基于BIM与物联网技术的建筑施工安全管理系统构建

2020-03-18郭露鹏

建筑施工 2020年11期

李伟刘琦郭露鹏

1. 长春工程学院吉林长春 130012；2.甘肃二十一冶第三建设有限公司甘肃白银 730900

近些年，随着我国建筑行业的快速发展，一方面带来了国民经济的增长，另一方面也带来了更多的安全事故。建筑行业作为高投资、高安全风险行业，在我国建筑安全事故的死亡率相对较高，如何提高安全管理效率和降低安全事故频率成为了建筑行业的难题。

安全事故发生主要源于管理水平低、人不安全行为、物不安全状态及不安全环境的影响，传统安全管理模式是通过建立安全生产管理制度来减少不安全因素，并且采用日常巡检，专项、季节性检查等方式来避免事故发生。传统的安全管理效果并不理想，无法满足现阶段需求，随着信息化时代到来，BIM技术集成应用为安全管理拓展了新的思路。

1 BIM与物联网技术

物联网（Internet of things，IOT）是通过无线射频识别（RFID）、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备，将任何物品与互联网按约定的协议连接起来，形成物与物、人与物之间的通信以及信息交换，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络技术[1]。

BIM（Building Information Modeling）技术是建筑信息模型化，它不仅是数字信息的集成，还是数字信息的应用，并可以用于数字化方法的设计、建造、管理。同时采用工业基础类（Industry Foundation Class，IFC）体系作为共同的数据标准，但仅这一标准无法满足信息交互的需求，因为在施工建造过程中，参建各方之间出现了信息传递的孤岛——“物”[2]，如何将“物”融入信息传递中，成为了阻碍。

BIM是物联网应用的基础数据模型，而物联网作为互联网的有效延伸，包含并兼容了互联网所有的应用和资源[3]。

运用物联网中的RFID、阅读器、传感器、视频摄像机等技术采集现实物体信息，采集数据与BIM模型数据完成数据交互。在系统设计阶段，通过Microsoft Office Access 数据库管理系统建立施工安全指标数据库，并将安全指标数据库连接到BIM模型以形成BIM安全模型，然后将其与采集的数据进行对比分析，自动判断是否安全并显示三维可视预警，便于管理人员进行安全管理，提高安全管理的有效性。

2 建筑施工安全风险因素分析

我国建筑施工安全事故主要类型有高处坠落、物体打击、机械伤害、触电、坍塌等，通过运用鱼骨图分别从人为因素、物的因素、环境因素和管理因素4个不同角度归纳总结安全事故的发生原因[4]，为安全管理系统功能设计提供依据。安全事故影响因素鱼骨图，如图1所示。

图1 安全事故影响因素鱼骨图

2.1 人为因素

1）施工技术水平。施工现场工人的技术水平参差不齐，如特种作业需要考取证书才能上岗，但考试内容只是让工人拥有初级入门水准，在面对一些突发特殊情况下，工人并不一定能快速做出正确的判断和行动，致使安全事故发生。

2）平均文化水平不高。建筑行业作业人员平均文化水平不高，对于项目安全教育或安全交底的内容不易理解，甚至产生反感，缺乏安全知识。

3）心理、生理影响。施工现场环境恶劣且住宿条件简陋，很多工人不能较好休息，长时间工作导致物理负载超出了身体极限，健康状况异常并出现反常情绪，工人无法专心工作。

4）安全意识淡薄。现场管理人员不能做到时刻监督，一些工人图省事、怕麻烦，无视安全并进行非法操作，他们凭着较丰富的工作经验，或凭本岗位安全隐患少，或凭着多少年也未出现过安全事故，产生了侥幸心理，并且随着时间的推移，安全意识越发淡薄。

2.2 物的因素

1）安全防护设备。防护手套、安全网、安全带等不齐全，质量水平不符合国家安全标准，很多项目安全防护设备不仅未做到配备齐全，而且不考虑防护设备质量，一味追求价格低廉。

