应用BIM与RFID技术的高层建筑施工安全管理模型*

田辉建 双晴

(北京交通大学经济管理学院，北京 100044)

0 引言

未来50年，随着城市化进程的快速推进，我国一线城市将持续面临土地资源紧缺和住房需求不足的尖锐矛盾。为高效利用土地，高层建筑呈现不断增长的趋势[1]。迪拜塔、上海中心大厦等超高层建筑逐渐成为建筑热点，同时我国还计划建设超过1000m的世界最高建筑。高层建筑在减轻城市住房压力、带来城市现代化的同时，也面临严峻的安全生产问题。高层建筑因为高空作业危险性因素多、施工技术复杂、工作量大等，每年引发大量施工事故，造成严重的人员伤亡和财产损失[2]。例如2016年，深圳市南区某一高层建筑工地24楼防护棚意外发生坍塌，导致10名工人伤亡；2009年，上海莲花河畔工程两侧作业安排失误，一侧大量堆积土方，另一侧进行地基开挖工程，两侧压力差超过桩基础承载能力，导致建筑主体倾塌[3]。但是由于我国当前工程建设技术和项目管理方法的限制，无法采取有效的安全管理措施减少事故的发生。同时建筑业为了减少成本、提高收益率，依旧依靠劳动密集型的生产方式，而施工人员大部分为知识水平不足的农民工，因此导致施工事故频发，安全问题十分严峻，严重影响了我国建筑业的健康发展。

近年来，建筑业开始引入制造业的生产经验，提出建筑产业化、信息化、智能化的发展方向[4]。在建筑施工中也逐渐应用一些先进的技术改进安全管理方法，BIM技术和RFID技术就是其中两项重要的应用。BIM技术有着强大的优势，在英国、美国等已经发展得较为成熟，在国内也逐渐引起重视。RFID定位技术也大量应用在工业、医疗、安全和部分项目管理等领域，显示出巨大的优势[5]。

本文基于这一现状，以安全管理为切入点，以BIM、RFID为技术基础，研究如何在高层建筑施工过程中运用该技术进行安全控制。基于高层建筑施工安全管理理论，考虑我国高层建筑施工和历史安全事故的特点，探索应用BIM和RFID的集成方法，全力确保各个环节可控，通过精准有效的控制管理全面降低安全事故的发生，提高目前高层建筑业的安全管理水平[4]。

1 高层建筑施工安全管理问题

近几十年来，建筑安全方面的研究工作逐渐成为研究热点，尤其是具有高危险性的高层建筑施工[2]。高层建筑施工安全管理具有与一般建筑工程共有的综合性、复杂性、非标准性、动态性特点。除此之外，高层建筑施工还包括以下特点：

(1)施工工作量大、工期长。按照相关规定，一般主体高度超过45m的属于高层建筑，而超高层建筑主体高度则超过100m。因此，高层建筑施工相比一般的住房施工，具有工作量、强度和时间上的区别，对施工人员的要求更具挑战性。同时高层建筑层数多、结构复杂，需要使用大量不同类型的建筑材料和工器具。

(2)施工技术复杂、组织要求高。高层建筑的工作人员和工作环境在不断流动和改变。高层建筑施工的各种技术难题和安全问题通常交织存在，导致施工现场易出现很大的安全隐患。要想安全顺利地施工，就要协调解决好高空中施工人员、建筑材料和机械设备等运输问题。

(3)对安全防护的要求高。由于高层建筑施工过程中，工作人员处于高空作业状态，作业空间相对狭窄，多种交叉作业配合，因此与一般建筑工程相比，存在的安全隐患更大，对于高空安全防护措施的要求也更高。

2 BIM与RFID技术的特点与适用性分析

2.1 BIM技术和适用性分析

BIM技术是基于三维数字技术，协同整合设计文件、合同文件等多种建筑工程属性和专业信息的数据模型[6]，实现更高程度的可视化、模拟化、协调性。此外，BIM集成了各种分析计算模拟软件，例如动态施工模拟，能够方便地进行建筑施工的安全控制管理。

