基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑施工安全管理系統(tǒng)構(gòu)建

李 偉 劉 琦 郭露鵬

1. 長(zhǎng)春工程學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130012；2.甘肅二十一冶第三建設(shè)有限公司 甘肅 白銀 730900

近些年，隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，一方面帶來(lái)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，另一方面也帶來(lái)了更多的安全事故。建筑行業(yè)作為高投資、高安全風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，在我國(guó)建筑安全事故的死亡率相對(duì)較高，如何提高安全管理效率和降低安全事故頻率成為了建筑行業(yè)的難題。

安全事故發(fā)生主要源于管理水平低、人不安全行為、物不安全狀態(tài)及不安全環(huán)境的影響，傳統(tǒng)安全管理模式是通過(guò)建立安全生產(chǎn)管理制度來(lái)減少不安全因素，并且采用日常巡檢，專(zhuān)項(xiàng)、季節(jié)性檢查等方式來(lái)避免事故發(fā)生。傳統(tǒng)的安全管理效果并不理想，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)階段需求，隨著信息化時(shí)代到來(lái)，BIM技術(shù)集成應(yīng)用為安全管理拓展了新的思路。

1 BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IOT）是通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)按約定的協(xié)議連接起來(lái)，形成物與物、人與物之間的通信以及信息交換，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是建筑信息模型化，它不僅是數(shù)字信息的集成，還是數(shù)字信息的應(yīng)用，并可以用于數(shù)字化方法的設(shè)計(jì)、建造、管理。同時(shí)采用工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)（Industry Foundation Class，IFC）體系作為共同的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，但僅這一標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法滿(mǎn)足信息交互的需求，因?yàn)樵谑┕そㄔ爝^(guò)程中，參建各方之間出現(xiàn)了信息傳遞的孤島——“物”[2]，如何將“物”融入信息傳遞中，成為了阻礙。

BIM是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，而物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的有效延伸，包含并兼容了互聯(lián)網(wǎng)所有的應(yīng)用和 資源[3]。

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)中的RFID、閱讀器、傳感器、視頻攝像機(jī)等技術(shù)采集現(xiàn)實(shí)物體信息，采集數(shù)據(jù)與BIM模型數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)交互。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)Microsoft Office Access 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)建立施工安全指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將安全指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)連接到BIM模型以形成BIM安全模型，然后將其與采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，自動(dòng)判斷是否安全并顯示三維可視預(yù)警，便于管理人員進(jìn)行安全管理，提高安全管理的有效性。

2 建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素分析

我國(guó)建筑施工安全事故主要類(lèi)型有高處墜落、物體打擊、機(jī)械傷害、觸電、坍塌等，通過(guò)運(yùn)用魚(yú)骨圖分別從人為因素、物的因素、環(huán)境因素和管理因素4個(gè)不同角度歸納總結(jié)安全事故的發(fā)生原因[4]，為安全管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)提供依據(jù)。安全事故影響因素魚(yú)骨圖，如圖1所示。

圖1 安全事故影響因素魚(yú)骨圖

2.1 人為因素

1）施工技術(shù)水平。施工現(xiàn)場(chǎng)工人的技術(shù)水平參差不齊，如特種作業(yè)需要考取證書(shū)才能上崗，但考試內(nèi)容只是讓工人擁有初級(jí)入門(mén)水準(zhǔn)，在面對(duì)一些突發(fā)特殊情況下，工人并不一定能快速做出正確的判斷和行動(dòng)，致使安全事故發(fā)生。

2）平均文化水平不高。建筑行業(yè)作業(yè)人員平均文化水平不高，對(duì)于項(xiàng)目安全教育或安全交底的內(nèi)容不易理解，甚至產(chǎn)生反感，缺乏安全知識(shí)。

3）心理、生理影響。施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣且住宿條件簡(jiǎn)陋，很多工人不能較好休息，長(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致物理負(fù)載超出了身體極限，健康狀況異常并出現(xiàn)反常情緒，工人無(wú)法專(zhuān)心工作。

4）安全意識(shí)淡薄?，F(xiàn)場(chǎng)管理人員不能做到時(shí)刻監(jiān)督，一些工人圖省事、怕麻煩，無(wú)視安全并進(jìn)行非法操作，他們憑著較豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，或憑本崗位安全隱患少，或憑著多少年也未出現(xiàn)過(guò)安全事故，產(chǎn)生了僥幸心理，并且隨著時(shí)間的推移，安全意識(shí)越發(fā)淡薄。

