BIM 技术在装配式建筑施工安全管理中的应用研究

马传政 谭雅文 贾世龙

（1. 沈阳建筑大学， 辽宁 沈阳 110168； 2. 辽宁十方岩土工程有限公司， 辽宁 沈阳 110000）

1 前言

2016 年国务院办公厅发布了 《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》 （国办发〔2016〕 71 号）， 旨在推动装配式建筑的快速发展。 装配式建筑是指由预制的部件、 部品在施工场地直接拼装而成的建筑， 具有高效、 节能、 缩减工期、 降低人工成本、 减少环境污染等优势。根据住房和城乡建设部相关数据， 我国整体新开工装配式建筑面积已由2017 年的1.6 亿m2增加至2021 年的7.4 亿m2［1］， 完成了《“十三五” 装配式建筑行动方案》 确定的到2020 年达到15%以上的工作目标［2］。 装配式建筑的施工比传统式建筑的施工增加了大量的大型预制部件、 部品的运输和安装环节， 施工中安全风险增加了， 对施工过程中的安全管理和控制提出了更高的要求［3］。

运用BIM （建筑信息模型） 技术对实体建筑进行数字化建模。 基于BIM 施工模型， 对装配式建筑施工工艺、 施工过程进行数字化模拟， 可实现三维放样、 动画演示和漫游， 实现三维可视化安全教育、 技术交底， 实现对工程危险源的自动识别和分析等。 因此， 在装配式建筑施工安全管理过程中引入BIM 技术， 能够充分利用BIM技术的优势， 快速、 准确地进行危险因素识别、安全隐患排查和安全事故预警， 保证施工安全、顺利地进行。

2 装配式建筑特点及安全管理风险识别

2.1 装配式建筑安全管理的特点

（1） 施工人员从业时间较短， 流动性比较大， 经验较少， 职业素养不高， 安全意识不高，相关安全操作规程不熟悉等。

（2） 预制构件尺寸大、 重量大， 运输、 吊装工程量较大， 存放场地要求高， 临时支撑、 固定设施安全性要求比较高。

（3） 施工现场需要的大型吊装设备数量多，吊车司机、 司索信号员等特种作业人员多； 需要专业的吊装、 安装施工队伍和经验丰富、 安全意识强的专业施工人员。

（4） 平面或空间交叉作业比较多， 多专业、多工种交叉作业较多， 施工安全风险因素多， 施工场地布置、 吊装方案、 施工组织技术要求高，施工方案编制难度高。

2.2 装配式建筑安全风险因素识别

相对于传统建筑， 装配式建筑的发展在我国属于起步阶段， 装配式建筑施工专业队伍和专业人才相对较少， 施工难度较高， 施工安全事故发生概率更大［5］。

为了降低施工风险， 减少安全施工发生， 本文在分析相关文献和技术规范的基础上， 根据装配式建筑安全管理的特点， 将安全风险因素分别与装配式建筑各施工阶段 （准备阶段、 吊运阶段、 安装阶段） 进行了匹配［6］， 为安全风险因素的识别、 安全隐患的排查提供依据， 如表1所示。

表1 装配式建筑施工安全风险因素

在装配式建筑施工过程中， 可运用BIM 模型和相关软件进行虚拟施工， 自动识别施工过程中的危险因素， 提出整改措施， 为施工方案的编制和优化提供技术支持。

3 BIM 技术在装配式建筑中安全管理的应用

在装配式建筑安全管理工作中引入BIM 技术， 通过BIM 技术提供的可视化、 虚拟施工、全方位动态模拟、 特征分析等功能， 让项目各参与方准确了解建筑安全信息， 实现工程项目全生命周期各阶段、 各专业的信息收集、 整理、 存储、 调用、 共享 （包括建筑安全信息）， 为装配式建筑设计、 生产、 运输及施工等阶段提供可靠的信息共享平台。 以尽快发现潜在的施工风险、设计缺陷和施工安全隐患， 尽快采取相关补救措施。

BIM 技术在装配式建筑中安全管理的应用主要有以下几个方面。

3.1 施工方案优化

装配式建筑的施工组织如构配件存放、 布置、 吊装、 安装等是否合理， 将影响整个工程进度、 质量和施工安全， 所以施工方案的优化是重中之重。

3.1.1 基于BIM 的施工场地布置方案优化

可选用Revit 等专业软件进行建模， 根据施工现场实际环境和具体的地形地貌进行合理规划， 构建施工场景和BIM 模型， 导入Fuzor 软件之后， 可实现3D 漫游模拟。

