基于Cloud-BIM的建筑工人高空作业安全管理系统构建

夏 杨，孙文建

(南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816)

建筑业作为支撑我国社会经济发展的重要产业之一，其建设规模逐年增长，这也导致安全事故率随之增长，其中高空作业事故导致的伤亡人数占比最高[1]。与此同时，建筑施工现场具有施工人员流动性大、人员密集且施工环境复杂的特点，而高空作业涉及多工种的交叉作业和各种大型机械设备的操作，以传统的人工管理方式难以对其进行全方位的监测和预控，无法及时发现和消除安全隐患。因此，面对目前严峻的行业安全形势，借助现代化信息技术预防建筑工人高空作业安全事故的发生，对降低建筑业安全生产事故具有重要意义。

RFID作为近些年兴起的先进的数据采集技术，具有实时性、耐久性、远程性和定位精准等技术优势[2]，而Cloud-BIM是将云计算的快速储存、数据处理分析能力与BIM的协同管理、可视化、智能化技术重新进行整合，克服了BIM技术在计算能力和硬件配置方面的不足，最大限度地发挥出了云计算和BIM技术的优势[3]。CHAE等[4]通过运用RFID标签实现了对施工人员和机械的实时定位与安全预警。LI等[5]首次提出将云计算与BIM技术结合可以降低BIM软件的使用成本并提高软件的拓展性，而云计算中的移动计算技术也从根本上改变了传统BIM的开发方式。毕振波等[6]提出适用性更强的云服务模式下的BIM系统框架，并对已投入使用云BIM技术的企业进行了软件的适用性分析，证明云BIM技术的使用可以有效提高软件计算能力，降低软件运维成本，扩大软件应用范围。仲青等[7]将BIM技术与RFID技术集成构建施工现场安全监控系统，并通过深度探索系统实现的关键技术解决了传统安全管理系统中可视化程度不高和实时定位不精确的问题。郭红领等[8]开创性地将BIM技术与PT技术进行集成，构建了建筑工人不安全行为预警系统，实现对建筑工人实时位置、机械操作和预防碰撞事故的功能。上述研究主要运用BIM技术构建施工现场安全管理系统框架，而未解决安全系统中功能模块的信息处理、计算和分析能力不高的问题，且对如何运用信息化技术降低高空作业安全事故的研究较少。笔者认为运用先进的信息技术集成构建高空作业安全管理系统，可有效降低施工现场安全事故发生率。

笔者针对目前我国建筑业高空作业安全管理现状，将先进的Cloud-BIM和RFID技术集成并构建高空作业安全管理系统，对系统4个功能模块进行深入的研究并通过案例验证系统实现的可行性，极大程度上提高对建筑工人高空作业的安全管理效率。

1 高空作业安全管理系统构建

1.1 系统构建思路

1.1.1 系统功能需求分析

基于建筑工人高空作业安全管理现状及Cloud-BIM与RFID技术集成优势，对高空作业安全管理系统的功能需求总结如下：①自动化的数据信息采集。通过RFID技术自动收集施工现场高空作业人员、材料、机械的对象属性及实时位置等信息[9-10]，并结合传感器技术和监控技术收集施工现场的环境信息。②数据信息的集成和交互。在建筑工人高空作业中存在很多与项目相关的数据，如人员、材料、机械的位置和属性信息以及环境信息等，系统需要完成数据的集成、处理和交互，才能确保最终输出结果的准确性。③可视化的安全监控。通过云计算、BIM和RFID这3种技术不同优势的相互融合，安全管理人员可以通过高空作业安全管理系统直观地获取到高空作业人员的安全行为、环境信息和物的不安全状态。

1.1.2 研究技术路线图

系统构建技术路线图如图1所示，笔者从高空作业安全管理现状和Cloud-BIM与RFID技术优势出发，提出系统功能需求，从而构建能够切实解决高空作业事故的安全系统，整个系统以功能模块为核心，分别构建数据层和模型层，为功能模块的实现提供技术支持，并通过案例分析验证系统实现的可能性。

图1 系统构建技术路线图

1.2 系统总体框架

建筑工人高空作业安全管理系统构建的基础是数据层，数据的来源主要由RFID实时采集数据、危险源清单、安全控制措施清单及高空事故案例库组成，并将收集的数据经网络传输至云服务器，通过云服务器实现数据与BIM模型层的实时交互，最终完成功能层中安全规划、实时定位、安全预警和教育培训4个功能模块及其子功能模块的开发，用户可通过不同操作端的设备实现对建筑工人高空作业的安全管理，系统框架如图2所示。

