基于BIM技术的装配式混凝土结构的安全管理

魏鑫 刘敬敏 秦康 肖承友

摘  要： 建筑业是劳动密集型产业，且生产过程不是单一的，危险作业较多，属于高危行业之一.装配式混凝土结构因其具有施工过程环保、有效缩短施工工期等优势而快速发展起来，但由于装配式构件的生产、运输、安装等属于多维作业空间，其安全管理问题亟待解决.本文在装配式混凝土结构的安全管理中引入建筑信息模型（building information modeling，BIM）技术，促进建筑业信息技术的发展，建立了基于BIM技术的装配式混凝土结构安全管理方案;结合工程实际案例进行危险源管理.结果表明，本文提出的安全管理方案可以实现安全管理目标.

关键词：装配式混凝土结构;BIM;安全管理;危险源

中图分类号：TU17            DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.017

0    引言

自2010年以來，我国建筑工程安全事故及由此造成的人员伤亡情况不容乐观.其中2012年和2013年全国建筑市政工程安全事故的调查结果显示：分别发生了451起和524起安全事故，导致的死亡人数为585人和670人.2013年的形势显然恶化，安全事故增加73起，上升了16.19%;死亡人数增加85人，上升了14.53%[1].由住建部数据可知，2018年建筑工程安全事故共发生698起，比2017年增加55起，导致800人死亡[2].总体而言，全国的建筑工程安全形势依然严峻，安全事故频频发生，其导致的死亡人数仅低于煤矿业和交通业导致的死亡人数.由此可见，做好建筑工程的安全管理非常重要.

装配式建筑在工厂预制，运输至工地拼装，具有质量优、安装快的优势，同时，减少人工，减少现场湿作业，实现节能环保.装配式建筑正作为建筑业转型升级的方向，在全国范围内广泛推广.装配式建筑与传统现浇相比，增加了吊装作业，减少了现场支模、绑扎钢筋、搭设满堂脚手架等施工作业量，因此，两者在施工安全管理方面也存在较多的不同.BIM（building information modeling）技术作为建筑业重要的信息技术之一，可为装配式建筑施工安全管理研究提供立体、全面的信息支持.国内很多学者对建筑施工安全管理问题展开了深入探究，明确了有效的安全管理办法.贺国健[3]对建筑施工中可能存在的隐藏危险源进行了辨识，对建筑施工安全的经济性及陕建一建集团的安全管理现状展开了研究，总结出了相关的施工安全管理对策.翟越等[4]通过与BIM技术相结合，可以对施工方案做出及时的调整，并明确了此安全管理系统可以提升施工的安全管理水平.左林涛[5]结合建筑施工过程中的规律，就当前安全管理的现状，对施工中安全影响最大的几个方面展开了探究.吴伟巍等[6]就现今施工现场安全风险研究的不足点，建立起了危险源实时监控和实时预测的模型，实现了利用前馈信号实时监控和检测安全风险的方法.

为尽可能避免装配式混凝土结构工程施工安全事故的发生，查明事故的成因，反演分析影响装配式混凝土结构工程施工安全的关键因素，本文提出基于BIM技术的装配式混凝土结构安全管理研究，并与实际案例相结合，研究建立一种基于BIM技术的安全管理模式，对实际工程项目具有指导意义.

1    理论基础

Revit是BIM体系中使用较为广泛的软件，BIM是将建筑的平面信息转化为三维模型，在建筑物的整个发展过程中均存在[7].装配式混凝土结构工程是将构件在预制工厂内提前生产好，从而在现场装配而成建筑，其优点是施工速度快，受气候影响小，减少了劳动力，提高了建筑质量，达到了国家住宅产业化和节能减排的标准[8].安全管理（safety management）是为达到安全目标开展的一些包括决策、计划、组织和控制等方面的活动，借助融入现代化安全管理的原理和方法，分析研究危险源，并采取有效的措施去控制技术、组织、经济和管理，降低不安全因素的发生概率，确保生产过程中的目标安全[9].

装配式混凝土结构的安全管理，要按照规范标准的规定和工程的特点，确保安全良好的施工环境和有序的安全组织管理：参与人员的自身防护安全、作业环境安全、施工方法和工艺要求符合标准;机械、设备及相关设施的状态安全、作业环境安全;以及现场环境作业面之间和三维空间中的协调问题.“安全第一，预防为主，综合治理”是安全管理主要依据的方针[5]，并统揽安全制度、计划、组织和措施，整个过程中持续优化安全生产管理和检查的体系，实现全过程安全管理目标.

