基于BIM与WSN技术的塔吊安全管理实施监测与预警系统研究*

张彬彬

(上海市地下空间设计研究总院有限公司，上海200000)

0 引言

随着建筑业的蓬勃发展，建筑结构形式及施工工序日益复杂，施工现场塔吊安全事故频发，为工地现场的安全管理带来了愈加复杂的安全风险和隐患[1]。2017年6月16日，上海虹桥商务区淮虹路申虹路某工地，塔吊作业时发生倒塌事故，造成2人受伤；2017年7月5日，江苏省张家港市杨舍镇汇金中心工地发生塔吊倒塌事故，造成1人死亡，4人受伤；2017年7月22日，珠海区振兴大街16号一在建工地发生塔吊倾斜倒塌事故，造成7人死亡，2人受伤，等等。大量研究发现造成风险事故发生的直接原因就是危险源，它是事故链的起端，因此对现场塔吊展开危险源管理工作十分必要。然而，面对现场塔吊施工日趋复杂的形势，传统的管理方法已不能满足现代安全管理动态、快速、准确的风险识别、评估、预警的需求，难以有效降低工地塔吊安全事故的发生率[1-3]。

近年来，计算机、网络通信等信息技术的发展为提高建筑工程建设安全管理提供了新的手段和途径，其中BIM技术居于举足轻重的地位，也是当前安全管理的一个重要研究方向。BIM技术具有可视化、协同性、综合性的特性，基于BIM技术能够将现场所有的动态安全信息进行集成，能够为施工现场的安全问题进行沟通和协调提供统一的平台。

同时，需要注意的是，单纯的BIM技术应用较难满足现场安全管理的需求，其与网络技术的结合，尤其是与无线传感网络技术的结合，极大地提高了BIM技术的价值，为现场的安全管理手段提供了“感知器官”。通过BIM技术和无线传感网络技术，如RFID、ZigBee和UWB技术，可以实现对现场安全信息的实时自动化动态收集，因此应用BIM技术和WSN技术解决施工现场安全管理问题将会是一大发展趋势。

许多专家学者对BIM技术在安全管理方面的应用进行了较多的理论研究和实践。郭红玲等使用RFID技术实现了现场施工人员的动态定位，并提出了基于BIM技术和RFID技术的施工现场工人定位系统模型[4]。刘文平引入GPS定位技术和UWB定位技术分别对施工现场室外目标和室内目标进行定位，提出适用于施工现场的综合定位方法[5]。张建平等结合BIM技术，分析了塔吊对施工人员的威胁，并对施工现场物理碰撞检测进行了分析和提示[6]。MERIVIKTA等(2011)提出用于展现施工进度计划和建筑模型统一的4D-BIM技术，并提出BIM可以用于工地通信[7]。PARK等(2013)提出了建筑安全管理和可视化系统的框架，通过对BIM、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和游戏技术(GAME)的集成，建立了安全管理可视化系统(SMVS)[8]。AZHAR等(2013)使用BIM技术将施工安全问题和施工计划进行紧密连接，允许项目参与者直观地评估现场条件和识别风险，提供足够时间制定风险缓解计划等[9]。

然而上述研究内容主要是应用BIM技术实现对危险源的自动识别、施工现场布置与安全计划、施工临时设施和部分危险部位的安全检查、现场安全交底和沟通、事故应急处置模拟，基于BIM技术的塔吊安全管理的研究比较少。本文构建了基于BIM与WSN技术的塔吊安全管理实施监测与预警系统框架，梳理系统运行流程、系统功能应用模块、系统数据流程，并分析论述该系统的各组成部分，以期最大限度地为基于BIM的塔吊安全管理实施监测与预警等相关系统的开发提供参考。

