BIM技术在预制装配式建筑施工安全管理中的应用

刁尚东，苏 岩，马柔珠，陈爱华，吕兵兵，戴振伟

（1、广州市重点公共建设项目管理中心 广州510006；2、广州珠江工程建设监理有限公司 广州510095）

0 前言

随着国家推动各行业由高速发展向高质量发展转型迈进的过程中，提质增效成为了今后发展的关键，而在建筑行业，随着智能信息化及新型的建筑工艺术的大力推广，BIM 技术和装配式施工也快速地融入建筑行业中，面对当前的发展趋势，为适应今后行业的发展和面临的挑战，对BIM 技术和装配式施工安全管理展开研究和探讨具有重大的现实意义。目前，在BIM 技术和装配式施工安全方面的管理经验缺乏，相关方面系统性的理论研究和成果较少。

1 工程概况

某项目一期用地面积和建筑总面积分别为：约33.15 万m2和50 万m2。其中，地上建筑面积和地下建筑面积分别为：约40.33万m2和9.67万m2。本项目是广州市的第一个以设计主导的EPC（勘察设计施工工程总承包模式）项目，在广州市是第一个应用装配式施工建筑面积最大且达到A级评价标准的项目，第一个全信息化施工的智慧工地项目，第一个借助国家重点研究项目来探讨珠三角地区气候适应性的绿色建筑项目，第一个城市街区式校园，也是第一个设计、施工、运营全过程应用BIM的项目（见图1）。本项目总投资约36.33亿元，建筑规模较大、参建单位较多、工期紧、任务重、同时有较高的目标要求以及极高的社会关注度。其中工程质量目标为获得广州优质工程奖，其中大数据与网络空间安全学院、材料基因工程产业创新中心确保获得国家优质工程奖；安全管理目标为确保获得广东省安全文明施工标准示范工地、广东省安全文明施工样板工地，争创国家AAA级安全文明标准化工地；进度目标为第一批交付的19栋单体于2019年8月20号完成竣工验收并交付使用。

2 基于BIM技术的混凝土预制装配式建筑施工安全管控的优点

2.1 工程安全管理中BIM技术的应用

2.1.1 施工前期的安全管理

传统的施工前期的安全管理主要指的是在策划阶段，如何做好安全方面的管理工作。通过BIM 技术，利用BIM 技术排除在施工前的虚拟环境中发现潜在的安全隐患，从而达到施工前期的安全策划，提高项目的施工安全。

2.1.2 施工前期的BIM策划

目前项目施工管理的传统模式以项目团队对施工现场进行勘探，研究施工合同文件，包括二维图纸，制定出施工组织计划的程序。纯粹使用二维图纸，限制了项目团队及施工人员对设计的空间可视感和三维理解力。

此外，施工组织计划中的各职能之间相互独立。相互独立的计划制定，使得项目团队需要将大量的信息组织在一起，从而整合出一份十分复杂的计划。这样制定出的计划几乎很难顺利和高效地执行。

更何况施工现场情况较为复杂，现场人员难以从感性上了解到现场的事情。利用基于BIM 的可视化工具，搭载了处理施工环境中复杂的物理信息以及合同中的各项安排的构建系统，使之成为使项目透明化的理想工具［1］。在项目施工前的建设策划阶段，我们就可以得到一个包含全部信息的BIM 模型，借用交互式的虚拟环境，将已搭建的模型进行虚拟施工模拟，借此找出施工模拟过程中存在的问题并予以解决［2］。使得参建各方都可以在一个近似实际施工情况下，发现施工方案中存在的问题。最后得到的改进效果更具有强效性和信服力，现场管理人员在施工前BIM 策划阶段可以辨别和清除潜在的安全隐患。这将会在较大程度上排除因项目策划不到位引起的安全事故风险，进而让现场管理人员可以更着重于规范现场工人的安全行为。

2.2 过程施工的安全管理

2.2.1 安全培训中的BIM技术应用

BIM 技术的特点是可视化以及信息完整性。传统施工管理培训情况下，不熟悉现场的新工人未能了解现场工作环境，就必须进入施工现场，因此存在较高的风险和隐患。

而BIM 技术能帮助他们更直观地了解工地现场的环境［3］。利用BIM 技术的可视化和与高度模拟实际工地现场的特点，将BIM 数据模型作为数字化安全培训的数据库，让施工人员通过模拟工地更直观地了解到现场的状况。例如不同工种将从事哪些工序施工，哪些位置容易造成安全隐患及危险区域等等，从而制定对应的安全管理方针，这对于一些技术含量高、复杂的施工现场效果尤为明显。此外，若施工机械设备操作不当，很容易造成安全事故，特别是对于一些本身危险系数较高的施工现场。通过在BIM 虚拟环境中查看下一道施工工序的要素及相应的设备操作要点，施工人员能够更有效地辨别危险源并且采取相应的控制措施，这能够更高效、更安全的完成施工任务［4］。

