BIM 技術(shù)引入對(duì)建筑腳手架不安全行為識(shí)別的研究

馬昊源 潘永剛

(新疆大學(xué))

腳手架被大量應(yīng)用于建筑工程的各個(gè)階段，無(wú)論是基坑開(kāi)挖、主體修建還是裝飾裝修都有腳手架的使用，建筑腳手架安全是建筑工程中必須重視的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)國(guó)家應(yīng)急管理部網(wǎng)站、各省市自治區(qū)生產(chǎn)監(jiān)管部門(mén)網(wǎng)站及其他相關(guān)網(wǎng)站收集到的數(shù)百起腳手架安全事故報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可知，腳手架不安全行為主要引發(fā)高空墜落、物體打擊和架體失穩(wěn)三種安全事故，其所占比例已超總事故數(shù)的66.5%，而腳手架安全事故主要引發(fā)腳手架損壞、傷人、損毀等問(wèn)題，因此快速準(zhǔn)確識(shí)別腳手架存在的不安全行為是迫切的。腳手架主要分為扣件式腳手架、門(mén)市鋼管腳手架、碗扣式腳手架、盤(pán)扣式腳手架以及鋁合金腳手架，使用過(guò)程分為搭設(shè)、使用和拆除三個(gè)階段，在三個(gè)階段中影響腳手架安全因素主要有人、環(huán)境、工藝和管理四個(gè)方面，通過(guò)合理、便利的管理方式能夠降低人、環(huán)境和工藝帶來(lái)的不良影響。目前關(guān)于腳手架安全管理的研究主要有，吳必龍[1]從腳手架構(gòu)造研究與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)上對(duì)腳手架安全性進(jìn)行了論證。Wu 等[2]提出了基于 RFID 技術(shù)的自組織實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)的框架，用于對(duì)潛在安全事故的分析與預(yù)警。Pisheh[3]通過(guò)對(duì)腳手架坍塌原因的分析，運(yùn)用信息科技提高腳手架現(xiàn)場(chǎng)的安全性。Zhang[4]等提出在 BIM 模型的基礎(chǔ)上自動(dòng)分析檢查安全隱患并完成防護(hù)措施設(shè)置。郭紅領(lǐng)等[5]針對(duì)作業(yè)人員的不安全行為，提出 BIM 和 PT 技術(shù)結(jié)合的不安全行為預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)獲取、處理和反饋工人位置和行為信息，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)事故的預(yù)防。趙江平等[6]基于圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)作業(yè)人員在有限空間中作業(yè)發(fā)生的跌倒事故進(jìn)行識(shí)別。張偉勝[7]探索了基于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的安全規(guī)則的價(jià)值，在設(shè)計(jì)-安全理論的支持下，集成 BIM技術(shù)自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)不安全因素。

基于以上分析，本文通過(guò)調(diào)研分析腳手架搭設(shè)、使用、拆除時(shí)的安全現(xiàn)狀，針對(duì)出現(xiàn)的不同安全影響因素通過(guò)構(gòu)建BIM 仿真模型對(duì)其存在的不安全行為進(jìn)行識(shí)別預(yù)警，并提供相應(yīng)的措施建議，以達(dá)到降低安全事故、減少經(jīng)濟(jì)損失、提高施工效率的作用。

1.腳手架不安全行為現(xiàn)狀與問(wèn)題

1.1 不安全行為現(xiàn)狀分析

腳手架中的不安全行為可能會(huì)引發(fā)安全事故的發(fā)生，通過(guò)文獻(xiàn)分析、專家訪談及問(wèn)卷調(diào)查的方式發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段腳手架中不安全行為主要分為人的不安全行為和由物不安全狀態(tài)引發(fā)的不安全行為。本文將通過(guò)采集人和物的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與仿真BIM 模型比對(duì)識(shí)別，并對(duì)識(shí)別的人和物所引發(fā)的不安全行為進(jìn)行分析研究。

1.1.1 人的不安全行為

建筑工程由不同工種的工人通力合作共同完成，在建筑腳手架工程中，人全程參與到腳手架的搭設(shè)、使用和拆除過(guò)程中，人的因素將是腳手架工程中必須考慮的重要因素之一。在腳手架全生命周期內(nèi)存在安全區(qū)和非安全區(qū)（即施工區(qū)域），當(dāng)腳手架處于搭設(shè)和拆除階段時(shí)，無(wú)關(guān)人員未經(jīng)允許進(jìn)入非安全區(qū)（即施工區(qū)域）時(shí)將可能發(fā)生安全事故，如物體打擊、高空墜落等問(wèn)題；當(dāng)施工人員進(jìn)入非安全區(qū)（即施工區(qū)域）時(shí)未按規(guī)定使用安全措施，如佩戴安全帽、懸掛安全繩等；施工人員在非安全區(qū)域活動(dòng)時(shí)易發(fā)生高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)；施工人員違規(guī)操作，如搭設(shè)不規(guī)范、地基處理不當(dāng)?shù)?。以上因人的不安全行為都可能引發(fā)安全事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