BIM在高层建筑工程中的适用性主要体现在技术、经济、环境适用性三个方面。

(1)在技术适用性方面，主要包括BIM能够实现安全模型建立、信息共享和信息沟通、动态施工模拟。例如北京比目鱼科技公司利用BIM 5D施工管理系统已经实现北京新机场等大型工程项目的设计施工。在安全管理方面，BIM技术可以通过模拟施工不断优化施工安全计划以及可视化的安全教育培训等，最终提高安全控制效率[6]。

(2)经济适用性分析方面。近几年，BIM软件也逐渐被运用到建筑管理领域。由于技术限制，BIM软件初始投入较高。例如广联达BIM 5D软件对操作电脑的系统配置有明确要求。但是BIM在设计和施工阶段能够实现多次修改和直观验收，减少由于设计图和施工程序错误引起的损失。另外，在后期运营和修缮管理过程中，BIM模型也能发挥巨大的作用，从而减少成本。因此，在经济上BIM技术的应用也是可行的。

(3)环境适用性方面。2017年国家提出装配式建筑的发展方向，未来建筑信息化、产业化、智能化成为发展趋势。基于BIM技术的建筑工程和建筑施工安全管理是建筑信息化的一个重要应用。通过构建3D模型模拟设计和施工过程，可以提高工程建设质量和安全管理效率，降低安全管理成本。

2.2 RFID技术和适用性分析

RFID技术是一种通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据的射频识别技术[5]。相比于GPS等，RFID技术在建筑施工过程中具有独特的优势。近年来RFID技术不断发展，在物流管理、门禁管理、身份识别等领域都得到了广泛的推广应用，也逐渐被应用于建筑行业识别追踪等领域。例如，京东集团的智能化快递分配工厂利用该技术，实现了用户快递的定位和识别。

适用性方面，RFID技术在建筑工程安全领域具有技术优越性。RFID技术利用优越的非接触读写功能，可以快速识别处于工作状态的人员和器械设备的属性信息。另外，RFID设备可以循环使用，从而节约成本和资源，有效避免安全事故的发生，带来隐形的收益。RFID技术已经在国内外有了广泛的应用，逐渐成为主流的区域定位技术。

3 BIM与RFID技术的集成化安全管理模型

基于BIM和RFID技术在高层建筑施工安全管理中的适用性和必要性，为解决高层建筑施工环境中难以控制的问题，提出一种应用BIM和RFID技术的高层建筑施工安全管理模型(图1)。模型主要包括五个阶段：模型准备阶段、信息收集与处理阶段、安全评估阶段、安全预警阶段和模型效果评价。

图1 BIM与RFID技术的集成化安全管理模型构架图

3.1 模型准备阶段

选取我国2010～2014年高层建筑施工事故的历史数据，分析得到我国建筑施工类型的分布情况，从而利用排列图法分析高层建筑施工安全性的主要影响因素。排列图法是用来寻找影响工程安全的有效方法[7]。

由表1可知，我国高层建筑施工主要有六大伤害。其中高处坠落、坍塌事故、物体打击属于

表1 高层建筑工程事故因素排列表

A类因素，是安全事故预防的重点。通过对历史安全事故资料的统计分析得到高层建筑施工的主要危险源，可以为信息收集和安全评估阶段提供支持，对主要危险源的位置进行预先控制。

3.2 信息收集与处理阶段

信息收集和处理阶段是依据工程信息、现场施工人员和机械器具信息构建现场施工实时模型，并利用BIM和RFID技术进行虚拟施工，对所有工程进度信息进行有效的识别，形成一个4D模型。利用事故预分析，对BIM系统中已有的现场3D模型及其一般属性进行补充，并定期对施工环境信息进行更新，从而有效识别模型中的危险区域。

结合高层建筑施工环境特性，考虑定位精度、定位范围、抗干扰能力、穿透障碍物能力和拓展性，通过对比分析国内外多种定位技术，最终选择RFID技术作为现场定位技术[8]。RFID技术主要包括标签、读写器以及计算机通信网络。在现场施工过程中，RFID标签一般置于工人的安全帽中，各层安放读写器，从而实时定位工人的位置。同样，现场机械器具信息收集方面，对于能够产生运动范围的大型机械设备，可运用RFID技术解决精准定位问题[9]。