安全培训中采用BIM 技术进行数字化培训将会大大提高培训效果，不再是一成不变，周而复始的“安全培训手册”，而是根据不同工种自身实际情况制定的可视化虚拟环绕环境下的安全培训。这不但会增强培训效果，还会增强培训效率，有效减少因培训效率低下所造成的资金和时间成本损失。

2.2.2 采用BIM进行动态辨别并消除现场安全隐患

建筑施工现场本质上是具有复杂性和不可预知性的［5］。尤其是装配式建筑构件在吊装过程中会有多条施工路线交织在一起，其中许多工序需要是同步实施，因此现场的协同管理工作至关重要。单凭人力管理往往无法周全，这就会造成效率低下的现象并具有潜在的失误因素。故而，基于信息技术的施工现场管理需求将会大大地提高。BIM 因涵盖了建设项目的整体信息，能够让施工人员在模拟现场是直接发现情况所在，从而避免意外。尤其是大部分安全隐患在传统静态模型下是很难体现的，比如塔式起重机的工作范围呈扇形分布，在动态模型运行后可以显著发现塔式起重机在某个位置时容易与其他机械和建筑实体发生碰撞，从而尽早发现安全隐患，并针对识别出的安全隐患因素制定相对应的安全措施从而能够更有效更有针对性地进行安全控制。

3 BIM技术在本国际校区项目安全管控中的重点难点

3.1 大型预制构件垂直运输过程中安全管控的重点难点

装配式建筑工程的施工和传统施工方法的最大差别在于增加了大量的吊装作业，而吊装作业是需要由运输这些大型预制构件的设备来配合的。以住宅类工程为例，大型的预制构件通常出现在山墙、楼梯间等部位。这一类的构件重量轻则4～5 t，重则7～8 t。构件的重量会对大型垂直运输设备的选择和布置提出更高要求。所以，如何合理选择大型垂直运输设备并恰当布置到现场，对于整个工程顺利实施有着非常重要的影响［6］。

3.2 工程体量大、构件类型多在安全管控中的重点难点

在传统的现浇工程施工中，生产要素可以很简单的分解成为“钢筋工程”、“模板工程”、“混凝土工程”，3个工序循环送代就可以把整个工程的建设完成。

但装配式建筑工程的特点是随着预制率、预制构件数量的不断增加，所要管理的预制构件量也会变得非常大。以某国际校区一期项目为例：装配式面积大约17 万m2，约有2 万多个预制构件，其中构件种类包含预制柱、叠合板、预制梁、预制外墙、轻质隔墙，甚至有预制梁墙一体、预制沉箱等重量和尺寸差异较大的预制构件，不同类型的构件在施工过程中的支撑体系也不尽相同，这也对现场的安全管理提出更高的要求。

3.3 现场堆场占地面积、交通组织复杂在安全管控中的重点难点

传统的施工过程中，运输的最大设备就是进入施工现场的混凝土运输车，包括拉钢筋的运输车量，但在装配式建筑工程的施工中，现场的存放场地以及加工场地由之前的钢筋堆放及加工场地、木工场地、模板堆场，变成了占地面积非常大的预制构件堆场。当一些工程由于现场实际条件限制，必须在施工现场存放大批量的构件时，这个问题尤其显著。如存放的场地应该如何选择？卸车点如何设置？如何设置循环道路和限定道路的转弯半径和运输道路的坡度？都是整个现场组织协调安全管理的重中之重。

3.4 群塔作业施工在安全管控中的重点难点

群塔作业指的是装配式施工过程中多个大型起重机械相互配合的问题。因为要吊装，所以要用到大量的大型起重机械，这些机械的管理，就涉及到诸多工具的协调，比如说仍在采用一些传统模板方案也会需要塔吊。由此带来的卸车问题以及材料倒运的问题，都会导致整个管理协调难度发生变化。在安全方面，装配式施工过程中塔吊经常会吊着一个轻则一顿、重则数吨的构件在空中运输。装配式建筑安全施工管理的一些要点，已经和传统的施工发生了很大的偏移，这也是现场安全管理的一个难点。

4 针对存在的重点难点提出改进措施

4.1 大型吊装设备的选型及现场布置

在BIM 技术出现前施工现场想要通过三维效果来展示塔吊布置就只能选用3D max 绘制的三维效果图，而这种三维效果图只能展示特定工况下的塔吊情况，且无法进行精确的施工模拟。使用BIM 技术的4D、5D 维度，资源投入、结合进度，绘制全工况模拟漫游三维图形，对塔吊安装位置及使用中将遇到的各种工况进行预先模拟，并得出结论［7］（见图2）。

