基于建筑安全管理的BIM+AR技術應用研究

黃陣仙 張愛青 方偉國

(福州外語外貿學院 福建福州 350202)

0 引言

安全，不僅是建筑行業可持續性發展的保障，而且也是建筑施工企業賴以生存的基石。但建筑行業施工活動復雜，施工環境多變，施工人員流動性較強，往往給建筑行業帶來了諸多風險因素，容易造成人員和財產的巨大損失。而且，隨著各種高層、異形、大跨度結構建筑的增多，建筑施工安全管理問題越來越突出。根據住建部統計，2015年至2017年期間，全國共發生房屋市政工程生產安全事故1768起，死亡2096人。而造成安全事故的主要原因是建筑從業人員的不安全行為導致。因此，建筑安全管理問題一直是建筑行業聚焦的關鍵問題。當前，我國的建筑安全管理方法還處于比較初級水平，基本依靠安全管理手冊和施工設計平面圖紙來辨別和比對施工現場的不安全因素[1]，這種原始的以管理者的主觀判斷和個人經驗為主的管理方法，顯然已經不能適應現代建筑行業的發展需要。而且，這種初級的管理方法還會因為過于依賴管理者的經驗而使得安全管理水平受到影響。因此，如何把現代技術手段應用于建筑安全管理工作中已成為當務之急。

能夠有效地整合建筑相關信息，對項目施工具有較強的指導作用，大大地提高管理效率，大大降低管理成本，所以，BIM技術的產生并受到建筑行業的極大關注和推崇。但在具體的實踐過程中，BIM也存在明顯的不足，最突出的缺點就是建筑工程信息只能人為輸入，不能與建筑工程的實際環境和施工狀況進行有效的實時的交互，現場反饋效果不理想。因此，業界急需尋找一種技術能夠更好地解決這一問題，完善建筑工程現場安全管理。

AR(Augmented Reality)即增強現實之意，一種全新的人機交互技術，可以模擬真實場景，突破時空與其它客觀限制，為建筑工程管理實踐提供技術支持。

1 BIM與AR技術相結合優勢

BIM技術在建筑工程施工領域中應用的突出優勢，在于它可以在建筑相關的數據信息基礎上構建模型，通過虛擬仿真技術來實現對建筑物真實信息的模擬。它貫穿于整個工程的設計、施工和運營全過程，具有可視化、直觀化等無可比擬的優越性；但在長期的實踐應用中，也漸已凸顯它的不足，特別是在處理龐雜的數據信息時，BIM技術無法實現虛擬與現實之間的交互，而且數據信息所呈現出的結果也不夠直觀等，對實際的工作效率產生較大的負面影響。因此，如若引入AR增強現實技術，通過虛擬技術與現實進行交互，從而突破時空和其他條件的限制，則將更好地解決工程施工過程中的實際問題，兩者結合則將充分挖掘并實現最大價值，揚長避短，為建筑安全管理帶來新的變革。

1.1 BIM技術

BIM(Building Information Modeling)技術在建筑工程的幾何、物理以及功能等信息基礎上，可以構建BIM模型，直觀地把建筑信息表現出來。利用BIM模型的可視化特點幫助管理者和施工人員辨識在施工作業全過程中存在的全部風險源[1]。

管理者可以通過BIM模型分析各環節的風險因素，制定科學的對策措施，預防安全事故的發生。可以整合歸納建筑施工過程中的所有數據和信息，有效地協調相關的施工活動，提高建筑施工管理的效率。同時，還可以讓所有參建者在云端模型中進行實時信息交流，對安全風險點進行實時跟蹤，以便及時地發現危險，消除安全隱患，實現協同、高效的現場管理。與此同時，BIM技術還可以通過模擬實驗，科學地進行場地施工安排、施工過程構件的承載力驗算等，合理地安排設備進場、材料進場、人員分配等。通過BIM模型與云數據相結合，實現數字化的現場監控，通過模擬和監控強化現場管理。此外，BIM模型中還能匯集建筑工程中全部的真實數字信息，當某一參數發生變化時，其他關聯參數可以隨之更改，便于管理者根據實時更新的信息，辨別出新的風險因素，并且在第一時間作出相應的對策，從而實現建筑工地科學、動態的現場管理。

