基于BIM 的高层建筑施工安全预警研究与应用

纪晓雨，王利红 （潍坊职业学院，山东 潍坊 261000）

0 前言

随着中国经济高速发展，大量人口由农村向城市转移，城市建筑用地日趋紧张。城市建设中的高层建筑以其大容积率和低占地率的优势，成为了城市建筑发展的必然趋势。但高层建筑的施工过程难度大，危大工程多，高空作业多，也使得高层建筑施工安全问题成为建筑行业发展亟待解决的问题之一。通过利用BIM 技术和Navisworks 和Visual Studio 等软件，将建筑模型和实时监测融合在一起，将施工过程中可能出现的危险源及时排查和消除，对于可能发生的事故及时做出预警。降低高层施工中事故的发生率，提高建筑在高层施工中的安全性。

1 高层施工中的主要危险源

建筑工程施工都是在有限空间内进行复杂工序的长周期的建筑活动。加之施工过程中人员与物资的巨大流动性，种种因素不仅极大地增加了施工过程中安全的管理难度，而且为各种安全事故的发生埋下隐患，建筑施工过程中有以下三个最主要的危险源。

1.1 高空坠落

高空坠落在建筑施工中的所有伤害事故中的比例中高达50%左右，每年因高空坠落的事故造成的人员和财产损失已成为建筑施工事故损失中最大的来源。由于施工人员违规操作引起的高空坠落事故的原因比例高达90%以上。通过减小高空坠落事故的发生率对减少高层施工事故的发生具有极大的意义。

1.2 坍塌事故

高层建筑因其本身巨大的荷载，相比于中低层建筑，无论是在施工过程中还是使用过程中坍塌事故发生率都远高于中低层建筑，而且基本上所有的高层建筑都需要大量的脚手架和模板。而脚手架和模板坍塌也是施工事故发生的重要来源之一，每年因脚手架和模板坍塌造成的人员伤亡已成为继高空坠落之后的主要事故来源之一。减少坍塌事故的发生也能明显减小工地事故的发生频率。

1.3 物体打击

高层建筑在建筑过程中因其巨大的高差和较为紧张的施工周期，造成施工过程中人员密集、施工机具多、物料投入较多、交叉作业多，就使得物体打击事故的发生频率也极大增加，高层建筑施工过程中的物体打击事故成为仅次于高空坠落和坍塌事故的第三大事故。降低物体打击事故的发生率对于减小高层施工事故发生和加强施工安全管理也具有明显效果。

2 高层施工安全危险源的识别与预警

利用BIM 和传感器结合，在施工现场的洞口临边，脚手架，塔吊附近三个区域附近安装多个实时传感器并建立BIM Navisworks 可视化预警系统。①利用UWB 超宽带技术，实现现场作业人员的实时定位，可以将人员实时位置信息及时上传到预警系统中，一旦现场作业人员距离洞口过近，系统经过数据分析确认后，就会触发系统警报和安置在现场的警铃，对系统操作人员和现场作业人员进行警示，提醒作业人员与洞口保持距离，以避免坠落事故发生。②通过在塔吊上安装倾斜仪和载重传感器，实时分析塔吊自身状况及载重变化，将信号实时上传到预警系统中，利用系统分析塔吊的工作状态，在塔吊工作监测过程中，结合UWB 技术实现降低塔吊倾覆以及物体打击事故的发生率。③通过对脚手架和模板附近布置传感器，结合UWB技术，实时监测作业人员是否处于设定的危险区域中和脚手架以及模板的工作状态，从而实现降低坍塌事故和物体打击事故发生的几率。

3 以BIM 为基础的高层施工安全预警系统

3.1BIM 模型的建立

为了能够有效降低高空坠落、坍塌、物体打击三类事故的发生，建立以危险源识别为基础，利用BIM 建立仿真施工模型，来建立实时监测和预警系统。BIM模型的建立就是利用现有设备和软件，将施工现场发生的相关信息作为数据传输到预警系统中，经过计算和分析后被人利用，BIM 模型构建是建立预警系统的基础，主要为建筑物和相关设备建模，首先利用BIM 对图纸中设计好的建筑物进行建模，根据实际工程进度不断增加相应的构件和楼层，并且还要对诸如脚手架和模板等危险区域进行重点建模。

3.2 系统工作流程

首先利用BIM 系统根据所在工程的图纸建立相应建筑模型，并且跟随建筑施工进度不断更新，根据施工中各种机械实际位置和建筑模型施工进度，在系统中要划定危险区域。接着根据相应建筑规范等，在系统中实现对机械和人的危险区域和危险源的识别。接着利用人员定位技术和相关设备对人员和机械位置和所处状态相关数据实时采集，接着将采集的数据实时传送到系统中，与系统中的预先设定好的危险状态参数进行匹配，从而做出是否发出预警的判断。系统工作流程图见下图。

系统工作流程图

4 工程实例

大连某高层住宅小区项目，第二期7# 楼主体工程自主体建造开始，建立监测系统，使用时间约为6 个月。根据工程需要，自工程首层完成时开始布置系统，包括使用带有UWB 定位标签的安全帽、定位基站、倾斜仪和载重传感器等设备，系统随着施工进度不断对设备位置进行调整。

自系统运行后，六个月时间内共监测到预警共158 次，大部分预警均为洞口和临边过近报警，且绝大多数预警都集中在工程建设初期，而且预警的发生集中于少数几个施工人员，在针对性地进行专门教育后，预警次数明显减少。经过对工程的监测和预警，本系统在提升项目安全管理水平上有一定效果，对于施工人员和管理人员的安全意识的培养和建立有很大帮助。减少了因高空坠落、坍塌、物体三类事故而导致的事故的发生。对于工地安全管理的提升起到了积极的作用。

5 结语

本文通过利用BIM 技术及相关软件编制的高层施工预警系统，经过在实际工程应用后表明，能够在一定程度上提高高层建筑施工过程的安全管理水平，降低了高层施工中事故发生的概率，减少在高层施工中出现频率最高的三种安全事故的发生次数。同时也利用比较新颖的管理方式，提高现场施工工人和管理人员的安全意识和培养施工人员的安全行为。通过利用预警系统，高空坠落、坍塌、物体打击三种事故隐患得到有效的降低和管理，增加了高层施工中的安全性和可靠性。相较于其他的预警系统，以BIM 为基础的高层预警系统，对于高层施工实现了可视化、实时监测，使施工过程中更加直观、透明，能实现高层施工安全管理水平的更大提升。