基于BIM和RFID傳感器集成技術的施工安全預警研究

陳悅華 申錢依

摘要：為了降低安全事故率、提高安全管理水平，通過引入BIM和RFID傳感器集成技術，從危險源管控角度出發，識別人、物、機械設備三方面的危險源，構建應用于施工現場的安全預警系統，最后運用層析分析法和模糊綜合評價方法對使用該系統前后的安全管理水平進行評價。該系統能明顯提高施工現場安全管理水平，為安全管理提供了一種新的管理方式。

關鍵詞：BIM;RFID傳感器;施工安全管理

中圖分類號：TU714

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020） 08-0145-06

DOI：IO.14088/j .cnki.issn0439- 8114.2020.08.033

隨著中國城鎮化進程的加快，建筑行業快速發展，高居不下的建筑安全事故發生率不容忽視，建筑安全作為項目管理中的關鍵組成部分，對建設項目的進程、施工工人生命安全和建筑行業的穩定具有十分重要的意義。建筑安全事故.不僅影響了項目施工的效率和經濟效益，還對施工工人個體、家庭、企業甚至社會產生了較大的負面影響。因此，如何加強建設工程安全管理，提高項目安全管理水平，進而保障人民群眾生命和財產安全，是當前亟需解決的問題.

1 建筑安全施工管理現狀、方法與不足

1.1 建筑安全施工管理現狀

近年來，中國建筑施工安全事故頻發。2010-2018年建筑安全事故情況如圖1所示。由圖1可知，2010-2015年建筑安全事故發生數量略有下降和波動，但2015-2018年安全事故發生頻數增長較快，2018年全國共發生房屋市政工程生產安全事故734起、死亡840人，與2017年相比，事故增加42起、死亡人數增加33人，同比分別上升6.1%和4.1%[1]。目前，中國建筑安全事故總量一直高居不下，亟需解決建筑施工安全問題和提高施工安全管理水平。

1.2傳統建筑安全施工管理方法

傳統施工安全管理多采用人工模式，即管理人員通過巡查與排查進行管理。在傳統的安全管理中，監測工程師是安全管理監測的核心。監測工程師隸屬于工程項目部，并接受工程項目部的直接管理，同時就安全管理問題向業主方負責，對項目經理、現場監測人員等相關人員提供的意外缺陷報告、現場監測報告制定相應的計劃并進行審查。針對某些突發事件則還需提供計劃修正方案，并最終向業主方提供項目安全報告和建議[2]。在這個過程中，傳遞信息一般借助紙張資料，且安全管理相關方需要通過監測工程師進行溝通。

1.3 傳統建筑安全施工管理方法不足

1）信息獲取不及時、不便利、不全面。傳統的建筑安全管理模式中，信息獲取需要通過重復繁雜的統計分析工作，并非簡單有效。施工方安全工作人員主要是通過紙張記錄信息并進行傳遞信息，人工巡邏監管記錄的方式，也需要及時對記錄的數據信息進行統計和分析整理，對施工方的監管存在滯后性。若現場監測人員存在故意違章操作的情況，工程項目部要全面地掌握安全管理資料和制定相應的應對措施，因而不能及時發現可能存在的危險源，對施工現場進行安全管理控制，消除施工過程中的安全隱患。

2）安全管理方法落后，缺乏先進的施工安全管理技術。傳統的建筑安全管理模式中，主要依靠人工進行現場管理，對新技術的接受度不高。在信息工業化時代下，建筑形態多樣化、施工環境愈發復雜、施工難度和施工工藝愈加復雜，傳統的人工監測方式進行安全管理可能無法及時應對復雜的施工現場的安全問題[3]。人工觀測耗費巨大的人力、物力和財力，如果不跟隨時代更新技術，隨著施工設備的老化和安全管理方法的落后，會帶來更多的安全隱患，造成更多的建筑施工安全事故。

2 BIM-RFID傳感器集成技術的適用性

BIM（ Building Information Modeling）技術也稱建筑信息模型，就是把建設工程項目的各相關信息數據作為模型的基礎，建立建筑模型，然后運用數字信息技術搭建共享平臺，仿真模擬建筑物所包含的全部信息，實現全生命周期實施[3]。BIM技術集可視化、參數化、協同性、優化性等特點于一體，能實現擬建建筑的可視化顯示，展現建筑結構的所有位置信息和技術信息[41。