1.1.2 物引發(fā)的不安全行為

在腳手架工程中物引發(fā)的不安全行為往往可能引發(fā)影響更大的安全事故。物的不安全行為主要指人不易發(fā)現(xiàn)和察覺(jué)的安全隱患，當(dāng)物已存在安全隱患時(shí)還被認(rèn)為處于安全狀態(tài)，并繼續(xù)正常使用，最終引發(fā)安全事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)調(diào)研分析，物所引發(fā)的不安全行為主要有以下問(wèn)題。

（1）架體失穩(wěn)。腳手架在使用過(guò)程中受到不同大小和不同方向的荷載作用，如風(fēng)荷載、永久荷載和施工荷載等。在不同時(shí)間段內(nèi)不同荷載作用于架體可能導(dǎo)致架體偏移，造成架體失穩(wěn)問(wèn)題，最終導(dǎo)致腳手架坍塌。如受到風(fēng)荷載造成架體整體偏移或局部偏移，但因?yàn)槠瞥潭炔灰淄ㄟ^(guò)肉眼發(fā)現(xiàn)，架體長(zhǎng)時(shí)間使用將導(dǎo)致架體整體倒塌，造成人員傷亡。

（2）荷載超標(biāo)。在腳手架使用過(guò)程中架體上堆積的物體和人員的重量超出腳手架規(guī)定的允許荷載值。在《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ-130-2011 中對(duì)不同結(jié)構(gòu)腳手架的荷載承受值有相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。在腳手架的實(shí)際使用中施工人員往往忽視腳手架架體所能承受的最大荷載值，肆意的使用腳手架，堆積各種材料和雜物，隨意的在架體上行走和施工，最終可能導(dǎo)致其所承受荷載值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)腳手架允許的最大荷載，從而引發(fā)腳手架的整體倒塌，造成人員的損失和物資的損失。

（3）部件損壞。腳手架搭設(shè)、使用和拆除時(shí)，腳手架的固定點(diǎn)是保證腳手架整體穩(wěn)定性的有利保障。但在腳手架工程中腳手架固定點(diǎn)狀態(tài)識(shí)別監(jiān)測(cè)是比較困難的，施工管理人員無(wú)法時(shí)刻監(jiān)督固定點(diǎn)的狀態(tài)，導(dǎo)致不能實(shí)時(shí)了解固定點(diǎn)的受力情況，保證架體的穩(wěn)定性，引發(fā)腳手架桿件斷裂，固定點(diǎn)松動(dòng)等問(wèn)題，造成工期拖延、人和物的損失。

1.2 腳手架安全狀態(tài)實(shí)時(shí)判別難

在建筑工地中腳手架安全狀態(tài)的判別主要通過(guò)為人工判別的方式進(jìn)行判斷，但判別時(shí)間往往是階段式的，只有在特定的時(shí)間內(nèi)才會(huì)對(duì)腳手架的安全狀態(tài)進(jìn)行檢查。人的不安全行為和物所引發(fā)的不安全行為不能夠達(dá)到實(shí)時(shí)識(shí)別和實(shí)時(shí)預(yù)警功能。以上不安全行為問(wèn)題的識(shí)別發(fā)現(xiàn)和問(wèn)題解決都主要依賴于人，而人是施工作業(yè)中的最不可控因素之一，因此，只有盡量減少人的影響才能確保安全狀態(tài)的正常識(shí)別和預(yù)警，引入BIM 技術(shù)識(shí)別建筑腳手架工程安全狀態(tài)是有必要的，能夠有效減少不可控因素的影響，最大限度的保證建筑腳手架的安全狀態(tài)。

1.3 腳手架安全識(shí)別預(yù)警難

建筑腳手架的安全問(wèn)題十分重要，如何避免腳手架安全事故是安全管理的重中之重，但目前腳手架安全識(shí)別在建筑工程中沒(méi)有系統(tǒng)性的識(shí)別預(yù)警機(jī)制，建立覆蓋建筑腳手架全生命周期及系統(tǒng)性的識(shí)別預(yù)警機(jī)制是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。在腳手架的全過(guò)程中沒(méi)有統(tǒng)一的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)對(duì)腳手架工程中人和物所引發(fā)的不安全行為進(jìn)行識(shí)別預(yù)警，建立標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬仿真腳手架BIM 模型作為識(shí)別基礎(chǔ)，能夠起到快速識(shí)別的作用，避免腳手架安全事故的發(fā)生。