1 塔吊安全事故预警系统模型构建

塔吊安全事故预警模型如图1所示。

1.1 数据采集层

数据采集层主要是利用传感器实现对现场数据的采集，数据内容主要包括：施工人员和塔吊运动数据的采集；安全事故、项目信息库、项目案例数据的采集；塔吊安全预警系统使用者需输入的数据，如塔吊载重预警值、人员安全运动范围值等。

1.2 数据处理层

UWB或传感器收集过来的数据，需要经过处理过滤，如转换格式等，还需要对收集的数据进行监督和管理。所收集的数据在与BIM进行交互时需要采用IFC标准，数据进行交互时需要对数据进行处理、识别和匹配，这样才能产生符合BIM模型需要的数据，将收集的数据与模型载体进行关联挂接，为事故预警提供基础支持。

1.3 模型层

模型层是塔吊安全预警的核心层，通过构建建筑三维实体模型、安全管理模型、动态模拟效果模块(如4D和5D展示)、人力资源、构件信息资源等模块，使系统具有多维度、可视化的特性，并且各模块之间通过IFC统一标准实现数据的互通。

图1 塔吊安全预警系统总体框架

1.4 应用层

应用层是塔吊安全管理系统的功能模块，是系统在模型层基础上的具体应用及功能体现，主要包括：4D动态模拟、人-塔吊动态监控、施工中的实时数据收集、安全分析与预警4个部分。

1.5 用户层

用户层是塔吊安全管理系统的使用者，也是该系统的参与者。系统中对于人的监控对象就是用户层，主要包括管理者、安全员、一般塔吊工作人员、特殊塔吊工作人员、施工人员。

同时，对于人员的实时监控主要是对人员位置的监控，需要对人员位置信息进行实时获取。人员实时位置信息需求见表1。

表1 人员实时位置信息需求

2 系统运行流程

基于BIM和WSN技术的塔吊安全实时监测和预警系统的运行流程如图2所示。

图2 塔吊安全预警系统运行流程图

数据收集处理阶段主要是实时动态收集人员的位置信息数据，传感器负责收集塔吊的运行信息数据，如塔吊力矩、载重、转角等，并利用数据处理系统对数据进行分析处理，实现数据的有效性分析。

处理好的数据通过BIM模型载体，实时动态集成到BIM模型中，利用数据监控系统对人员和塔吊施工信息数据进行分析，实时了解现场人员位置信息和塔吊的运行信息。

当系统分析的数据表明塔吊的运动威胁人员的安全时，系统会立即发出声光预警信号，现场相关人员立即采取安全管控措施，及时消除危险，待安全危险因素解除之后系统会自动停止安全预警。

3 系统应用模块

基于BIM与WSN的塔吊安全预警系统应用模块主要包括：安全教育系统、安全监控系统、安全预警系统、应急救援系统。各模块所包含的应用功能如图3所示。

3.1 安全教育系统

安全教育系统的目的是通过三维可视化的手段对工人进行安全教育，通过对施工现场的环境进行虚拟展示，对施工工序的可视化模拟，提供各工序的标准操作规范和要求，使工人在进场施工之前切身熟悉现场的实际施工情况，掌握满足施工规范要求的操作行为，并且通过塔吊危险源可视化管理实现对塔吊危险源的三维可视化展示，以此多方位多角度提高施工人员的安全防范意识和知识，杜绝安全事故的发生。

3.2 安全监控系统

安全监控系统主要是实现对塔吊运行的监控，及时掌握塔吊运行过程中的危险值及区域，并对危险做出反映。塔吊防碰撞监控系统主要是监控多塔吊之间的碰撞，防止多塔吊发生碰撞事故；塔吊高处坠物监控系统主要是监控塔吊的载重是否超过预警及报警值，当传感器获取的载重数据达到相应的报警值时，系统会进行自动及时报警；塔吊违规操作监控系统主要是对塔机司机的行为进行监控，当塔司操作出现不满足规范要求的行为时，系统会及时将数据反馈给相关管理者；塔吊安拆安全监控系统是对塔吊安装和拆除过程进行监控，这也是塔吊发生事故的两个关键阶段。

