BIM技術在水利工程施工現(xiàn)場安全管理中的應用

蔡旭光

廣東省水利水電建設有限公司 廣東 廣州 510635

引言

水利工程施工區(qū)域一般地質條件復雜，受氣候條件影響較大，施工人員職業(yè)素質不高，安全意識相對淡薄，這些增加了施工現(xiàn)場安全管理的難度[1]。針對水利工程安全生產(chǎn)中存在的問題，要想有效保證施工建設安全，BIM技術可以發(fā)揮重要作用，這是基于其可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性的技術特征[2]。有鑒于此，本文對BIM技術在水利工程施工現(xiàn)場安全管理中的應用進行了探討。

1 水利工程施工現(xiàn)場危險源的識別

1.1 危險源識別的必要性

水利工程施工規(guī)模較大，參與單位多，施工場地多為敞開式，施工區(qū)域相對分散，安全隱患多，整體管理難度大，要加強施工現(xiàn)場安全管理，必須加強危險源尤其是重大危險源的識別，因為只有識別了危險源，才能有針對性地提出安全控制措施，實現(xiàn)降低事故發(fā)生率的目標[3]。

1.2 危險源釋義

危險源是可能導致人員傷亡、物體損壞的潛在不安全因素，其特征如下：一是潛在危害性。危險源一旦爆發(fā)就可能帶來人員損害、財產(chǎn)損失、環(huán)境破壞等危害性后果。二是其存在具有一定條件，包括物質的存儲條件、設備的防護條件、人員的控制管理條件等，它們是危險源爆發(fā)的約束條件和存在狀態(tài)。三是觸發(fā)因素。危險源是潛在的危險性，只有當其被觸發(fā)并引起事故，才成為真正的安全事故。

1.3 水利工程施工現(xiàn)場的危險源

依據(jù)《企業(yè)職工傷亡事故分類》（GB/T 6441-1986）第2章《事故類別》，危險源可以分為物體打擊、車輛傷害、機械傷害、起重傷害、觸電、淹溺、灼燙、火災、高處墜落、坍塌等20類。目前，水利工程現(xiàn)場施工中存在的危險源主要有：①火災或爆炸性危險源，例如壓力容器、炸藥庫、油庫等，在運輸、存儲、使用過程中可能發(fā)生爆炸。②高處墜落或物體打擊性危險源，例如起重設備、承重排架、棧橋等。③坍塌性危險源，例如高邊坡、基坑開挖等。④中毒性危險源，主要發(fā)生在施工人員居住區(qū)。⑤自然災害，例如臺風、龍卷風、雷暴天氣等。

1.4 事故觸發(fā)機制

危險源演變?yōu)槭鹿实谋澈笫侨?、物、環(huán)境三重因素共同作用的結果。首先，物的各種不安全狀態(tài)成為事故發(fā)生的各個危險源。其次，人的不安全行為和環(huán)境因素形成一個個觸發(fā)因素。而安全管理的任務是識別各種危險源，并制定相應的安全防控措施。如果成功識別危險源并進行有效防控，事故發(fā)生條件就會失效，否則事故就可能發(fā)生。

1.5 危險源識別方法

識別危險源大致可分為經(jīng)驗法和系統(tǒng)分析法。經(jīng)驗法是基于以往安全管理經(jīng)驗和可供借鑒的危險源案例進行識別，前者稱為直接經(jīng)驗法，后者稱為類比法。系統(tǒng)分析法是利用系統(tǒng)安全理論進行識別，例如安全檢查表法、事故樹分析法、預先危險性分析法、事件樹分析法等。