綜上所述，為解決建筑腳手架全過(guò)程的安全問(wèn)題，應(yīng)減少人為因素的影響，并對(duì)腳手架工程進(jìn)行安全狀態(tài)實(shí)時(shí)識(shí)別監(jiān)測(cè)。一是要準(zhǔn)確分析收集腳手架工程不安全行為影響因素；二是準(zhǔn)確識(shí)別不安全行為因素；三是及時(shí)提供識(shí)別預(yù)警和補(bǔ)救措施。

2.腳手架工程不安全行為識(shí)別

2.1 仿真模擬識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)建

仿真模型識(shí)別系統(tǒng)將基于BIM 技術(shù)搭建仿真模型，實(shí)現(xiàn)仿真模型數(shù)據(jù)化、可視化和模擬化，利用仿真模型與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)識(shí)別，仿真模擬系統(tǒng)將分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)識(shí)別、比對(duì)分析和預(yù)警方案四部分，仿真模擬識(shí)別系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 仿真模擬識(shí)別系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)采集。腳手架工程中人和物實(shí)際狀態(tài)的記錄是極其重要的，通過(guò)人工采集和機(jī)器采集兩種方式采集腳手架工程現(xiàn)場(chǎng)人和物的具體情況，以此作為與仿真模型比對(duì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如通過(guò)手持設(shè)備拍照記錄腳手架結(jié)構(gòu)和構(gòu)件外表狀況；通過(guò)定位器記錄人員軌跡和所出區(qū)域；通過(guò)激光掃描儀掃描架體的整體結(jié)構(gòu)；通過(guò)拉力、壓力傳感器記錄固定點(diǎn)受力情況等；通過(guò)人工和機(jī)器相結(jié)合的方式，保證腳手架工程區(qū)域內(nèi)人和物數(shù)據(jù)的連續(xù)性，確保采集的數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，為仿真模擬識(shí)別系統(tǒng)提供有利的數(shù)據(jù)支持。

（2）數(shù)據(jù)識(shí)別。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析以達(dá)到能與仿真BIM 模型進(jìn)行比對(duì)的目的。如利用人工篩選處理的方式剔除模糊不清和拍攝不完整的圖片，保證拍攝圖片的完整性和有效性；利用人工智能篩選識(shí)別腳手架各對(duì)應(yīng)位置記錄的數(shù)值情況，并對(duì)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測(cè)；利用人工與人工智能相結(jié)合的方式處理收集到的復(fù)雜數(shù)據(jù)，將圖片和數(shù)值數(shù)據(jù)化，便于與仿真BIM 模型進(jìn)行比對(duì)。確保腳手架工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況在第一時(shí)間進(jìn)行處理和傳輸，能夠準(zhǔn)確有效及時(shí)的與虛擬仿真模型進(jìn)行比對(duì)識(shí)別，以此達(dá)到對(duì)建筑腳手架工程不安全行為的識(shí)別預(yù)警。

（3）比對(duì)分析。以腳手架工程虛擬仿真BIM 模型為參照，將引發(fā)不同危險(xiǎn)類型相關(guān)數(shù)據(jù)與虛擬仿真模型進(jìn)行人工或人工智能算法比對(duì)識(shí)別，如數(shù)值比對(duì)識(shí)別、外形外貌識(shí)別等，最終形成不同等級(jí)的提示預(yù)警，提供對(duì)應(yīng)等級(jí)的提示預(yù)警，避免不安全行為發(fā)生，預(yù)防安全事故。

（4）預(yù)警及方案提供。主要包括不安全行為識(shí)別預(yù)警和方案提供兩個(gè)功能，以終端和平臺(tái)預(yù)警的方式進(jìn)行提示預(yù)警和方案提供，在預(yù)警的同時(shí)提供解決方案以供施工管理人員選擇。預(yù)警將安全等級(jí)分為綠色預(yù)警（D1）、黃色預(yù)警（D2）和紅色預(yù)警（D3），綠色預(yù)警表示腳手架為安全狀態(tài)符合使用規(guī)定；黃色預(yù)警表示腳手架存在安全隱患，需檢修后使用；紅色預(yù)警表示架體危險(xiǎn)需立即檢修或拆除。

