基于事故树分析法的BIM技术在建筑施工阶段安全控制技术研究

潘泽成 余剑英,2 蔡诗梦

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.浙大城市学院 工程学院，浙江 杭州 310015)

0 引言

现代化建筑在我国国民经济中占据着举足轻重的地位.随着工程复杂程度的提高，其技术等级也不断提高，同时安全施工风险也不断增加.据中华人民共和国住房与城乡建设部统计2009～2018年全国房屋市政工程安全生产事故及死亡人数，如图1所示，其安全生产事故及死亡人数呈上升趋势.并且在建设工程项目实施中，一方面参建单位多、专业工种多、施工交叉作业面多、协调难度大等特征，使得各类项目致险因素成为建设管理者亟待解决的重要问题.另一方面随着数字化技术、智能建造技术的发展， 传统工程项目管理方法在BIM技术的基础上，逐步转变为数字化建造模式，更加有效地提高建筑性能及保障项目安全施工.同时，风险因素的有效识别可以决定安全管理的效果[1].

图1 全国房屋市政工程安全生产事故及死亡人数

1 事故类型的确定

本文通过中华人民共和国住房与城乡建设部网站搜集了2014～2018年建筑工程安全事故数据，并且整理分析了全国房屋市政工程施工阶段近五年来主要事故类型、数量以及该五年内相同事故类型数量占据总事故类型数量的比例关系，如图2、图3所示.其中所发生的主要事故类型包括高处坠落、物体打击、坍塌事故、起重事故及其他事故，而其他事故包括触电、中毒、车辆、火灾等各类安全事故，并且图2、图3均表明高处坠落事故占据总事故类型的主要部分，并且其他事故类型发生概率较大，均有所上升扩大的趋势，而且各事故类型发生均具有意外性及危险性等特征.基于此，本论文以该事故类型建立风险分析模型，反映出该事故类型的致险因素，并以此从技术层面建立施工场内与场外的安全管理措施，避免或减少安全事故的发生.

图2 全2014～2018年事故类型统计

图3 全2014—2018年事故类型统计分析

2 建筑施工风险分析

2.1 事故树分析方法

事故树(Fault Tree)分析法又称故障树分析法，它是比较常见的风险评估方法.针对事故树安全管理的过程，首先利用对顶层风险事件的分析与预测，其次用逻辑性关系找出导致顶层事件发生的致险因子，最后根据顶层与底层事件之间的因果关系，采取相关安全措施从事故的源头抑制事故的发生.它因直观明了、易分析等特点而广泛应用于已发生的安全事故分析中，属于事后管理的分析模型[2-3].

2.2 事故树分析模型建立

建立事故树模型时，应遵循以下基本原则：

(1)逻辑性原则：针对事故类型的顶上事件，按照逻辑关系循序渐进地找出该顶上事件的安全隐患，避免条理混乱等情况.

(2)独立性原则：在梳理事故类型的致险因素时，确保各类影响因素相互独立，互不联系.

(3)全面性原则：针对事故类型的顶上事件，应从多角度、多层面去分析致险因素，以发生概率大的影响因素为主，且提出的安全管理办法不可忽略小概率的事件.

基于此，根据相关原则建立高处坠落、物体打击、坍塌事故、起重事故及其他事故的事故树模型，如图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，实现对风险因素进行有效识别，最后根据事故树模型得到事故风险梳理表，如表1所示.

图4 建筑工程事故树模型

图5 高处坠落事故树模型

3 工程案例分析

3.1 工程概述

2017年安徽某公司施工人员在新建厂房搬运栏杆过程中不慎坠落造成死亡，事故被认定临边洞口作业造成事故伤害.2019年9月26日成都一商业楼基坑局部发生坍塌致3人死亡，导致该事故发生的直接原因是基坑放坡系数不足，且因砂土地质及基坑边缘距离施工主车道过近、场地未硬化、未设支护结构等.2020年1月5日武汉一旅游休闲开发项目高支模坍塌致6死5伤.同年4月15日襄阳一项目安全通道脚手架坍塌致7人受伤.同年5月13日广东一建筑工地脚手架坍塌致8死1伤等.

图6 物体打击事故树模型

图7 坍塌事故树模型

图8 起重事故树模型

图9 其他事故树模型

表1 建筑工程事故风险梳理表

本文针对上述事故，采用事故树分析模型，建立临边洞口坠落、土方坍塌及脚手架倒塌事故树分析模型如图10-12，其具体致险因素如表2.