3.3 安全预警系统

安全预警系统主要是实现对危险的警报，特别是当塔吊的运行区域威胁施工人员的安全时，该系统会及时自动发出预警警报。安全预警系统的及时准确与否，很大程度上取决于其子模块安全警报发送系统、安全警报反馈系统、安全模型更新机制3个方面工作的处理情况。

图3 塔吊安全预警系统功能应用模块

3.4 应急救援系统

应急救援系统是事故发生之后，现场能够及时采取相应的救援措施使损失降到最小。这就需要众多的BIM案例及项目数据库，及时提出应急救援预案，并制定有效的处理机制，在事故发生后及时报警，联系并指引救护车及时到达现场。

4 系统数据流程

数据流程主要包括：数据采集、数据整理、数据交互、数据处理、BIM数据系统等过程。塔吊安全预警系统的数据流程如图4所示。

图4 塔吊安全预警系统的数据流程

4.1 设备数据采集过程

UWB负责采集人员位置信息数据，并记录人员位置轨迹。各类传感器负责采集现场塔吊运行信息数据，并记录塔吊的运行数据。

4.2 数据整理过程

该过程主要负责对收集的各类数据，按照IFC标准进行转换，去除不必要的数据信息，提高信息数据的利用效率。

4.3 信息交互模块

信息交互模块是塔吊安全管理系统数据流程的核心，传感器与计算机的数据信息交互，需要了解掌握各类传感器的API接口，但不同传感器的数据传输格式不同，需要制定各类传感器的统一数据传输格式，以保证数据信息交互的可行性。

4.4 数据处理模块

数据处理模块主要是对现场硬件设备收集的数据信息进行有效的处理和分析，准确判断人员及塔吊的现场工作情况。此外，该模块也能处理用户手动输入的数据，判定人员或塔吊的情况。同时，还需要处理BIM系统中的数据信息。该模块是整个系统中的重中之重。

5 结语

建筑业塔吊事故频发。本文结合塔吊安全管理的发展状况以及BIM与WSN技术相结合辅助现场安全管理的优势，即可视化、集成化、实时性等，构建了基于BIM与WSN技术的塔吊安全管理实施监测与预警系统框架，分析了该框架系统的实施流程和数据流程，并对系统的功能应用模块进行了论述，可为建筑业相关单位对施工过程中的塔吊安全管理系统的开发提供新的解决思路和途径，并有利于BIM与WSN技术在建筑业的有效实施及推广，以及将BIM与WSN技术在建筑施工中的应用价值最大化。

[1]赵亚斌.浅谈建筑施工现场塔吊的安全管理[J].智能城市，2017(10)：113.

[2]吕红安，王鹏，冯柳，等.建设工程施工危险源的辨识、风险评价与控制[J].华中科技大学学报(城市科学版)，2006，23(1)：43-45.

[3]杜海.浅述特种设备(塔吊)机械设备的安全管理[J].江西建材，2014(5)：281-283.

[4]郭红领，于言滔，刘文平，等.BIM和RFID在施工安全管理中的集成应用研究[J].工程管理学报，2014(4)：87-92.

[5]刘文平.基于BIM与定位技术的施工事故预警机制研究[D].北京：清华大学，2015.

[6]张建平，胡振中.基于4D技术的施工期建筑结构安全分析研究[J].工程力学，2008(S2)：204-212.

[7]MERIVIRTA M L，SULANKIVI K，KIVINIEMI M，et al.BIM-based safety management and com-munication for building construction[J].VTT Tiedotteita-Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus，2011(2597)：110-123.

[8]PARK C S，KIM H J.A framework for construction safety man-agement and visualization system[J].Automation in Construction，2013(33)：95-103.

[9]AZHAR S，BEHRINGER A.A BIM-based approach for com-municating and implementing a construction site safety plan[J].ASC Annual International Conference Proceedings，2013(49)：68-76.