2    安全管理方案

2.1   实施流程

与BIM技术相融合，现代的装配式混凝土结构实现了新的安全管理目标，使安全得到保障.BIM技术是一种信息化的工具，可用于工程设计、建造和管理.通过结合建筑工程数据化和信息化模型，在项目建设初期的策划阶段、建设阶段和末期的运营维护阶段的全生命周期中进行共享与传递信息，确保工程建设人员能够对各种建设信息均可以做出正确的理解和高效的对策，从而可以为全部的建设团队创造共同工作的平台.

建立基于BIM技术的装配式混凝土结构的安全管理的实施流程：

1）基于BIM技术的危险源辨识;

2）列出危险源清单，实施分级管控;

3）基于BIM技术的危险源预管控措施模拟与验证;

4）基于BIM技术的危险源过程管理;

5）危险源评价.

2.2   主要步骤

利用BIM软件如Revit建立建筑三维模型，根据现场实际施工情况设置相应人物参数及重力参数，利用Navisworks软件结合VR技术进行三维可视化漫游，模仿施工过程中吊装施工、钢筋绑扎、支撑体系搭设等施工工序以及虚拟现实，模拟人物进入施工现场每一个角落以及可能进行的施工操作，直观地发现隐藏的危险源，从而使施工人员在施工前可预估危险源.危险源存在于某个体系中，是随时可能引发危险、人员被伤害、财产受到损失或环境被影响的能量或物质，在某种介质的作用下可能转变为事故的部位、区域、场所、空间、岗位、设备及其位置[10].危险源辨识的过程中，需要确定隐藏危险和有害因素是否存在及其大小量化，将这两者合称为危险有害因素.常见危险源位置有临边洞口、电梯井道等，如图1所示，通过BIM建立模型后，通过三维视频模拟，容易看出其危险性.

危险源辨识完成后应及时记录，最终形成完整的危险源辨识清单，以利于后续施工中随时查看，也便于后续可以及时添加前期未辨识出的隐藏危险源.危险源清单所列内容应尽可能详尽、描述清晰，使施工人员和管理人员易于理解.针对装配式混凝土结构施工的特点，其施工工程可以分为5项子工程，分别为构件运输、构件现场堆放、构件吊运、构件安装以及高空作业.通过运用安全检查表法，将5项子工程中所有可能导致安全事故的危险因素进行样本收集和汇总，形成危险源清单，并按经验归纳概括，最后根据危险源管理目标对5项子工程施工中的一系列危险源进行识别[11].

列出危险源清单后，交付给专业人员查看，针对列出的危险源制定对应的预管控措施.危险源的预管控措施可能有多种，按照可能发生安全事故的不同等级明确不同的危险源预管控措施，考虑可能出现的后果，模拟发生安全事故時施工人员的第一反应，最后结合项目实际情况和危险源等级选用较为适宜的一种措施.制定危险源预管控措施可将BIM技术贯穿其中，例如可将Revit软件已完成的三维模型导入Navisworks软件中做碰撞检验和临边洞口的坠落模拟分析，设定相对应人物参数，观察发生安全事故时的详细过程，可视化分析事故发生的原因，针对性地制定预管控措施.

装配式混凝土结构实际施工过程中应根据危险源清单和危险源预管控措施进行危险源过程管理，施工人员要关注危险源清单所列内容，并根据实际情况将危险源预管控措施及时做出调整，若偏差较大应立即反馈给相关专业人员，以便及时提供解决方案.利用AR技术增强现实特点，为现场危险源赋予相应教育案例以及预管控措施视频，施工人员可随时随地扫描实体物件进行学习，结合实际，更能将危险源管控措施深入人心.设置安全体验区，同时设置VR体验区，利用VR技术虚实结合特点，制定各类安全事故场景，如高处坠落，物体打击等，让施工人员亲身体验事故现场.通过亲身参与、体验，寓教于乐，让每个施工人员都有实际操作的动手能力，真正达到“安全预防为主”的目的.同时利用EABIM云平台，施工人员可随时将发现的危险源及安全隐患上传至平台，与施工人员共享，减少安全隐患的发生率.

危险源评价指运用指定方法计算危险源等级，根据评价结果划分得到不同等级的危险源，根据不同级别的危险源有针对性地进行危险源控制措施管理[12].定性评价、定量评价和半定量评价等都是危险源评价的方法，其中半定量评价法比较常用，MES法和LEC法是半定量评价法.大多是根据管理实际工程的经验，选择合适的分值，危险等级由发生安全事故的几率和事故严重度的乘积大小来划分危险源等级.危险源分级可用表1[13]表示.按照危险源等级可删减或增添危险源清单，更新后的危险源清单可为下次施工提供一定的经验模板.