RFID傳感器技術是將無線射頻識別技術與傳感器技術進行結合（圖2），包含有源和無源兩類，有源RFID傳感器電子標簽內裝有電池，通常支持遠距離識別，設備器件成本較高;無源RFID傳感器，即無源射頻電子標簽無內裝電池，可在無主動功率和信號處理電路供給情況下實現測量。RFID無線射頻識別技術可通過無線電傳播信息，運用該技術可將BIM技術傳遞的施工現場模型信息精準地傳遞給施工人員，這種技術無需在系統與特定目標之間建立連接就可以通過無線電波識別特定目標及其所包含的相關信息[5]，最終達到規避風險的目的[6]。結合傳感器技術，帶有傳感器的電子標簽天線可捕獲周圍環境、化學特性等情況發生變化產生的變動，這些變動會被讀寫器接受并傳遞信息，傳感器擁有傳統RFID標簽天線的各種優點，其通用性也更強[7]。

目前，建筑業向產業化、信息化、智能化發展，建筑業開始重視BIM技術和RFID以及傳感器技術的應用。而BIM技術為建設項目的規化、設計、施工以及后期運維提供了有效的支撐。而RFID技術在庫存管理、監控管理、進度管理、設施維護管理、工具追蹤、物料管理和質量控制方面得到較廣泛的應用[8]。在建筑安全管理方面，BIM技術在安全預警、安全疏散、預防高空墜物方面有相應的研究;RFID技術在人員定位，危險源監控、人機碰撞事故預防、施工現場管理等方面有相應的應用[9]。傳感器技術應用于施工現場物的狀態以及環境的狀態可被安全監測。

海里因希（Heinrich）事故致因理論表明，安全事故發生的重要原因是人的不安全行為[5]與物的不安全狀態。本研究將基于BIM和RFID傳感器技術的集成應用，建立施工現場人、物、機械危險源監測預警系統模型，預防建筑施工安全事故的發生。

將BIM技術與RFID傳感器技術集成，構建施工現場安全監控預警系統，用于解決目前施工現場安全監控預警系統空白或者手工錄入紙質傳遞、施工方一方主導、憑經驗管理、信息傳遞不及時和溝通不順暢等問題，以實現施工安全的自動化、信息化、可視化、全程性的高效預警監控[10]。

3 施工現場安全監控預警系統的構建

為確保項目的施工安全，需要對可能引發安全事故的危險源進行監控與預警，本研究將引入BIM-RFID傳感器集成技術到項目施工安全管理中，構建施工現場安全監控預警系統。該技術在施工安全管理中的應用原理如下：①危險源識別。根據BIM技術建立的BIM5D模型，結合SCL安全檢查法，分析識別出項目在施工過程中存在的危險源;②危險源管理。識別出危險源后，安裝RFID傳感器標簽，然后在BIM模型中標識出裝有RFID傳感器標簽的危險源，并在危險區域安裝RFID閱讀器;③數據處理中心管理。數據處理中心根據閱讀器反饋至數據中心的信息，實現對危險源的實時監控和對工作人員的預警。主要應用原理如圖3所示。

3.1 系統危險源識別與實時監控

將BIM-RFID傳感器集成技術應用到施工安全管理中首先是危險源識別。危險源可分為固有危險源和隨機危險源兩類，前者是指施工現場已被識別的危險源，一般與建筑永久結構或臨時設施有關，如洞口、臨邊、腳手架踏板等因邊緣未設置防護或設置防護不規范等，其危險特性己被分析透徹且能被人們所控制。而隨機危險源是指在施工過程中，在受到各種內部、外部條件的影響下，系統中每個元素相互作用，可能會導致系統狀態惡化而帶來危害的一種變化的客觀存在[11]。

利用BIM-RFID傳感器集成技術，兩類危險源均可有效地被識別。危險源識別過程中，固有危險源可以通過已經建立的BIM4D模型自動安全檢查生成的BIM安全模型進行識別，如在BIM建筑模型中存在未進行防護的樓板臨邊時，通過BIM自動安全檢查發現了該危險源，然后自動在樓板臨邊位置設置足夠高度的防護欄桿，在樓板臨邊添加防護欄桿后形成的模型即為BIM安全模型。隨機危險源包含了人、物和機械設備3個方面。首先，通過BIM的碰撞檢查及施工模擬，得到建筑物中比較重要的結構部位，這些結構部位失穩容易引發安全事故，可以將其列為物的危險源。其次，對于機械設備，可以根據BIM技術的施工模擬，對于機械設備位置以及工作區域進行危險源識別。最后，采用SCL安全檢查法，從人、物、機械方面進行現場施工危險源識別，將識別的危險源信息導入BIM系統。利用BIM-RFID傳感器集成技術，可以通過跟蹤監視將隨機危險源固化為固有危險源，從而進行安全防控。

