基于BIM技術的河道治理工程施工安全預監督研究

諸衛衛，劉永強，吳 浩，朱 斌，高 陽

(1.南京市水務工程建設管理中心，江蘇 南京 210098；2.河海大學，江蘇 南京 210098)

隨著新時期治水新理念的深入推進，河道治理工程不斷受到各級部門的重視[1]。河道治理工程可以分為長河段治理和局部河段治理，其河道整治內容包括：堤防除險加固、灌區水利設施建設、開口堤修建、堤防溢洪堰建設、閘站泵站修建及河床疏浚。因為河道狹窄且施工路線比較長，所以河道治理工程具有施工范圍大且不同地段的施工條件變化差異大的特點，這會導致施工人員調配和管理及施工有一定的困難。施工現場人與物的狀態隨時間一直發生變化，使得施工安全監督一直處于動態變化的過程，如何高效辨識不安全因素并且進行預控，實現事前控制與施工現場動態監督是施工安全監督的難點[2]。目前，安全風險管理信息在傳遞過程中往往以紙質文件的形式進行傳遞、存儲、查詢及利用，缺乏信息化集成，容易導致信息斷層，無法滿足新時代水利現代化建設的需求。

近年來BIM技術在各行各業受到廣泛推廣，其應用大放異彩，特別是在建設期的項目管理中成就諸多。而安全管理作為工程項目管理中的重點工作，其形成的研究成果更為豐碩，越來越多的學者使用BIM技術進行施工模擬、隱患排查、安全預警和方案優化等方面的研究與應用。Collins等[3]通過將腳手架安全風險與BIM 4D進度計劃關聯，告知安全管理者與腳手架相關的高安全風險活動；V.K.Bansal[4]主要研究在使用BIM技術進行安全管理的過程中引入GIS系統，在集成安全規則的同時，對其進行基于地理信息的監控篩選通過壞境信息輔助指定安全措施的計劃，此技術在印度取得了較大的成功；陳麗娟[5]針對地鐵施工空間安全方面、施工環境方面的問題，利用BIM技術進行了模擬，對施工現場環境、器材進入路線進行了合理規劃，減少施工空間沖突以及機械碰撞，防止安全問題的產生；杜長亮[6]基于BIM技術，借助VR來解決現場鋼筋排布問題；仲青等[7]收集并整合了施工現場的有效安全信息，并將之運用于施工現場的安全監控之中，有效地實現了可視化、信息自動化等多方協同參與的高效安全監控。現階段，BIM技術已經逐步推廣開來，但相關研究主要都集中在安全規劃設計階段，在施工階段僅僅利用BIM技術協助進行安全教育和碰撞檢查，對BIM技術進行危險源的自動識別、智能化管理、BIM輕量化等的研究尚有不足。

基于此，針對河道治理工程的施工特點，本文提出了基于BIM的河道治理工程施工安全風險辨識流程，對建立的BIM模型進行輕量化處理，搭建河道治理工程安全監督系統平臺并對平臺進行功能設計以滿足河道治理工程施工安全管理的需求。通過將安全管理中的危險源辨識工作前移，變被動應對為主動控制，從事中事后控制轉變為事前控制，同時將結構中的危險源依據相關法規及規范進行識別，并及時形成危險源預控方案，從而提升施工安全監督效果，推動智慧水務的建設。

1 技術構建分析

1.1 BIM技術

BIM(Building Information of Modeling)，中文名為建筑信息模型技術，在業內有時候也會以虛擬設計和施工(Virtual Design and Construction，VDC)來表述，其目的在于在實際工地之外以數字工地作為項目實體的數字化表述[8]。BIM技術的可視化、交互性和優化性特點決定了其在建設項目施工階段具有較大的應用價值。作為一項在美國出現以來至今已經在眾多發達國家被廣泛應用的一項技術，BIM近十幾年也在中國社會和學界都得到了充分的重視。

1.2 數據庫技術

數據庫技術是通過研究數據庫的結構、存儲、設計、管理以及應用的基本理論和實現方法，并利用這些理論來實現對數據庫中的數據進行處理、分析和理解的技術，其具有共享性、獨立性好的特點，在各行各業中廣泛應用[9]。數據庫系統有大小之分，大型數據庫系統有SQL Server、Oracle、DB2等，中小型數據庫系統有Foxpro、Access、MySQL。其中，Access數據庫支持廣泛，易于擴展，彈性較大，可以通過鏈接表的方式來打開EXCEL文件、格式化文本文件等，被廣泛應用于河道治理工程危險源數據庫和安全措施數據庫的建立。