3    案例分析

广西某装配式混凝土结构建设项目的总建筑面积为9 019.36 m2，包含两栋倒班楼，每栋建筑面积均为4 449 m2，地上部分6层，地下部分1层.项目1#、2#楼均采用预制装配式框架结构，两栋倒班楼每层层高均为3.55 m，建筑高度为23.55 m.本项目装配率为73.4%，根据评价等级划分，为A级装配式建筑，是目前广西唯一的一个装配率超过60%的装配式混凝土结构工程.此项目工程使用的预制构件包括预制柱、叠合梁、外挂墙板、预制沉箱、叠合楼板、预制楼梯、轻质隔墙等.本文选取1#，建立BIM模型，并对其应用BIM技术进行安全管理.图2为项目完工前期鸟瞰图.

3.1  项目特点

BIM在建筑和安全管理系统自动化中起着关键作用[14].该项目采用装配式加EPC模式，加入BIM技术，满足生产、运输、装修和安装等多种要求，实现了基于BIM技术的全生命周期管理.其主要具有以下特点：

1）规划设计阶段用BIM技术进行设计方案推敲比选，满足单间配套及8人间集体宿舍两种功能需求，同一标准户型通过装修的调整实现两种功能需求，均为开间3.5 m、进深11.4 m，从而实现建筑平面的标准化.南北立面利用BIM技术进行三维设计与展示，通过采用两块标准的外挂板进行叠错编排如图3所示，满足建筑立面的多样化，实现了立面构件的标准化.结构选型优先选用框架结构，并将两个建筑标准户型合并为一个标准结构单元，中间采用轻质隔墙分隔，实现结构平面的标准化.为提高建设效率，8 898 m2的倒班楼项目由两种预制柱、5种叠合梁、5种叠合楼板 、1种预制沉箱、4种外挂墙板和1种预制楼梯组合而成，实现了结构构件的标准化设计.

2）基于BIM的构件工艺选型

利用BIM技术三维可视化特点在预制构件深化上考虑脱模吊点、临时支撑点和起吊锚固点，如图4所示;利用构建BIM模型进行模具设计，如沉箱边模、沉箱模芯和沉箱总模具，确保装配式混凝土结构施工的高效进行;设计带休息平台的预制楼梯，减少了现场湿作业，提高了楼梯区域的整体稳定性.叠合板采用密拼缝连接，避免了搭接法存在的漏浆、工效慢的问题，提高了安装效率、楼板观感质量.叠合梁模板锚固点预留孔采用PVC贯穿孔，见图5，相比预埋锚固螺栓节约施工成本.叠合梁腰筋采用直螺纹套筒连接，确保梁柱节点处钢筋连接满足抗震要求.

3）将BIM轻量化模型导入EBIM云平台，界面如图6所示，运用EBIM云平台进行业主、设计、施工、生产和监理等多方协同，解决传统建筑业信息孤岛的问题.例如施工过程中安全监管人员可随时进行安全巡查，当发现有不符合安全规定的部位时，可拍照上传至EBIM云平台，这时会在BIM模型的相应部位出现“安全图钉”引起有关负责人员注意，直至安全问题得到解决后，在系统上进行闭环处理，“安全图钉”会显示已解决.

4）装配式混凝土结构施工过程也会存在很大的安全隐患，例如脚手架只在大楼左右两侧搭建，前后两面缺少保护措施，可能会引发安全事故;工程中有大量预制构件需进行吊装作业，高空作业占比大，容易导致高空坠落等安全事故，预制构件通过货车转运，现场车辆多，也易造成安全事故等.

3.2   安全管理實施过程

将基于BIM技术的装配式混凝土结构的安全管理方案运用到实际中，主要包括以下内容：

1）基于BIM技术的施工场地规划;

2）基于BIM技术的吊车安全管理;

3）基于BIM技术的现场施工模拟及三维可视化交底;

4）基于BIM技术的高空防坠落保护;

5）VR安全交底评估、AR增强现实和应急疏散模拟.

与实际施工需求相结合，预先合理规划施工时的各种用地，并构建施工现场的3D模型，如图7所示，使施工过程中施工机械的运行、材料的运输和工人作业的安全得到保障.