图10 临边洞口坠落事故树模型

图11 土方坍塌事故树模型

图12 脚手架倒塌事故树模型

3.2 BIM技术研究分析

在工程项目中，“信息”管理的作用一直被强调，而BIM技术更是将此特点无限放大，其可通过模型的可视化及信息化等特点展示项目的信息及人机交互的反馈过程.Zubaidah Ismail[4]等人通过对施工现场安全管理的影响因素进行问卷调查并发现，其中人的安全意识是影响安全的主要因素，其次是协调交流的能力.Stuart Porter[5]等人从BIM中使用的数据入手，绘制了BIM物理实体图形捕获它们作为节点和链接的关系，用以辅助分析BIM周围环境的静态和动态行为，以此来探索安全结构化设计管理.Chun Ling Ho[6]等人研究在面对多事故发生的状态下，将传统的安全教育与电子化、动态化的安全教育进行对比，发现新的教育培训模式取得的效果有着巨大得提高，并且在人的行为意识上更有效地保障了施工安全.

表2 事故风险梳理表

在实际工程中，施工安全是首要目标.本文以建筑工程风险因素作为出发点，采用以“实”建“虚”，先模拟后施工，提出基于信息化技术安全控制方法，体现模型是对象，集成是手段，精细化安全管理才是所需的目标.由于BIM技术并不指的是一款软件，其关注点更在于信息的有效表达.如通过品茗BIM软件进行施工场布，实现外部场景可视化；利用Revit软件主要体现精细化的构造；在Naviswork中导入进度计划或漫游可实现施工模拟与风险识别.基于此，本文结合了品茗、Revit及Naviswork三款软件的使用，实现建筑内部或外部精细化构造及动画模拟.

由于事故树模型属于事后分析方法，是较为成熟的分析模型，而BIM技术主要用于事前控制.因此，根据上文对事故类型的确定，在工程项目实施前应用事故树模型，明确引起事故的危险因素，将事后分析转变为事前分析，并以此提出基于BIM技术的应用管理措施，如表3所示.

表3 BIM技术的应用管理措施

因篇幅所限，本文针对表3从现场管理、漫游观察、方案设计及优化、后台监控等四个方面为突出安全管理的作用及相关软件输出成果做出简要分析：

(1)现场管理：针对土方坍塌案例，图13主要展示现场场布，在有限的施工空间内，合理的场布有利于避免因基坑周边堆载过多而造成基坑坍塌的致险因素.图14布置安全体验设施，让施工人员通过自身参与高度重视安全问题.图15显示硬化路面及按规范设置基坑防护栏杆，并同时利用BIM技术将构件的各类属性按照设计图纸和规范要求进行信息集合，以便在施工过程中指导工程的安全施工.

图13 施工现场场布图

图14 安全体验设施布置图

图15 硬化路面及基坑防护栏杆布置图

(2)漫游观察：为了实现临边洞口的有效防护，首先利用Revit软件精细化建模，其次将该模型和相关进度计划导入Naviswork中，最后进行漫游或动画模拟.如图16所示，图中通过第三人的真实效果进行漫游观察实现视点的录制和保存，并识别建筑内部风险，将临边洞口的数量进行定量汇总，实现防护设施的安装与安全标识的合理布置，并用录制的视频动画向现场一线施工人员进行教育培训.

图16 漫游观察

(3)方案设计及优化：针对脚手架的坍塌事故，使用Revit软件对脚手架建立精细化模型，其重点在于设置每根立杆、扫地杆的规格和距墙边的位置以及连墙件、 剪刀撑等各类构件， 借助于脚手架安全标准图册规范，精确绘制脚手架模型，从中明确施工现场具体的施工难点并进行方案优化.同时通过模型的建立以及智能化设备，可以有效对施工人员进行安全教育及技术交底等.

(4)后台监控：在施工现场的各重要部位或大型机械构件上布置各种传感器，如在基坑四周选定监测点布置传感设备，对结构进行健康检测[7]，利用监测数据结合BIM技术实现基坑变形的后台监控，形成预警机制.再如结合RFID技术实现对设备构件或施工材料运输、进场、安装等跟踪检查以及对施工场区的一线人员的实时监控，把控材料的场布与施工人员的作业区域.同时，完善安全检查制度，从制度层面保障安全管理措施的有效实施.

4 结论

为推进建筑业的数字化、智能化的发展，工程项目安全管理的研究需要不断创新，利用新技术、新方法、新工艺来实现建设工程的精细化管理，降低安全风险等.因此，根据本研究内容有如下结论：

(1)通过数据收集，明确了建筑工程施工阶段发生的主要事故类型以及事故数据，为事故树分析提供了基础数据.

(2)通过事故树分析法找出了影响该事故类型的致险因素，以便管理者从事故源头对安全事故采取有效措施，进行有效管控.

(3)利用BIM技术的多款软件实现施工场内与场外的可视化模拟，为管理者提供安全风险管理的决策依据.

(4)在智慧化工地建设中重视安全教育，提高施工人员的安全意识.以各类电子设备及平台为施工人员安全管理提供便捷，进而实现工程数字化与安全管理一体化建设.