图2 基于BIM的塔吊与监控Fig.2 Tower Crane and Monitoring Based on BIM

4.2 BIM技术在施工支撑体系安全管理中的应用

利用BIM 技术在初期阶段开展建模，把安全数据引入三维模型，利用专业软件快速准确地分析出架体结构上存在的安全隐患并能清晰地表达出各施工部位的技术特点及模板脚手架是否存在安全隐患，从而使现场管理人员更加直观地了解到架体潜在的安全风险（见图3）。

图3 BIM技术在施工支撑体系样板Fig.3 BIM Technology in Construction Support System Model

借此，管理人员在实际施工过程中对存在的安全风险加强管理力度。同时，在施工前期，根据模型分析得出的数据能够为合理的制订专项方案及相关技术交底工作提供数据参考，使施工人员对施工现场有一个更清晰地、直观的印象，在施工时可对存在安全风险的部位进行检查。

4.3 根据施工方案进行详细的施工现场模拟查勘

通过BIM 模型与施工方案相结合，重点调研解决工地现场整体性规划布置、工地进出口设置、材料堆放区的布置、起重吊装机械的位置及危险区域等问题［8］，确保装配式建筑构件在起重吊装安全有效范围内施工；利用BIM 建模，可模拟装配式施工过程，车辆进场状况、装卸货位置、吊装区域路径等（见图4）。

虚拟三维全真模型更直观、有效地协助管理人员解析施工现场的合理性及存在的安全隐患，因而更好地有针对性制定施工方案。尽早发现施工设计和施工方案中的不合理之处，让施工现场更安全［9］。在施工平面布置图中，起重吊装机械布置是一项比较重要的安排，起重吊装机械布置需要考虑覆盖的范围、安装的条件以及拆除的情况，这将会影响到施工的进度及安全的管理。

4.4 BIM技术在群塔机作业中的应用

图4 基于BIM的施工场地规划Fig.4 Construction Site Planning Based on BIM

群塔是大型建筑工程项目进行施工过程中重要的生产工具，同时也是和项目工程具体施工进度进行有效协调的机械群，其中除了包含群塔内不同塔吊之间的作业路径和具体的空间站位之间的相互协调，还需要对塔吊拆卸安装和使用期间和建筑工程之间的动态协调，正是受到这些动态性不确定因素的影响，使得群塔机安全管理工作成为了整个施工作业期间多维动态的综合管理过程。为了保障群塔机安全管理工作可以满足全方位、高效、安全、可控等要求，需要对群塔机作业的整个操作过程进行科学的模拟预控。

施工作业开始之前，通过BIM 技术软件对施工作业的全过程进行仿真模拟，能更好对注意事项的了解把握。通过系统软件的应用，可以对整个施工过程实现正序、倒序的模拟，从而对施工期间的各项功能安全以及冲突问题做出准确的分析，对施工作业加以指导［10］。如果在进行施工作业期间需要改变原来的建筑结构，则必须对建筑各项性能进行整体性的评估以及动力学的精准计算，保证施工作业可以顺利进行。另外，还应该计算分析出施工现场需要应用的设备和相关材料，防止出现碰撞冲突（见图5）。

图5 基于BIM的塔吊模拟Fig.5 Tower Crane Simulation Based on BIM

在现阶段，BIM 技术在建筑工程项目的施工模拟和机电管线碰撞检测中发挥着非常重要的作用。通过BIM 技术可以使平面图形呈现为动态、立体的形式，无论是在空间或是时间上的有效应用都存在着较大的进步空间和潜力，这是其他技术所不能比拟的。也正是因为BIM 技术在实际应用中具备特有的优越性，攻克了群塔机安全管理过程中存在的技术难关。

5 BIM技术协同管控平台在本项目中的应用

为了可以高效率地实施工程项目质量、安全管理，通过一个更好的软件管理平台实现BIM三维模型结合进度、质量、安全、物料和场地工况多维度的项目管理，实时把控现场进度、质量、安全、物料状况，提升项目现场管理水平。若安全员在现场发现安全隐患，通过手机移动端记录问题详情，并推送给对应的责任人进行整改，留下影像记录，然后把问题传送回问题创建人，若整改通过则闭合问题否则循环上述过程。这一整套处理流程也将通过这款APP同时推送到业主及监理单位相关人员的手机上。项目管理人员通过移动端进行质量安全管理后，可缩减与上级领导、监督部门的沟通时间，大大加强了各方之间协作的效率。项目各方的领导层也可通过云端或移动端可以直观多维度地查看项目的质量安全问题的统计情况，有效地督查问题的整改，保障质量安全。

6 结束语

本文主要讲述BIM技术在某国际校区一期工程项目混凝土预制装配式建筑施工安全管控中的重点难点及针对当前的重点难点提出改进措施，为该项目二期工程的现场施工安全管控提供保障。BIM技术提前对重大安全隐患进行预判的先进性能够更高效地针对现场重大危险源加大管控力度，为建设项目的质量、安全、进度等管理目标地顺利实现提供基本保障，具有很好的推广应用价值。