基于BIM與物聯網技術的建筑施工安全管理系統構建

李 偉 劉 琦 郭露鵬

1. 長春工程學院 吉林 長春 130012；2.甘肅二十一冶第三建設有限公司 甘肅 白銀 730900

近些年，隨著我國建筑行業的快速發展，一方面帶來了國民經濟的增長，另一方面也帶來了更多的安全事故。建筑行業作為高投資、高安全風險行業，在我國建筑安全事故的死亡率相對較高，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的難題。

安全事故發生主要源于管理水平低、人不安全行為、物不安全狀態及不安全環境的影響，傳統安全管理模式是通過建立安全生產管理制度來減少不安全因素，并且采用日常巡檢，專項、季節性檢查等方式來避免事故發生。傳統的安全管理效果并不理想，無法滿足現階段需求，隨著信息化時代到來，BIM技術集成應用為安全管理拓展了新的思路。

1 BIM與物聯網技術

物聯網（Internet of things，IOT）是通過無線射頻識別（RFID）、紅外感應器、激光掃描器等信息傳感設備，將任何物品與互聯網按約定的協議連接起來，形成物與物、人與物之間的通信以及信息交換，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡技術[1]。

BIM（Building Information Modeling）技術是建筑信息模型化，它不僅是數字信息的集成，還是數字信息的應用，并可以用于數字化方法的設計、建造、管理。同時采用工業基礎類（Industry Foundation Class，IFC）體系作為共同的數據標準，但僅這一標準無法滿足信息交互的需求，因為在施工建造過程中，參建各方之間出現了信息傳遞的孤島——“物”[2]，如何將“物”融入信息傳遞中，成為了阻礙。

BIM是物聯網應用的基礎數據模型，而物聯網作為互聯網的有效延伸，包含并兼容了互聯網所有的應用和 資源[3]。

運用物聯網中的RFID、閱讀器、傳感器、視頻攝像機等技術采集現實物體信息，采集數據與BIM模型數據完成數據交互。在系統設計階段，通過Microsoft Office Access 數據庫管理系統建立施工安全指標數據庫，并將安全指標數據庫連接到BIM模型以形成BIM安全模型，然后將其與采集的數據進行對比分析，自動判斷是否安全并顯示三維可視預警，便于管理人員進行安全管理，提高安全管理的有效性。

2 建筑施工安全風險因素分析

我國建筑施工安全事故主要類型有高處墜落、物體打擊、機械傷害、觸電、坍塌等，通過運用魚骨圖分別從人為因素、物的因素、環境因素和管理因素4個不同角度歸納總結安全事故的發生原因[4]，為安全管理系統功能設計提供依據。安全事故影響因素魚骨圖，如圖1所示。

圖1 安全事故影響因素魚骨圖

2.1 人為因素

1）施工技術水平。施工現場工人的技術水平參差不齊，如特種作業需要考取證書才能上崗，但考試內容只是讓工人擁有初級入門水準，在面對一些突發特殊情況下，工人并不一定能快速做出正確的判斷和行動，致使安全事故發生。

2）平均文化水平不高。建筑行業作業人員平均文化水平不高，對于項目安全教育或安全交底的內容不易理解，甚至產生反感，缺乏安全知識。

3）心理、生理影響。施工現場環境惡劣且住宿條件簡陋，很多工人不能較好休息，長時間工作導致物理負載超出了身體極限，健康狀況異常并出現反常情緒，工人無法專心工作。

4）安全意識淡薄。現場管理人員不能做到時刻監督，一些工人圖省事、怕麻煩，無視安全并進行非法操作，他們憑著較豐富的工作經驗，或憑本崗位安全隱患少，或憑著多少年也未出現過安全事故，產生了僥幸心理，并且隨著時間的推移，安全意識越發淡薄。

2.2 物的因素

1）安全防護設備。防護手套、安全網、安全帶等不齊全，質量水平不符合國家安全標準，很多項目安全防護設備不僅未做到配備齊全，而且不考慮防護設備質量，一味追求價格低廉。

2）施工設備運輸及裝卸。腳手架、起重機、大型工程機械運輸及裝卸安全控制是施工安全管理的重要組成部分。在運輸和裝卸過程中，人與設備直接接觸，稍有不慎就會發生安全事故。

3）安全標志。在施工現場經常出現安全標志選用不當、不清晰、不規范、位置缺陷及其他安全信號缺失等 問題。

4）施工設備維修。設備在不同環境長期使用后，會引起機械零件的磨損和間隙的增大，直接影響設備的原有平衡，降低了設備的穩定性和可靠性，甚至會導致機械設備喪失基本功能，異常運作。

