基于BIM的工程項目塔吊事故安全管理系統研究

王 倩，田莉梅

（廊坊師范學院，河北 廊坊 065000）

0 引言

當前建筑行業的危險性問題依然突出，其中，塔吊的危險性高，安全問題層出不窮。在建筑安全事故方面，國內外學者進行了比較深入的探索和實踐。早期，Alberto 就已經提出要設計一個建筑工地自動化實時安全管理系統，鼓勵無線射頻識別（簡稱RFID）與移動軟件融合用于現場監測建筑工人。金智獻針對物聯網項目軟件平臺的開發提出了利用軟件平臺進行安全監測及管理的可能性。［1］Ram?sha Akram 提出可視化是建筑信息模型最有發展前景的特征，而危險識別是建筑安全的一個重要應用領域。［2］因此，可以利用BIM 搭建建筑信息平臺，利用BIM 相關技術，建立自動化實時安全管理系統，通過合理計劃、動態組織、有效控制實現減少建筑工地現場塔吊事故的目標。

1 塔吊安全管理信息共享平臺的構建

根據管理學中的協同作用的觀點，通過多方參與和共同努力建立信息共享平臺。結合全方位安全管理的思想，由建設方、設計方、施工方、監理方及塔吊供應方共同運用BIM 技術整合項目信息形成數據庫，建立塔吊安全管理信息共享平臺（簡稱平臺）。

塔吊安全管理是項目生產周期的管理，包含設計階段、準備階段、施工階段以及檢修階段。設計階段，建設方輸入工程項目基本信息，設計方輸入全專業三維立體模型；進入施工準備階段后，施工組織設計已經初步形成，可借助平臺信息選擇塔吊供應商并確定現場人員，塔吊供應商輸入塔吊設計模型以及計算模型，施工方補充人員信息、完善施工方案信息和建立三維場地布置模型以及項目管理5D模型；施工階段利用BIM相關技術進行人員追蹤、構件追蹤、視頻監控、環境監測以及應急仿真演練等管理活動，形成追蹤信息、監測信息和應急信息；檢修階段對塔機實現安全監測并對參數重新驗算形成機件監控信息與塔吊新模型信息；具體運行模式見圖1。在平臺的基礎上配合硬件設施的輸出，各方可以隨時調取和更新數據，實現數據管理和高效協作。

圖1 塔吊安全管理信息共享平臺運行模式

2 塔吊風險與信息共享平臺的對應關系

2.1 塔吊安全事故風險源分析

針對塔吊事故的風險源，不少學者進行了研究。余群舟針對162起塔吊安全事故案例進行統計分析，得到造成塔吊事故的內在因素包括人員素質、安全管理和塔吊質量。［3］In Jae Shin通過對38起塔式起重機死亡事故的分析和訪談，發現塔式起重機安裝與拆卸過程中發生的事故占所有致命事故的68.4%，確定“不遵守工作程序”是這些事故的主要原因之一。［4］綜合以上因素將安全事故風險源概括為安全意識淡薄、選型不合理、裝卸不當、人員失職、違規操作、信號誤讀、塔吊失靈以及機件失修。

2.2 風險源與信息共享平臺的對應關系

塔吊安全管理需要借助管理活動來實現風險的預防、預判與預警。根據平臺的生命周期概念，在平臺中具體模型信息（表1）基礎上結合相關技術去完善平臺信息，并將風險源按照設計階段、準備階段、施工階段、檢修階段進行劃分，建立風險源與平臺信息的對應關系，形成有效的管理活動，具體見圖2。

2.2.1 設計階段

設計階段應由建設單位確定BIM 標準，要求相關人員熟練掌握建模技術，設計方可選用廣聯達、新奔騰、Magicad、Revit 及晨曦科技等系列插件建模提交項目全專業三維模型，平臺根據BIM 模型統計分析構件的種類、位置以及數量形成工程信息、構件信息、吊裝信息的數據庫等。在此基礎上建設方可以看到實現塔吊事故安全管理的可能性與可操作性，最終確定安全管理目標與管理流程。

