基于BIM+VR的建筑项目施工安全管理优化

2023-10-25霍自强杨中宣张晓珂穆箫韶

中原工学院学报 2023年4期

霍自强,杨中宣,张晓珂,穆箫韶

(1.中原工学院能源与环境学院,郑州 450007; 2.中原工学院经济管理学院,郑州 450007;3.曼彻斯特大学机械、航天和土木工程系,曼彻斯特M13 9PL)

建筑行业因产业链过长、风险程度高、不确定因素多等特点[1],在施工过程中,难免出现一些安全问题,造成无法挽回的后果。随着建筑项目的建设要求不断提高、项目规模不断扩大和技艺要求不断提升,建筑项目施工环境愈发复杂,传统的安全管理方法难以适用,亟需变革。现代信息技术为施工安全管理提供了新的思路[2]。

本文通过构建结构方程模型,判别影响建筑项目施工安全的因素,针对安全影响因素,在建筑项目施工前、中、后阶段,应用BIM的可视性、参数性等特点,结合VR的沉浸式特点,对建筑项目中隐藏的危险因素进行预先识别,在一定程度上对工程项目安全管理中存在的不足起到了优化作用,并且对提升项目施工安全管理水平具有正向影响作用。

1 建筑项目施工安全评价体系的建立

1.1 建筑项目施工安全影响因素

借助文献等对影响建筑项目施工安全的因素进行提取筛选,并归纳划分,最终得到30个影响因素,分别归类于人员因素、技术因素、物的因素、环境因素以及管理因素,见表1。

表1 建筑项目施工安全影响因素

1.1.1 人员因素(A)

人员因素是建筑项目施工过程中最基础的要素,涉及多层面,无论是施工方案的制定、机械使用操作或是安全管理,都少不了人员的参与。因此,人员是影响施工安全最重要的因素,对于人员因素主要从7个方面(分别用A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7表示)进行评价分析。

1.1.2 技术因素(B)

随着建筑项目施工规模的不断扩大,工序越发繁杂,传统的建筑方式已经不再适用,迫使新技术、新工艺和新设备等投入施工中。因此,技术也成了影响施工安全的因素之一,对于技术因素主要从5个方面(分别用B1、B2、B3、B4、B5表示)进行评价分析。

1.1.3 物的因素(C)

在施工现场,到处是机械设备和建筑材料,比如挖掘机、搅拌机、钢筋、水泥和塔吊等,能否按照规定使用机械设备、建筑材料,以及应急救援设备的配备与否极大地影响着施工安全。对于物的因素主要从7个方面(分别用C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7表示)进行评价分析。

1.1.4 环境因素(D)

环境是指施工自然环境和现场环境。施工场地多是露天环境,所以施工安全极易受到天气影响。此外,不合理的施工场地布局也严重影响施工安全。因此,环境也是影响施工安全的因素之一。对于环境因素主要从6个方面(分别用D1、D2、D3、D4、D5、D6表示)进行评价分析。

1.1.5 管理因素(E)

良好的施工现场安全需要各种管理来维持,若是各类安全管理制度不合理,缺少施工安全监督、检查等,会对整个施工安全造成很大影响,不仅施工作业运行不畅,作业人员纪律涣散,甚至会导致安全事故的发生。所以,管理是影响施工安全的重要因素。对于管理因素主要从5个方面(分别用E1、E2、E3、E4、E5表示)进行评价分析。

1.2 数据分析

1.2.1 问卷调查

通过问卷调查,将30个二级指标进行分类,对其影响施工安全的程度进行数据统计分析。答案采用五分制:1表示不影响;2表示不太影响;3表示一般;4表示比较影响;5表示非常影响。针对不同岗位、地区的人员分发调查问卷,最终收回有效问卷436份。

1.2.2 信效度检验

为分析调查问卷数据的真实性和可靠性,本文采用SPSS 25.0软件进行信度、效度检验。

(1) 信度分析。以克隆巴赫系数作为判断标准,当系数小于0.6时,说明该问卷信度极低,则问卷结果不可信;当系数在0.6～0.8之间时,说明结果比较理想;当系数大于0.9且小于1时,说明结果非常理想,可以接受。本问卷的调查系数为0.931,数据信度好,可通过信度检验,5个潜在变量的克隆巴赫系数(表2)均大于0.8,都在可接受范围内。

