超高層項目基于BIM的人員定位綜合技術

簡宏儒 田喜勝 路 彪 文方仁 王 軍 趙研華

中建三局第三建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430074

近年來，隨著我國經濟發展水平不斷提升，城市化建設進程的不斷加快，建筑行業得以蓬勃發展。越來越多的超高層建筑拔地而起，此類工程建設周期長，施工環境復雜，保障施工人員的安全乃是重中之重。

在房建領域智能化建造中，用于監控施工人員進出的方式主要為智能化人臉識別系統及攝像頭監控系統，這兩種系統都存在以下幾點弊端：

1）覆蓋面狹窄。施工人員只有在特定的地方才能觸發定位條件，無法通過設備對人員進行精準定位。

2）布設攝像頭監控網需投入的成本大，且受網絡影響因素較大。若網絡突然失效，則無法對進場施工人員人數進行統計，同時難以留存監管影像。

3）對現場人員管理的實際效果不明顯。在視野盲區，人員的不安全行為無法被監控，施工禁區仍需要投入人員值守，浪費勞動力資源。

目前，針對這種情況，在地鐵施工、山區隧道施工、海上船舶建造領域推出了“視頻監控、人員定位管理系統”，可實現“人員實時定位、移動軌跡查詢、一鍵緊急求助、數據統計分析、電子圍欄預警”等多種功能。基于現有領域人員定位技術發展[1-3]，本文主要探究人員定位與BIM技術的融合與應用，形成一套房建領域BIM人員定位的新技術。

1 工程概況

化龍橋超高層二、三期項目是重慶市重點工程之一，位于重慶市渝中區化龍橋片區，東鄰嘉華大橋，南鄰化龍橋路，西側為重慶天地高檔住宅區，北鄰嘉陵江畔。工程占地面積約19 105 m2，總建筑面積約520 000 m2，其中地上建筑面積387 606.0 m2，地下建筑面積113 543.7 m2，主要由2座主塔樓及商業裙房組成，是集商業、辦公于一體的超大型綜合性的建筑群，其中二期塔樓為建筑高度458 m的超高層辦公樓和酒店，三期塔樓為建筑高度181 m的酒店式公寓，地下室均為4層。在項目建造過程中，工程建造周期長達5年，場地內環境復雜，超高的建筑高度造成高空墜落以及物體打擊風險極高，施工人員數量巨大，工種繁多，尤其是458 m主塔樓立體交叉施工多，上下交叉作業頻繁，人員組織難度極大。

2 BIM人員定位系統概述

2.1 BIM人員定位系統概念

BIM人員定位系統通過描繪建筑物的三維地圖，依靠定位裝置，實現人員在不同樓層的精準定位，同時還兼具人員考勤、定位追蹤及一鍵報警等功能。

通過BIM模型與人員定位系統的聯動，不僅可實現施工現場的全覆蓋定位，同時設備成本投入少，還可設置電子禁區，監控人員的不安全行為，規避了施工面臨的交叉作業風險，保證了現場的安全管理，提高施工現場信息化建設水平。

2.2 BIM人員定位系統的特點

2.2.1 低功耗性

化龍橋超高層二、三期項目根據使用需求在總平面上布置了200個低功耗藍牙信標，相較于傳統藍牙信標，低功耗藍牙設計用深度睡眠狀態來替換傳統藍牙的空閑狀態，節省了更多的能源，可持續使用3年以上。

2.2.2 實時性

BIM人員定位系統主要由藍牙信標、鈦準基站、定位標簽、主機后臺四部分組成。人員佩戴定位標簽后，當踏入地圖區域時，定位標簽自動將信號傳輸至就近的藍牙信標，再傳至鈦準基站，最后傳輸至數據后臺，即可在平臺內查看實時的人員信息。以此有效幫助現場管理人員了解每個區域實時的施工人員數量，做出相應的統籌調整。

2.2.3 可周轉性

本定位系統所使用的材料使用壽命長至3～5年，一般房建工程2年左右竣工，可循環使用2次以上。當設備損壞時，直接轉回廠商維修，不產生多余的垃圾，綠色環保，符合施工現場綠色建造的要求。

使用藍牙傳輸技術，采用先進的功耗控制技術，加上獨特的供電方式，綠色無污染。

2.2.4 移動載體可操作性

通過將鈦準基站及藍牙信標安裝在如爬架、頂模等移動載體上，能夠實現每層施工時人員的精準定位，無需二次轉運及安裝相應設備，減少費用投入。在本次研究中，并未出現串樓層定位、報警不響應等技術問題，使用效果良好。

