基于BIM技术的工程作业多塔布置方案与安全管理

陈 华

（福建中闽大秦工程管理有限公司，福建 宁德 352100）

0 引言

随着国内经济的不断发展，新建小区的楼栋数量、高度均较10年前有跨越式发展。一个现代化小区楼栋数量均在5栋以上，随之而来需要解决的是多台大型垂直运输机械（塔吊）交叉作业带来的塔吊安全距离不足、塔吊司机视野盲区多等问题[1]，如继续使用传统的二维总平面场地模式，已无法满足现代化小区施工需求。通过使用BIM等先进技术，可实现从二维向三维的转换，进而极大降低群塔作业时的碰撞风险和吊装风险[2]。本文结合福建省宁德市某小区在建设过程中利用BIM技术开展多塔布置所取得的良好效果，对利用BIM技术开展多塔布置的要点和共同作业时的安全管理方法进行探讨，以期为多塔作业的项目提供借鉴与参考。

1 工程概况

某小区在建项目位于福建省宁德市，总建筑面积88049.26m2，共建设9栋12～16F的高层住宅。该项目为了顺利完成施工任务，共设置了7台塔吊进行作业，塔吊型号、基础面标高、搭设高度及大臂臂长见表1所示。

表1 塔吊安装参数

2 塔吊布置要点与选型

2.1 单塔布置要点

项目每台塔吊布置时应注意以下要点：

（1）需要考虑拟建物建筑高度，以免吊运时空间冲突，还要对覆盖范围内的拟建物的突出部位结构，例如女儿墙、屋顶结构、空间约束等进行高度对比，应防止塔吊运行过程与结构发生冲突；

（2）塔吊回转范围内不应有高压线，如果高压线不可避免则应做好防护措施；

（3）应充分考虑拟建建筑完成修建后塔吊拆除的工况，避免出现因结构阻挡导致塔吊无法拆除的情况。

2.2 群塔布置要点

该工程塔吊布置数量多，在布置塔吊时应进行统筹考虑，避免出现群塔作业碰撞的情况，故在群塔布置时应注意以下要点：

（1）在水平方向上，塔吊大臂应与另一台塔吊塔身有2m以上的安全距离；

（2）在垂直方向上，塔吊大臂与大臂之间应有2m以上的安全距离；

（3）在施工过程中，塔吊应与相邻拟建建筑物的主体结构或相邻既有建筑物保留2m以上的安全距离；

（4）应结合主体结构施工进度，合理安排塔吊加节，避免出现因塔吊高度不够或塔吊碰撞主体结构影响施工进度。

2.3 塔吊选型要点

在完成塔吊布置后，应结合施工现场情况进行塔吊选型，在进行塔吊选型时，应着重从以下几个方面进行考虑：

（1）塔吊需覆盖范围：应明确塔吊与覆盖的楼栋、材料堆场、加工场等之间的位置关系；

（2）塔吊覆盖范围内需要吊装物体的重量：塔吊起重能力与预制构件、钢筋等材料重量之间的关系；

（3）塔吊拟安装的高度与自由高度：应综合考虑塔吊自由高度、最终的安装高度是否满足现场施工要求。

2.4 基于BIM技术的塔吊布置优势

由于利用CAD二维塔吊布置存在一定的局限性，往往以施工人员的现场经验、作业环境、平面图纸进行塔吊布置，则布置方案存在一定弊端，与现场实际情况脱节，项目管理人员不能全面掌握现场进度和安全情况。而利用BIM三维塔吊布置技术，则会更加直观、全面地进行群塔布置。因此，利用BIM技术布置塔吊有以下几个优点：

（1）可视化：利用BIM技术可实现场地布置可视化，管理人员可直观地在电脑上明确塔吊与塔吊、塔吊与建筑物之间的关系；

（2）优化性：在建筑施工现场塔吊布置与安全管理中，一方面可以利用塔吊模型优化塔吊布置方案，另一方面可将塔吊运行与物联网设备结合，实时关注塔吊运行状态，从而提高施工现场的安全管理效率；

（3）模拟性：在BIM软件中可模拟施工进度与塔吊加节进度，对施工管理人员开展施工进度计划管理有着实质性帮助[3]。

3 基于BIM技术的多塔吊布置方案

3.1 建立项目总体模型

项目利用品茗BIM 场布软件开展场地总体模型布置。在塔吊布置前，应结合项目主体结构的情况对项目进行建模，建模内容包括：建筑结构模型、项目围墙位置、钢筋加工场位置、材料堆场位置等。

（1）建筑结构BIM建模具体步骤如下：将CAD二维图纸导入至品茗三维场布软件中→选择已有CAD外形轮廓并进行转换→输入建筑相关参数，包括高度、层高、层数、屋顶类型等→建筑外立面类型选择为脚手架→生成建筑结构BIM模型；

（2）项目围墙BIM建模具体步骤如下：选择“砌体围墙”的族→将墙厚设置为240mm、墙高设置为2500mm→顺着项目红线位置或实际围墙位置进行布置→生成围墙BIM模型；