3.3 安全评估阶段

结合实际高层建筑工程项目专业信息，通过BIM技术构建施工环境，对危险区域进行全方位的模拟分析，找出在正常施工过程中发生的碰撞，坠落，结构失稳等安全问题，从而做到事前修正与控制。例如龙门架周围一定半径、基坑边缘一定距离范围区域内都是危险区域，使用红色标记，可以让工程相关人员形象辨识。利用专业安装的RFID标签，接收现场重要的施工人员、材料资源、机械设备等各种要素的实时位置信息，并且准确反映在所构建的BIM模型中，从而精准监控施工过程。

3.4 安全预警阶段

从现场施工工人角度考虑，安全预警主要包括信号发射、信号接收和信号反馈三个步骤。施工作业人员一旦进入危险区域，就会向预警系统发射非正常的位置信息，触发云端BIM+RFID监控系统的安全警报。信号接收阶段安全预警系统会及时发出提醒信息，在工人安全帽上显示颜色或者发出危险提示音。对于即将触碰到危险区域的建筑工人进行安全提醒，从而精准控制现场的施工过程，减少事故发生率。信号反馈是指工人感知到危险提示后退出危险区域。

3.5 模型效果评价

模型效果评价是对应用该施工安全控制模型后，控制和处理高层建筑施工暗藏危险和不确定因素的有效性分析。郭红领等根据安全事故发生原因分析，将施工现场的危险区域分为与建筑结构和临时设施相关、与机械设施相关两类，具体包括坠落、坍塌、物体打击、触电等事故[8]。结合高层建筑施工的工程特性，选取上述主要高层施工安全影响因素，建立施工安全性评价指标体系，组织监理单位、施工单位、建设单位代表进行评价，对高层建筑作业的整个施个工程进行安全系数整体评估。对比分析应用BIM和RFID技术控制施工的安全管理流程(图2)前后的安全效率，评估BIM与RFID技术的集成化安全管理模型。

图2 应用BIM与RFID技术进行安全管理的流程

4 未来的挑战和方向

4.1 未来的挑战

BIM技术还处在刚刚兴起的阶段，在各种工程环境中的应用效果还没有发展成熟。2017年，国家相关单位提出对于部分工程项目必须强制使用BIM技术等创新技术，实现装配式建筑生产，但是在初期并没有足够的技术和配套设施支持，这种生产方法还难以快速实现。当前技术在精度和成熟度上存在不足，这对高层建筑施工中部分具有高危但精密特点的作业具有威胁性，同时应用成本较高。例如外墙装饰作业中，为了保证装饰材料粘贴的精度，工人长时间在室外高空作业，很难降低危险发生的可能性。另外，当前能够熟练操作和使用BIM技术的专业人员也处于匮乏状态。RFID技术还是一种利用较少的定位技术，RFID与BIM技术的集成还没有实现现实应用，这对该模型在施工领域的发展产生了一定的阻力。

4.2 发展方向

近年来，BIM和RFID技术在美国、日本等国广泛应用，取得很多创新的建筑项目管理方法和技术手段。

(1)实现工程信息的共享和管理。例如上海中心大厦这样的超高层建筑，在施工过程中产生了海量信息，在控制质量和资金目标的基础上，必须经过大量的数据收集和计算、分配、反馈过程，因此大大影响工程的效率，也增大了施工过程中暴露在危险区域的时间。利用新技术RFID能实现现场信息的实施定位，BIM虚拟模型能整合多维度信息，实现多方的控制和沟通，及时修正各方发现的安全问题。

(2)施工场地的布置优化。施工现场是工程各方共同协作创造价值的地方，现场的人员、材料、器械设备的布置情况会对工程过程的安全产生直接影响，关系各项组织计划能否正常有序地进行。利用BIM和RFID技术可以在正式施工之前，在满足工程要求的基础上，通过模拟施工，制订出最优的布置计划。

5 结语

高层建筑工程是安全事故发生较多且难以有效控制的高危领域。为了提高安全管理的效率，本文从目前高速发展的BIM技术和RFID技术出发，结合建筑业安全管理发展现状，建立起一个科学经济、精准有效的安全管理系统，为高层建筑施工安全管理生产提供科学的依据和智能化的管理办法。建筑施工是一个高度动态和技术复杂的过程，安全管理是工程建设的基石。BIM技术和RFID技术的引入，将对建筑业的科技进步和健康发展产生巨大的影响。