1.2 AR技術

它將生成的虛擬對象、場景、影音、動畫和提示信息通過計算機技術疊加到虛擬現實世界中，用于向用戶呈現一個信息增強的現實世界和虛擬世界的混合物[2]。

可以說，AR技術是以交互性和構想為基本特征的計算機高級人機界面。利用這種技術，使用者不僅能夠通過虛擬現實系統體驗到"身臨其境"的感覺，而且能感受到現實世界中無法經歷的體驗。而且，通過增強現實技術，使用者還可以看到疊加到真實環境中的數字信息，可以讓使用者更好地理解和感知虛擬模型，大大提高了安全管理的效率[3]。換而言之，AR創建了一個與現實世界相關聯的虛擬世界。通過虛擬世界和現實世界的融合，形成了一個與現實世界既有聯系又有區別的超現實空間[4]，將相應的數字信息嵌入虛擬現實世界界面，強有力地填補了可視化管理平臺的空白[5]。

1.3 BIM與AR結合

BIM模型集合了建筑的全部信息，AR技術讓BIM建筑信息模型呈現的內容和方式更加豐富、生動，也讓建筑工程參建各方的溝通變得更加快捷、高效。AR技術可以融合虛擬和現實，進行實時交互、跟蹤及定位，為建筑安全管理提供更加全面、科學的依據。但是，要更好地將兩者結合應用，需要構建以下3個模塊：

(1)BIM模塊：根據項目設計要求、工程實體屬性、建筑材料特性等構建全信息覆蓋的可視化模型，可通過BIM模型與工程實際環境融合后得出反饋結果，修改和優化BIM模型。

(2)AR模塊：BIM模塊建成后，AR技術可以進一步改善虛擬模型。通過計算機，圖像處理軟件，傳感器等建立與真實環境相匹配的虛擬場景模型，然后通過特定設備沉浸在虛擬真實環境中，感受另一個類似于現實世界的虛擬世界[6]。

(3)融合模塊：在BIM模塊和AR模塊的基礎上，融合模塊把周圍真實環境及項目進展情況等信息，通過信息采集裝備，實時地反饋到BIM模型與AR模型中，從而實現虛擬和現實融合，并通過輸出設備將結果傳輸到可視屏幕上。

三者緊密聯系在一起，BIM構建了包含建筑全部信息的虛擬模型，AR增強了虛擬模型與現實世界的聯系，而環境融合模塊把真實環境及項目進展情況實時地反饋到模型中，使BIM模型和AR模型得到不斷地調整和改善，從而實現了工程項目管理的實時交互和可持續發展。

2 BIM+AR技術在建筑安全管理中功能作用

BIM+AR建筑安全管理系統的建立，使項目管理者能夠更直觀地識別現場危險源，以即時采取有效措施消除安全隱患。同時，施工人員可以及時地了解到施工現場應采取的安全防范措施，從而減少事故發生。

2.1 安全技術交底與安全培訓

利用BIM技術建立施工安全指標，系統分析建筑信息模型中的各項數據信息，通過模擬施工得到的結果反饋，優化和完善安全指標體系。

具體做法：把施工安全指標與施工組織方案相結合，實現對施工現場的有效監控。結合AR技術，將虛擬技術與現實環境聯系起來，可以讓管理者在高度真實的虛擬環境中更加直觀地理解和掌握項目工程特點、技術質量要求、施工安全信息等相關內容。項目管理者可以使用該模型對存在安全隱患的風險點和區域進行安全技術交底，將這些信息準確地傳遞給施工人員。根據虛擬技術確定的安全隱患點，對施工人員進行安全教育培訓，利用建筑信息模型，模擬施工過程，制作相應的三維圖像，并將三維圖像疊加到現實環境中，施工人員可以通過特定設備輸出和顯示的安全提示，在安全管理系統指導下順利完成任務。

