基于BIM的裝配式建筑墜落識別與預防

文/西安科技大學建筑與土木工程學院 文艷芳 楊 帆

0 引言

近年來，隨著我國加速推進新型城鎮化及全面提高建筑質量與品質，推動了裝配式建筑的快速發展。陳偉等[1]結合裝配式建筑工程施工組織特點，指出高空墜落事故占我國建筑行業安全事故的比例最大。裝配式建筑工程由于吊裝運輸及構件安裝需要，采用預制構件拼接，專業施工人員必須進行高空臨邊作業，若外圍防護措施不到位，高空墜落事故發生的可能性極高。高空墜落一般是指人從距離地面一定高度的地方，因疏忽或防護不到位而掉落導致傷亡的情況，該事故類型的常見情況包括工人從洞口、臨邊、施工安裝中的工程結構、機械設備等處墜落。發生此類事故的原因：一方面由于工作人員經驗欠缺或對危險情況的錯誤判斷；另一方面由于事故地點防護不到位，缺少適當的安全措施[2]。方東平等[3]強調要對高處墜落事故易發地點、時間、人群采取積極的預防措施，包括設置防墜設施，洞口和臨邊的安全圍護及預防標識等。

1 基于BIM的安全規劃

有效安全規劃的主要障礙之一是傳統的安全規劃主要依靠紙質圖紙和進度表把握施工現場安全防護的需求[4]。這種手動墜落危險源識別和規劃效率較低，因為有些安全隱患需要安全工程師根據其經驗進行判斷。許多安全問題是隱含的，在建筑平面圖中無法完全顯示。建筑項目的動態屬性導致基于靜態的圖紙很難識別不同施工階段的潛在墜落危險。施工進度可能會隨天氣、材料交付等原因發生變化，從而導致安全計劃發生改變，每次計劃變更時均需更新安全計劃。

翟越等[5]認為在施工作業前應準確識別所有可能導致安全事故發生的危險因素, 并有針對性地制定相應的安全防范措施。充分利用BIM技術特點, 使項目參與者可更準確地辨識潛在的安全隱患,更直觀地分析現場施工條件和風險，及時調整施工方案，制定安全合理的防范措施。

因此，在項目資料的基礎上建立BIM模型，對樓層結構、空間形體進行分析，主動查找需采取防護措施的洞口，布置安全防護欄桿。將欄桿的安裝與拆除時間應用到4D模擬中，通過可視化方式對施工人員進行安全交底，以提高安全防護效果。

2 基于BIM的安全規則檢查

2.1 規則檢查途徑

現有的安全規則可與已有的三維設計和進度信息結合使用，形成自動化安全規則檢查系統。目的是在建造過程中自動識別這些動態條件在3D空間中的位置，并提供可視化防護系統解決方案。ZHANG S J等[6]開發的平臺可作為一種工具，提供易于訪問和可理解的可視化建筑和安全的最新進展，特別是檢測現場危險部位，有助于安全管理人員在施工規劃階段及施工期間提前規劃安全防護措施。規則檢查過程如圖1所示。

圖1 規則檢查過程

2.2 基于規則的算法

一旦建筑信息模型構建良好且模型對象與進度表之間已建立連接，則可應用規則檢測安全隱患。

1）板邊保護 根據安全規則檢測所需預防方法的算法，如圖2所示，對于每個任務，檢查板對象是否鏈接到給定的工作任務。對于與任務關聯的每個板對象，算法檢查板是否需要與現有板合并。如果同一水平上沒有現有板，則計算板邊界。此外，檢測現有墻元件以查看板邊界的任何部分，計算需要護欄保護的板邊緣，檢查是否需要防墜落措施。另一方面，在板合并后，分別基于幾何條件計算現有邊界、未保護邊界和重疊邊界，為未受保護的板邊緣安裝新的護欄，并移除位于重疊邊緣的現有護欄。

圖2 用于檢測板邊所需防護的規則檢查算法

2）板孔保護 通常有2種方法可檢測平板孔，分別為基于幾何的檢測和基于對象的檢測。由于一些孔被設計者分割成復雜的板坯幾何形狀，因此不應將其歸類為具有潛在墜落危險的孔。即使基于幾何的檢測可以找到板的所有內部多邊形，這也將包括一些誤報誤差。對于基于對象的檢測，需要額外的標記工作輔助模型中其他對象的孔識別。在這項研究中，主要依靠物體識別，但也通過比較板的厚度和孔的深度檢查其是否是可產生墜落危險的板孔。