3.2 系統危險源管控

基于BIM技術分析識別出危險源后，利用BIM-RFID傳感器集成技術對其從人的不安全行為、物和機械設備的不安全狀態3類危險源進行管理。

人的不安全行為的管理。主要是基于智能安全帽系統的應用。其原理主要是將RFID傳感器標簽嵌入在安全帽中，并在施工現場安裝閱讀器，當有施工人員進入工作區域時，閱讀器通過讀取安全帽中嵌入的RFID傳感器標簽來獲取入場施工人員基本信息，同時通過傳感器標簽中的圖像信息處理功能獲取施工環境信息。通過RFID傳感器技術在智能安全帽系統中的應用，能夠將現場工作人員集中在統一的平臺，實現對施工現場人員的高效安全管理[12]。

物的不安全狀態的管理。物的危險源主要分為施工危險主體和建設工具兩大類。①施工危險主體的安全管理主要是基于BIM模型分析，確定建筑物施工過程中和施工后易發生危險事故的結構，在BIM模型中添加RFID溫度傳感器標簽和位移傳感器標簽，其目的是在施工過程中實時監測危險結構的現澆養護情況，實時監測施工工藝;RFID位移傳感器標簽可以通過傳感器中因受力改變而產生的位移變化實時監控結構主體的安全性能，保證建筑主體的質量和安全性能。②建設工具主要指用于輔助完成建筑施工的工具，如三腳架和模板支架等。為確保施工工藝的安全進行，腳手架和模板支架搭建在施工期間安全性能必須嚴格監測。在三腳架和模板支架中嵌入RFID傾斜度傳感器標簽，用集成垂直度的傳感器測量三腳架及模板支架的傾斜度。

機械設備的不安全狀態的管理。機械設備的危險源主要分為機械操作異常和機械故障兩大類。①機械操作是否規范主要取決于機械是否滿足施工現場要求，在入場前對大型重點機械安裝RFID傳感器標簽，施工現場安裝閱讀器。②機械故障主要是在施工過程中，利用RFID傳感器標簽實時搜集機械的運行相關數據，記錄設備的工作時間和運行狀態，實時監控機械設備是否正常工作，實現對大型機械設備的施工進行安全管理。

3.3 系統數據中心管理

為了實現安全預警功能，需要進行信息的收集、分析處理以及傳輸，本研究危險源信息傳遞如表1所示。在信息采集方面，采用了RFID傳感器技術，收集人員信息，如人員姓名、工號、工種、工齡等信息;收集物體信息，如建筑結構位移、溫度等信息;收集機械設備的狀態信息等。通過無線網絡傳輸至數據層進行處理分析。在數據處理平臺，將得到的信息進行分析與判斷后進行安全管理。

利用BIM-RFID傳感器集成技術進行危險源管理后，RFID傳感器標簽將對危險源地定位和搜集的實時信息傳輸至BIM數據處理中心，由數據處理中心進行分析信息和輸出結果，達到入場判斷和實時監測安全狀態的作用。如施工人員進入施工區域，然后計算機數據處理中心通過獲得的閱讀器讀取的數據進行信息處理，判斷施工人員是否正常進入和實時監控施工人員及工作環境，當有異常人員進入或施工環境出現危險時及時提供預警;物的狀態測量數據被實時反饋到BIM模型中，在數據處理中心判斷狀態是否符合施工要求，在出現異常時及時對工作人員發出警報;機械設備的狀態數據被傳送至數據處理中心進行檢查和判斷，是否滿足施工現場要求，同時向現場工作人員發出“大型設備施工準備，無關人員遠離”警示。

4 應用BIM-RFID傳感器集成技術進行安全管理的效果評價

建筑施工過程安全是檢驗施工安全管理過程中應用BIM-RFID傳感器集成技術進行危險源識別、管理和數據處理中心管理等過程后最直接的效果檢驗。結合某橋梁物聯網云平臺項目中施工過程采用了BIM-RFID傳感器集成技術的經驗，為了研究應用BIM-RFID傳感器集成技術前后項目安全管理的差異，為建筑施工安全管理提供決策參考。本研究運用層次分析法和模糊綜合評價方法對應用BIM-RFID傳感器集成技術的安全管理進行安全評價，判斷該技術的實施效果。首先，建立建筑施工安全的評價指標體系，然后利用層次分析法確定指標權重，最后根據模糊綜合評價進行評價。

4.1 建立評價指標體系

在遵循科學性、全面性、針對性、可操作性與可比性等原則的基礎上，參考文獻[13，14]以及JGJ59-2011《建筑施工安全檢查標準》等相關法律法規，根據4MIE理論以及在橋梁物聯網云平臺項目建設過程中安全管理模塊的具體應用，結合BIM-RFID傳感器集成技術本身的特點和專家的意見，構建建筑施工安全管理安全評價指標體系（表2）。

