基于建筑安全管理的BIM+AR技术应用研究

黄阵仙 张爱青 方伟国

(福州外语外贸学院 福建福州 350202)

0 引言

安全，不仅是建筑行业可持续性发展的保障，而且也是建筑施工企业赖以生存的基石。但建筑行业施工活动复杂，施工环境多变，施工人员流动性较强，往往给建筑行业带来了诸多风险因素，容易造成人员和财产的巨大损失。而且，随着各种高层、异形、大跨度结构建筑的增多，建筑施工安全管理问题越来越突出。根据住建部统计，2015年至2017年期间，全国共发生房屋市政工程生产安全事故1768起，死亡2096人。而造成安全事故的主要原因是建筑从业人员的不安全行为导致。因此，建筑安全管理问题一直是建筑行业聚焦的关键问题。当前，我国的建筑安全管理方法还处于比较初级水平，基本依靠安全管理手册和施工设计平面图纸来辨别和比对施工现场的不安全因素[1]，这种原始的以管理者的主观判断和个人经验为主的管理方法，显然已经不能适应现代建筑行业的发展需要。而且，这种初级的管理方法还会因为过于依赖管理者的经验而使得安全管理水平受到影响。因此，如何把现代技术手段应用于建筑安全管理工作中已成为当务之急。

能够有效地整合建筑相关信息，对项目施工具有较强的指导作用，大大地提高管理效率，大大降低管理成本，所以，BIM技术的产生并受到建筑行业的极大关注和推崇。但在具体的实践过程中，BIM也存在明显的不足，最突出的缺点就是建筑工程信息只能人为输入，不能与建筑工程的实际环境和施工状况进行有效的实时的交互，现场反馈效果不理想。因此，业界急需寻找一种技术能够更好地解决这一问题，完善建筑工程现场安全管理。

AR(Augmented Reality)即增强现实之意，一种全新的人机交互技术，可以模拟真实场景，突破时空与其它客观限制，为建筑工程管理实践提供技术支持。

1 BIM与AR技术相结合优势

BIM技术在建筑工程施工领域中应用的突出优势，在于它可以在建筑相关的数据信息基础上构建模型，通过虚拟仿真技术来实现对建筑物真实信息的模拟。它贯穿于整个工程的设计、施工和运营全过程，具有可视化、直观化等无可比拟的优越性；但在长期的实践应用中，也渐已凸显它的不足，特别是在处理庞杂的数据信息时，BIM技术无法实现虚拟与现实之间的交互，而且数据信息所呈现出的结果也不够直观等，对实际的工作效率产生较大的负面影响。因此，如若引入AR增强现实技术，通过虚拟技术与现实进行交互，从而突破时空和其他条件的限制，则将更好地解决工程施工过程中的实际问题，两者结合则将充分挖掘并实现最大价值，扬长避短，为建筑安全管理带来新的变革。

1.1 BIM技术

BIM(Building Information Modeling)技术在建筑工程的几何、物理以及功能等信息基础上，可以构建BIM模型，直观地把建筑信息表现出来。利用BIM模型的可视化特点帮助管理者和施工人员辨识在施工作业全过程中存在的全部风险源[1]。

管理者可以通过BIM模型分析各环节的风险因素，制定科学的对策措施，预防安全事故的发生。可以整合归纳建筑施工过程中的所有数据和信息，有效地协调相关的施工活动，提高建筑施工管理的效率。同时，还可以让所有参建者在云端模型中进行实时信息交流，对安全风险点进行实时跟踪，以便及时地发现危险，消除安全隐患，实现协同、高效的现场管理。与此同时，BIM技术还可以通过模拟实验，科学地进行场地施工安排、施工过程构件的承载力验算等，合理地安排设备进场、材料进场、人员分配等。通过BIM模型与云数据相结合，实现数字化的现场监控，通过模拟和监控强化现场管理。此外，BIM模型中还能汇集建筑工程中全部的真实数字信息，当某一参数发生变化时，其他关联参数可以随之更改，便于管理者根据实时更新的信息，辨别出新的风险因素，并且在第一时间作出相应的对策，从而实现建筑工地科学、动态的现场管理。

1.2 AR技术

它将生成的虚拟对象、场景、影音、动画和提示信息通过计算机技术叠加到虚拟现实世界中，用于向用户呈现一个信息增强的现实世界和虚拟世界的混合物[2]。

可以说，AR技术是以交互性和构想为基本特征的计算机高级人机界面。利用这种技术，使用者不仅能够通过虚拟现实系统体验到"身临其境"的感觉，而且能感受到现实世界中无法经历的体验。而且，通过增强现实技术，使用者还可以看到叠加到真实环境中的数字信息，可以让使用者更好地理解和感知虚拟模型，大大提高了安全管理的效率[3]。换而言之，AR创建了一个与现实世界相关联的虚拟世界。通过虚拟世界和现实世界的融合，形成了一个与现实世界既有联系又有区别的超现实空间[4]，将相应的数字信息嵌入虚拟现实世界界面，强有力地填补了可视化管理平台的空白[5]。

1.3 BIM与AR结合

BIM模型集合了建筑的全部信息，AR技术让BIM建筑信息模型呈现的内容和方式更加丰富、生动，也让建筑工程参建各方的沟通变得更加快捷、高效。AR技术可以融合虚拟和现实，进行实时交互、跟踪及定位，为建筑安全管理提供更加全面、科学的依据。但是，要更好地将两者结合应用，需要构建以下3个模块：

(1)BIM模块：根据项目设计要求、工程实体属性、建筑材料特性等构建全信息覆盖的可视化模型，可通过BIM模型与工程实际环境融合后得出反馈结果，修改和优化BIM模型。