2.2 物的因素

1）安全防護(hù)設(shè)備。防護(hù)手套、安全網(wǎng)、安全帶等不齊全，質(zhì)量水平不符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，很多項(xiàng)目安全防護(hù)設(shè)備不僅未做到配備齊全，而且不考慮防護(hù)設(shè)備質(zhì)量，一味追求價(jià)格低廉。

2）施工設(shè)備運(yùn)輸及裝卸。腳手架、起重機(jī)、大型工程機(jī)械運(yùn)輸及裝卸安全控制是施工安全管理的重要組成部分。在運(yùn)輸和裝卸過(guò)程中，人與設(shè)備直接接觸，稍有不慎就會(huì)發(fā)生安全事故。

3）安全標(biāo)志。在施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)安全標(biāo)志選用不當(dāng)、不清晰、不規(guī)范、位置缺陷及其他安全信號(hào)缺失等 問(wèn)題。

4）施工設(shè)備維修。設(shè)備在不同環(huán)境長(zhǎng)期使用后，會(huì)引起機(jī)械零件的磨損和間隙的增大，直接影響設(shè)備的原有平衡，降低了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)械設(shè)備喪失基本功能，異常運(yùn)作。

3.3 不安全環(huán)境

1）惡劣天氣。當(dāng)出現(xiàn)雨、雪、風(fēng)、霧等惡劣天氣時(shí)，應(yīng)立即停止作業(yè)，而項(xiàng)目為追求進(jìn)度，依舊要求工人施工。惡劣天氣過(guò)后，未嚴(yán)格對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備及周?chē)h(huán)境進(jìn)行檢查，就立即開(kāi)展工作。

2）照明不良。夏季高溫炎熱，為避免高溫引起施工質(zhì)量降低和作業(yè)人員中暑，許多項(xiàng)目選擇避開(kāi)中午的高溫期，改為早晚施工，而作業(yè)區(qū)與機(jī)械駕駛室未滿(mǎn)足照明要求，依然進(jìn)行施工作業(yè)。

3）場(chǎng)地狹窄、雜亂。場(chǎng)地平面布置不合理，地面未硬化、道路不暢通、材料的隨意堆放等都可能造成事故的發(fā)生；相反的，合理的場(chǎng)地布置方案會(huì)讓項(xiàng)目擁有良好工作環(huán)境。

4）臨邊洞口防護(hù)未設(shè)置。腳手架外架、預(yù)留洞口、電梯井、基坑等未設(shè)置防護(hù)，在作業(yè)時(shí)工人極可能從高處 墜落。

2.3 管理因素

1）安全管理執(zhí)行力不足。安全管理執(zhí)行力不足源于制度的缺陷，無(wú)法做到“有法可依，有法必依”，制定完善的管理制度，通過(guò)實(shí)行監(jiān)督，提高執(zhí)行力。

2）安全交底未落實(shí)。在施工之前，應(yīng)根據(jù)批準(zhǔn)的施工組織設(shè)計(jì)或?qū)I(yè)安全技術(shù)措施，向有關(guān)人員進(jìn)行安全交底。安全交底是讓操作者了解具體安全事項(xiàng)，在危險(xiǎn)情況下能確保自身安全。從施工負(fù)責(zé)人到安全管理人員再到生產(chǎn)班組最后到工人，這一過(guò)程的傳遞使交底作用大打 折扣。

3）安全職責(zé)未履行。施工企業(yè)應(yīng)建立和健全與企業(yè)安全生產(chǎn)組織相對(duì)應(yīng)的安全生產(chǎn)責(zé)任體系，不僅要明確管理各職能部門(mén)的安全生產(chǎn)職責(zé)，更重要的是需要落實(shí)到每個(gè)崗位。

4）安全目標(biāo)不明確。要根據(jù)企業(yè)的安全管理目標(biāo)制定事故控制指標(biāo)與中長(zhǎng)期目標(biāo)，并且根據(jù)目標(biāo)完成情況進(jìn)行獎(jiǎng)懲考核。

3 建筑施工安全管理系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 建筑施工安全管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)人、物、環(huán)境、管理4個(gè)方面進(jìn)行分析，了解到事故發(fā)生的主要原因是缺少有效的監(jiān)控和預(yù)警。各單位管理人員不能時(shí)時(shí)刻刻在所有工作面進(jìn)行監(jiān)督，無(wú)法了解工人及機(jī)械的位置信息及周?chē)h(huán)境狀況，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)存在安全隱患，常規(guī)的日常、專(zhuān)項(xiàng)、季節(jié)性安全檢查無(wú)法在事故發(fā)生前及時(shí)預(yù)警。針對(duì)建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素和BIM、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)，建筑施工安全管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)總結(jié)如下。