1.3 BIM輕量化

輕量化是為了解決BIM數據流通的便捷性，同時保證數據安全信息的完整性的一種技術，該技術是為了解除模型對專業軟件的依賴并壓縮模型文件[10]。具體來說，就是將模型文件(可以是Revit模型、CAD、3dmax、Microstation、ArchiCAD等等)解析為其他格式，新格式可以通過HTML/WebGL技術顯現，利用瀏覽器或其他通用軟件進行瀏覽。經過BIM輕量化轉換后模型文件會被極大壓縮，使得文件傳輸速度、效率提升很多。

2 基于BIM的河道治理工程施工安全預監督技術

2.1 基于BIM的河道治理工程施工安全預監督流程

基于BIM的河道治理工程施工安全預監督應用流程見圖1。

a)構建河道治理工程安全風險知識庫。通過信息的關鍵詞從安全管理規范標準及相關工程施工組織設計文件中篩選統計整理出不同階段、不同分部分項工程的施工特點與相對應的危險源及安全措施，并按照作業活動內容進行歸類整理，利用Access數據庫軟件構建河道治理工程施工期危險源數據庫和安全措施庫，實現作業活動信息與危險源關聯。

b)建立河道治理工程BIM模型。利用Revit等BIM建模軟件進行參數化建模，構建河道治理工程族庫，將各族部件導入項目模板中形成河道治理工程治理BIM模型，同時結合施工文件中的作業內容為各族部件添加WBS編碼，實現作業活動信息與BIM模型關聯，并進行模型輕量化處理。

c)構建基于BIM的河道治理工程建設安全監督系統平臺，實現安全風險知識庫和BIM模型融合。將數據庫文件以及BIM輕量化模型加載至建立的河道治理工程建設安全監督系統平臺，以作業活動為紐帶，實現模型構件與危險源關聯，得到基于BIM的施工期安全預監督模型。通過建立的河道治理工程建設安全監督系統平臺，可以實現各參建單位的施工安全信息共享、河道治理工程危險源管理及預控方案的制定。

圖1 基于BIM的河道治理工程施工安全預監督流程

2.2 河道治理工程施工風險分析

河道治理工程主要包含的建筑物類型有水閘、泵站和堤防，影響其施工的風險因素有很多，根據風險來源可以分為環境風險、社會風險、經濟風險、政治風險以及技術風險等；根據風險可控程度劃分可控風險與不可控風險；根據風險對象分為人身風險、責任風險和財產風險；根據各參與方的責任可以分為業主風險、設計單位風險、施工方風險、監理單位風險以及供應商風險；根據風險損失的程度分為輕度風險、中度風險及高度風險[11]。

目前，對于施工現場危險源的種類有很多種分類方式，按照《企業職工傷亡事故分類標準》，結合河道治理工程的實際情況進行合理分析，總結出5種最為常見及最為典型的施工安全事故，分別為高處墜落、物體打擊、機械傷害、坍塌以及觸電傷害[12]，具體內容見表1。

表1 河道治理工程常見施工安全事故

2.3 河道治理工程安全風險知識庫構建

根據已有的安全法規、相關行業規范標準以及施工安全危險源辨識有關的文獻資料，對河道治理工程中不同階段，不同分部分項工程的不安全因素進行分析，基于語義分析對河道治理工程的安全風險進行提取，同時結合已識別出的危險源制定對應的處理措施。例如：“吊籃是否經過檢測”“腳手架上堆放的荷載是否均勻”“在腳手架上是否按規則操作”，此類表述中存在“是否”這類判斷詞，分析得出“吊籃未經過檢測”“腳手架上堆放的荷載不均勻”“在腳手架上未按規則操作”為對應的安全風險。通過該文本語義分析方法對相關安全法規及相關行業規范進行遍歷，以相關工程案例為補充，以工序作業活動為安全風險發生對象，明確每項工作中存在的危險源及對應的安全措施[13]。同時，為便于后續河道治理工程BIM模型加載河道治理工程安全風險信息，需對危險源按分部分項、作業類型和涉及構件進行歸類整合。最終，利用Access數據庫軟件構建包含單位工程、分部分項工程、作業活動、涉及構件、危險源和安全措施的河道治理工程安全風險知識庫。

3 基于BIM的河道治理工程建設安全監督系統平臺

將BIM技術引入河道治理工程建設安全預監督，可以實現施工現場的危險源可視化管理，在安全監督系統平臺實現輕量化BIM模型與進度計劃、資源計劃、安全風險等相對接。本文以南京市江寧區一干河河道治理工程為例，對堤防標段K0+050～K0+100進行BIM建模以及輕量化處理，最后通過河道治理工程建設安全監督系統平臺進行安全監督，實現河道治理工程施工期安全管理信息化。