3 BIM人員定位系統在超高層建筑中的應用

3.1 BIM模型繪制

根據項目施工現場實際情況，繪制出總平面、外框作業層及頂模鋼平臺層三維地圖，使之與施工現場實際情況完全一致。

但在實際使用中，總平面一直在變化，對于如堆場擴大或縮小、部分構件挪動等涉及細部的變化，不需要對地圖進行更新；而對于如基坑開挖、新起樓棟、新增塔吊等涉及總平面巨大變化時，需提前繪制CAD平面圖，重新繪制三維地圖，確保地圖與現場一致（圖1）。

圖1 三維地圖建立

因此，地圖更新頻率以3個月為1個周期，通過對施工現場總平面的觀察，視其變化程度適當修改。

3.2 硬件安裝

3.2.1 藍牙信標

在總平面作業層、頂模作業層、內筒作業層使用S1U-G藍牙信標，此類信標適合貼地部署，能適應戶外惡劣環境，使用2 400 mA·h鋰壓電池，續航可達3年以上，完全可以使用至工程完工。另因其尺寸小，所以安裝后不會破壞原有環境。

藍牙信標安裝第1步即選取施工作業面，選取最典型的交叉作業面，即頂模鋼平臺層、外框鋼結構施工作業層、總平層三處，單層面積約為2 400 m2，單層共布設50個藍牙信標。第2步為安裝藍牙信標，使用自攻螺絲將其固定在板面上。

信標設置的作業面應遠離磁場、射頻干擾的區域，保持藍牙信號暢通，同時藍牙信標離鈦準基站不得超過30 m，否則信號無法傳給基站，人員定位系統無法正常運行（圖2、圖3）。

圖2 藍牙信標

圖3 貼地安裝

3.2.2 鈦準基站

使用BLG2P鈦準基站進行室外部署，通過220 V電壓供電，覆蓋距離可達1 km以上，全鑄鋁外殼設計可防火、防水、防雷，滿足復雜工況下的通信要求。同時支持4G全網通，人員定位信息在5 s內自動刷新，是保障工人實時性安全的重要因素。

根據藍牙信標布設位置，選取作業層進行基站安裝，其中頂模鋼平臺層基站可覆蓋2～3層作業面，可以實現移動載體的人員精準定位。因鈦準基站需要取電，需選擇離電箱較近的地方進行架設（圖4、圖5）。

圖4 鈦準基站

圖5 基站安裝

3.2.3 定位標簽

使用人員佩戴BLT6-Exx定位標簽，此定位標簽質量僅38 g，電池容量可續航3～4個月，電量使用完后可充電。使用專用布帶安裝在安全帽上，簡單高效。該定位標簽包含LED指示、報警、動靜判斷等功能，當人員遇到危險時，可按下標簽上的“SOS”進行求助，后臺端即可顯示具體人員信息及所處位置（圖6、圖7）。

圖6 定位標簽

圖7 定位標簽安裝

3.3 實施效果

3.3.1 人員信息

登錄定位系統后臺，一個賬號可多人使用，通過綁定人員的標簽，可以實現對佩戴定位卡片人員的定位監控。根據工人入場登記表，將每個人的信息錄入后臺系統，激活定位標簽后下發至各施工人員，即可在BIM三維模型中查看人員姓名、工種等相關信息（圖8）。

圖8 人員信息識別

3.3.2 一鍵報警功能

施工現場存在部分孔洞位置，人員不能靠近，通過設置電子圍欄，當人員在電子圍欄附近時，將觸發一鍵報警。

同時，若人員發生危險，定位標簽長時間保持靜止狀態下，也將觸發一鍵報警的功能，與之對應的定位標簽會產生強烈振動，同時PC端發出強警報，PC端可以根據“人員姓名、SN號、日期、開始時間、結束時間、報警類型、報警狀態、區域類型”8個查詢條件查看所有報警事件詳情，即可實時掌控人員位置及安全信息（圖9、圖10）。

圖9 電子圍欄繪制

圖10 報警通知

3.3.3 實現目標追蹤

利用定位系統可通過人員姓名、查詢日期、時間3個查詢條件，實現對目標人員在當前條件下的精準定位。同時，事后可查詢起點至終點行走軌跡路線的展示及歷史視頻回放，及時掌握施工人員的動向與安全情況（圖11）。

圖11 人員行為分析

4 結語

BIM人員定位系統提高了作業人員的安全保障，相對降低了安全事故發生率，與傳統智慧工地建設（即攝像頭部署和定位模塊部署）的方式相比，降低了設備投入費用及因安全事故導致的額外支出。

本文提到的化龍橋超高層二、三期項目使用BIM人員定位系統，從三維模型與人員定位出發，通過兩項技術的融合形成了一套可推廣至其余房建項目的BIM人員定位技術，在安全管理上進行了創新，降低了安全風險，提高了工程的智能化程度。