基于BIM的装配式建筑坠落识别与预防

文/西安科技大学建筑与土木工程学院 文艳芳 杨 帆

0 引言

近年来，随着我国加速推进新型城镇化及全面提高建筑质量与品质，推动了装配式建筑的快速发展。陈伟等[1]结合装配式建筑工程施工组织特点，指出高空坠落事故占我国建筑行业安全事故的比例最大。装配式建筑工程由于吊装运输及构件安装需要，采用预制构件拼接，专业施工人员必须进行高空临边作业，若外围防护措施不到位，高空坠落事故发生的可能性极高。高空坠落一般是指人从距离地面一定高度的地方，因疏忽或防护不到位而掉落导致伤亡的情况，该事故类型的常见情况包括工人从洞口、临边、施工安装中的工程结构、机械设备等处坠落。发生此类事故的原因：一方面由于工作人员经验欠缺或对危险情况的错误判断；另一方面由于事故地点防护不到位，缺少适当的安全措施[2]。方东平等[3]强调要对高处坠落事故易发地点、时间、人群采取积极的预防措施，包括设置防坠设施，洞口和临边的安全围护及预防标识等。

1 基于BIM的安全规划

有效安全规划的主要障碍之一是传统的安全规划主要依靠纸质图纸和进度表把握施工现场安全防护的需求[4]。这种手动坠落危险源识别和规划效率较低，因为有些安全隐患需要安全工程师根据其经验进行判断。许多安全问题是隐含的，在建筑平面图中无法完全显示。建筑项目的动态属性导致基于静态的图纸很难识别不同施工阶段的潜在坠落危险。施工进度可能会随天气、材料交付等原因发生变化，从而导致安全计划发生改变，每次计划变更时均需更新安全计划。

翟越等[5]认为在施工作业前应准确识别所有可能导致安全事故发生的危险因素, 并有针对性地制定相应的安全防范措施。充分利用BIM技术特点, 使项目参与者可更准确地辨识潜在的安全隐患,更直观地分析现场施工条件和风险，及时调整施工方案，制定安全合理的防范措施。

因此，在项目资料的基础上建立BIM模型，对楼层结构、空间形体进行分析，主动查找需采取防护措施的洞口，布置安全防护栏杆。将栏杆的安装与拆除时间应用到4D模拟中，通过可视化方式对施工人员进行安全交底，以提高安全防护效果。

2 基于BIM的安全规则检查

2.1 规则检查途径

现有的安全规则可与已有的三维设计和进度信息结合使用，形成自动化安全规则检查系统。目的是在建造过程中自动识别这些动态条件在3D空间中的位置，并提供可视化防护系统解决方案。ZHANG S J等[6]开发的平台可作为一种工具，提供易于访问和可理解的可视化建筑和安全的最新进展，特别是检测现场危险部位，有助于安全管理人员在施工规划阶段及施工期间提前规划安全防护措施。规则检查过程如图1所示。

图1 规则检查过程

2.2 基于规则的算法

一旦建筑信息模型构建良好且模型对象与进度表之间已建立连接，则可应用规则检测安全隐患。

1）板边保护 根据安全规则检测所需预防方法的算法，如图2所示，对于每个任务，检查板对象是否链接到给定的工作任务。对于与任务关联的每个板对象，算法检查板是否需要与现有板合并。如果同一水平上没有现有板，则计算板边界。此外，检测现有墙元件以查看板边界的任何部分，计算需要护栏保护的板边缘，检查是否需要防坠落措施。另一方面，在板合并后，分别基于几何条件计算现有边界、未保护边界和重叠边界，为未受保护的板边缘安装新的护栏，并移除位于重叠边缘的现有护栏。

图2 用于检测板边所需防护的规则检查算法

2）板孔保护 通常有2种方法可检测平板孔，分别为基于几何的检测和基于对象的检测。由于一些孔被设计者分割成复杂的板坯几何形状，因此不应将其归类为具有潜在坠落危险的孔。即使基于几何的检测可以找到板的所有内部多边形，这也将包括一些误报误差。对于基于对象的检测，需要额外的标记工作辅助模型中其他对象的孔识别。在这项研究中，主要依靠物体识别，但也通过比较板的厚度和孔的深度检查其是否是可产生坠落危险的板孔。