3.3 不安全環境

1）惡劣天氣。當出現雨、雪、風、霧等惡劣天氣時，應立即停止作業，而項目為追求進度，依舊要求工人施工。惡劣天氣過后，未嚴格對現場施工設備及周圍環境進行檢查，就立即開展工作。

2）照明不良。夏季高溫炎熱，為避免高溫引起施工質量降低和作業人員中暑，許多項目選擇避開中午的高溫期，改為早晚施工，而作業區與機械駕駛室未滿足照明要求，依然進行施工作業。

3）場地狹窄、雜亂。場地平面布置不合理，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生；相反的，合理的場地布置方案會讓項目擁有良好工作環境。

4）臨邊洞口防護未設置。腳手架外架、預留洞口、電梯井、基坑等未設置防護，在作業時工人極可能從高處 墜落。

2.3 管理因素

1）安全管理執行力不足。安全管理執行力不足源于制度的缺陷，無法做到“有法可依，有法必依”，制定完善的管理制度，通過實行監督，提高執行力。

2）安全交底未落實。在施工之前，應根據批準的施工組織設計或專業安全技術措施，向有關人員進行安全交底。安全交底是讓操作者了解具體安全事項，在危險情況下能確保自身安全。從施工負責人到安全管理人員再到生產班組最后到工人，這一過程的傳遞使交底作用大打 折扣。

3）安全職責未履行。施工企業應建立和健全與企業安全生產組織相對應的安全生產責任體系，不僅要明確管理各職能部門的安全生產職責，更重要的是需要落實到每個崗位。

4）安全目標不明確。要根據企業的安全管理目標制定事故控制指標與中長期目標，并且根據目標完成情況進行獎懲考核。

3 建筑施工安全管理系統構建

3.1 建筑施工安全管理系統功能設計

通過對人、物、環境、管理4個方面進行分析，了解到事故發生的主要原因是缺少有效的監控和預警。各單位管理人員不能時時刻刻在所有工作面進行監督，無法了解工人及機械的位置信息及周圍環境狀況，導致現場存在安全隱患，常規的日常、專項、季節性安全檢查無法在事故發生前及時預警。針對建筑施工安全風險因素和BIM、物聯網技術特點，建筑施工安全管理系統功能設計總結如下。

3.1.1 數據自動化采集

由于建筑工地面積大、環境復雜、人員眾多且流動性大等，導致傳統人工采集數據方式較為困難，利用物聯網技術的自動化、快速化、全面化實時獲取人、材、機的對象屬性、三維空間位置、周圍環境等信息，可確保平臺采集信息的準確性和及時性。

3.1.2 可視化安全監控和預警

BIM可視化三維模型以簡單、直觀的形式為安全管理人員展示信息，幫助管理人員快速、準確地了解人的不安全行為、物的不安全狀態及環境等信息，當不安全信息超過設定的安全指標，系統會根據相應標準發出不同等級的預警，并提示距離危險源較近的管理人員快速趕到現場。

3.1.3 系統數據庫存儲

系統數據庫應對工人行為、機械使用及材料檢查等信息建檔存儲。現場逐漸形成工人個人檔案，成為具有征信價值的記錄，能更好地進行人員管理；機械使用、裝卸、維護保養情況和材料進場外觀檢查、性能復檢情況形成檔案記錄，可幫助企業正確選擇機械及材料供應方。項目安全管理數據庫對接企業安全數據庫，企業對項目安全數據去其糟粕，取其精華，將優異的安全管理方法沿用在下個項目上。

3.1.4 良好的系統功能擴展性

安全管理系統應有良好的功能擴展性，在安全監控的過程中，安全信息不單單用在安全管理功能這一板塊，還能應用于進度、質量等其他功能模塊，形成全方位項目 管理。

3.1.5 附加功能

安全管理系統功能應增加安全教育和培訓，根據數據庫工人檔案記錄，對違章工人進行安全教育，以提高工人的安全意識；增加安全檢查標準，現場檢查人員可以在檢查過程中隨時使用移動端調出標準，以圖片為參考，可以有效彌補部分檢查人員安全知識和技能的不足，使檢查工作更加準確；增加勞務防護設備管理，例如智能安全帽、安全帶、安全鞋的生產、使用及有效期等信息輸入系統數據庫，攜帶不安全勞務防護設備人員禁止進入施工現場，由此實現警報。

