基于BIM技術在房建施工安全管理的應用

1 工程概況

南寧至昆明鐵路橫貫桂、黔、滇三省區(qū)，其中南昆線南寧至百色段增建二線七標（NBSG-7）主要工程位于廣西壯族自治區(qū)百色市，氣候條件屬于亞熱帶季風氣候，起止里程為K83+100至K208+700，長127.422km，主要包括里程范圍內的全部站后工程（通信、信號、電力、接觸網、房建）等專業(yè)施工。其中房建施工主要包括站后生產辦公用房和生活用房等，設計年限為50年。

田東綜合基地為該工程中重要工區(qū)之一（見圖1），位于田東縣內，里程為K144+000～K146+409.6。北臨營業(yè)線、南靠既有村鎮(zhèn)及耕地，主要包括間休樓、綜合樓、軌道車棚、10KV變電所、防洪備料庫等房屋，總建筑面積為10834m2，其結構形式為現(xiàn)澆框架結構。其施工區(qū)域臨近站前單位和既有營業(yè)線，施工安全風險較大?？傮w而言該施工工區(qū)具有總建筑面積大、參與單位多、資源集中、施工區(qū)域狹小、多工種交叉施工等特點。

圖1 田東綜合工區(qū)平面布置圖

2 現(xiàn)場施工安全管理重難點

在施工準備階段，根據(jù)現(xiàn)場實際結合BIM技術，認真分析田東綜合基地施工中存在的安全隱患及施工重難點。該工程具有工程量大、工期緊、參建單位多、參建專業(yè)多且部分施工內容需天窗點內施工等特點，導致現(xiàn)場管理難度大、安全風險大（見表1）?，F(xiàn)場主要事故類型具體表現(xiàn)在：

表1 現(xiàn)場施工存在的主要安全隱患

2.1 工程量大、場地狹窄

施工現(xiàn)場占地面積較大約32000m2（含場地硬化），各房屋鄰近且既有線數(shù)量多而散，地下管線及路徑較為復雜（主要為鐵路通信、信號光纜，電力電纜及鐵路相關的供水、電管線等）。施工總平面布置區(qū)域劃分緊湊和復雜，包括臨時辦公區(qū)、住宿區(qū)、材料堆放區(qū)、鋼筋加工區(qū)、車輛運輸?shù)?。此外該區(qū)域存在站前單位與站后單位同步施工，導致安全隱患進一步增加，安全管理難度進一步提高。但區(qū)域整體布置要求必須滿足施工使用功能又要本著合理節(jié)約的原則進行布設。

2.2 鄰近既有線、安全管理難度大

田東綜合基地間休樓、綜合樓、軌道車棚等房屋需鄰近既有線進行鉆孔灌注樁施工，周邊環(huán)境不利因素（鐵路營業(yè)線、既有營業(yè)線舊房屋、村鎮(zhèn)等）導致安全卡控風險難度大。在各專業(yè)交叉作業(yè)層面上的“三寶、四口、五臨邊”安全管理措施要求較高。

2.3 環(huán)水保管理難度大、安全隱患多

施工過程階段，現(xiàn)場土方開挖范圍大且工程量大、周期長，對施工區(qū)域布置要求較高。與之對應的場內土方存放、揚塵治理、材料堆放、現(xiàn)場文明施工、基坑支護、漂浮物侵限營業(yè)線等方面安全管理要求高。同時現(xiàn)場部分地段需鄰近接觸網、高壓線進行鋼筋籠吊裝等施工，存在觸電、列車停運、紅光帶等風險。

3 基于BIM的安全管理優(yōu)勢

傳統(tǒng)安全管理主要針對人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素、管理缺陷等方面開展安全管理工作，導致現(xiàn)場存在無法預估的隱患漏洞及施工過程中不可避免的安全隱患。而BIM技術具有可視化、動態(tài)化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性等優(yōu)點（見表2），現(xiàn)將其與安全管理工作相結合能夠更加直觀地辨識安全隱患、預估潛在安全風險，更有利于開展安全管理工作。

表2 基于BIM技術與傳統(tǒng)安全管理對比

4 基于BIM技術安全管理

建筑施工中存在較多的危險環(huán)節(jié)，其發(fā)生概率及事故的危險性均較高，因此現(xiàn)場管理人員需在機械管理、勞務管理、環(huán)境管理以及空間管理方面等進一步加強。此外施工單位還要進一步提升建筑工程安全管理力度，提前部署安全防控工作，積極創(chuàng)新全周期安全管理措施，從而為整個工程的施工安全提供保障。