2.2.2 準備階段

準備階段塔吊選型不合理、裝卸不當是主要的風險。塔吊供應商調取數據庫匹配塔吊型號，同時對其基本參數和工作參數設置，可選用Revit、Ansys等軟件形成塔吊模型進行數據存儲，在此基礎上選用品茗、Maya、Catia/V5RH、Pkpm、solidworks 等軟件進行塔吊參數設置與力學計算，形成力學計算書和危險部位及關鍵節點信息。施工方選用廣聯達、晨曦等軟件建立現場布置模型及項目管理5D模型，模擬作業環境并確認構件存放位置及吊裝順序。結合工程信息與塔吊信息編制塔吊專項施工方案，最終確定塔吊安裝與拆卸的具體方法并進行施工分解，采用3dsmax 模型虛擬現實進行技術交底，通過Navisworks 等軟件形成施工模擬動畫。利用平臺可以實現設備選型、場地布置、技術交底、施工模擬等管理活動的有效化。

表1 平臺模型對應的BIM信息

圖2 風險源與信息共享平臺的對應關系

準備階段人員失職，操作方法不清晰為對后期的正常操作埋下隱患。施工方需統計塔吊工作人員身份信息（姓名、性別、年齡、學歷、從業資格、工作年限等）形成個人身份芯片安裝至專屬安全帽，將員工信息傳至平臺，針對錄入人員進行安全教育，利用安全座椅或塔吊模擬機的BIM 信息場景完成員工教育，最終實現安全教育和人員把控。

2.2.3 施工階段

施工階段會產生違規操作、塔吊失靈、以及信號誤讀等安全事故風險。施工過程交底應完善塔吊施工方案模型，將塔吊的操作步驟進行WBS任務的分配，建立任務點的操作動畫，采用Fuzor 進行虛擬展示完成模擬交互，將任務點儲存至信息共享平臺，同時針對常規危險設置緊急應對方案。作業人員接收到命令時提醒其調取并觀看。將平臺與硬件設備如（顯示大屏、平板、手機、頭盔、眼鏡）相連，工作人員（包括塔吊信號指揮員）接受命令登錄APP客戶端，觀看相關指導視頻后方可通過驗證進入工地開展工作。現場安裝任務進度顯示屏，按照平臺內的任務節點完成任務，相關人員全部確認后進行下一步任務節點的操作，盡可能避免工作流程不清晰以及信號誤讀。操作過程中利用視頻監控，將攝像頭安裝在施工區出入口，塔吊周圍、塔吊頂端等重要位置，利用光纖傳輸信號實現實時監控，在視頻服務器中加入存儲硬盤，利用RFID，對工地現場監控數據以及塔吊基本參數（起重量、起重力矩、起重幅度、提升高度、工作速度）的監控信息進行存儲。調用現場布置模型以及項目管理5D 模型中的環境信息、人員信息以及吊裝材料出庫信息等，形成追蹤信息。監控信息和追蹤信息與平臺數據進行匹配，誤差超出既定范圍即發出信號，大屏標紅亮顯，及時采用應對策略。基于平臺可以實現詳細的技術交底和操作任務的分解與確認，利用監控與追蹤信息辨別并及時應對塔吊事故。

2.2.4 檢修階段

檢修階段也是安全管理的一個重要階段，機件失修會留下安全隱患。利用數據平臺統計塔吊的使用強度并進行隨時更新，使用完畢后對回轉上轉臺、塔帽、平衡臂、起重臂、變幅小車與吊鉤、底架、基礎節、加強節、標準節的狀態進行紅外線掃描結合傳感技術檢查構件安全狀況，檢修人員通過移動端設備通過Autodesk BIM360 Glue 進行模型信息反饋與塔吊供應方溝通，結合數據平臺給予安全回復，實現機件檢修。

3 塔吊施工安全管理系統的創建

塔吊施工風險源多、周期長、人員廣，應該實現全方位、全過程的系統化管理。塔吊安全管理系統要以平臺作為管理媒介，在平臺的基礎上落實組織、資金、制度等多方保障，確定管理層次和管理體系最終實現針對于全過程的管理功能，建立施工安全系統，如圖3所示。