3.2 建筑施工安全管理系統構建

物聯網與BIM技術集成將延伸和拓展出新應用模式與價值，建筑安全管理系統分為數據采集、數據傳輸處理及分析、數據反饋3個模塊，系統構建可讓參建各方實時了解現場動態，還可通過系統進行全程監控、在線溝通、協同處理[5]。基于BIM與物聯網技術的建筑施工安全管理系統框架圖，如圖2所示。

圖2 BIM與物聯網技術的建筑施工安全管理系統框架

3.2.1 數據采集模塊

數據采集的工具主要包含視頻攝像機、RFID標簽、閱讀器、傳感器、智慧安全帽、RFID手持終端等[6]。使用視頻攝像機對現場實時畫面進行監控，指導現場工作行為；借助RFID標簽定義構件信息，同時閱讀器掃描實現構件追蹤與定位；傳感器采集傾斜度、壓力、溫度、濕度等信息；智慧安全帽內置RFID標簽，可通過手持終端識別工人身份。

3.2.2 數據傳輸、處理及分析模塊

利用Wi-Fi、WLAN等將采集到的數據傳輸到數據庫，進行過濾、檢查、分組，同時對風險數據進行系統化管理[7]，通過單獨開發API或者支持IFC標準軟件將采集數據共享到BIM安全信息模型，完成數據格式轉換、交互。BIM安全信息模型是由三維模型與Microsoft Office Access安全指標數據庫關聯形成，安全指標與轉換交互后的采集數據進行分析對比，為下一步的數據反饋奠定基礎。

3.2.3 數據反饋模塊

采集數據與BIM安全模型中的安全指標對比后，對比結果通過平臺反饋給管理及相關人員，進行人、材、機安全管理。指標對比結果可分為安全、隱患、危險3種狀態，不同狀態用不同顏色來表示，該平臺使用BIM三維可視化模型來更清晰和直觀地顯示施工人員和機械的位置、物料堆放等情況。

例如挖機距離安全指標以3、10 m為界限，當無關工作人員與挖機距離10 m以外時顯示為綠色；若距離挖機3 m以外10 m以內顯示為黃色，智慧安全帽會間歇性發出警告遠離危險；當距離挖機3 m范圍內會顯示為紅色，智慧安全帽發出連續警告，安全管理平臺提醒挖機駕駛員和檢查組此處為危險狀態，駕駛員應暫停作業。檢查組立即查看情況，使用RFID手持終端對違規行為拍照上傳，并對違章人員進行身份識別，記入工人個人檔案。

4 結語

工程安全生產是各方建設主體最關心的問題，基于物聯網與BIM技術的智慧工地從根本上轉變生產方式，協調生產關系，有效降低安全事故率[8]，促進生產力發展。建立基于物聯網與BIM技術的安全管理系統，能夠靈敏快速地進行信息識別、搜集、傳遞、處理及共享，該系統的任何一個環節都必須建立在“快速”的基礎上，傳統的人工管理無法滿足快速反應的需求，預警就失去了意義。物聯網與BIM技術集成應用的不斷探索，多種信息技術更廣泛地應用在建筑行業各個方面，將加速建筑業的轉型與 升級[9-11]。

[1] 王舒琪,倪燕翎.基于BIM技術與物聯網的建筑施工安全監控系統 研究[J].智能建筑與智慧城市,2020(1):58-61.

[2] 閆鵬.BIM與物聯網技術融合應用探討[J].鐵路技術創新,2015(6): 45-47.

[3] 陳興海,丁烈云.基于物聯網和BIM的建筑安全運維管理應用研究: 以城市生命線工程為例[J].建筑經濟,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 警系統研究[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的集成施工現場安全監控關 鍵技術研究[J].建筑科學,2015,31(4):123-128;147.

[6] 肖森.基于BIM與物聯網技術的大型盾構吊裝安全管理平臺研究 [D].武漢:華中科技大學,2017.

[7] 鄒小偉,張丹,馬輝.基于BIM和物聯網的裝配式建筑施工作業安全 預警平臺的建立[J].工程管理學報,2019,33(2):124-129.

[8] 徐友全,賈美珊.物聯網在智慧工地安全管控中的應用[J].建筑經 濟,2019,40(12):101-106.

[9] 張娜,劉淑萍.BIM技術和物聯網在綠色校園建設中的探索:以 高校校園供水管網為例[J].綠色環保建材,2020(6):253;256.

[10] 韓嘯虎,凡榮,張健.一種基于物聯網、信息化的施工現場人員管理 技術與應用研究[J].電子元器件與信息技術,2019,3(12):33-34.

[11] 吳向榮.基于互聯網+的“數字工地、智慧安監”在建筑工地上的 應用[J].四川水泥,2019(10):126.