BIM技術在高層建筑安全管理中的應用

姜玉婷，彭英健

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003）

隨著我國經濟社會的發展，高層建筑已經成為房屋建筑工程發展的必然趨勢，但高層建筑安全管理難度大，對工人的專業能力要求較高，而BIM是一項把項目從設計、施工建造到運營維護的全生命周期各個階段的信息融合在一起的儲備技術，以模型作為信息載體，通過集成工程中所有的信息實現項目管理[1]，為建筑構件或設備增加安全管理信息，可實現構件的安全檢查和設備的安全監控；同時利用BIM 技術的可模擬性，對項目進行模擬建造，工人通過模擬體驗的方式經歷事故，提升安全教育培訓的效果，在一定程度上降低事故的發生。

1 高層建筑安全管理難點

1.1 危大工程較多

高層建筑涉及的危大工程較多，施工難度高，施工危險性大，是建筑施工領域的重大危險源。例如，高層建筑一般需要開挖超過3 m 的深基坑，支護結構容易受到地下水和周圍荷載的影響而發生變形坍塌，深基坑支護事故屢見不鮮[2]，基坑開挖工程和支護工程都屬于危大工程，易造成群死群傷等重特大事故。對于危大工程的管理重點是編制專項施工方案，但專項施工方案存在與現場的施工工序不符、計算書存在錯誤、專項施工方案操作性不強等問題[3]。

1.2 高空作業多

附著式升降腳手架是高層建筑施工的主要設備之一，在高空中憑借提升機自行升降，可提高施工效率，加快施工進度，但由于存在較高的重力勢能，一旦發生墜落，后果嚴重，在使用過程中往往存在安全教育培訓不到位、安全檢查驗收不到位等問題，造成工人發生高處墜落事故[4]。

1.3 安全監控難度大

高層建筑塔吊或施工升降機一般隨主體建設高度升高而升高，高度越高，發生傾覆的概率越大，一般施工單位在塔吊升節前利用經緯儀對塔吊傾斜度進行測定，但在塔吊使用過程中的安全風險不能實時監測，如在使用過程中日常維護保養不到位、荷載突然增加、螺栓松動或銹蝕，標準節老化，則極易發生倒塌。

2 BIM技術在安全管理中應用

2.1 安全監測監控

利用BIM建立建筑三維數字模型，對模型進行參數化設置，利用Navisworks 對專項施工方案進行多次模擬建造，找到最優方案，模型可自動生成腳手架和模板計算書，對安全穩定性進行驗算，及時發現設計中存在的問題，在深基坑施工過程中利用BIM 模型+傳感器技術對基坑進行安全監測，監測數據自動上傳至模型中，實時掌握支護結構的穩定性，提高專項施工方案的可操作性，同時可利用模型進行安全技術交底。

在塔吊使用過程中，安裝傳感器，采集塔吊運行數據，及時監測載重變化，在塔身安裝測斜儀監測塔吊傾斜度，并設定載重報警值和傾斜度報警值，將這些數據集成到BIM 模型中，利用數據監控系統對塔吊運行數據進行實時分析，了解塔吊的運行信息。一旦模型報警，針對報警類型可對受力較大的節點進行及時修理或者保養或增加對塔吊的附著，及時調整傾斜度，從而降低塔吊傾覆概率。

由軌跡交叉理論可知，事故的發生是由于人的不安全行為和物的不安全狀態在同一時間和空間維度運動軌跡交叉所導致的，利用人員定位系統動態監測人的活動軌跡，將采集到的數據接入BIM模型，當系統分析出塔吊的運動軌跡將與施工人員的運動軌跡發生交叉導致事故時，系統會立即發出聲光預警信號，現場相關人員立即采取措施，及時消除危險，待危險解除后系統會自動停止報警[5]。

2.2 安全檢查

傳統的安全檢查表是按照《建筑施工安全檢查標準》[6]編制的，共有180 個檢查項目767 條評分標準，有很大一部分是對安全制度、施工組織設計、專項施工方案等資料的檢查，利用BIM強大的信息管理系統，逐項核對安全資料，可及時對安全資料進行查漏補缺。除了這些項目外，安全檢查表中其他項目主要是建筑施工機械設備和輔助生產設施的檢查，項目繁多，僅腳手架的檢查表就有6 個，對于規模較大的建筑體，由于不同單體的施工進度不同，導致危險源出現的時間和部位發生較大變化，利用傳統方式檢查一是工作量大，二是檢查內容繁瑣，如何實現快速準確全面識別危險源是安全檢查需要解決的問題。