（3）钢筋加工场、材料堆场BIM建模具体步骤如下：选择相应的材料堆场或钢筋加工场的“族”→设置钢筋加工场或材料堆场的长度、宽度等参数→在场地中进行布置→选择钢筋加工场防护棚“族”→在钢筋加工场位置布置防护棚→生成BIM模型。

在完成上述“族”的布置后，即可生成项目总体BIM模型（如图1所示）。

图1 项目总体BIM模型图

3.2 建立塔吊布置模型

该项目具有楼层高度差距小、塔吊数量多、安装高度高、附着道数多等特点，如依靠传统CAD布置方式很可能出现相邻塔吊之间水平安全距离不够或因附着位置错误导致塔吊自由高度不足进而与主体结构施工进度相互影响等情况，故项目管理人员采用品茗BIM软件对项目塔吊布置进行建模（见图2 所示），可有效避免该情况的发生。

图2 项目塔吊BIM模型图

（1）塔吊BIM建模具体步骤如下：选择“尖顶”塔吊的族→对塔吊基础的标高、塔吊高度、离墙距离等参数进行设置→在拟布置位置布置塔吊→形成塔吊BIM模型。

（2）塔吊附着BIM建模具体步骤如下：根据塔吊说明书选择首道附着位置离基础的距离→在塔吊布置的位置和高度选择附着道数→选择塔吊附着与附着之前的距离→形成塔吊附着模型→在模型中检查塔吊附着位置与主体结构之间的关系，避免出现附着位置超过主体结构或自由长度超长的情况。

项目管理人员可以根据实际需要，增加塔吊上的标识及企业广告，以达到美观的效果。

3.3 进行多塔碰撞测试

在完成塔吊BIM模型和塔吊附着BIM模型后，应在BIM模型图中进行多塔之间的相互碰撞试验（见图3～6所示），碰撞试验步骤如下：将相交的塔吊大臂转动至同一投影面，检查其安全距离是否≥2m，若不满足则应增加或降低塔吊高度。

图3 1#塔吊、2#塔吊、7#塔吊模拟碰撞试验图

图4 2#塔吊、3#塔吊、6#塔吊模拟碰撞试验图

图5 3#塔吊、4#塔吊、5#塔吊模拟碰撞试验图

图6 6#塔吊、7#塔吊模拟碰撞试验图

在对每一台塔吊和与之大臂回转范围相互重叠的其他塔吊进行碰撞模拟分析后，各塔吊之间均满足水平距离≥2m，垂直距离≥2m的使用要求，因此塔吊布置满足使用要求。具体分析情况如表2所示。

表2 各台塔吊模拟碰撞分析表

4 基于BIM技术的多塔使用安全管理

4.1 塔吊作业过程可视化管理

该项目塔吊安装数量多，楼层高度高，作业时塔吊司机盲区多，存在一定的安全隐患。项目管理人员在吊钩位置安装智能监控设备，实时地将吊装情况反馈给塔吊司机和项目管理人员。同时在塔吊大臂位置安装定位感应器，实时地将各个塔吊大臂的位置、高度等信息传递给塔吊司机和项目管理人员，实现塔吊司机对吊装状态和其他相邻塔吊的相对位置一目了然，极大地提高了多塔作业的安全性。

4.2 塔吊使用安全技术交底和教育培训

在以往的项目中对塔吊使用的安全技术交底和教育培训大多采用文字交底和口头培训等方式，存在一定的抽象性和局限性，难以起到真正意义上的安全技术交底和教育培训[4]。项目利用BIM技术和VR技术相结合的方法向塔吊司机和指挥工进行安全技术交底和教育培训，塔吊司机和指挥工戴上VR眼镜后，在BIM模型中进行漫游，犹如身临其境地了解在操作过程中应注意的要点，进而更好地开展工作。

4.3 塔吊吊装安全管理

该工程为装配式建筑，具有预制构件数量多，重量大的特点，预制构件吊装过程存在一定的危险性，若未对其进行科学的管理，极易造成严重安全事故，因此项目利用BIM技术与物联网技术相结合，实时监控塔吊运行状况（见图7所示）。具体实现方法为：

图7 项目塔吊运行安全监控系统图

（1）在塔吊上安装物联网检测设备，检测设备主要包括：力矩传感器、回转角度传感器、小车位置传感器等；

（2）将实时数据导入BIM模型中，实现BIM模型中的塔吊自动运行；

（3）在BIM模型中设置预警值，若某台塔吊的实时参数超过预警值，则实现后台报警，并同步将报警信息发送给现场管理人员，以便及时采取安全管理措施[5]。

5 结束语

福建省宁德市某小区在建项目通过运用BIM技术、VR技术及物联网技术等先进技术，并在多塔策划布置、多塔作业安全管理等方面进行深度运用，顺利完成了9栋高层住宅的建设任务，达到了将塔吊布置方案应用于现场的目的，也提高了现场安全管理水平，更证明了BIM技术在多塔布置及管理中的可行性和可推广性。总之，在今后的工程建设中，BIM技术将是工程建设过程中的一把“利器”。