4.1 建立BIM模型

通過設計圖參數(shù)編制信息數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)層；依據(jù)仿真施工及工序模擬建立模型層（土建模型、機電安裝模型、平面布置模型等）；基于風險源辨識及隱患整改、安全教育培訓、碰撞測試、現(xiàn)場布置等目標建立應用層，同時根據(jù)施工進度進一步完善和優(yōu)化。模型流程見圖2。

圖2 建立BIM模型

4.2 現(xiàn)場場地規(guī)劃及動態(tài)模擬

本工程鄰近營業(yè)線及村鎮(zhèn)居民區(qū)且與站前單位存在交叉作業(yè)?，F(xiàn)場區(qū)域集辦公、生活、生產為一體，從而導致現(xiàn)場空間狹小，布局較為困難，安全風險增加。為合理利用有限空間進行作業(yè)且考慮到施工的安全性，結合現(xiàn)有條件并利用BIM技術進行場地規(guī)劃及模擬，為實際施工提供指導。

①根據(jù)模擬結果明確可能存在的所有危險源，對危險源進行區(qū)域劃分，并合理設置安全防護結構，確保危險源處于日常安全監(jiān)測中。同時將危險源及不安全因素反應到BIM模型中，不斷監(jiān)測危險源的變化，定期評估并劃分等級。

②明確各房屋主體工程位置，施工機械安放位置及運行路線，在建立BIM模型后進行模擬作業(yè)，要充分考慮到材料堆放、吊裝等問題，避免運輸機械和水平運輸路線之間的沖突。

③確定主體工作位置后，明確材料堆放和鋼筋加工棚等位置，制定場內交通路線圖，避免機械作業(yè)給現(xiàn)場作業(yè)人員帶來機械碰撞傷害，及時消除因材料堆放及機械停放位置不合理造成的不安全因素。

圖4 水平洞口防護構件的制作圖

圖5 水暖管井洞口防護效果圖

圖6 腳手架BIM模型

圖7 根據(jù)已建模型進行現(xiàn)場搭設

④確定施工現(xiàn)場臨時設施、合理布局現(xiàn)場臨水、臨電的走向及消防安全設施。此外以房建主體施工場地位置為核心，根據(jù)項目實際需求和進度，動態(tài)優(yōu)化不同階段的施工機械、行進路線、作業(yè)范圍、臨建布置等，可有效減少施工過程中機械傷害、物體打擊、起重吊裝等安全隱患發(fā)生概率。

4.3 危險源辨識及檢查

高處墜落是房建施工安全管理的重點和難點，其中主要體現(xiàn)在臨邊洞口未防護或防護不到位導致?；谶@種情況，利用BIM技術可視化、仿真化等特點對本項目前期建立整體主體模型，還原出貼近現(xiàn)場的三維場景并在場景中利用視角方式進行漫游操作，主要包括VR模式和人物控制模式，即利用人物第一視角和方向進行漫游模擬，從而對所建主體模型中的危險源進行辨識和分析，找到和預估出存在的電梯口、樓梯口、預留洞口、通道口等臨邊洞口，并記錄好危險源部位制定安全防護措施。（隱患與防護措施見圖3～圖8）。

圖3 未增加防護措施的水平洞口

圖8 隱蔽工程中現(xiàn)場安全隱患與模型對比

利用BIM虛擬仿真技術可以提前辨識很多隱蔽性、不可預見性的安全隱患，能夠從人、機、料、管理、環(huán)境等方面找出缺陷，實現(xiàn)安全方案的最優(yōu)化。對于腳手架搭設不僅能夠計算出鋼管扣件的用量而且可以分析交叉位置、疑難位置搭設的可行性。

4.4 碰撞測試

4.4.1 管線及構件碰撞測試

田東綜合工區(qū)房屋為四電設備房屋，作業(yè)環(huán)境限制及參建專業(yè)較多，其設備管線及布置錯綜復雜，往往由于現(xiàn)場條件限制導致設備之間、管線之間、管線與設備之間、管線與結構物之間在施工過程中出現(xiàn)空間上的碰撞和沖突，為施工帶來潛在的安全隱患?，F(xiàn)場利用BIM技術進行三維管線綜合設計及建立綜合模型進行管線碰撞或沖突測試，可有效地改變這一狀況。BIM模型可看作一次施工“預演”，預演過程可進行設備管線與結構件因設計問題導致的碰撞沖突?；贐IM技術可從整體上的宏觀及微觀角度進行提前管控。首先將管線與構件進行碰撞測試，將碰撞結果進行反饋，然后調整數(shù)據(jù)和參數(shù)，如此反復碰撞沖突測試，最終得出合理的管線設備布置方案，為后期現(xiàn)場實際安裝施工與安全管理提供指導。

