基于BIM技術的水電站建設施工現場安全監控系統設計

楊 娟

(北京金河水務建設集團有限公司,北京 102206)

水源是人類生存和發展的基礎資源，為了讓水資源能夠更好地為人類所用，各種水利工程被修建出來，其中水電站是最重要的一種[1]。水電站不僅實現了擋水、泄水、引水等功能，同時也實現了水力發電，為人類生產、生活提供了電力保障。在此背景下，水電站工程的修建一直是重點民生工程之一。水電站一般修建在條件比較惡劣的地區，此外，工程的施工工序更為復雜，因此與其他一般建筑工程相比，施工風險性更高，導致施工事故發生的比率也相對較大。為此，施工現場的安全監控工作愈加重要。

關于施工現場安全監控研究有很多，如，趙龍國以甄峰嶺2號隧道動態施工為例，設計了一種信息管理系統，有效地避免了事故的發生；王培成，包騰飛，朱茜，將BIM模型與監測數據相關聯，開發了大壩安全施工監測信息管理系統；林俊峰，李可從建筑工程發展的現狀出發，在 BIM 技術的基礎上設計了一般建筑施工現場安全監控系統；吳躍星從建筑工程施工階段的典型事故危險因素出發，結合BIM 與移動設備、RFID、數據庫等 Eworks 現代信息技術和工具，設計了一種建筑工程事故預防系統。

雖然現有的施工現場安全監控研究有很多，但是針對水電站建設施工現場安全監控的研究相對較少，因此本文以其他建筑工程施工現場監控研究為基礎，設計一種專門針對水電站建設施工現場的安全監控系統。通過本研究以期降低水電站建設施工風險，保證施工現場安全。

1 基于BIM的水電站建設施工現場安全監控系統設計

1.1 系統框架設計

基于BIM技術的水電站建設施工現場安全監控系統框架組成包括四個層次，即數據采集層、數據處理層、模型應用層和可視化展示層，具體如圖1所示[2]。

圖1 系統框架設計

數據采集層：采集施工現場與安全相關的信息，包括人員、設備、建筑材料、位置、狀態等[3]。

數據處理層：將采集到的數據按照IFC標準進行處理，消除不同數據量級之間的量綱。

模型應用層：根據采集到的信息分析現場情況，識別現場不安全因素，以達到施工風險事故預防的目的[4]。

可視化展示層：提供與工程安全負責人的可視化交互窗口，用戶可以通過展示界面實時掌握施工情況，及時作出施工事故預防[5]。

1.2 系統硬件設計

1.2.1 數據采集設備

要想實現對施工現場的實時監控，對施工現場各方面數據進行采集是必不可少的。采集的數據包括施工人員、建筑材料、機械運動狀態、位置數據、建筑模型數據、危險區域數據、各種機械的基本屬性信息等[6]。由于需要監測的數據眾多，因此需要的采集設備也很多。

監控攝像頭：采集施工現場設備運行、人員工作狀態、機械工作位置等一系列施工現場活動的監控圖像，來源與型號：Hikvision C2S攝像頭。優點是分辨率高、畫面清晰，根據監控設備自動調整相應碼流，意外斷電數據保護不丟失，室外防塵、防水設計，不怕風吹日曬[7]。

RFID設備：對現場的建筑材料、人員和機械設備進行跟蹤與管理。型號為 LJYZN AFD-8320A，功率小，讀寫距離穩定可靠，數據讀取速率快、標簽喚醒識別，多區域多標簽識別，多兼容設計，防水性外觀設計[8]。

3D激光掃描設備：施工進度監控、現場環境評價等。 來源與型號：wiiboox Wscan工業級高精度3D激光掃描儀。優點有采用線激光陳列掃描技術，測量精度可達0.03 mm，高質量還原物件表面的幾何信息和表面細節；掃描速率可達200 000次/s，滿足高速掃描的需求；不僅支持標志點拼接掃描，還支持框架掃描模式搭載 Digimetric全局攝影測量系統，測量范圍可擴展至幾十米；支持對三維數據模型、圖片和文字進行綜合管理，數據輸出接口廣泛，且可與市面上大多數逆向工程軟件進行自由交換數據[9]。

