房建工程質(zhì)量安全管理中智慧工地系統(tǒng)的應(yīng)用研究

高俊杰

（廣州開發(fā)區(qū)交通投資集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

智慧工地系統(tǒng)在施工現(xiàn)場(chǎng)管理的關(guān)鍵技術(shù)分別是BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和定位技術(shù)，其產(chǎn)生與發(fā)展?jié)M足了建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展所必需的新要求，其作用為提高房建項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平，拉動(dòng)房建項(xiàng)目的整體效益[1]。在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，建筑行業(yè)起到極其重要的支撐作用，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、民眾居住條件改善、促進(jìn)勞動(dòng)力就業(yè)以及帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面作用顯著。另一方面，建筑行業(yè)也是極易造成安全事故的危險(xiǎn)行業(yè)。在黨和國家各級(jí)主管部門以及行業(yè)機(jī)構(gòu)的特別關(guān)注和同心協(xié)力下，不但工程中的安全事故出現(xiàn)的概率大幅度減少，而且提升工程質(zhì)量。但也要充分認(rèn)識(shí)到，未來的建筑行業(yè)的安全質(zhì)量問題依舊任重道遠(yuǎn)，特別是各地城市化的深度推進(jìn)，建筑工程規(guī)模逐年劇增，施工安全質(zhì)量問題依舊是最主要的問題[2]。如何有效地進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管控、將事故發(fā)生率降到最低、避免不文明施工、杜絕各類違規(guī)操作，依托可視化的BIM技術(shù)進(jìn)行建模以及相關(guān)的施工方案，借助三維效果了解所有施工環(huán)節(jié)，完成可視化的施工安全交底，監(jiān)控施工過程質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，最后保證施工質(zhì)量。

1 工程質(zhì)量安全系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.1 工程質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警總體框架構(gòu)建

通過BIM模型所構(gòu)建的集成平臺(tái)，其中會(huì)涉及多個(gè)輔助軟件，包括Revit、Fuzor以及Navisworks等，通過科學(xué)化的方式，對(duì)參與方所提供的信息做好全面的整合與處理，確保相互之間可以信息共享，這樣也能為后期風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，提供必要的參考依據(jù)。在預(yù)警模型過程中，需要將參數(shù)化作為基礎(chǔ)，因?yàn)镽evit中會(huì)涉及開放的API接口，這一接口也能為定義危害參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)的操作，包括定義、分析、反饋以及修改等，使可操作的空間更大[3]。

由5個(gè)層面共同組成的模型包括感知層、傳輸層、模型層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，借助各自層次的功能，可以完成處理采集的數(shù)據(jù)、進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)以及通過可視化的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，整體關(guān)系和模型框架圖如圖1所示。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)框架總圖

感知層在應(yīng)用過程中，其負(fù)責(zé)的范圍就是針對(duì)施工時(shí)可能出現(xiàn)危險(xiǎn)源，做好全面的監(jiān)測(cè)工作。在日常建設(shè)過程中，會(huì)涉及一些影響到建筑全生命周期的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)劃分類型可以將風(fēng)險(xiǎn)劃分為質(zhì)量缺陷、危險(xiǎn)地帶、沖擊打擊以及變形倒塌等，添加信息監(jiān)測(cè)機(jī)制，采取相匹配的措施，可以快速采集現(xiàn)場(chǎng)所出現(xiàn)的危險(xiǎn)信息， 然后編碼和轉(zhuǎn)編碼。

傳輸層在應(yīng)用過程中，其基本的作用就是對(duì)信息做好收集、反饋、處理。將不同的監(jiān)控技術(shù)手段加入其中，可以形成一個(gè)完善的配置，在采集信息過程中，可以利用以外網(wǎng)或者無線網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)處理中心。除此之外，客戶端信息結(jié)果的處理也由傳輸層負(fù)責(zé)，向?qū)?yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)返還，以保證反饋的信息通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到更好處理[4]。

模型層負(fù)責(zé)提供相應(yīng)的參數(shù)，主要是項(xiàng)目施工過程中所涉及的。構(gòu)成建筑模型的專業(yè)主要包括暖通、建筑、機(jī)電以及結(jié)構(gòu)等，通過SDK數(shù)據(jù)包給出不同專業(yè)模型包括的參數(shù)。

數(shù)據(jù)層的作用是處理對(duì)標(biāo)簽傳遞的信息，例如解碼對(duì)標(biāo)簽信息，比較分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和危害數(shù)據(jù)等。

應(yīng)用層的作用是向危險(xiǎn)區(qū)域的人、物、機(jī)等反饋數(shù)據(jù)層的對(duì)比分析結(jié)果，并在BIM模型中利用ID號(hào)直觀地顯示預(yù)警信息，以工具的形式進(jìn)行安全管理的管理、協(xié)調(diào)和指揮。

