BIM模型，可進(jìn)行有效指導(dǎo)，從而確保各項(xiàng)工作有條不紊地開展。其三，技術(shù)人員可將施工總平臺(tái)圖布置成三維模式，進(jìn)而以立體化的形式將施工現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)一道工序或一個(gè)施工團(tuán)隊(duì)的工作完成后，即將轉(zhuǎn)化到下一個(gè)施工階段之前，管理人員可利用BIM 模型，對(duì)場(chǎng)內(nèi)的各項(xiàng)元素進(jìn)行“預(yù)演布置”，發(fā)現(xiàn)并解決各項(xiàng)矛盾，最終找出最優(yōu)解決方案，提高施工場(chǎng)地的運(yùn)用效率。

2.2 基于BIM 技術(shù)的虛擬化施工組織開展

高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)參與人多、設(shè)備材料多，空間有限。在這種條件相對(duì)特殊的空間結(jié)構(gòu)中進(jìn)行復(fù)雜程度較高、難度較大的施工作業(yè)時(shí)，為數(shù)眾多的立體化交叉作業(yè)便是必不可少的內(nèi)容。如果現(xiàn)場(chǎng)的規(guī)劃布局、協(xié)調(diào)工作開展質(zhì)量不佳，大概率會(huì)生成多項(xiàng)安全隱患。為有效規(guī)避上述問題，管理人員應(yīng)當(dāng)應(yīng)用BIM 技術(shù)，提前完成虛擬化的施工組織工作。

2.3 基于BIM 技術(shù)的高層建筑施工安全管理體系的構(gòu)建

構(gòu)建高層建筑施工安全管理體系的思路如圖3所示。相關(guān)考慮如下：其一，如上文所述，施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)空間相對(duì)有限，為保證施工安全，最好能夠在正式施工前進(jìn)行模擬，從而印證施工方案的可行性。其二，利用BIM 模型，對(duì)建筑工程的施工、運(yùn)營等多個(gè)階段的具體方案進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)反饋結(jié)果不斷調(diào)整方案，直至找到最優(yōu)解。

圖3 基于BIM 技術(shù)的施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理方案構(gòu)建思路

3.基于BIM 技術(shù)的高層建筑施工過程安全管理

3.1 施工相關(guān)資料的查詢與追溯管理

BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并不僅僅在于“構(gòu)建虛擬模型”，相關(guān)軟件一般會(huì)配備充足的存儲(chǔ)空間，足以將海量信息資源按照一定的順序存儲(chǔ)于其中[3]。比如管理人員可以基于各部門崗位職責(zé)的差異，將各部門的資料關(guān)聯(lián)到BIM 模型的各個(gè)位置，最終呈現(xiàn)出的便是“竣工模型”?；谶@個(gè)模型，施工相關(guān)人員可以隨時(shí)對(duì)目標(biāo)資料進(jìn)行快速查找，甚至是基于編號(hào)審查各種材料的應(yīng)用情況，進(jìn)而與實(shí)際施工結(jié)果相比對(duì)。如圖4為BIM 軟件的操作界面，圖中藍(lán)灰色選中區(qū)域?yàn)楦邔咏ㄖ骋粚拥臉翘?。選中該區(qū)域之后，“屬性”中會(huì)清晰呈現(xiàn)出構(gòu)件名稱，所屬大小分類、所在樓層及具體位置。除此之外，選種區(qū)域應(yīng)該呈現(xiàn)出什么樣的截面形狀和平面形狀，底標(biāo)高、混凝土等級(jí)（如需要進(jìn)行混凝土澆筑施工）、擬采用的施工方式、模板類型等信息都會(huì)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。管理人員如果發(fā)現(xiàn)某區(qū)域的實(shí)際施工效果、所用材料與BIM 軟件中給出的信息存在差異，意味著施工現(xiàn)場(chǎng)可能已經(jīng)埋下了安全隱患，需要立刻進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，盡量降低安全事故的發(fā)生率及嚴(yán)重程度。

