基于BIM與WSN技術的塔吊安全管理實施監測與預警系統研究*

張彬彬

(上海市地下空間設計研究總院有限公司，上海200000)

0 引言

隨著建筑業的蓬勃發展，建筑結構形式及施工工序日益復雜，施工現場塔吊安全事故頻發，為工地現場的安全管理帶來了愈加復雜的安全風險和隱患[1]。2017年6月16日，上海虹橋商務區淮虹路申虹路某工地，塔吊作業時發生倒塌事故，造成2人受傷；2017年7月5日，江蘇省張家港市楊舍鎮匯金中心工地發生塔吊倒塌事故，造成1人死亡，4人受傷；2017年7月22日，珠海區振興大街16號一在建工地發生塔吊傾斜倒塌事故，造成7人死亡，2人受傷，等等。大量研究發現造成風險事故發生的直接原因就是危險源，它是事故鏈的起端，因此對現場塔吊展開危險源管理工作十分必要。然而，面對現場塔吊施工日趨復雜的形勢，傳統的管理方法已不能滿足現代安全管理動態、快速、準確的風險識別、評估、預警的需求，難以有效降低工地塔吊安全事故的發生率[1-3]。

近年來，計算機、網絡通信等信息技術的發展為提高建筑工程建設安全管理提供了新的手段和途徑，其中BIM技術居于舉足輕重的地位，也是當前安全管理的一個重要研究方向。BIM技術具有可視化、協同性、綜合性的特性，基于BIM技術能夠將現場所有的動態安全信息進行集成，能夠為施工現場的安全問題進行溝通和協調提供統一的平臺。

同時，需要注意的是，單純的BIM技術應用較難滿足現場安全管理的需求，其與網絡技術的結合，尤其是與無線傳感網絡技術的結合，極大地提高了BIM技術的價值，為現場的安全管理手段提供了“感知器官”。通過BIM技術和無線傳感網絡技術，如RFID、ZigBee和UWB技術，可以實現對現場安全信息的實時自動化動態收集，因此應用BIM技術和WSN技術解決施工現場安全管理問題將會是一大發展趨勢。

許多專家學者對BIM技術在安全管理方面的應用進行了較多的理論研究和實踐。郭紅玲等使用RFID技術實現了現場施工人員的動態定位，并提出了基于BIM技術和RFID技術的施工現場工人定位系統模型[4]。劉文平引入GPS定位技術和UWB定位技術分別對施工現場室外目標和室內目標進行定位，提出適用于施工現場的綜合定位方法[5]。張建平等結合BIM技術，分析了塔吊對施工人員的威脅，并對施工現場物理碰撞檢測進行了分析和提示[6]。MERIVIKTA等(2011)提出用于展現施工進度計劃和建筑模型統一的4D-BIM技術，并提出BIM可以用于工地通信[7]。PARK等(2013)提出了建筑安全管理和可視化系統的框架，通過對BIM、虛擬現實(VR)、增強現實(AR)和游戲技術(GAME)的集成，建立了安全管理可視化系統(SMVS)[8]。AZHAR等(2013)使用BIM技術將施工安全問題和施工計劃進行緊密連接，允許項目參與者直觀地評估現場條件和識別風險，提供足夠時間制定風險緩解計劃等[9]。

然而上述研究內容主要是應用BIM技術實現對危險源的自動識別、施工現場布置與安全計劃、施工臨時設施和部分危險部位的安全檢查、現場安全交底和溝通、事故應急處置模擬，基于BIM技術的塔吊安全管理的研究比較少。本文構建了基于BIM與WSN技術的塔吊安全管理實施監測與預警系統框架，梳理系統運行流程、系統功能應用模塊、系統數據流程，并分析論述該系統的各組成部分，以期最大限度地為基于BIM的塔吊安全管理實施監測與預警等相關系統的開發提供參考。