圖3 塔吊施工安全管理系統

3.1 系統管理層次

根據利益相關者理論，聯合平臺建設的參與方將系統劃分為建設方、設計方、供應方、施工方和監理方五大管理層次。建設方牽頭組織確保安全管理完整的信息實施全局把控項目，通過瀏覽平臺信息發現問題，促進各方溝通降低安全風險。設計方提供安全高效的設計，實現多專業協同設計效果，借助平臺有效地傳遞設計意圖，消除設計風險與溝通障礙。供應方依據數據信息提升塔吊選型的匹配度與專業度，跟蹤塔吊使用情況與最新參數信息。施工方保證相關成員可以訪問到即時準確信息，在施工現場進行有效的任務分配和流程追蹤，降低現場風險，提升問題解決效率。監理方進行規范的任務管理，把控項目全新動態，將每一次匯報和決定都建立在精準信息上。

3.2 系統管理體系

3.2.1 組織保障體系

在項目策劃階段，建設方應成立安全管理部門，對安全管理問題進行監控與管理。隨著建設項目實施過程的推進，其他參與方適時安排轉派專職人員加入，人員按照各自領域承擔起工作績效，形成團隊式組織結構。

3.2.2 資金保障體系

政府應制定相關鼓勵措施，按照“誰負責誰保障”的原則實現安全管理資金的投入，建設方設置一定數額的兜底資金。

3.2.3 制度保障體系

建立完善的風險分級管理制度，風險源評估制度、風險排查和預警制度。此外也要針對管理層次由制度層面進行行為約束。

3.2.4 技術保障體系

在技術層面上，主要體現的是模型化、數據化、監測化和可視化，概括為三維立體建模、可視化仿真建模、數據分析建模、VR技術、RFID技術、智能芯片、掃描識別等。利用這些技術將施工中必要的信息進行數據化，在數據相對完善后對數據內容根據模塊進行劃分。軟件硬件設備相連，借助顯示大屏、平板、手機、頭盔、眼鏡等設備實現數據傳輸。

3.2.5 信息保障體系

將BIM 和相關技術信息融入到安全管理的工作中去，借助于平臺，經過數據的上傳與積累，層層篩選歸類以模塊化的方式進行數據歸類存儲。

3.3 系統管理功能

BIM模型為載體，平臺為媒介，在管理層次和管理體系的作用下實現平臺數據的有效利用，對塔吊風險源進行有效的預防和監控，按照壽命周期的全過程實現塔吊選型驗證化、施工場地布置有效化、技術措施可視化、工地數字化以及事故動畫警戒化等管理效果，具體管理功能如下。

（1）安全目標與工作流程確定：針對塔吊事故的多發性、復雜性、傷害性，結合平臺信息各管理層次樹立安全目標，自行配置業務流程。

（2）設備選型有效驗證：將模型數據庫自動匯總，材料統計，提取數據形成吊裝清單，進行塔吊型號預判。

（3）場地規范與合理布置：圖模聯動，合理規劃建設布局，按照國家標準規范，對塔吊布置進行合理化檢查。

（4）安拆方案模擬并交底：安拆中包含的關鍵節點進行模型設定，按照施工節點進行可視化仿真模擬，動畫交底，運用BIM 模型與實際現場復合，對比分析。

（5）安全教育與人員管理：以實名制為基礎，平臺為手段，BIMVR 進行虛擬現實安全教育，通過工人佩戴安全帽利用平臺實現數據收集，清楚工人狀態與分布，科學地進行現場管理。

（6）吊裝方案模擬并交底：利用吊裝程序的任務分解進行的模型信息，將操作步驟進行可視化仿真模擬，操作中工作人員利用輸出端進行工作確認。

（7）事故的辨識與控制：現場監視、追蹤與平臺信息進行匹配，移動辦公，設置協同圈，管理層次彼此之間及時溝通，高效協作，利用文字、文件、圖片等互動方式，分辨現場異常設置智能預警語音提醒，緊急情況根據應急演練程序及時采取控制措施。

（8）機體檢修的隱患排查：對塔吊關鍵部位進行階段化管理，借助平臺塔吊模型進行參數化驗算，計算數據匯總顯示，及時反查數據。

4 結語

借助于數字化與信息手段對塔吊的安全管理也可以延伸到安全管理的各個方面，具有一定的實用性。但是平臺的建立需要各方的配合，也需要作業人員的意愿去支撐。資金與技術應用是主要瓶頸，需要建立項目的全局意識，樹立安全觀念，意識到成本背后的隱形收益。信息與科技發展速度快，一些技術手段的運用，需要繼續研究和完善。