1.6 BIM技術在水利工程施工現(xiàn)場危險源識別中的應用

第一，利用Oracle、SQL Server、Access等數(shù)據(jù)庫軟件建立危險源識別信息數(shù)據(jù)庫。首先，整合水利工程施工相關規(guī)范，例如《建筑施工高處作業(yè)安全技術規(guī)范》《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術規(guī)范》《建筑機械使用安全技術規(guī)程》《建設工程施工現(xiàn)場消防安全技術規(guī)范》《建筑邊坡工程技術規(guī)范》等，目的是在危險源識別時與規(guī)范對比，可以及早發(fā)現(xiàn)安全管理中存在的問題。其次，整合水利工程危險源評價數(shù)據(jù)。利用LEC評價法（即作業(yè)條件危險性評價法）對各種危險源進行評級，例如臨邊護欄高度低于1.2m且無密目網(wǎng)遮擋，L=3，E=2，C=7，D=42（L為事故發(fā)生可能性，E為人員暴露頻繁程度，C為事故后果嚴重程度，D為風險值），等級為一般。最后，確立危險源標準參數(shù)和防控信息庫，在危險源識別時通過與標準參數(shù)對比，確認危險源的同時明確相關安全對策。

第二，構建危險源識別系統(tǒng)模塊，包括信息采集與模擬、信息交互兩大模塊，前者在BIM模型基礎上可利用VR（虛擬現(xiàn)實）技術模擬各種危險源引發(fā)的事故場景，后者便于信息共享。將BIM模型導入到Navisworks中，利用沖突與碰撞檢查可以發(fā)現(xiàn)并標記危險源。還可以將BIM模型導入到FUZOR（VR平臺）中分析和標注危險源。

第三，識別危險源的方法。首先，根據(jù)相關軟件操作方式在危險源識別信息數(shù)據(jù)庫與Navisworks模型之間建立鏈接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與模型對接。然后，模擬水利工程現(xiàn)場施工各工序，根據(jù)數(shù)據(jù)庫存儲的危險源相關信息判別各工序中潛在的危險源。遍歷數(shù)據(jù)庫中所有危險源數(shù)據(jù)，選出匹配的危險源，逐一對比分析，直至找出所有危險源。利用FUZOR平臺可以模擬事故場景和展現(xiàn)危險源危害性，通過對模型設置二維碼可以更加方便地獲取危險源信息。

2 水利工程現(xiàn)場施工安全檢查

2.1 安全檢查現(xiàn)狀

經(jīng)過多年實踐，關于水利工程施工建設的安全標準、指導原則、實踐經(jīng)驗已極為豐富，能為任一種施工建立安全檢查流程，例如施工排架拆除作業(yè)控制檢查流程、高邊坡開挖作業(yè)控制檢查流程等，然而這些流程在實踐中應用并不方便，因為它只是停留在紙質規(guī)則文件上，雖然展示了各參與方職責和任務要求，但并不方便各方相互交流，由于溝通不到位或各方理解不一，存在難以洞察的漏洞，現(xiàn)場施工中也無法避免安全隱患的出現(xiàn)。

2.2 BIM技術用于安全檢查的優(yōu)勢

BIM技術具有的施工可視化、參數(shù)化、協(xié)調化、動態(tài)化的優(yōu)點，讓現(xiàn)階段水利工程安全檢查難題迎刃而解，結合三維信息模型，建立基于安全規(guī)則標準的檢查系統(tǒng)，可以實現(xiàn)施工全過程監(jiān)控，動態(tài)檢查施工安全問題，并以交互方式提供解決方案，幫助安全管理人員更科學地規(guī)劃施工任務和規(guī)避安全風險。

2.3 BIM技術在水利工程施工現(xiàn)場安全檢查中的應用

建立基于BIM技術的安全檢查系統(tǒng)分為以下幾個步驟：

第一，映射安全規(guī)則標準，即將當前已存在的安全檢查相關的規(guī)則標準文件映射為系統(tǒng)可讀形式。規(guī)則標準的應用適用條件包括標準應用背景、適用屬性兩方面。應用背景用于識別施工對象，例如施工排架拆除或高邊坡開挖施工。適用屬性用于安全檢查的關鍵參數(shù)，例如開挖口所處位置、長寬尺寸等。將現(xiàn)有的安全檢查表重新整理成系統(tǒng)可讀的參數(shù)化形式，例如高處作業(yè)面和通道需設置安全護欄或懸掛安全網(wǎng)，整合之后“對象”為高處作業(yè)面和通道；條件①：臨水——設置不低于1.2m安全護欄的防護措施；條件②：臨空——懸掛安全網(wǎng)的防護措施。