3）墻壁開口保護 墻壁開口檢測過程與板孔檢測類似。需要考慮的特殊情況是墻元件的位置，無論是內墻還是外墻，對于位于板坯邊緣部分，一旦安裝了墻壁元件，就可以移除用于板邊緣保護的護欄。如果存在墻壁開口就需要采取保護措施，如果沒有板孔，如電梯井的孔靠近內壁，則不需要保護墻壁開口。

3 應用案例

在研究中，將開發的自動規則檢查工具應用于某多層預制公寓建筑模型（見圖3）。所有預制混凝土構件均為工廠制造并運至施工現場，按照預定的順序從A→B→C進行安裝。該項目的結構模型基于從承包商獲得的信息使用Tekla Structures建模，將開發的自動規則檢查平臺所需的進度表添加到結構模型中。該信息由現場工程師以傳統格式的施工進度表和工作分解結構（WBS）提供，涉及安裝順序。

圖4為混凝土板件的細部圖。板拼裝后，對板的連接部位進行澆筑加固，而在下一層樓板安裝之前，墻板已開始安裝。墻和升降機軸與板一起作為結構系統將負載傳遞到基礎。平板部分由A、B、C三部分組成，建造1個部分需5～6周。護欄解決方案需根據樓板部分的變化進行更新。例如，當2個平板部分在同一水平面上合并時，需移除其間的護欄。

執行規則檢查算法后，防墜落系統和護欄在模型中自動執行并進行可視化調整，并在施工進度表中創建安裝和刪除安全相關設備的子任務。4D模擬模型如圖5所示，1層平面從A部分開始到B部分安裝，只要它們在施工期間的某個時間匯合，就必須拆除其間的護欄。拆除也改善了現場工作流程，工人可安全地從A部分走到B部分而不用繞行不安全區域。

圖3 預制公寓建筑模型

圖4 混凝土板件細部

圖5 4D模擬模型

圖6 建筑物A部分及墻開口保護措施詳圖

圖6顯示了板邊緣保護和墻壁開口保護的詳細視圖。在模型中生成安全保護系統后也會自動生成檢查報告，然后將此報告導出為Excel格式，如圖7所示。這種文件格式允許現場安全管理人員簡化使用所生成的數據，如可根據檢查報告表計算所需的安全保護設備等。該清單還能支持詳細的預制安全解決方案。該自動規則檢查工具及其生成的數據可支持多種安全設計概念，生成的數據清單也可用作檢查清單，以完善施工現場安全防護系統。

自動規則檢查工具檢測到無保護的板邊緣后，使用BIM軟件的內置功能可自動生成護欄系統及數量計算。此外，用戶也可以手動方式修改用于板邊緣和窗口的護欄自動安裝。

圖7 板洞口檢查報告結果

在試驗期間，用戶現在能夠在安全欄桿模型中選擇簡化模型表示或詳細表示。此外，還可以添加更詳細的護欄模型及相關的安全設備零部件，如焊接配件可自動建模到鋼梁或混凝土板中，以便安裝護欄。也可在鋼梁或混凝土板制造中預先考慮相應的預留和預埋，從而減少高空作業。

4 結語

1）在案例研究中成功開發了基于BIM的識別預防安全規則檢查平臺。該平臺能夠檢測混凝土板和邊緣潛在墜落危險的位置，并提供相應墜落防護設備的安裝指導，以便在實際施工中解決已識別的危險。結果表明，所提出的方法在檢測和可視化潛在墜落危險方面有效，特別是在安全設計和規劃階段。

2）由于基于模型的設計和施工圖在動態施工環境中經常變化，因此有必要定期檢查模型以確保安全狀況識別和糾正措施是最新的，其自動安全建模質量和細節水平需進一步提升，以滿足設計和施工人員的實際需要。并非所有模型都提供必要的用于安全計劃和檢查目的的信息，在未來，需在復雜的幾何模型上測試更全面的基于BIM的防墜落規劃解決方案，并為整個安全解決方案提供高水平細化方案。