2.2 不安全行為比對(duì)識(shí)別

在建筑腳手架搭設(shè)前，通過(guò)腳手架的高度、跨度等具體數(shù)據(jù)利用Revit 對(duì)腳手架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行BIM 模型模擬搭設(shè)，形成立體可視的標(biāo)準(zhǔn)腳手架仿真BIM 模型。對(duì)建筑腳手架中不安全行為的識(shí)別，將利用實(shí)際數(shù)據(jù)加入人工或算法識(shí)別，得出結(jié)果再與仿真BIM 模型進(jìn)行比對(duì)分析，能夠一定程度識(shí)別出腳手架工程中人的不安全行為和物所引發(fā)的不安全行為，從而減少建筑腳手架工程中不安全行為的發(fā)生，避免發(fā)生安全事故，起到提前預(yù)警的作用，具體比對(duì)識(shí)別流程如圖2 所示。

2.2.1 人員識(shí)別

建筑工地人員眾多，安全環(huán)境復(fù)雜，往往不能實(shí)時(shí)掌握施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，通常只能通過(guò)人工巡檢的方式進(jìn)行檢查識(shí)別，容易出現(xiàn)識(shí)別不及時(shí)和檢查不全面的情況。通過(guò)在虛擬仿真模型中劃分安全區(qū)與非安全區(qū)，設(shè)立電子圍欄，按危險(xiǎn)程度不同利用紅色、黃色和綠色在模型中表示不同的區(qū)域，與預(yù)警提示等級(jí)的顏色相對(duì)應(yīng)，形成可視化的仿真BIM 模型。利用傳感設(shè)備（如電子身份標(biāo)識(shí)、定位裝置等）和高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄施工人員的具體位置，通過(guò)圖像算法識(shí)別出非正常許可進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)的人員，并在仿真BIM 模型中進(jìn)行標(biāo)注，當(dāng)標(biāo)注位置位于黃色和紅色區(qū)域時(shí)，識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)手持終端（如手機(jī)、平板等）進(jìn)行提示預(yù)警，及時(shí)提醒施工人員注意安全，使管理人員及時(shí)掌握施工作業(yè)人員所處的施工環(huán)境安全狀態(tài)，使其能夠及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整，保障施工作業(yè)人員時(shí)刻處于安全環(huán)境中。

2.2.2 架體識(shí)別

（1）架體失穩(wěn)。確保腳手架的整體穩(wěn)定是避免腳手架發(fā)生坍塌事故的有利保證，利用BIM 技術(shù)建立的仿真模型是腳手架穩(wěn)定性的最優(yōu)狀態(tài)。第一，通過(guò)利用激光掃描儀將按標(biāo)準(zhǔn)建成后的腳手架立桿、橫桿和整體進(jìn)行定位掃描，通過(guò)掃描得到的立桿橫桿位置圖及腳手架整體結(jié)構(gòu)圖與腳手架標(biāo)準(zhǔn)仿真BIM 模型中相應(yīng)位置進(jìn)行一一比對(duì)，如圖3 和圖4 為腳手架局部和整體仿真BIM 模型，通過(guò)與仿真BIM模型比對(duì)得出各個(gè)立桿、橫桿的位移偏差數(shù)值和架體的整體偏移值。第二，通過(guò)人工拍照和安裝拉力、壓力傳感器的方式，分別作為腳手架固定點(diǎn)構(gòu)件外表記錄和固定點(diǎn)內(nèi)部受力情況記錄，將記錄到的實(shí)際信息與腳手架仿真BIM 模型對(duì)應(yīng)固定點(diǎn)處的預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)。收集數(shù)據(jù)的同時(shí)在仿真BIM 模擬中針對(duì)不同位置預(yù)設(shè)不同的允許偏差數(shù)值，以不同數(shù)值的偏差數(shù)據(jù)作為安全等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，以此將腳手架的安全狀態(tài)分為不同等級(jí)進(jìn)行預(yù)警（如綠色預(yù)警（D1）、黃色預(yù)警（D2）和紅色預(yù)警（D3））進(jìn)行預(yù)警提示，針對(duì)不同的預(yù)警等級(jí)提供相應(yīng)的對(duì)策建議，從而避免因腳手架失穩(wěn)所引發(fā)的不安全行為發(fā)生，減少安全事故發(fā)生概率。