图2 高空作业安全管理系统结构图

1.3 安全规划模块

安全规划是指通过制定有效的事前控制措施，以提高过程中的安全管理效率及预防危险的发生。目前对建筑工人高空作业安全管控的事前控制措施很薄弱，传统的安全管理预控手段主要依靠人工策划，较少使用信息化的技术进行安全预控。通过开发安全管理系统的安全规划模块，可以改进现有的不足，提高安全监管的效率。

高空作业安全管理的核心工作是能够及时发现危险源并采取有效的安全控制措施。因高空作业事故类型多，可能引发事故发生的危险源更多，因此系统在进行危险源的识别时，需要事先建立一个可靠的危险源数据库。高空作业的危险源清单由同类型或相似类型安全事故案例、安全风险评估报告、安全风险检查表和与高空作业相关的行业规范标准组成。

安全控制措施清单的数据构建与危险源清单的构建思路相同，同样以表的形式储存在数据库中。安全措施清单表的基本属性信息包括安全控制措施ID、名称、位置、所属功能模块、措施成本等。笔者以脚手架安全防护用具和防护设施不到位导致的高处坠落为例，建立高空作业安全危险源表，如表1所示。

表1 高空作业安全危险源表

针对上述危险因素将采取以下控制措施：①检查脚手架连接的安全状态；②安全防护设施按规范搭设；③施工人员正确佩戴防护用具；④作业人员安全教育和交底记录[11]。这4条安全控制措施不只是完全针对脚手架上作业的高处坠落风险，其中部分也可以应用于其他类型的危险源。因此，危险源清单表和安全措施清单表中并非是一一对应的关系，可能存在着单对多、多对多的关系。笔者通过应用Access2013软件构建危险源清单表和安全控制措施表间这种多对多关系的数据库，两类表称之为储存型表，两者之间的关联需要通过增加一个新的含有公共字段的表来实现，称之为关联型表，而关联型表中的公共字段则为危险源ID，具体如图3所示。

图3 危险源数据表与控制措施表间的关系

图4 高空作业安全控制措施表

安全规划模块的数据库由危险源数据表、安全控制措施表及二者之间的关联表构成，根据发现的危险因素，按照相关规范在危险源数据表中创建相应的安全控制措施、措施规则和所属功能模块，高空作业安全控制措施表如图4所示。安全规划模块数据库主要通过“位置”字段，查询某一高空作业位置里存在的危险源，针对不同的危险源提出相关的安全控制措施，为高空作业安全管理系统中安全规划功能模块的数据需求提供参考依据。

1.4 实时定位模块

1.4.1 危险区域划分

根据可能造成事故的程度和GB50870-2013《建筑施工安全技术统一规范》[12]将预警分为4个等级，由小到大依次为绿色、黄色、橙色、红色，方便在系统中进行不同等级的危险区域识别，具体划分如表2所示。

表2 高空作业危险区域划分

通过识别BIM安全模型中的危险区域，系统可以及时判定人员或机械是否处于安全区域，实现对人员和机械作业过程是否存在不安全行为或不安全状态的监控，一旦发现危险隐患将立即预警[13]。通过查阅相关文献资料[14-15]，得到建筑工人高空作业危险区域的界定规则，在实际施工过程中，具体的危险区域半径界定不仅需参考相关规范，还需结合施工现场的作业环境做综合设定。高空作业危险因素的区域界定如表3所示。

1.4.2 定位模块运行流程

实时定位模块运行需要解决的关键问题在于危险区域的划分、不同危险因素的区域界定及确定人员、机械处于危险状态下有效的安全控制措施。当RFID标签进入施工现场后，实时定位模块将立即捕捉对象位置，一旦判定标签处于危险区域将立即根据危险距离发布相应预警等级。因此，定位模块的运行需与其他模块实时关联进行动态数据交互，并通过数据统计分析制定有效的安全控制措施和安全教育培训交底。在前文的研究基础上对定位模块的运行流程进行详细设计，如图5所示。