3.2 基于BIM 軟件設(shè)備提醒功能施工安全管理要素

在高層建筑施工期間，現(xiàn)場(chǎng)使用的塔吊等設(shè)備總重量較大、輻射范圍廣，在整體上支撐工程進(jìn)度。如果這些設(shè)備本身存在質(zhì)量問題，同樣會(huì)埋下安全隱患。因此，借助BIM 軟件的設(shè)備提醒功能，管理人員可對(duì)設(shè)備的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督。如圖5所示與圖4顯示結(jié)果類似，是針對(duì)建筑內(nèi)的管道排布情況構(gòu)建的BIM 虛擬模型。從中可以清晰地看到管道的整體排布走向、閥門所在位置等。圖5實(shí)時(shí)反饋的效果是：操作人員選中了其中一個(gè)管道泵（紅色），點(diǎn)擊后“屬性”菜單一欄便自動(dòng)彈開，給出的信息包括：①構(gòu)件的名稱：自動(dòng)攪勻潛水泵；②構(gòu)件所屬專業(yè)：給排水方面；③構(gòu)件所屬大類/小類，分別對(duì)應(yīng)設(shè)備、給排水設(shè)備；④系統(tǒng)編號(hào)：污水系統(tǒng)//污水管；⑤插入點(diǎn)標(biāo)高：-800mm；⑥所屬樓層：-1 層；⑦構(gòu)建型號(hào)：JYWQ50-25-10 ～15-1200-2.2；⑧構(gòu)件單體質(zhì)量：60kg；⑨所選中區(qū)域構(gòu)件消耗量（自動(dòng)攪勻潛水泵構(gòu)件的數(shù)量）：1 只。對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理人員來說，相對(duì)最重要的信息是第九項(xiàng)。原因在于：選中區(qū)域的內(nèi)容是一個(gè)單獨(dú)潛水泵構(gòu)件，按照BIM 軟件給出的描述，管理人員可以對(duì)設(shè)備數(shù)量等信息進(jìn)行核查。如果最終結(jié)果與實(shí)際情況相符，則基本可以認(rèn)定無問題，若結(jié)果不相符，管理人員需要對(duì)構(gòu)件的使用過程進(jìn)行排查，確定相關(guān)責(zé)任人。

圖4 BIM 軟件的“信息追溯對(duì)照”功能實(shí)際操作效果圖

圖5 BIM 軟件中設(shè)備提醒操作界面圖

3.3 基于BIM 技術(shù)深化施工圖及施工碰撞規(guī)避管理

在BIM 技術(shù)出現(xiàn)之前，施工現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員及管理人員一般使用AutoCAD 軟件對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)電工程、幕墻工程的施工方案、施工準(zhǔn)備工作進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。得出的結(jié)果往往與預(yù)期之間存在一定的差距。特別是構(gòu)件尺寸加工方面經(jīng)常出現(xiàn)較大的偏差，導(dǎo)致施工人員按照相關(guān)的方案進(jìn)行施工時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)不同構(gòu)件發(fā)生碰撞的情況，嚴(yán)重影響工期。在BIM 技術(shù)出現(xiàn)之后，應(yīng)用BIM 軟件進(jìn)行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)等樣圖設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)精度以及操作安全性均得到了大幅度提升。如圖6所示為某高層建筑中針對(duì)某些部件進(jìn)行BIM 碰撞檢測(cè)時(shí)的效果圖。圖中上方所示：檢測(cè)的兩個(gè)構(gòu)件分別是：①土建分類下的KZ2（H=0 ～4900）混凝土柱；②水管/二次熱水高區(qū)供水管分類下的DN300（H=3800）熱供水管（無縫鋼管），對(duì)應(yīng)軸網(wǎng)屬于“其他位置”，碰撞配型檢測(cè)結(jié)果為“已經(jīng)核準(zhǔn)”，意為被檢測(cè)的兩個(gè)構(gòu)件之間的排布現(xiàn)狀符合碰撞規(guī)避允許標(biāo)準(zhǔn)，二者之間沒有碰撞危險(xiǎn)。偏下方所示：檢測(cè)的兩個(gè)構(gòu)件分別是：①所屬土建類別的L3（1）PD1#（H=2910 ～3957（斜））次梁；②所屬給水系統(tǒng)Td 的DN200（H=3800）-304 薄壁不銹鋼管，屬于一類給水管。對(duì)應(yīng)軸網(wǎng)同樣屬于“其他位置”，檢測(cè)結(jié)果同上。

事實(shí)上，圖6顯示的碰撞檢測(cè)結(jié)果只是施工現(xiàn)場(chǎng)管理人員在施工前利用BIM 軟件進(jìn)行虛擬檢測(cè)時(shí)呈現(xiàn)出的結(jié)果。如果在該環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)問題，意味著建筑體內(nèi)的管道布置方案存在問題，需要進(jìn)行調(diào)整。除此之外，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)管道排布方案時(shí)，還可以利用BIM 軟件自帶的“模擬”功能，對(duì)更加符合實(shí)際施工需要的管道施工順序進(jìn)行關(guān)注，進(jìn)而在設(shè)計(jì)階段便確定施工順序。按照這種流程，給排水管道、暖通工程等施工先后順序的安排會(huì)更加合理，可有效降低施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生混亂的概率，從而達(dá)到提高現(xiàn)場(chǎng)安全管理水平的目的。

圖6 某高層建筑工程中進(jìn)行構(gòu)件碰撞檢測(cè)的BIM 效果圖

4.結(jié)語

綜上所述，高層建筑的復(fù)雜程度較高，不同工程之間對(duì)“配合”默契度提出了較高的要求。為避免施工期間出現(xiàn)次序混亂、無法有效追蹤工程進(jìn)度等問題，可應(yīng)用BIM 技術(shù)，完成虛擬建筑信息模型的構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上，施工進(jìn)展程度、具體到每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)工作日的施工完成情況都處于“可視化”的狀態(tài)，能夠從根本上提高建筑施工的管理水平，不僅能夠如期完工，還可保證工程質(zhì)量。