2.2 沖突碰撞檢查與安全預警

在施工準備階段，設計人員需要預先布置相關管線的位置時，可利用BIM技術可視化的特點，對管線間的沖突碰撞問題進行三維檢查。在分析施工階段的施工信息模型之后，找出施工過程中可能出現的施工時序、材料進場、人員分配等環節的沖突問題，最大程度地避免沖突碰撞情況的出現。利用BIM技術可以通過施工模擬不斷優化施工組織設計方案，實現安全、高效、協同的施工安全管理。除此以外，BIM技術還可以及時地把質量問題發生的部位、時間及處理情況導入BIM施工信息模型中進行跟蹤，通過便攜設備實現安全管理的動態控制和過程控制，有效地預防安全事故的發生。進入施工現場后，施工人員可以佩戴AR設備根據安全規范進行初步判斷。而且，一旦施工人員進入安全管理系統確定的危險區域，預警模塊將提醒施工人員并通知安全管理者采取相應措施，確保施工人員安全地完成各項工作。

2.3 危險源的辨識與安全告知

在施工過程中，危險源辨識是一項關系施工建設工作能否順利開展的重要工作。BIM模型可為參建各方提供建筑工程項目相關的數據信息，通過模型可以系統地分析出危險因素，有利于管理者制定有效的安全預防措施，盡可能地減少危險因素對安全管理工作的不利影響。利用BIM技術，可將建筑的3D模型與施工進度進行鏈接，構建4D模型，隨后，將4D施工模型與施工組織方案結合，優化資源配置，提高施工活動的安全性和科學性。雖然在施工前，相關人員可以通過構建模型、模擬施工，識別安全風險點，也對施工人員進行安全技術交底和安全培訓，但在實際工作中仍然將可能遇到各種各樣的突發狀況，僅僅依靠培訓是遠遠不夠的，還需要現場的實時指導。這時，就可以通過AR技術將整個施工操作規范，以動畫的形式呈現出來，為施工人員提供實時的幫助。同時，施工人員也可以通過AR設備看到自己面臨的危險，了解自己所應當采取的緊急措施，即時預防安全事故發生。

2.4 信息反饋與安全演練

BIM模型是真實建筑的虛擬信息化展現，通過與AR技術相結合，即可構建了具象化的虛擬建筑環境[7]，讓管理者和施工人員在更加真實的虛擬環境中感知環境的緊迫性，更好地完成安全演練。通過BIM將危險源標識在模型上，安全管理者可以通過這些關鍵點對現場安全進行指導和管理。通過模型上相對應的危險點位置，有針對性地采取安全措施，盡可能地避免事故的發生。在施工完成后，整個施工安全管理過程中的相關信息都會被記錄下來，并上傳到平臺的服務器中，BIM數據庫的數據得以不斷更新，最終形成較為完整的安全信息數據庫。安全管理者可以通過這些最新的數據和信息，分析施工過程中的種種不安全行為，為以后的施工安全與管理提供更加豐富的經驗支持，也為建筑安全管理奠定一個良性循環的發展過程。

3 結語

建筑施工行業是高危行業之一，危險系數高，事故發生率多，安全工作一直是業界關注的焦點。在傳統的安全管理工作中，人為因素是主要的決定因素，建筑安全管理者的經驗、水平、意識等方面將直接影響施工企業安全管理水平的高低。為了盡量避免主觀因素對安全管理工作的影響，引入BIM和AR技術，可以幫助管理者和施工人員更加直觀地辨識和感知整個施工過程各階段、各環節中的安全問題，利用BIM和AR技術虛擬化、可視化、交互性的特點，讓管理者和施工人員持續關注安全風險點，及時消除安全隱患，全面提升建筑施工安全管理水平。