傳感器：用于機械設備運行狀態監控、地基承載力監測等。包括紅外探頭、煙感探頭、位移傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器，以及承載力檢測儀等[10]。

1.2.2 核心處理器

系統中各種業務處理和功能的實現均依靠核心處理器來完成，因此核心處理器是系統的核心硬件設備。本系統當中的核心處理器為ARM?Cortex?-A9i.MX6Quad。該處理器相關功能參數如表1。

表1 核心處理器參數

1.2.3 監控中心硬件設備

前期所有處理都需要傳輸到監控中心，以供相關工作人員進行監控，因此監控中心的硬件設計也相當重要，關系到識別結果的呈現效果。本系統當中的監控中心硬件設備主要由四種組成：PC端計算機、信息傳輸網絡(Intranet)、數據庫服務器及打印機等外圍設備[11]。具體配置如下：

(1)處理器：CPU Intel Pentium IV 2.6 G。

(2)操作系統：Win2003 Server/Win2000 Server。

(3)硬盤：160 G。

(4)內存：512 MB DDR2。

(5)顯示器：飛利浦 23.8英寸 AH-IPS顯示屏。

(6)打印機：HP Laser MFP 136nw銳系列激光多功能一體機。

1.3 系統軟件部分設計

本系統軟件設計主要包括系統功能模塊設計和系統數據庫設計兩個部分[12]。

1.3.1 系統功能模塊設計

根據水電站施工現場監控需求，系統功能模塊主要分為七大模塊，具體如表2。

表2 系統功能模塊設計

1.3.2 系統數據庫設計

系統數據庫是系統當中重要數據存儲的地方，主要用于為其他功能業務的實現提供基礎數據，實現數據的集中控制和管理。存儲在數據庫當中的數據質量更高，更具有秩序化[13]。

2 系統實現與測試

為測試本系統的應用系統性能，以延慶賽區A部分場館配套基礎設施-造雪引水系統工程施工項目為例，進行現場施工安全監控仿真測試。該工程主要擋水建筑物為重力壩，等級為3級。1050 m 高程塘壩位于兩座山“V”形溝谷之間。兩座山分別是左右壩肩的位置，根據塘壩地質情況，塘壩邊坡主要為花崗巖，又由于工期緊迫，故采用爆破方式進行開挖。本測試就以該階段工程施工作為研究對象，1050 m塘壩爆破斷面見圖2，利用基于BIM技術的水電站塘壩爆破施工現場安全監控系統進行危險源識別測試研究。

圖2 塘壩爆破斷面現場示意圖(單位：m)

2.1 風險清單設置

要想識別水電站塘壩爆破施工中存在的不安全因素，需要有一個風險清單作為對照。水電站塘壩爆破施工過程中存在的風險如表3所示。

表3 水電站塘壩爆破施工風險清單(部分)

2.2 基于BIM技術的施工現場建模

利用BIM技術中的ArcGIS軟件進行施工場地建模，建模結果如圖3所示。

圖3 施工現場環境三維模型

2.3 危險識別顯示

首先點擊系統“安全監測模塊”按鈕，彈出“安全監測模塊對話框”進行子功能選取，點擊“危險源識別”按鈕，系統就會顯示“危險源搜索中……請稍候！”，單擊“確定”鍵，即進入危險源的識別和危險區域的構建。之后會顯示危險識別的結果“開挖深度超過2 m及以上的基坑周邊未安裝防護欄桿”，單擊“確定”鍵，危險區域識別完畢——“搜索完畢，共識別出洞口1處，臨邊1處，危險區域已布置，請查看！”。

利用所設計的系統對基于BIM技術水電站塘壩爆破施工過程中存在的風險進行識別，識別出整個過程中存在兩種危險因素，一種是開挖深度超過2 m及以上的基坑周邊未安裝防護欄桿，一種是洞口和臨邊存在高空墜落風險和物體打擊風險。通過本系統很好地實現了風險監控，避免了人員傷亡和經濟損失。

3 結 論

水電站的建設不僅實現了水資源更好地利用，同時實現了電力生產的目的，因此水電站工程的修建一直是我國重點的民生項目。在項目工程修建過程中，危險一直伴隨始終。為此，基于BIM技術設計一種水電站建設施工現場安全監控系統。該系統經測試，很好地識別出了施工過程中存在的風險，證明了系統的應用性能。