装配式混凝土结构项目施工过程中往往需要使用大量的吊装机械和运输车辆，很大概率会引发安全事故.首先装配式混凝土结构工程中最常用的就是吊车，吊车运行过程中非常容易引发碰撞和起吊安全事故.因而在施工前、在施工现场的3D模型中须合理规划吊车的行驶和使用场地，既要符合施工安全的要求，也要满足其功能的需求.   图8为三维模拟施工现场中吊车吊装预制柱构件.其次还需满足PC运输车辆通行的要求：道路宽度不小于12 m、转弯半径不小于15 m，如图9所示.最后根据BIM模型和三维场地规划提前找到最经济、最高效的吊装和运输方案.

利用BIM技术三维可视化特点进行预拼装，步骤见图12，综合考虑结构连接的安全性以及生产施工的便捷性，在三维环境下对构件的连接工艺进行细致的研究.由于来回拆卸具有较大的安全隐患，调整梁锚固钢筋，有效解决梁柱节点钢筋碰撞问题，制定梁吊装顺序方案，确保装配化施工的一次性完成，减少吊装过程中出现因钢筋碰撞导致构件无法安装的情况.

利用BIIM技术根据规范要求制作各类预制构件吊装、安装视频，详细到每一项工序的步骤以及相关要求，并且强调吊装、安装过程中存在的安全隐患及预防措施.开工前，对劳务工人进行三维可视化交底，在三维中直观展示，能够让工人更熟练地掌握施工技能，提高其安全意识，减少吊装安装过程中出现安全事故的概率.图13为模拟吊车吊装预制外挂墙板和预制柱的情景.

2012—2013年全国建筑工程安全事故中发生占比最多的就是高空坠落事故.若能运用BIM技术，在软件上为可能发生坠落处预先设置保护措施，使坠落伤亡事故得到减少，降低安全事故的发生概率.例如将Revit模型导入navisworks软件中，根据现场施工情况设计人物参数及重力参数，模型中能够明显地观察到施工时可能存在的临边和洞口，同时进行三维可视化漫游，发现不明显位置安全隐患，在人物失重位置做好标记，将安全隐患区域提交给施工总承包单位，这样就可以提前将尽可能多的安全隐患建立防护栏杆，在施工现场施工时可以减少安全事故如坠落伤亡和物体打击等的发生.图14为Revit模型中某层的临边洞口设置护栏前后对比.

在施工前，利用AR技术增强现实特点，为现场灭火器、预制构件以及相应消防器材等现场实体物件赋予相应教育案例以及使用教程，施工人员可随时随地扫描实体物件进行学习，结合实际，更能将危险源管控措施深入人心.利用pathfinder软件进行施工现场安全疏散模拟，制定最合理的疏散路径，对施工现场进行标识，可以在有安全事故发生时更好地提高施工人员疏散速度.运用VR技术，戴上VR眼镜：“身临其境地感受高空坠落的感觉;在模拟火灾的场景中，很难看清路标指示;在漏电场景中，似乎真感到被电流击中;在机械作业旁被撞伤”等等，这些都是通过VR实现的，这些不用在现场就能感受的“亲身经历”可以使施工人员了解到获取防范知识以及掌握应急措施的重要性.图15为该项目在现场设置的VR建筑安全体验馆.

此前，该项目已完工，死亡情况为零，受伤情况也为零，实例证明通过创建三维BIM模型，以虚拟的第三人进入三维模型，辨识的危险源更全面、更彻底;同时，在三维模型中布设危险源管控措施，模拟措施的合理性和有效性，直至得到最优的管控方案，从而有效地降低安全事故的发生率.

4    结论

本文将BIM技术引入装配式混凝土结构的安全管理，首先进行危险源辨识、划分等级，并列出危险源清单，进而提出利用BIM技术进行危险源的预管控和危险源的管理;然后进行危险源评价，深入探讨了BIM技术在装配式建筑结构中的理论应用;最终建立了基于BIM技术的装配式混凝土结构安全管理方案，并与实际案例相结合进行危险源管理.研究表明：

1）采用本文提出的基于BIM技术的装配式混凝土结构安全管理具体实施流程，可以合理进行施工场地规划、施工过程模拟、三维可视化交底、AR技术增强现实、应急疏散模拟和VR安全技术交底等，使施工和管理人员在施工前、施工中和施工后都得到安全保障.

2）本文提出的基于BIM技术的装配式混凝土结构安全管理方案可以通过一系列的危险源管控措施，以期达到降低装配式混凝土结构工程安全事故的发生概率，实现安全管理目标.

参考文献

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