上述預(yù)警系統(tǒng)總體框架的核心是通過BIM的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模式實(shí)現(xiàn)，其作用是進(jìn)行BIM建模，其對(duì)象是施工中物體墜落區(qū)和撞擊區(qū)等危險(xiǎn)源，同時(shí)進(jìn)行危險(xiǎn)源閾值的設(shè)置，將其導(dǎo)出后進(jìn)行危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫的建立。并有效監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)模型標(biāo)記的危險(xiǎn)源，判斷其有無突破安全閾值。一旦超過閾值就要進(jìn)行信息預(yù)警。倘若在安全值內(nèi)就要追蹤施工進(jìn)度，進(jìn)行危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫以及BIM模型的更新[5]。真正做到了及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并對(duì)循環(huán)檢驗(yàn)中的問題進(jìn)行解決。流程如圖2所示。

圖2 基于BIM的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警實(shí)現(xiàn)思路

1.2 安全預(yù)警功能分析

在BIM技術(shù)與信息技術(shù)之下所構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型會(huì)涉及輸入、存儲(chǔ)、運(yùn)算和輸出這四個(gè)模塊，各個(gè)模塊之間信息存在交互性，此時(shí)可以利用危險(xiǎn)編碼保證信息互相連接。整個(gè)系統(tǒng)模塊功能如圖3所示。

圖3 功能模塊

輸入模塊。主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：在標(biāo)簽中寫入危害碼，在BIM平臺(tái)上導(dǎo)入監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)模塊不僅保存BIM模型中包括的參數(shù)和各種監(jiān)控設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，還保存各種監(jiān)控設(shè)備的對(duì)比分析結(jié)果。運(yùn)算模塊：在運(yùn)行運(yùn)算模塊過程中，會(huì)對(duì)危害數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次對(duì)比，進(jìn)行數(shù)據(jù)差距的合理分析[6]。例如在全面監(jiān)測(cè)施工安全事故的過程中，針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的幾何運(yùn)算、編譯、轉(zhuǎn)碼等操作，必須在前期準(zhǔn)備階段進(jìn)行。輸出模塊：利用運(yùn)行模塊完成對(duì)比與分析后，此時(shí)輸出模塊的出現(xiàn)，可以將一些預(yù)警信號(hào)，利用彈窗或者高亮的方式出現(xiàn)在BIM模型中，其中包括發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的位置、風(fēng)險(xiǎn)具體類型、風(fēng)險(xiǎn)解決方案等。其具體的實(shí)施流程如下。因?yàn)樗R(shí)別的危險(xiǎn)因素在施工項(xiàng)目中不是數(shù)量級(jí)的，因此可以考慮在查找中利用二分法。可用 C++實(shí)現(xiàn)源碼：

1.3 安全預(yù)警流程分析及功能實(shí)現(xiàn)

1.3.1 預(yù)警監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)定位

因?yàn)槎嗷镜亩ㄎ荒Ｊ?，所選擇的算法是TDOA（Time Difference of Arrival）法，公式如下：已知1，2，…，n個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（p1，q1），（p2，q2）（p3，q3），…，（pn，yqn），d1，d2，d3分 別是坐標(biāo)到節(jié)點(diǎn)D的距離，…，dn，如果（p，q）是節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)。則有：

式中：p，q，pn，qn為坐標(biāo)點(diǎn)，d，dn為兩點(diǎn)之間的距離。

前（n-1）項(xiàng)減去最后一項(xiàng)得：

式中：p1，pn，q1，qn，為坐標(biāo)d1，dn兩點(diǎn)間距離。

由矩陣可為AX=b ，式中A、b是下面的矩陣，X是變量。

其中：

則可得待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)如下：

式中：X為測(cè)得點(diǎn)的坐標(biāo)，AT為矩陣A的轉(zhuǎn)值矩陣，A、b為上面的矩陣（3）和矩陣（4），

監(jiān)測(cè)點(diǎn)既可以確定標(biāo)簽位置，是否進(jìn)行預(yù)警的判斷就是標(biāo)簽是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)。

1.3.2 基于施工安全事故監(jiān)測(cè)的預(yù)警流程

施工安全事故是由變形區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域?qū)е碌?，可以從兩個(gè)方面進(jìn)行縱向風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，如圖4所示。

圖4 危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

圖4中有2個(gè)部分，第一部分為機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)和施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域的相關(guān)情況。通過感知層、傳輸層和數(shù)據(jù)處理層對(duì)監(jiān)測(cè)到的信息進(jìn)行處理，最后處理成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等同于危險(xiǎn)源代碼，然后與危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比分析[7]。