（1） 施工场地、 运输路线模拟。

运用Revit 软件添加施工车辆、 道路情况等信息， 结合现场的道路、 地形、 工作路线等实际环境条件， 对存放场地、 运输路线进行模拟， 对施工总平面图进行分析， 提前发现场地布置方案中存在的冲突之处， 对原有的场地布置方案进行调整和优化， 合理规划道路、 构配件存放场地、区域划分及运输路线， 形成最优方案。 笔者运用Revit 软件对某住宅楼项目 （见图1）、 某商务楼项目 （见图2） 进行了施工场地布置、 临时道路规划、 塔吊布置等进行建模模拟， 经过多次优化， 解决了最初方案中塔吊碰撞、 运输路线不合理等实际问题。

图1 某住宅楼项目施工场地布置图

图2 某商务楼项目场地布置及运输路线规划图

（2） 预制构件现场存放方案优化。

基于BIM 模型和RFID 电子标签系统， 对每个装配构件进行编码， 在预制构件生产过程中置入电子标签芯片， 并进行编码， 使之与BIM 模型一一对应， 生成编码数据库。 在构建模型的过程中， 对于各类预制构件及其安全信息， 进行分类编码处理， 在模型中可以随时查看相关信息并可实时更新， 在装配构件的运输、堆放、 拼装安装和竣工验收等各个环节都应实现信息共享， 便于统一组织施工。 构件存放时，既要考虑施工场地条件， 又要充分考虑构件后期吊装顺序， 避免二次吊装， 提高施工效率，降低安全风险。

例如， 河南省某安置房项目在项目建造过程中， 运用Revit、 Fuzor、 Navisworks 等软件进行施工实施阶段安全管理［7］， 包括施工场地布置、车辆运输路线模拟（见图3）、 塔吊布置及作业模拟、 设计方案优化、 预制构件现场堆放模拟 （见图4）、 构件吊装方案的优化等。 提升了该项目精细化管理水平， 加快了项目施工进度， 保证了项目安全、 有序、 顺利完成。

图3 车辆运输路线规划图 ［7］

图4 预制构件现场堆放示意图 ［7］

3.1.2 吊装方案优化

施工过程中， 容易出现多台塔吊、 吊车交叉作业的情况， 使用Revit 与Fuzor 软件进行动态模拟， 充分考虑施工区域的平面场地、 空间高度、 施工顺序、 施工工艺和施工进度安排等多种因素， 可提前找出各种不安全因素和容易出现的问题， 例如， 多吊车交叉作业产生碰撞， 构配件摆放位置不合理， 小车行走路线没有合理规划，多专业交叉施工等。 仿真模拟吊装方案时， 应模拟吊装施工全过程， 不放过任何一个关键工序。根据模拟结果， 合理优化吊装方案， 尽可能防止产生交叉作业， 避免可能产生的碰撞， 尽可能地消除安全隐患， 杜绝安全事故的发生， 保证施工安全。

3.2 安全教育培训和安全技术交底

“三级安全教育”、 岗前安全培训和安全技术交底目的是让从业人员掌握安全操作规程和更多的安全知识， 减少违规操作， 减少安全事故发生。 但是， 以往采用理论说教的培训形式， 学员学习积极性不高， 学习效果不理想。 以BIM 安全信息模型和Fuzor 等软件为依托， 进行可视化和VR 体验式教学， 真实地展示建筑材料、 设备、 施工人员、 施工场地、 环境、 建筑构件、 结构形式、 空间位置等详细信息， 对机械设备、 建筑构件的运行路线、 具体位置、 施工工艺和流程等进行预演， 将动态化模型导出， 并连接VR 体验设备， 进行VR 三维漫游。 学员可以通过穿戴VR 设备， 将自己置身于施工现场情境， 身临其境地了解和体验到施工现场环境和区域， 了解施工工艺、 操作流程等安全知识， 真实感受安全事故发生的情景。

在BIM 安全信息模型中， 链接了大量的相关安全信息和安全知识， 学员可以用手柄选出某一构件模型， 相关安全信息将以弹窗的方式呈现出来， 供学员浏览和学习。 体验过程中， 还可以根据实际案例向学员介绍具体的施工工艺和操作流程， 讲解施工安全操作规程和相关安全知识，提升学员的安全意识， 调动学员参加安全教育培训的积极性， 从而达到安全教育培训预期的效果。