3.1.1 數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集

由于建筑工地面積大、環(huán)境復(fù)雜、人員眾多且流動(dòng)性大等，導(dǎo)致傳統(tǒng)人工采集數(shù)據(jù)方式較為困難，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化、快速化、全面化實(shí)時(shí)獲取人、材、機(jī)的對(duì)象屬性、三維空間位置、周?chē)h(huán)境等信息，可確保平臺(tái)采集信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

3.1.2 可視化安全監(jiān)控和預(yù)警

BIM可視化三維模型以簡(jiǎn)單、直觀的形式為安全管理人員展示信息，幫助管理人員快速、準(zhǔn)確地了解人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)及環(huán)境等信息，當(dāng)不安全信息超過(guò)設(shè)定的安全指標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)出不同等級(jí)的預(yù)警，并提示距離危險(xiǎn)源較近的管理人員快速趕到現(xiàn)場(chǎng)。

3.1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)對(duì)工人行為、機(jī)械使用及材料檢查等信息建檔存儲(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)逐漸形成工人個(gè)人檔案，成為具有征信價(jià)值的記錄，能更好地進(jìn)行人員管理；機(jī)械使用、裝卸、維護(hù)保養(yǎng)情況和材料進(jìn)場(chǎng)外觀檢查、性能復(fù)檢情況形成檔案記錄，可幫助企業(yè)正確選擇機(jī)械及材料供應(yīng)方。項(xiàng)目安全管理數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接企業(yè)安全數(shù)據(jù)庫(kù)，企業(yè)對(duì)項(xiàng)目安全數(shù)據(jù)去其糟粕，取其精華，將優(yōu)異的安全管理方法沿用在下個(gè)項(xiàng)目上。

3.1.4 良好的系統(tǒng)功能擴(kuò)展性

安全管理系統(tǒng)應(yīng)有良好的功能擴(kuò)展性，在安全監(jiān)控的過(guò)程中，安全信息不單單用在安全管理功能這一板塊，還能應(yīng)用于進(jìn)度、質(zhì)量等其他功能模塊，形成全方位項(xiàng)目 管理。

3.1.5 附加功能

安全管理系統(tǒng)功能應(yīng)增加安全教育和培訓(xùn)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)工人檔案記錄，對(duì)違章工人進(jìn)行安全教育，以提高工人的安全意識(shí)；增加安全檢查標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)檢查人員可以在檢查過(guò)程中隨時(shí)使用移動(dòng)端調(diào)出標(biāo)準(zhǔn)，以圖片為參考，可以有效彌補(bǔ)部分檢查人員安全知識(shí)和技能的不足，使檢查工作更加準(zhǔn)確；增加勞務(wù)防護(hù)設(shè)備管理，例如智能安全帽、安全帶、安全鞋的生產(chǎn)、使用及有效期等信息輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，攜帶不安全勞務(wù)防護(hù)設(shè)備人員禁止進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，由此實(shí)現(xiàn)警報(bào)。

3.2 建筑施工安全管理系統(tǒng)構(gòu)建

物聯(lián)網(wǎng)與BIM技術(shù)集成將延伸和拓展出新應(yīng)用模式與價(jià)值，建筑安全管理系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸處理及分析、數(shù)據(jù)反饋3個(gè)模塊，系統(tǒng)構(gòu)建可讓參建各方實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)，還可通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行全程監(jiān)控、在線(xiàn)溝通、協(xié)同處理[5]?；贐IM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑施工安全管理系統(tǒng)框架圖，如圖2所示。

圖2 BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑施工安全管理系統(tǒng)框架

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集的工具主要包含視頻攝像機(jī)、RFID標(biāo)簽、閱讀器、傳感器、智慧安全帽、RFID手持終端等[6]。使用視頻攝像機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)畫(huà)面進(jìn)行監(jiān)控，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作行為；借助RFID標(biāo)簽定義構(gòu)件信息，同時(shí)閱讀器掃描實(shí)現(xiàn)構(gòu)件追蹤與定位；傳感器采集傾斜度、壓力、溫度、濕度等信息；智慧安全帽內(nèi)置RFID標(biāo)簽，可通過(guò)手持終端識(shí)別工人身份。

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸、處理及分析模塊

利用Wi-Fi、WLAN等將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行過(guò)濾、檢查、分組，同時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化管理[7]，通過(guò)單獨(dú)開(kāi)發(fā)API或者支持IFC標(biāo)準(zhǔn)軟件將采集數(shù)據(jù)共享到BIM安全信息模型，完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、交互。BIM安全信息模型是由三維模型與Microsoft Office Access安全指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)形成，安全指標(biāo)與轉(zhuǎn)換交互后的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，為下一步的數(shù)據(jù)反饋奠定基礎(chǔ)。