1 塔吊安全事故預警系統模型構建

塔吊安全事故預警模型如圖1所示。

1.1 數據采集層

數據采集層主要是利用傳感器實現對現場數據的采集，數據內容主要包括：施工人員和塔吊運動數據的采集；安全事故、項目信息庫、項目案例數據的采集；塔吊安全預警系統使用者需輸入的數據，如塔吊載重預警值、人員安全運動范圍值等。

1.2 數據處理層

UWB或傳感器收集過來的數據，需要經過處理過濾，如轉換格式等，還需要對收集的數據進行監督和管理。所收集的數據在與BIM進行交互時需要采用IFC標準，數據進行交互時需要對數據進行處理、識別和匹配，這樣才能產生符合BIM模型需要的數據，將收集的數據與模型載體進行關聯掛接，為事故預警提供基礎支持。

1.3 模型層

模型層是塔吊安全預警的核心層，通過構建建筑三維實體模型、安全管理模型、動態模擬效果模塊(如4D和5D展示)、人力資源、構件信息資源等模塊，使系統具有多維度、可視化的特性，并且各模塊之間通過IFC統一標準實現數據的互通。

圖1 塔吊安全預警系統總體框架

1.4 應用層

應用層是塔吊安全管理系統的功能模塊，是系統在模型層基礎上的具體應用及功能體現，主要包括：4D動態模擬、人-塔吊動態監控、施工中的實時數據收集、安全分析與預警4個部分。

1.5 用戶層

用戶層是塔吊安全管理系統的使用者，也是該系統的參與者。系統中對于人的監控對象就是用戶層，主要包括管理者、安全員、一般塔吊工作人員、特殊塔吊工作人員、施工人員。

同時，對于人員的實時監控主要是對人員位置的監控，需要對人員位置信息進行實時獲取。人員實時位置信息需求見表1。

表1 人員實時位置信息需求

2 系統運行流程

基于BIM和WSN技術的塔吊安全實時監測和預警系統的運行流程如圖2所示。

圖2 塔吊安全預警系統運行流程圖

數據收集處理階段主要是實時動態收集人員的位置信息數據，傳感器負責收集塔吊的運行信息數據，如塔吊力矩、載重、轉角等，并利用數據處理系統對數據進行分析處理，實現數據的有效性分析。

處理好的數據通過BIM模型載體，實時動態集成到BIM模型中，利用數據監控系統對人員和塔吊施工信息數據進行分析，實時了解現場人員位置信息和塔吊的運行信息。

當系統分析的數據表明塔吊的運動威脅人員的安全時，系統會立即發出聲光預警信號，現場相關人員立即采取安全管控措施，及時消除危險，待安全危險因素解除之后系統會自動停止安全預警。

3 系統應用模塊

基于BIM與WSN的塔吊安全預警系統應用模塊主要包括：安全教育系統、安全監控系統、安全預警系統、應急救援系統。各模塊所包含的應用功能如圖3所示。

3.1 安全教育系統

安全教育系統的目的是通過三維可視化的手段對工人進行安全教育，通過對施工現場的環境進行虛擬展示，對施工工序的可視化模擬，提供各工序的標準操作規范和要求，使工人在進場施工之前切身熟悉現場的實際施工情況，掌握滿足施工規范要求的操作行為，并且通過塔吊危險源可視化管理實現對塔吊危險源的三維可視化展示，以此多方位多角度提高施工人員的安全防范意識和知識，杜絕安全事故的發生。

3.2 安全監控系統

安全監控系統主要是實現對塔吊運行的監控，及時掌握塔吊運行過程中的危險值及區域，并對危險做出反映。塔吊防碰撞監控系統主要是監控多塔吊之間的碰撞，防止多塔吊發生碰撞事故；塔吊高處墜物監控系統主要是監控塔吊的載重是否超過預警及報警值，當傳感器獲取的載重數據達到相應的報警值時，系統會進行自動及時報警；塔吊違規操作監控系統主要是對塔機司機的行為進行監控，當塔司操作出現不滿足規范要求的行為時，系統會及時將數據反饋給相關管理者；塔吊安拆安全監控系統是對塔吊安裝和拆除過程進行監控，這也是塔吊發生事故的兩個關鍵階段。