第二，建立基于對象的模型。為實現(xiàn)系統(tǒng)自動檢查的目的，需要包含多種信息的模型，該模型比常規(guī)三維模型更嚴格，除了對象名稱、類別、屬性以外，還包括識別號、日期、創(chuàng)建者姓名、空間關系等信息，并且實時更新。

第三，執(zhí)行自動安全檢查。建立了可供系統(tǒng)使用規(guī)則標準集和基于對象的模型以后，系統(tǒng)通過對象名稱、類別、屬性等信息，對照規(guī)則標準進行自動檢查。檢查方式分為兩種情況：一是根據(jù)系統(tǒng)默認設置應用安全解決方案；二是提供可能的解決方案。對于后一種情況，系統(tǒng)會比較所有可能的方案，然后選擇一個最佳方案。

第四，生成安全檢查報告。系統(tǒng)可生成兩種形式的報告，其一為可視化安全防護設備，其二是安全檢查表。后者包含模型對象信息、解決方案信息、防護設備清單等。

第五，提出安全措施。為方便決策者做出更好決策，系統(tǒng)會針對安全檢查結果提供相應的糾正措施，以方便任務調度和工作安排。

3 水利工程現(xiàn)場施工安全風險的預警

3.1 BIM技術用于施工安全風險預警的意義

施工安全風險是施工中可能發(fā)生事故導致人身傷害、財產(chǎn)損失的可能性，在安全風險成為事故前預警，可以及時采取措施避免事故的發(fā)生。然而水利工程往往施工組織復雜，安全管理難度大，傳統(tǒng)安全風險評估預警方法存在種種不足。例如層次分析法（AHP）可針對多個評價指標自適應分配，但其預測環(huán)境適應度不好。再如通過理論與實證結合建立預警模型，但其預測可靠性不高。應用BIM技術對施工安全風險進行預測評價可靠，準確度較高，對于提高水利工程施工安全風險控制能力具有重要意義[4]。

3.2 創(chuàng)建基于BIM技術的施工安全風險預警模型

第一，采用Revit創(chuàng)建三維BIM模型。創(chuàng)建規(guī)則模型可以直接從Revit族庫中選擇同型構件，調整修改族屬性參數(shù)即可。創(chuàng)建不規(guī)則構件模型可使用體量族方式。

第二，設置參數(shù)。模型創(chuàng)建后，賦予相關信息，如施工單位、開始/結束時間。針對施工安全風險預警信息，應在施工設計初期創(chuàng)建。以樁基礎工程為例，按施工工序分為樁基施工和樁帽施工兩道工序，運用Revit軟件劃分為兩個施工階段，分別評估施工安全風險。首先，從模型中提取施工信息并生成明細表。然后進行仿真模擬，將模型導入Navisworks軟件進行全方位觀察和試驗。通過仿真試驗，確定樁基施工和樁帽施工的風險等級，并采取相應的處理措施。

第三，評估施工安全風險，可結合風險評估常用方法對施工安全風險進行評分，然后判斷安全等級，再提出風險接受準則。評價施工安全風險等級，可根據(jù)現(xiàn)行風險評價等級劃分原則及相關資料。

第四，風險預警。根據(jù)施工安全風險評估結果，將不同風險等級及防控措施以不同顏色展示，效果清晰而醒目，易為參建各方查閱和重視。

3.3 構建施工安全風險預警體系

第一，對工程系統(tǒng)進行分解。一般可按施工工序的先后順序分解，例如樁基礎工程先施工樁基，再施工樁帽；也可按工程分項、功能、要素等進行分解。使用分解樹或分解表表達工程系統(tǒng)分解后的情況。

第二，對風險事故進行分類。根據(jù)《企業(yè)職工傷亡事故分類》（GB/T 6441-1986）將風險事故進行分類，例如物體打擊、高處墜落、機械傷害、觸電等。