2）施工设备运输及装卸。脚手架、起重机、大型工程机械运输及装卸安全控制是施工安全管理的重要组成部分。在运输和装卸过程中，人与设备直接接触，稍有不慎就会发生安全事故。

3）安全标志。在施工现场经常出现安全标志选用不当、不清晰、不规范、位置缺陷及其他安全信号缺失等问题。

4）施工设备维修。设备在不同环境长期使用后，会引起机械零件的磨损和间隙的增大，直接影响设备的原有平衡，降低了设备的稳定性和可靠性，甚至会导致机械设备丧失基本功能，异常运作。

3.3 不安全环境

1）恶劣天气。当出现雨、雪、风、雾等恶劣天气时，应立即停止作业，而项目为追求进度，依旧要求工人施工。恶劣天气过后，未严格对现场施工设备及周围环境进行检查，就立即开展工作。

2）照明不良。夏季高温炎热，为避免高温引起施工质量降低和作业人员中暑，许多项目选择避开中午的高温期，改为早晚施工，而作业区与机械驾驶室未满足照明要求，依然进行施工作业。

3）场地狭窄、杂乱。场地平面布置不合理，地面未硬化、道路不畅通、材料的随意堆放等都可能造成事故的发生；相反的，合理的场地布置方案会让项目拥有良好工作环境。

4）临边洞口防护未设置。脚手架外架、预留洞口、电梯井、基坑等未设置防护，在作业时工人极可能从高处坠落。

2.3 管理因素

1）安全管理执行力不足。安全管理执行力不足源于制度的缺陷，无法做到“有法可依，有法必依”，制定完善的管理制度，通过实行监督，提高执行力。

2）安全交底未落实。在施工之前，应根据批准的施工组织设计或专业安全技术措施，向有关人员进行安全交底。安全交底是让操作者了解具体安全事项，在危险情况下能确保自身安全。从施工负责人到安全管理人员再到生产班组最后到工人，这一过程的传递使交底作用大打折扣。

3）安全职责未履行。施工企业应建立和健全与企业安全生产组织相对应的安全生产责任体系，不仅要明确管理各职能部门的安全生产职责，更重要的是需要落实到每个岗位。

4）安全目标不明确。要根据企业的安全管理目标制定事故控制指标与中长期目标，并且根据目标完成情况进行奖惩考核。

3 建筑施工安全管理系统构建

3.1 建筑施工安全管理系统功能设计

通过对人、物、环境、管理4个方面进行分析，了解到事故发生的主要原因是缺少有效的监控和预警。各单位管理人员不能时时刻刻在所有工作面进行监督，无法了解工人及机械的位置信息及周围环境状况，导致现场存在安全隐患，常规的日常、专项、季节性安全检查无法在事故发生前及时预警。针对建筑施工安全风险因素和BIM、物联网技术特点，建筑施工安全管理系统功能设计总结如下。

3.1.1 数据自动化采集

由于建筑工地面积大、环境复杂、人员众多且流动性大等，导致传统人工采集数据方式较为困难，利用物联网技术的自动化、快速化、全面化实时获取人、材、机的对象属性、三维空间位置、周围环境等信息，可确保平台采集信息的准确性和及时性。

3.1.2 可视化安全监控和预警

BIM可视化三维模型以简单、直观的形式为安全管理人员展示信息，帮助管理人员快速、准确地了解人的不安全行为、物的不安全状态及环境等信息，当不安全信息超过设定的安全指标，系统会根据相应标准发出不同等级的预警，并提示距离危险源较近的管理人员快速赶到现场。

3.1.3 系统数据库存储

系统数据库应对工人行为、机械使用及材料检查等信息建档存储。现场逐渐形成工人个人档案，成为具有征信价值的记录，能更好地进行人员管理；机械使用、装卸、维护保养情况和材料进场外观检查、性能复检情况形成档案记录，可帮助企业正确选择机械及材料供应方。项目安全管理数据库对接企业安全数据库，企业对项目安全数据去其糟粕，取其精华，将优异的安全管理方法沿用在下个项目上。