表2 信度系数

(2) 效度分析。通过KMO检验和Bartltts球状检验来判断问卷数据是否适合用作因子分析。当KMO取值在0～1之间时,说明数据适合用作因子分析,且取值越靠近1,变量之间的相关性越强,数据越适合。Bartltts球状检验用于检验各变量之间是否具有相关性,当显著性(P值)小于0.001时,说明变量之间具有较强的关联性,可以用作分析;当P值大于0.001时,说明各个变量之间相互独立,并不适合作因子分析。本数据的KMO为0.931,Bartltts球状检验为0.000,说明该数据可以用作因子分析。

2 建筑施工安全结构方程模型的构建与分析

结构方程模型(SEM)可研究多个因变量与自变量之间的关系,当因变量难以观察时,可选择与之相关的自变量进行分析。结构方程模型可探索事物间的因果关系,并采用因果模式、路径图等对这种因果关系进行表述[4]。

2.1 一阶结构方程模型的构建与分析

将所得问卷数据导入AMOS 24.0软件中,建立建筑项目施工安全因素初步结构方程模型,见图1,对模型进行拟合,拟合结果如表3所示。由表3可以看出,人员因素、技术因素、物的因素、环境因素和管理因素之间具有显著的相关性(***表示显著性高),且5个一级指标之间的回归系数介于0.189～0.415之间,说明潜变量之间具有较高的相关性,可以继续进行二阶验证性因子分析。

图1 一阶结构方程模型

表3 一阶模型路径回归系数

2.2 二阶验证性因子分析

对结构方程模型进行调整,将5个因素归于施工安全,并将数据带入模型之中,构建二阶结构方程模型(见图2),并进行适配度检验。结果表明:除了AGFI为0.891<0.9以外,其余均达到标准,见表4。因此需要对此结构方程模型进行修正,结构如图3所示。本文采用极大似然估计法MI进行模型修正,一般从MI值最大值(见表5)进行修正,通过放松对变量之间关系的约束以达到修正效果。通过修正后,拟合结果如表6所示。各项拟合数据均符合标准,说明修正后的方程结构模型能够很好地实现拟合。

图2 二阶结构方程模型

图3 修正后二阶结构方程模型

表4 模型适配度指标数据

表6 修正后的模型适配度指标数据

综上所述,从图3可以看出,人员因素对施工安全的路径系数为0.94,技术因素对施工安全的路径系数为0.51,物的因素对施工安全的路径系数为0.59,环境因素对施工安全的路径系数为0.57,管理因素对施工安全的路径系数为0.64,说明5个因素均对施工安全具有正向影响作用。按路径系数从大到小排列为,人员因素>管理因素>物的因素>环境因素>技术因素。因此,在建筑项目施工的安全因素中,人员是影响施工安全程度最高的因素,其次是管理因素,物的因素和环境因素次之,影响程度最小的是技术因素。

3 施工安全管理的BIM+VR实现

BIM(建筑信息模型技术)因具备可视性、可控性等诸多特性,适用于工程建设项目的诸多管理场景[5]。VR(虚拟现实技术)具有超强的仿真系统,人在操作过程中,可以使人的五官得到最真实的环境反馈。将两者结合起来,可以将拟建项目事先呈现出来,以便对施工安全计划和安全方案进行优化改进。

3.1 人员因素

传统的桌面安全培训(如言语说教)已经不再适用于目前的施工安全管理学习,而BIM+VR技术可以优化这种学习。VR技术可以让作业人员置身于真实的场景中,通过三维虚拟漫游来学习安全知识,并在学习任务完成后进行安全知识考查,成绩合格者给予奖励。这种趣味性学习不仅使作业人员不再反感施工安全教育,还让他们对安全施工知识有足够的认识,安全知识学习场景如图4所示。

3.2 技术因素

利用BIM模型存储大量的建筑项目施工安全信息,作业人员通过VR漫游获取任意重、大、难操作节点的施工信息,对重点关键部位利用漫游操作来模拟施工(见图5)。模拟施工现场危险行为发生的过程和后果,让作业人员感受到危险行为带来的可怕后果,以此来提高作业人员的安全意识。

图5 重、大、难部位模拟施工

3.3 物的因素

依据建筑项目的施工现场平面布置图,在 BIM 软件中搭建机械设备,并划分建筑材料堆放区、材料加工区以及生活、办公区等。利用BIM+VR技术对拟建项目的施工现场布置进行合理性、安全性检查。以建筑材料的供给运输为例,施工现场物料运输通常是多种机械交叉作业,为保障项目顺利运行,实现安全生产,借助VR技术进行虚拟操作,可以检查各塔吊间是否存在干扰关系及其在材料运输过程中是否影响现场作业人员正常施工以及其他构件设备正常运行等。通过对建筑材料运输的模拟操作,排除危险因素,优化施工现场布局,降低人机安全事故发生频率。