圖3 腳手架局部BIM模型

（2）構(gòu)件損壞。腳手架仿真模型能夠形象的展示出各桿件及連接構(gòu)建的具體標(biāo)準(zhǔn)模型，通過(guò)人工利用手持終端（如手機(jī)、平板等）對(duì)腳手架各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行拍攝記錄，將拍攝記錄的實(shí)際腳手架構(gòu)件與仿真BIM 模型構(gòu)件庫(kù)中對(duì)應(yīng)的構(gòu)件，進(jìn)行形態(tài)改變、是否開(kāi)裂、是否銹蝕和結(jié)構(gòu)是否完整等細(xì)節(jié)比對(duì)，來(lái)鑒定構(gòu)件的完整性、損壞程度和桿件非正常連接方式等，如圖5 所示為比對(duì)腳手架仿真BIM 模型中架體搭設(shè)完整性，比對(duì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際腳手架缺少掃地桿，可能影響架體穩(wěn)定性。因此可以通過(guò)實(shí)際情況與虛擬仿真模型比對(duì)識(shí)別腳手架中的安全隱患，按易引發(fā)安全事故的大小，將腳手架不安全行為分為不同安全等級(jí)進(jìn)行提示預(yù)警，能夠起到對(duì)腳手架部構(gòu)件的安全識(shí)別作用，避免因腳手架構(gòu)架損壞或缺失引起的腳手架坍塌安全事故。

圖5 腳手架固定點(diǎn)BIM模型與架體實(shí)拍

（3）荷載識(shí)別。腳手架工程的允許荷載是按照實(shí)際工程情況和現(xiàn)場(chǎng)所需計(jì)算后得出的，腳手架的允許荷載應(yīng)滿足《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ-130-2011中的相關(guān)規(guī)定。通過(guò)在腳手架立桿底座和跨度較大橫桿中段安裝荷載感應(yīng)裝置（如壓力應(yīng)片等）記錄腳手架受力情況，同時(shí)在腳手架標(biāo)準(zhǔn)仿真BIM 模型中相應(yīng)構(gòu)件和桿件處設(shè)置預(yù)設(shè)允許荷載數(shù)值等屬性信息，通過(guò)比對(duì)采集數(shù)值和預(yù)設(shè)數(shù)值兩組數(shù)據(jù)的大小，區(qū)分偏差值大小來(lái)識(shí)別架體的安全狀態(tài)。將允許偏差數(shù)值大小按不同等級(jí)進(jìn)行劃分，即綠色預(yù)警（D1）、黃色預(yù)警（D2）和紅色預(yù)警（D3），進(jìn)行預(yù)警提示和措施建議提供，避免因荷載過(guò)大導(dǎo)致架體失穩(wěn)坍塌，引發(fā)安全事故。

2.3 不安全行為比對(duì)識(shí)別的應(yīng)用場(chǎng)景

引入BIM 技術(shù)建立的腳手架不安全行為比對(duì)識(shí)別能及時(shí)有效的識(shí)別腳手架中人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)，減少腳手架安全事故發(fā)生的概率。本研究可應(yīng)用于腳手架搭設(shè)、使用和拆除全過(guò)程，識(shí)別腳手架局部和整體的實(shí)時(shí)狀態(tài)，通過(guò)仿真BIM 模型可視化展示腳手架安全隱患和具體位置，為安全管理人員及時(shí)提供腳手架數(shù)據(jù)信息，便于查找腳手架安全隱患并進(jìn)行整改，避免安全事故發(fā)生。

3.結(jié)論

目前，針對(duì)建筑腳手架不安全行為的研究較少，將BIM技術(shù)引入建筑腳手架不安全行為識(shí)別中能夠一定程度解決人和物所引發(fā)的安全問(wèn)題。本文通過(guò)專家訪談、文獻(xiàn)閱讀和問(wèn)卷調(diào)查的方式收集分析建筑腳手架中的主要不安全行為和影響不安全行為的重要因素，通過(guò)人工采集和機(jī)器采集的方式實(shí)時(shí)、不間斷采集建筑腳手架局部和整體的外部狀態(tài)數(shù)據(jù)及內(nèi)部受力數(shù)據(jù)，利用采集到的實(shí)時(shí)實(shí)際數(shù)據(jù)與腳手架標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)設(shè)值數(shù)據(jù)進(jìn)行具體比對(duì)，從而識(shí)別出腳手架工程中的安全隱患和問(wèn)題，最終識(shí)別出腳手架工程全周期內(nèi)人和物所引發(fā)的不安全行為，提前避免安全事故的發(fā)生。以Revit 建立的仿真BIM 模型能夠及時(shí)、準(zhǔn)確比對(duì)識(shí)別出建筑腳手架中出現(xiàn)的不安全行為，減少腳手架中安全事故的發(fā)生，對(duì)BIM 技術(shù)今后的推廣使用具有一定意義。今后，應(yīng)進(jìn)一步完善腳手架標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)和數(shù)據(jù)庫(kù)與仿真模型的交互功能實(shí)施，助力改善建筑腳手架的安全隱患問(wèn)題，減少因建筑腳手架不安全行為引發(fā)的安全事故和人員的傷亡。