3）墙壁开口保护 墙壁开口检测过程与板孔检测类似。需要考虑的特殊情况是墙元件的位置，无论是内墙还是外墙，对于位于板坯边缘部分，一旦安装了墙壁元件，就可以移除用于板边缘保护的护栏。如果存在墙壁开口就需要采取保护措施，如果没有板孔，如电梯井的孔靠近内壁，则不需要保护墙壁开口。

3 应用案例

在研究中，将开发的自动规则检查工具应用于某多层预制公寓建筑模型（见图3）。所有预制混凝土构件均为工厂制造并运至施工现场，按照预定的顺序从A→B→C进行安装。该项目的结构模型基于从承包商获得的信息使用Tekla Structures建模，将开发的自动规则检查平台所需的进度表添加到结构模型中。该信息由现场工程师以传统格式的施工进度表和工作分解结构（WBS）提供，涉及安装顺序。

图4为混凝土板件的细部图。板拼装后，对板的连接部位进行浇筑加固，而在下一层楼板安装之前，墙板已开始安装。墙和升降机轴与板一起作为结构系统将负载传递到基础。平板部分由A、B、C三部分组成，建造1个部分需5～6周。护栏解决方案需根据楼板部分的变化进行更新。例如，当2个平板部分在同一水平面上合并时，需移除其间的护栏。

执行规则检查算法后，防坠落系统和护栏在模型中自动执行并进行可视化调整，并在施工进度表中创建安装和删除安全相关设备的子任务。4D模拟模型如图5所示，1层平面从A部分开始到B部分安装，只要它们在施工期间的某个时间汇合，就必须拆除其间的护栏。拆除也改善了现场工作流程，工人可安全地从A部分走到B部分而不用绕行不安全区域。

图3 预制公寓建筑模型

图4 混凝土板件细部

图5 4D模拟模型

图6 建筑物A部分及墙开口保护措施详图

图6显示了板边缘保护和墙壁开口保护的详细视图。在模型中生成安全保护系统后也会自动生成检查报告，然后将此报告导出为Excel格式，如图7所示。这种文件格式允许现场安全管理人员简化使用所生成的数据，如可根据检查报告表计算所需的安全保护设备等。该清单还能支持详细的预制安全解决方案。该自动规则检查工具及其生成的数据可支持多种安全设计概念，生成的数据清单也可用作检查清单，以完善施工现场安全防护系统。

自动规则检查工具检测到无保护的板边缘后，使用BIM软件的内置功能可自动生成护栏系统及数量计算。此外，用户也可以手动方式修改用于板边缘和窗口的护栏自动安装。

图7 板洞口检查报告结果

在试验期间，用户现在能够在安全栏杆模型中选择简化模型表示或详细表示。此外，还可以添加更详细的护栏模型及相关的安全设备零部件，如焊接配件可自动建模到钢梁或混凝土板中，以便安装护栏。也可在钢梁或混凝土板制造中预先考虑相应的预留和预埋，从而减少高空作业。

4 结语

1）在案例研究中成功开发了基于BIM的识别预防安全规则检查平台。该平台能够检测混凝土板和边缘潜在坠落危险的位置，并提供相应坠落防护设备的安装指导，以便在实际施工中解决已识别的危险。结果表明，所提出的方法在检测和可视化潜在坠落危险方面有效，特别是在安全设计和规划阶段。

2）由于基于模型的设计和施工图在动态施工环境中经常变化，因此有必要定期检查模型以确保安全状况识别和纠正措施是最新的，其自动安全建模质量和细节水平需进一步提升，以满足设计和施工人员的实际需要。并非所有模型都提供必要的用于安全计划和检查目的的信息，在未来，需在复杂的几何模型上测试更全面的基于BIM的防坠落规划解决方案，并为整个安全解决方案提供高水平细化方案。