3.3 安全預警系統

安全預警系統主要是實現對危險的警報，特別是當塔吊的運行區域威脅施工人員的安全時，該系統會及時自動發出預警警報。安全預警系統的及時準確與否，很大程度上取決于其子模塊安全警報發送系統、安全警報反饋系統、安全模型更新機制3個方面工作的處理情況。

圖3 塔吊安全預警系統功能應用模塊

3.4 應急救援系統

應急救援系統是事故發生之后，現場能夠及時采取相應的救援措施使損失降到最小。這就需要眾多的BIM案例及項目數據庫，及時提出應急救援預案，并制定有效的處理機制，在事故發生后及時報警，聯系并指引救護車及時到達現場。

4 系統數據流程

數據流程主要包括：數據采集、數據整理、數據交互、數據處理、BIM數據系統等過程。塔吊安全預警系統的數據流程如圖4所示。

圖4 塔吊安全預警系統的數據流程

4.1 設備數據采集過程

UWB負責采集人員位置信息數據，并記錄人員位置軌跡。各類傳感器負責采集現場塔吊運行信息數據，并記錄塔吊的運行數據。

4.2 數據整理過程

該過程主要負責對收集的各類數據，按照IFC標準進行轉換，去除不必要的數據信息，提高信息數據的利用效率。

4.3 信息交互模塊

信息交互模塊是塔吊安全管理系統數據流程的核心，傳感器與計算機的數據信息交互，需要了解掌握各類傳感器的API接口，但不同傳感器的數據傳輸格式不同，需要制定各類傳感器的統一數據傳輸格式，以保證數據信息交互的可行性。

4.4 數據處理模塊

數據處理模塊主要是對現場硬件設備收集的數據信息進行有效的處理和分析，準確判斷人員及塔吊的現場工作情況。此外，該模塊也能處理用戶手動輸入的數據，判定人員或塔吊的情況。同時，還需要處理BIM系統中的數據信息。該模塊是整個系統中的重中之重。

5 結語

建筑業塔吊事故頻發。本文結合塔吊安全管理的發展狀況以及BIM與WSN技術相結合輔助現場安全管理的優勢，即可視化、集成化、實時性等，構建了基于BIM與WSN技術的塔吊安全管理實施監測與預警系統框架，分析了該框架系統的實施流程和數據流程，并對系統的功能應用模塊進行了論述，可為建筑業相關單位對施工過程中的塔吊安全管理系統的開發提供新的解決思路和途徑，并有利于BIM與WSN技術在建筑業的有效實施及推廣，以及將BIM與WSN技術在建筑施工中的應用價值最大化。

[1]趙亞斌.淺談建筑施工現場塔吊的安全管理[J].智能城市，2017(10)：113.

[2]呂紅安，王鵬，馮柳，等.建設工程施工危險源的辨識、風險評價與控制[J].華中科技大學學報(城市科學版)，2006，23(1)：43-45.

[3]杜海.淺述特種設備(塔吊)機械設備的安全管理[J].江西建材，2014(5)：281-283.

[4]郭紅領，于言滔，劉文平，等.BIM和RFID在施工安全管理中的集成應用研究[J].工程管理學報，2014(4)：87-92.

[5]劉文平.基于BIM與定位技術的施工事故預警機制研究[D].北京：清華大學，2015.

[6]張建平，胡振中.基于4D技術的施工期建筑結構安全分析研究[J].工程力學，2008(S2)：204-212.

[7]MERIVIRTA M L，SULANKIVI K，KIVINIEMI M，et al.BIM-based safety management and com-munication for building construction[J].VTT Tiedotteita-Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus，2011(2597)：110-123.

[8]PARK C S，KIM H J.A framework for construction safety man-agement and visualization system[J].Automation in Construction，2013(33)：95-103.

[9]AZHAR S，BEHRINGER A.A BIM-based approach for com-municating and implementing a construction site safety plan[J].ASC Annual International Conference Proceedings，2013(49)：68-76.