利用BIM系列軟件中的Navisworks對模型進行漫游安全檢查，模擬人在實際檢查過程，發現危險源，見圖1、圖2；同時，BIM 軟件具有多接口數據共享能力，利用BIM 中的Revit 軟件和和項目施工模擬軟件Project 組成BIM4D 模型，對本工程中出現檢查項目進行快速調用并賦予構件安全管理信息[7]，模擬不同單體施工到不同的階段，對這些項目進行時間和空間維度的危險源辨識，同時結合自己以往的工作經驗，將這些危險源輸入BIM數據庫中，數據庫會自動同模型進行關聯。

（1）可以實現危險源辨識的全面，避免由于辨識不全在后期施工中出現事故。

（2）可以結合辨識結果提前設計安全防護措施，見圖3。

圖2 發現墜落隱患

（3）可以實現風險預警。在后期施工時，若模型中該構件需要設置安全防護但實際未設置時，構件在模型中的風險級別顏色則變為紅色，工程管理人員可迅速根據顏色找到未采取防護措施的部位及時進行安全管理。

（4）可以生成危險源數據庫，便于類似工程的安全管理。

圖3 安全防護設施示例

2.3 安全教育培訓

建筑安全培訓主要分為三級，其中班組級安全教育更加側重對事故案例和應急處置措施的教育，傳統的教育方式為多為安全講座、事故案例視頻及應急培訓視頻，這種教育方式的弊端是工人的參與度低，不能身臨其境地體驗事故，很多安全教育流于形式，不能引起對安全的足夠重視，突發緊急事故時，也不能采取及時有效正確的處置方式，延誤救治時機，導致工人的傷亡。

建筑施工中很多工種操作過程繁瑣，使工人沒有耐心按照正確的操作流程進行操作，從而導致了“三違”行為的發生，從安全事故統計來看，很多“三違”行為是事故發生的原因，同時據調查，施工現場工人文化素質不高且多為男性，使用BIM 與VR 技術將繁瑣的操作流程和“三違”導致的事故做成有趣的游戲場景，提供沉浸式體感互動，男性更容易接受游戲模式的安全教育培訓，這種方式可使工人對安全教育培訓產生濃厚興趣，在場景中更容易記住正確的操作方法。工人通過可穿戴設備VR眼鏡和操作手柄模擬進入施工現場（見圖4），進行作業模擬操作過程，如操作不當或“三違”，則引發事故，工人在切身體驗了事故的整個發生過程之后，心理會發生巨大的變化，心理狀態將由“要我安全”向“我要安全”轉變，從而提高對安全的重視程度和對自我的保護意識。

圖4 BIM+VR安全教育培訓

場景可根據事故類型進行設置，可單人進入場景體驗，也可多人同時進入場景，模擬作業事故場景，如模擬腳手架坍塌場景，工人選擇拆除順序時如選擇錯誤，或將整層連墻件拆除時，則引發腳手架坍塌；如工人進入高處墜落體驗場景，腳手架未系安全帶或吊掛點選擇錯誤，則引發工人發生高處墜落事故。工人可重復進入場景，場景體驗結束后，系統對事故發生的原因進行教育，使工人能夠深刻的記住正確的操作方法和操作順序，在實際操作中就不會發生類似錯誤操作，從而很大程度上避免事故的發生。

圖5 基坑坍塌體驗場景

同時BIM 與VR 的結合也可對工人進行應急處置培訓。在發生事故后正確的急救方法是非常重要的，施工現場很少有人在紅十字會學習專門的急救操作，施工現場常發生的高處墜落、物體打擊、觸電、坍塌、機械傷害事故，通常會導致工人昏迷、失血、骨折和休克，在最短的時間內急救可大幅度挽救生命，常用的心肺復蘇術、包扎、固定方法屬于比較專業的急救手段，通過VR 培訓可使工人迅速學會正確的操作方法，及時救助傷員。

3 結語

在高層建筑施工安全管理中，運用BIM技術進行專項施工方案模擬、安全監測監控，在施工前運用構件安全檢查表進行危險源辨識，通過模擬事故場景對工人進行安全教育培訓，可更直觀的對高層建筑的安全管理實現可視化，有效的提升高層建筑安全管理水平。