表3 高空作业危险因素的区域界定

图5 实时定位模块运行流程图

1.5 安全预警模块

安全预警模块主要针对建筑工人高空作业过程中的不安全行为、物的不安全状态和不安全环境进行预警，包括人员、材料、机械的位置信息、属性信息及环境信息。高空作业安全管理系统的安全预警模块主要分4个阶段，分别为定义预警规则、预警识别、警情预测及警报发布，预警过程示意图如图6所示。

图6 预警过程示意图

(1)预警规则。预警模块作为系统的核心部分，其正常运行的前提是将合理的预警标准和高空作业危险区域界定规则录入预警模块，确保预警结果的准确性。

(2)预警识别。通过RFID阅读器可以对施工现场内的人员和机械信息进行实时跟踪，并将采集的数据经网络传输至云服务器，通过云服务器实现对数据的计算、存储及各功能模块间的数据交互。

(3)警情预测。待数据处理完毕后，将通过集成在Cloud-BIM管理平台中的BIM模型预测该次人员或机械的实际情况是否会导致高空作业安全事故的发生。

(4)警报发布。最终的预测结果将以可视化的方式显示在预警模块中，并根据预测结果发布该次警报。

1.6 教育培训模块

教育培训模块主要包括教育培训与测试和安全教育评价。

(1)教育培训与测试。安全教育和培训的具体内容包括可视化视频与图文、BIM模型关键节点和技术及相关规范等。由于建筑工人的受教育程度普遍不高且部分工人年龄较大，因此教育培训模式应优先采用视频的方式，其次是图片，尽量将文字资料转成语音材料，方便工人学习。经教育培训后，系统自动根据不同工种和工作区域分发对应的测试题。工人在答题过程中，不论结果正确与否，系统均会给出正确答案及相应的视频或图文并记录测试成绩。

(2)安全教育评价。根据参加测试人员的成绩进行不同的等级评价，主要包括不合格、合格、良好和优秀。测试成绩不合格的工人，可重新参加培训，若测试不合格次数达3次及以上将予以调换岗位或辞退；测试成绩为合格的工人，系统将自动纳入安全检查名单进行重点监控；测试成绩为良好或优秀的工人可给予适当奖励。在某些危险性较大的工序中，测试成绩将作为选择施工人员的依据。此外，系统还将对所有测试人员的答题结果进行统计，归纳出错误率最高的题型，有助于制定针对性的安全控制措施，并作为后期教育培训的重点，同时在施工现场巡查时重点关注。

2 案例应用

2.1 项目简介

案例工程为南京市某项目A2地块三期1～7号楼工程。项目地下一层，主要为停车库和设备用房。规划1号楼为商业综合体，建筑面积为54 345 m2，为框剪结构；2号～3号楼为超高层住宅，结构设置结构缝将建筑分成两个单体，共57层，为剪力墙结构，可能诱发高空作业事故的危险源众多，故本案例选取2号～3号楼构建BIM模型，验证高空作业安全管理系统功能。

2.2 应用分析

高空作业安全管理信息系统以Navisworks软件为开发基础，通过增添自定义插件的方式增加软件的附加功能，最终完成高空作业安全管理系统的创建。笔者选择将Navisworks.API中的通用型插件集成到Navisworks软件中的方式实现系统功能模块的开发。在模块面板中，每个功能模块的子模块选用停靠窗口型插件。通过在Navisworks安装目录的plugins文件里创建与应用软件格式相同的文件，最后将编写完成的应用软件移动到Navisworks中完成插件的添加。

在系统运行过程中，一旦监测到施工人员的位置或状态可能引发安全事故时，将立即向管理人员和施工人员发送预警信息。高空作业人员位置预警图如图7所示，案例中的3名施工人员在靠近电梯井口时，系统会测算其距电梯井口的距离并发布对应的预警等级提示，同时安全管理人员会收到预警提示。

图7 高空作业人员位置预警图

3 结论

笔者针对我国建筑领域高空作业安全管理问题，将Cloud-BIM与RFID技术集成构建建筑工人高空作业安全管理系统，通过系统功能需求分析，设计从安全规划、实时定位、安全预警到教育培训4个模块的全过程安全管理模式，并以Navisworks软件作为开发平台基本实现系统部分功能模块开发，同时运用案例分析的方法验证了系统运行的有效性。实践结果表明：基于Cloud-BIM技术的建筑工人高空作业安全管理系统的应用，不仅能够实现对高空作人员全过程的安全监管，降低高空作业事故的发生率，还将对提高整个建筑业安全管理的信息化进程具有一定的借鉴和实践意义。