3.1.4 良好的系统功能扩展性

安全管理系统应有良好的功能扩展性，在安全监控的过程中，安全信息不单单用在安全管理功能这一板块，还能应用于进度、质量等其他功能模块，形成全方位项目管理。

3.1.5 附加功能

安全管理系统功能应增加安全教育和培训，根据数据库工人档案记录，对违章工人进行安全教育，以提高工人的安全意识；增加安全检查标准，现场检查人员可以在检查过程中随时使用移动端调出标准，以图片为参考，可以有效弥补部分检查人员安全知识和技能的不足，使检查工作更加准确；增加劳务防护设备管理，例如智能安全帽、安全带、安全鞋的生产、使用及有效期等信息输入系统数据库，携带不安全劳务防护设备人员禁止进入施工现场，由此实现警报。

3.2 建筑施工安全管理系统构建

物联网与BIM技术集成将延伸和拓展出新应用模式与价值，建筑安全管理系统分为数据采集、数据传输处理及分析、数据反馈3个模块，系统构建可让参建各方实时了解现场动态，还可通过系统进行全程监控、在线沟通、协同处理[5]。基于BIM与物联网技术的建筑施工安全管理系统框架图，如图2所示。

图2 BIM与物联网技术的建筑施工安全管理系统框架

3.2.1 数据采集模块

数据采集的工具主要包含视频摄像机、RFID标签、阅读器、传感器、智慧安全帽、RFID手持终端等[6]。使用视频摄像机对现场实时画面进行监控，指导现场工作行为；借助RFID标签定义构件信息，同时阅读器扫描实现构件追踪与定位；传感器采集倾斜度、压力、温度、湿度等信息；智慧安全帽内置RFID标签，可通过手持终端识别工人身份。

3.2.2 数据传输、处理及分析模块

利用Wi-Fi、WLAN等将采集到的数据传输到数据库，进行过滤、检查、分组，同时对风险数据进行系统化管理[7]，通过单独开发API或者支持IFC标准软件将采集数据共享到BIM安全信息模型，完成数据格式转换、交互。BIM安全信息模型是由三维模型与Microsoft Office Access安全指标数据库关联形成，安全指标与转换交互后的采集数据进行分析对比，为下一步的数据反馈奠定基础。

3.2.3 数据反馈模块

采集数据与BIM安全模型中的安全指标对比后，对比结果通过平台反馈给管理及相关人员，进行人、材、机安全管理。指标对比结果可分为安全、隐患、危险3种状态，不同状态用不同颜色来表示，该平台使用BIM三维可视化模型来更清晰和直观地显示施工人员和机械的位置、物料堆放等情况。

例如挖机距离安全指标以3、10 m为界限，当无关工作人员与挖机距离10 m以外时显示为绿色；若距离挖机3 m以外10 m以内显示为黄色，智慧安全帽会间歇性发出警告远离危险；当距离挖机3 m范围内会显示为红色，智慧安全帽发出连续警告，安全管理平台提醒挖机驾驶员和检查组此处为危险状态，驾驶员应暂停作业。检查组立即查看情况，使用RFID手持终端对违规行为拍照上传，并对违章人员进行身份识别，记入工人个人档案。

4 结语

工程安全生产是各方建设主体最关心的问题，基于物联网与BIM技术的智慧工地从根本上转变生产方式，协调生产关系，有效降低安全事故率[8]，促进生产力发展。建立基于物联网与BIM技术的安全管理系统，能够灵敏快速地进行信息识别、搜集、传递、处理及共享，该系统的任何一个环节都必须建立在“快速”的基础上，传统的人工管理无法满足快速反应的需求，预警就失去了意义。物联网与BIM技术集成应用的不断探索，多种信息技术更广泛地应用在建筑行业各个方面，将加速建筑业的转型与升级[9-11]。