創(chuàng)建危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫的過程是該系統(tǒng)的另一部分，危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)構(gòu)成主要是相關(guān)的危險(xiǎn)源參數(shù)，該參數(shù)是從包括危險(xiǎn)區(qū)要素的BIM模型中導(dǎo)出。系統(tǒng)操作程序的最后步驟是以ID號(hào)為主要索引，對(duì)以上兩部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析[8]。超過安全閾值時(shí)，發(fā)出警告信號(hào)，突出顯示危險(xiǎn)部位，生成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告。否則會(huì)推送安全通知。

準(zhǔn)確判斷工作人員的位置是不是處于危險(xiǎn)區(qū)域，是該工作程序的核心工作。所以，要?jiǎng)澐治ｋU(xiǎn)區(qū)域和工作區(qū)域。

式（6）為危險(xiǎn)區(qū)域點(diǎn)集合，（1，2，3）的坐標(biāo)是危險(xiǎn)，式（7）的定義設(shè)定為工作人員置身的區(qū)域，（X'1，X'2，X'3）代表的位置坐標(biāo)即是工作人員所在點(diǎn)。對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域有無工作人員的判斷，可判斷X和X'（X危險(xiǎn)區(qū)域，X'員工所在位置），如果X'∈X，表示員工進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)，就會(huì)警告。危險(xiǎn)區(qū)域包括點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)域、空間危險(xiǎn)區(qū)域、線危險(xiǎn)區(qū)域以及平面危險(xiǎn)區(qū)域，其最后的界定是根據(jù)動(dòng)作區(qū)進(jìn)行[9]。

根據(jù)主體的特點(diǎn)，危險(xiǎn)區(qū)域分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩類。靜態(tài)：例如建筑窯洞、建筑入口等區(qū)域。動(dòng)態(tài)：例如大型機(jī)械、塔吊等區(qū)域。人員所在區(qū)域和動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)區(qū)域的位置如公式（8）所示。

式中：g（W，t）為工作人員和動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)區(qū)域的定位，Y∈F就是一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域，φ（W）是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。

倘若某個(gè)建造者沒有通過授權(quán)（（W）=0）便闖進(jìn)某個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域（Y∈F），系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)向施工人員發(fā)出警告。而施工人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生如公式（9）所示的坐標(biāo)位置。

式中：g（z；t+Δt）發(fā)出預(yù)警后是否離開危險(xiǎn)區(qū)域，Z∈F仍處于危險(xiǎn)區(qū)域，P（Z）=0就是沒有離開。

風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信號(hào)為?t時(shí)間后，工人可能處于離開危險(xiǎn)區(qū)（Z∩F=0），預(yù)警就會(huì)解除，而人員還在危險(xiǎn)區(qū)域Z∈（F）時(shí)，安全管理的防護(hù)干預(yù)就要及時(shí)進(jìn)行，對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行化解，保障施工者的安全。

2 項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例

2.1 項(xiàng)目背景

某科技大廈智慧工地項(xiàng)目，其依托的基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算，利用BIM和IBMS和BIM為智慧中樞的智慧建筑。通過碗型鷹眼技術(shù)，對(duì)施工作業(yè)區(qū)、物料區(qū)、生活區(qū)、車輛進(jìn)出口進(jìn)行360°全景攝錄，三維立體化全方位監(jiān)管，做到施工過程、施工質(zhì)量、施工環(huán)境公開化和透明化管理，是施工所在區(qū)十三五規(guī)劃智能建筑的典型縮影之一。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

針對(duì)項(xiàng)目特征設(shè)計(jì)解決方案，采用BIM+監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方式進(jìn)行碰撞監(jiān)測(cè)。相關(guān)的碰撞監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)構(gòu)筑物之間、不同的機(jī)械設(shè)備、人員、車輛等的碰撞監(jiān)測(cè)，而針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測(cè)，要注重風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的雙向性[10]。監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)示意圖如圖 5所示。

圖5 基于BIM+監(jiān)測(cè)機(jī)械碰撞區(qū)域監(jiān)測(cè)示意圖

2.3 應(yīng)用效果

利用IBM+監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)景操作體驗(yàn)方案，部署方便，可監(jiān)控工地日常情況并監(jiān)督工程施工進(jìn)度；利用IBM+監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展示建筑現(xiàn)場(chǎng)，效果驚艷，如圖6所示，同時(shí)又讓來訪人員感受到了實(shí)景操作體驗(yàn)。

圖6 監(jiān)控實(shí)際效果圖

3 結(jié)論

該文通過信息化手段將BIM+監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于房建施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理，為房屋施工現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建更高效、安全的管理系統(tǒng)。將BIM技術(shù)+監(jiān)控技術(shù)廣泛運(yùn)用于建筑工地的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和相關(guān)的管理，真正做到安全風(fēng)險(xiǎn)管理從傳統(tǒng)的評(píng)估到主動(dòng)監(jiān)控預(yù)警，轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍?dòng)的人工監(jiān)督檢查的全天候?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控與管理，不僅能高效、有針對(duì)性地對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，為信息技術(shù)在安全生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的視角和新的參考。