3.2.3 數(shù)據(jù)反饋模塊

采集數(shù)據(jù)與BIM安全模型中的安全指標(biāo)對(duì)比后，對(duì)比結(jié)果通過(guò)平臺(tái)反饋給管理及相關(guān)人員，進(jìn)行人、材、機(jī)安全管理。指標(biāo)對(duì)比結(jié)果可分為安全、隱患、危險(xiǎn)3種狀態(tài)，不同狀態(tài)用不同顏色來(lái)表示，該平臺(tái)使用BIM三維可視化模型來(lái)更清晰和直觀地顯示施工人員和機(jī)械的位置、物料堆放等情況。

例如挖機(jī)距離安全指標(biāo)以3、10 m為界限，當(dāng)無(wú)關(guān)工作人員與挖機(jī)距離10 m以外時(shí)顯示為綠色；若距離挖機(jī)3 m以外10 m以?xún)?nèi)顯示為黃色，智慧安全帽會(huì)間歇性發(fā)出警告遠(yuǎn)離危險(xiǎn)；當(dāng)距離挖機(jī)3 m范圍內(nèi)會(huì)顯示為紅色，智慧安全帽發(fā)出連續(xù)警告，安全管理平臺(tái)提醒挖機(jī)駕駛員和檢查組此處為危險(xiǎn)狀態(tài)，駕駛員應(yīng)暫停作業(yè)。檢查組立即查看情況，使用RFID手持終端對(duì)違規(guī)行為拍照上傳，并對(duì)違章人員進(jìn)行身份識(shí)別，記入工人個(gè)人檔案。

4 結(jié)語(yǔ)

工程安全生產(chǎn)是各方建設(shè)主體最關(guān)心的問(wèn)題，基于物聯(lián)網(wǎng)與BIM技術(shù)的智慧工地從根本上轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，協(xié)調(diào)生產(chǎn)關(guān)系，有效降低安全事故率[8]，促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展。建立基于物聯(lián)網(wǎng)與BIM技術(shù)的安全管理系統(tǒng)，能夠靈敏快速地進(jìn)行信息識(shí)別、搜集、傳遞、處理及共享，該系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都必須建立在“快速”的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的人工管理無(wú)法滿(mǎn)足快速反應(yīng)的需求，預(yù)警就失去了意義。物聯(lián)網(wǎng)與BIM技術(shù)集成應(yīng)用的不斷探索，多種信息技術(shù)更廣泛地應(yīng)用在建筑行業(yè)各個(gè)方面，將加速建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型與 升級(jí)[9-11]。

[1] 王舒琪,倪燕翎.基于BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng) 研究[J].智能建筑與智慧城市,2020(1):58-61.

[2] 閆鵬.BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合應(yīng)用探討[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新,2015(6): 45-47.

[3] 陳興海,丁烈云.基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM的建筑安全運(yùn)維管理應(yīng)用研究: 以城市生命線(xiàn)工程為例[J].建筑經(jīng)濟(jì),2014,35(11):34-37.

[4] 夏楊,孫文建,董建軍.基于Cloud-BIM的建筑工人高處墜落安全預(yù) 警系統(tǒng)研究[J].科技管理研究,2020,40(7):251-257.

[5] 仲青,蘇振民,王先華.基于RFID與BIM的集成施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控關(guān) 鍵技術(shù)研究[J].建筑科學(xué),2015,31(4):123-128;147.

[6] 肖森.基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大型盾構(gòu)吊裝安全管理平臺(tái)研究 [D].武漢:華中科技大學(xué),2017.

[7] 鄒小偉,張丹,馬輝.基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的裝配式建筑施工作業(yè)安全 預(yù)警平臺(tái)的建立[J].工程管理學(xué)報(bào),2019,33(2):124-129.

[8] 徐友全,賈美珊.物聯(lián)網(wǎng)在智慧工地安全管控中的應(yīng)用[J].建筑經(jīng) 濟(jì),2019,40(12):101-106.

[9] 張娜,劉淑萍.BIM技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)在綠色校園建設(shè)中的探索:以 高校校園供水管網(wǎng)為例[J].綠色環(huán)保建材,2020(6):253;256.

[10] 韓嘯虎,凡榮,張健.一種基于物聯(lián)網(wǎng)、信息化的施工現(xiàn)場(chǎng)人員管理 技術(shù)與應(yīng)用研究[J].電子元器件與信息技術(shù),2019,3(12):33-34.

[11] 吳向榮.基于互聯(lián)網(wǎng)+的“數(shù)字工地、智慧安監(jiān)”在建筑工地上的 應(yīng)用[J].四川水泥,2019(10):126.