(2)AR模块：BIM模块建成后，AR技术可以进一步改善虚拟模型。通过计算机，图像处理软件，传感器等建立与真实环境相匹配的虚拟场景模型，然后通过特定设备沉浸在虚拟真实环境中，感受另一个类似于现实世界的虚拟世界[6]。

(3)融合模块：在BIM模块和AR模块的基础上，融合模块把周围真实环境及项目进展情况等信息，通过信息采集装备，实时地反馈到BIM模型与AR模型中，从而实现虚拟和现实融合，并通过输出设备将结果传输到可视屏幕上。

三者紧密联系在一起，BIM构建了包含建筑全部信息的虚拟模型，AR增强了虚拟模型与现实世界的联系，而环境融合模块把真实环境及项目进展情况实时地反馈到模型中，使BIM模型和AR模型得到不断地调整和改善，从而实现了工程项目管理的实时交互和可持续发展。

2 BIM+AR技术在建筑安全管理中功能作用

BIM+AR建筑安全管理系统的建立，使项目管理者能够更直观地识别现场危险源，以即时采取有效措施消除安全隐患。同时，施工人员可以及时地了解到施工现场应采取的安全防范措施，从而减少事故发生。

2.1 安全技术交底与安全培训

利用BIM技术建立施工安全指标，系统分析建筑信息模型中的各项数据信息，通过模拟施工得到的结果反馈，优化和完善安全指标体系。

具体做法：把施工安全指标与施工组织方案相结合，实现对施工现场的有效监控。结合AR技术，将虚拟技术与现实环境联系起来，可以让管理者在高度真实的虚拟环境中更加直观地理解和掌握项目工程特点、技术质量要求、施工安全信息等相关内容。项目管理者可以使用该模型对存在安全隐患的风险点和区域进行安全技术交底，将这些信息准确地传递给施工人员。根据虚拟技术确定的安全隐患点，对施工人员进行安全教育培训，利用建筑信息模型，模拟施工过程，制作相应的三维图像，并将三维图像叠加到现实环境中，施工人员可以通过特定设备输出和显示的安全提示，在安全管理系统指导下顺利完成任务。

2.2 冲突碰撞检查与安全预警

在施工准备阶段，设计人员需要预先布置相关管线的位置时，可利用BIM技术可视化的特点，对管线间的冲突碰撞问题进行三维检查。在分析施工阶段的施工信息模型之后，找出施工过程中可能出现的施工时序、材料进场、人员分配等环节的冲突问题，最大程度地避免冲突碰撞情况的出现。利用BIM技术可以通过施工模拟不断优化施工组织设计方案，实现安全、高效、协同的施工安全管理。除此以外，BIM技术还可以及时地把质量问题发生的部位、时间及处理情况导入BIM施工信息模型中进行跟踪，通过便携设备实现安全管理的动态控制和过程控制，有效地预防安全事故的发生。进入施工现场后，施工人员可以佩戴AR设备根据安全规范进行初步判断。而且，一旦施工人员进入安全管理系统确定的危险区域，预警模块将提醒施工人员并通知安全管理者采取相应措施，确保施工人员安全地完成各项工作。

2.3 危险源的辨识与安全告知

在施工过程中，危险源辨识是一项关系施工建设工作能否顺利开展的重要工作。BIM模型可为参建各方提供建筑工程项目相关的数据信息，通过模型可以系统地分析出危险因素，有利于管理者制定有效的安全预防措施，尽可能地减少危险因素对安全管理工作的不利影响。利用BIM技术，可将建筑的3D模型与施工进度进行链接，构建4D模型，随后，将4D施工模型与施工组织方案结合，优化资源配置，提高施工活动的安全性和科学性。虽然在施工前，相关人员可以通过构建模型、模拟施工，识别安全风险点，也对施工人员进行安全技术交底和安全培训，但在实际工作中仍然将可能遇到各种各样的突发状况，仅仅依靠培训是远远不够的，还需要现场的实时指导。这时，就可以通过AR技术将整个施工操作规范，以动画的形式呈现出来，为施工人员提供实时的帮助。同时，施工人员也可以通过AR设备看到自己面临的危险，了解自己所应当采取的紧急措施，即时预防安全事故发生。

2.4 信息反馈与安全演练

BIM模型是真实建筑的虚拟信息化展现，通过与AR技术相结合，即可构建了具象化的虚拟建筑环境[7]，让管理者和施工人员在更加真实的虚拟环境中感知环境的紧迫性，更好地完成安全演练。通过BIM将危险源标识在模型上，安全管理者可以通过这些关键点对现场安全进行指导和管理。通过模型上相对应的危险点位置，有针对性地采取安全措施，尽可能地避免事故的发生。在施工完成后，整个施工安全管理过程中的相关信息都会被记录下来，并上传到平台的服务器中，BIM数据库的数据得以不断更新，最终形成较为完整的安全信息数据库。安全管理者可以通过这些最新的数据和信息，分析施工过程中的种种不安全行为，为以后的施工安全与管理提供更加丰富的经验支持，也为建筑安全管理奠定一个良性循环的发展过程。

3 结语

建筑施工行业是高危行业之一，危险系数高，事故发生率多，安全工作一直是业界关注的焦点。在传统的安全管理工作中，人为因素是主要的决定因素，建筑安全管理者的经验、水平、意识等方面将直接影响施工企业安全管理水平的高低。为了尽量避免主观因素对安全管理工作的影响，引入BIM和AR技术，可以帮助管理者和施工人员更加直观地辨识和感知整个施工过程各阶段、各环节中的安全问题，利用BIM和AR技术虚拟化、可视化、交互性的特点，让管理者和施工人员持续关注安全风险点，及时消除安全隐患，全面提升建筑施工安全管理水平。