第三，識別施工安全風險。結合施工事故分類表，對水利工程施工中可能發(fā)生的風險事故進行歸類，作為制定控制安全風險方案的依據(jù)。

第四，建立施工安全風險評估指標體系。與常規(guī)風險評估方法依靠專家打分賦值不同，利用BIM技術可以根據(jù)客觀事實獲取精確信息。通過風險評估指標函數(shù)量化風險等級，據(jù)此計算風險評估指標參數(shù)。使用三維BIM模型評判工程規(guī)模、施工復雜程度和計算工程量。施工安全事故研究結果表明，事故發(fā)生概率與施工復雜程度相關，復雜程度越高，發(fā)生事故的概率越大，通過這一關系可以為各分項工程風險評估指標進行賦值。同時，施工安全風險與現(xiàn)場施工人員數(shù)量有關，參與施工的人數(shù)越多，發(fā)生安全事故的風險越大，所以在為風險評估指標賦值時還要加上施工人員數(shù)量因素。水利工程現(xiàn)場施工機具種類較多，其中不乏大型施工機械，而大型施工機械種類越多，發(fā)生安全事故的風險也越大，所以在對風險評估指標賦值時還要加上施工機械因素。在應用BIM模型過程中，可以直接提取相關機械信息。風險評估指標設置時，還應考慮單個構件的施工難度，因為單個構件施工難度越大，事故風險也越高。

第五，建立施工安全風險預警體系。建立過程包括參數(shù)設置、評估指標權重計算、風險評估和構建評估模型評判集。參數(shù)設置即為前述評估指標參數(shù)賦值。評估指標權重計算可采用AHP法。根據(jù)評估指標參數(shù)賦值及權重計算結果可計算風險評估值。評判集即對施工安全風險進行分級，例如重大事故、較大事故、一般事故等，據(jù)此可為施工安全風險進行分級。

第六，制定施工安全風險防控措施。根據(jù)施工安全風險評估結果，制定相應的防控措施。例如預防物體打擊就要求施工人員必須佩戴安全帽、遠離起重設備等。

第七，施工安全風險預警。在BIM模型中以不同顏色表達施工安全風險等級。選擇相應的構件可以查看信息反饋效果。還可以動態(tài)圖片或動畫視頻方式演示安全風險發(fā)生情況，結合事故預防措施，讓施工人員直觀了解施工安全風險，從而自覺遵守安全防護要求，降低事故發(fā)生率。

4 BIM技術在水利工程施工現(xiàn)場安全管理中的其他應用

4.1 施工圖檢驗

利用BIM技術的沖突檢查或碰撞檢測功能，分析不同專業(yè)施工圖有無沖突，從而對施工圖進行優(yōu)化，加快施工圖會審效率。

4.2 安全交底

利用VR技術展示施工中可能遇到的各種安全風險及安全控制措施的作用，可以增強施工人員體驗效果，克服傳統(tǒng)安全交底不直觀、效果差的問題。

4.3 場地分析

水利工程場地規(guī)模大，現(xiàn)場地形、地貌、環(huán)境復雜，利用BIM技術并結合GIS（地理信息系統(tǒng)）分析施工場地對施工安全的影響，有利于提高施工組織設計的科學性。

4.4 現(xiàn)場學習和應急處理

在施工現(xiàn)場重要部位粘貼施工流程圖，圖示中關鍵節(jié)點附二維碼，當施工人員忘記安全要點或希望重溫相關細節(jié)時，利用手機掃碼即可獲得BIM技術制作的視頻材料。遇到緊急情況，施工人員不知如何處理時也可掃碼獲取相關信息。

5 結束語

BIM技術以其三維可視化、協(xié)調性、模擬性、動態(tài)優(yōu)化性的優(yōu)勢，可以在水利工程施工現(xiàn)場安全管理中發(fā)揮重要作用，但因BIM技術在我國推廣應用較晚，許多工程技術人員對其不夠熟悉，然而其具有的巨大價值值得關注和研究。