4.4.2 消防管道碰撞測試

現(xiàn)場對四電房屋中給排水、消防、噴淋管線進行碰撞測試（見圖9～圖11），將碰撞結果進行反饋。會同機電安裝、土建主體等相關專業(yè)結合圖紙和現(xiàn)場實際情況進行會商和研判，制定并優(yōu)化空間布局和施工方案，本著“小管讓大管、有壓讓無壓、支管讓主管、水管讓橋架、非重力讓重力管”的空間布置原則，采用合理避讓方法如：平移、下移、打彎等。同步根據(jù)優(yōu)化方案調整模型參數(shù)，確保施工安全可控、施工順暢，實現(xiàn)多專業(yè)交互式、可視化、信息化的施工安全管理模式。

圖9 消防管與結構碰撞優(yōu)化前

圖11 消防管與結構碰撞優(yōu)化后

4.4.3 施工機械與建筑物碰撞測試

機械傷害事故往往發(fā)生在機械碰撞、傾覆、擠壓等方面，基于施工機械的幾何尺寸大、活動范圍廣、旋轉半徑大等特點。依據(jù)施工區(qū)域及塔吊安裝位置等進行模擬塔吊碰撞事故。采用機械幾何特征、運行特性、安裝位置及與樓座間距等因素，建立動態(tài)模型，模擬出塔吊工作時可能存在的軌跡如：前進與旋轉半徑、運行特性、回轉與結構件之間的沖突、機械之間的交叉作業(yè)等。機械傷害事故模型可隨著機械作業(yè)、現(xiàn)場施工辨識出潛在的安全隱患（見圖12）。

圖12 塔吊與塔吊之間、塔吊與建筑物之間碰撞

4.5 安全教育培訓及應急演練

區(qū)別于傳統(tǒng)的安全管理，BIM技術在施工現(xiàn)場中的安全管理存在的優(yōu)勢較為突顯。充分利用BIM技術所展現(xiàn)的三維布置及虛擬施工現(xiàn)場開展安全教育培訓和應急演練更為直觀，能夠起到身臨其境的效果，有利于增強作業(yè)人員熟知周圍作業(yè)環(huán)境、辨識作業(yè)風險隱患，降低高風險傷害的概率。其BIM技術的原理是利用3D模型，將安全管理操作規(guī)程、人機料法環(huán)等因素布置到BIM模型中，以“第一人”視角進行漫游，直觀影視化的進行“真實”的施工場景，從而提高作業(yè)人員的安全意識。（圖13～圖15）

圖13 水平洞口部位動態(tài)漫游示意圖

圖15 安全教育講平臺實際效果圖

圖10 消防管與框架柱碰撞參數(shù)優(yōu)化

圖14 臨邊洞口動態(tài)模擬

建立BIM數(shù)字化安全培訓的數(shù)據(jù)庫，能有效地貼近施工實際現(xiàn)場，具有較高的相似度，可以更為直觀的傳遞現(xiàn)場實際環(huán)境，明確各專業(yè)工作范圍及存在何種風險，從而針對性的制定安全管控措施，對于一些復雜的現(xiàn)場施工效果比較顯著。此外安全教育模型也可以作為實際安全教育進行指導，并以此反映到實際安全管理中。

5 結束語

隨著現(xiàn)代建筑工程安全文明施工要求不斷提高，利用BIM技術模擬對施工全過程進行安全管理，能夠有效辨識現(xiàn)場可能存在的安全隱患，從而實現(xiàn)全方位、無死角的動態(tài)管理，確保建筑施工經濟平穩(wěn)、高效完成、安全可控。目前BIM技術在建筑領域中逐步成為一種趨勢。但BIM技術與安全管理相結合仍處于探索階段，在深度及廣度上仍存在一定的局限性，不能完全反映出現(xiàn)場具體實際，還需進一步的應用和探究。本文將BIM技術引入安全管理中，能夠對現(xiàn)場安全管理起到一定的輔助作用，從而有利于施工前風險源的準確辨識、施工過程中的風險控制和隱患整改，為提高安全管理再上新臺階。