4.2 確定指標權重

由于二級指標之間相互獨立，運用層次分析法，構造一個10×10的判斷矩陣，通過給5個參與項目的安全管理人員發放問卷，得到打分數據，計算出二級指標的權重，運用Matlab軟件得到評價指標權重，如表3所示。

由4組有效數據得到二級指標的權重（表2），將其相加可以得到相應的一級指標權重集A={0.386 0.0.115 1，0.499 1}，歸一化各向量權重可以得到二級指標的權重如下：

A1= （0.106 7，0.686 5，0.206 8）

A2= （0.163 4，0.128 6.0.472 6，0.235 4） （1）

A3= （0.471 6，0.266 1，0.262 3）

4.3 模糊綜合評價

首先，將建筑施工安全管理水平劃分為好、較好、一般、較差、差5個等級，并賦分表示為V={v1，v2，V3，V4，v5}={90，75，60，45，30}，然后根據項目參與人員的評價計算各等級的隸屬度，進一步計算得到應用BIM-RFID傳感器集成技術前后模糊綜合評價對比結果。

4.3.1 應用BIM-RFID傳感器集成技術前

1）構造模糊綜合評價矩陣。對于人員因素U.中的人員操作技術U1，，統計結果表明，有60%的人認為其處于好，有30%的人認為其處于較好，有5%的人認為其處于一般，有3%的人認為其處于較差，有2%的人認為其處于差。則該指標的評判集為（0.60，0.30，0.05，0.03，0.02）;同理可得，各因素評判集的隸屬度組成評判矩陣。

0.60 0.30 0.05 0.03 0.02

R1=10.50 0.20 0.10 0.15 0.01 （2）

0.20 0.40 0.20 0.10 0.10

2）進行模糊綜合評價。由綜合評判模型B=A。R可得一級因素的評判集，其隸屬度組成的評判矩陣如下：

由建筑施工安全性的綜合評判模型B=A。R可得歸一化處理后的評價結果為：

B= （0.428 9 0.2274 0.152 8 0.114 6 0.076 3）（4）

最后該建筑施工安全管理評價總體得分為：

S= 0.428 9×90+0.2274×75+0.152 8×60+0.114 6×45+0.076 3×30=73

應用BIM-RFID傳感器集成技術預警系統前該建筑施工安全評價處于一般水平，還未達到較好水平。

4.3.2 應用BIM-RFID傳感器集成技術后 第二次向項目參與人員發放問卷主要是針對應用了BIM-RFID傳感器集成技術。評價結果為：

B= （0.715 9 0.165 1 0.0714 0.047 6 0.0） （5）

該建筑施工安全管理評價總體得分為：

S= 0.715 9×90+ 0.165 1×75+ 0.071 4×60+0.047 6 x45+0.0×30= 83

應用BIM-RFID傳感器技術前后，各評價指標得分的變化如表4所示。由表4可知，應用BIM-RFID傳感器集成技術預警系統，明顯提升了人員因素、設備因素效果。其中人員因素評價得分提高幅度最大，表現為人員安全意識水平及人員疲勞程度評價得分的提高，可能原因是帶有RFID傳感器標簽的安全帽等安全設備的佩戴，使工作人員的安全意識得到提高以及在預警系統下，能實時監控施工人員的疲憊工作狀態和不安全行為。在設備因素中，對機械設備防護因素評分有很大提高，其原因可能是對機械設備可能造成的危險區域進行預警，禁止施工人員進入，從而保證了人員的安全。管理因素在應用預警系統前后的安全得分相差不如前兩個因素大，原因可能是由于管理因素對施工安全管理主要是通過對人和物以及機械設備進行管理，從而間接影響施工安全，而預警系統直接對人、物、機械產生影響，因而管理因素方面的變化幅度相對較小。

5 小結

針對傳統管理方式的缺陷，通過引入BIM-RFID傳感器集成技術，構建了安全預警系統應用于施工現場安全管理并對該系統進行了安全評價：①從人、物、機械設備3個方面進行了較為全面的危險源識別;②借助BIM-RFID傳感器集成技術，實現了危險源危險狀態的實時監控和安全預警功能;③通過層次分析法和模糊綜臺評價方法對系統進行安全評價，該系統能有效提高安全管理水平。

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基金項目：國家自然科學基金面上項目（ 71073117）

作者簡介：陳悅華（1968-），男，廣西合浦人，副教授，博士，主要從事建筑信息化研究，（電話）18071121131（電子信箱）chenvh68@126.com。