3.3 安全应急疏散

施工现场出现危险情况或发生安全事故， 科学有效的应急疏散方案， 能够提供最优的疏散路线和应急策略， 保证现场施工人员及时、 快速撤离危险区域。 基于BIM 安全信息模型和应急疏散模拟软件， 可根据现场人员的数量、 疏散时间、 疏散路径、 建筑物内部环境等进行模拟参数设置， 实现应急疏散仿真模拟。 常见的应急疏散评估软件有Pathfinder、 Simulex、 FDS+Evac、Building EXODUS、 STEPS 等， 其中Pathfinder软件智能化程度较高， 应用较为广泛［8］。 例如，张蒙， 朱记伟等［8］利用Pathfinder、 BIM 软件，以高层住宅建筑为依托， 建立应急疏散仿真模型， 分别研究堆积物摆放位置、 面积、 形状等因素对高层住宅建筑的疏散速度、 时间以及拥堵情况产生的影响。 为高层住宅建筑应急疏散提供了参考和合理化建议。 李勃衡、 曹荣［9］应用Revit、Pathfinder 软件对某教学楼进行疏散模拟， 根据模拟结果对教学楼应急疏散方案进行优化。

在应急疏散进行模拟时， 可按照现场施工人员的具体位置， 结合建筑环境信息， 计算出在发生危险时所有人员需要的撤离时间， 并模拟出最佳的逃生路线。 通过仿真模拟， 可提前找出施工过程中所存在的各类问题， 如疏散通道拥堵、 有障碍物等， 经过多次动态模拟和优化， 形成最优应急疏散逃生方案。 尽可能地降低安全事故带来的危害和损失。

3.4 基于BIM 技术的人员、 设备安全监控方案

3.4.1 建立施工人员、 设备信息库。

基于BIM 技术建立人员、 设备信息管理系统。 通过对人脸的识别、 抓拍和跟踪， 进行信息采集和建立人员信息管理数据库。 通过对机械设备编号、 信息导入等方式， 建立机械设备数据库， 并对机械设备的类别、 使用年限、 运行状态和保养时间等信息实时更新、 补充和维护。

3.4.2 建立人员安全识别系统

可利用卫星定位技术， 进行施工人员定位，实现人员实时定位、 轨迹查询、 越界报警等功能。 BIM 信息系统也可计算施工人员累计工作时间， 避免工作人员疲劳工作造成安全问题。

建立由高清网络摄像机、 视频智能分析服务器、 客户端PC、 交换机等组成的安全识别系统，高清摄像机对施工现场进行监控， 对施工人员的违章行为自动监测、 自动报警， 并抓拍、 记录和上传云端， 相关数据和信息可实时传送至工程项目信息管理平台。

3.4.3 基于BIM 的机械设备监控管理系统

机械设备管理系统能够将机械设备本身的监控功能与BIM 信息平台相连。 在设备使用过程中， BIM 信息平台能实时显示设备的相关参数和设备状态信息。 重要的机械设备可内置故障保护系统， 使其具有过载、 碰撞等保护功能。 当设备发生故障时， 机械控制台和BIM 安全信息系统同步报警， 施工管理人员可及时排除故障， 做好维修、 维护工作， 保证设备正常运行。 该系统在施工安全管理中的应用流程如下： （1） 施工现场危险源识别与管理。 根据BIM 技术建立模型，获取建筑施工场地、 施工人员、 施工机械相关参数和信息， 运用安全检查表法， 对比系统中已建立的危险源数据库， 识别出施工过程中存在的危险源。 根据识别的危险源， 安装RFID 传感器标签， 在BIM 模型中标识出安装RFID 传感器标签的危险源， 并在危险区域安装RFID 阅读器以提供信息反馈。 （2） 数据处理及预警。 BIM 信息平台根据RFID 阅读器反馈的信息， 实现危险源的实时监控和对施工人员的及时预警。 详见下图5。

图5 机械设备管理及预警系统

3.5 基于BIM 技术的施工安全资料数字化管理

在装配式建筑施工过程中， 会产生大量安全管理数据、 资料、 文件和文档。 可使用BIM 软件建立规范的文件处理流程， 建立安全信息在线报审系统， 对产生的数据、 资料、 信息和文件进行数字化归档处理， 形成完备的工程数据库， 提高施工安全管理效率。

4 结语

在装配式建筑安全管理工作中使用先进的BIM 技术， 能够实现从施工准备阶段、 实施阶段以及竣工验收阶段的全过程、 全方位动态虚拟仿真， 实现建设项目全生命周期数据和信息的实时共享， 及早发现施工过程中可能存在的安全风险和安全隐患， 及时解决问题， 避免安全事故发生， 提高施工质量和效率。 建议承建单位充分运用BIM 的技术优势， 针对工程项目的重点和难点， 制定和优化施工方案； 强化对施工人员的安全教育培训； 制定科学有效的应急疏散方案； 加强施工安全管理的数字化、 信息化和智能化建设， 推动装配式建筑在我国的健康发展。