3.1 BIM模型建立及輕量化處理

河道治理工程BIM模型作為信息化載體，是構建安全預監督系統的基礎。針對河道治理工程信息化模型編碼統一性不足的現狀，將河道治理工程模型分解為族構建單元，并對其進行統一的編碼和命名[14]。本文研究的河道治理工程施工對象為堤防，其主要組成部分包括堤基基礎、堤身主體、堤防道路、防滲墻、護坡等。本次運用的建模軟件為Revit2018，由于Revit2018自帶的族庫并不能滿足針對堤防的設計，雖然堤防工程構造相對其他水利工程簡單，多為線性結構，但是由于各樁號斷面不一，使其多數部件需要在Revit中創建公制常規模型，通過族編輯器進行編輯與構建，再載入到建筑選項板中按照一定原則拼接。在建筑面板上針對族面板中創建的模型進行構建之后的創建的簡化模型見圖2。

圖2 河道治理工程BIM模型

隨后，針對堤防模型在Revit軟件中顯示端便攜性較差的問題，擬對其進行輕量化處理。在進行輕量化處理之前，對其構件進行編號以便于安全規則的匹配、顯示與管理。以堤身主體第一部分構件編碼為例，在Revit軟件的管理選項卡下的設置面板中選擇“項目信息”“項目參數”和“共享參數”，即可實現對模型構件編碼屬性的創建及添加。添加的模型構件編碼屬性見圖3。

圖3 全局參數設置展示

在構建完BIM模型后，為使BIM模型能與建立的安全風險知識庫進行有機融合，需在不影響核心數據的前提下進行合理的數據取舍，將BIM模型進行輕量化處理。本文利用模型轉換器作為中間件，通過HTML文件環境中JavaScript顯示組件庫，在網頁上新建DOM元素再根據viewToken指定待顯示的模型，最后設置加載模型的回調參數，經過以上操作后，便可以在網頁端顯示輕量化的模型[15]。輕量化模型轉換流程見圖4,輕量化處理后的BIM模型見圖5。

圖4 輕量化模型轉換流程

圖5 河道治理工程輕量化模型轉換

3.2 系統總體架構

安全監督系統平臺具體涉及到建設項目的項目管理、進度管理、安全管理和勞務管理等業務內容。本系統平臺管理軟件采用B/S架構，使用瀏覽器就可以訪問管理平臺，降低了系統維護成本，便于軟件的升級和擴展，系統主體平臺采用JAVA語言開發。系統設計思路見圖6，系統總體架構見圖7。

圖6 系統設計思路

圖7 系統總體架構

3.3 平臺功能模塊設計

制定了完整框架的情況下才能做出一個健康的系統。在對整個系統框架進行設計及規劃的同時，根據功能、實現的效果以及相關規范，將分成若干個大模塊，自頂向下科學的開發從而達到對系統整體安全性、操作性及后續的工作帶來更好效益的效果。通過圖7可知，本系統共有4個功能模塊，即項目管理模塊、進度管理模塊、安全管理模塊和勞務管理模塊，各部分功能如下。

a)項目管理模塊可以將項目的總體信息予以展示，使得安全管理人員以及業主能夠對于項目有一個直觀的基本概念。在該模塊下可對項目概覽內的項目信息及項目下的單位工程進行維護更改，同時開放WBS分解和工序分析功能，按照類別分級對模型構件添加或修改WBS編碼，實現構件與編碼關聯。

b)進度管理模塊依據WBS分解項逐級展開具體施工部位，對其進行添加或修改開始日期、結束日期、工作量等施工進度信息，同時還能配置資源項，反映人工成本及機械設備使用情況。

c)安全管理模塊是該系統的核心，通過數據庫導入列表呈現了所有安全危險源信息，且危險源與作業活動進行了關聯，而編碼反映了作業活動，由此實現了危險源和構件關聯，選取構件便能查看該部分潛在的危險源及對應控制措施。此外，開放了施工信息采集功能及比對功能，管理人員可以預先添加人員、機械設備計劃數量，施工過程中可以將現場采集的施工現場人員機械位置信息、數量信息載入至對應構件，隨后計劃人機數量信息與施工現場人機數量信息進行比對，若存在偏差則發出告警。

d)勞務管理模塊勞務管理模塊主要是對勞務班組信息進行管理，添加或修改班組成員信息以及機械設備信息；實現對施工人員及機械的信息管理；機械人員的信息都在勞務管理的勞務班組中；涉及到工作人員的姓名、班組、崗位、工種以及上崗證等資質證明。

4 結語

在河道治理工程施工安全管理中，傳統的信息傳遞方式需要耗費大量的人力、物力、財力，且信息化程度底，容易導致信息斷層，亟需引進新技術來提升安全管理水平。BIM技術及數據庫技術在一定程度上能夠滿足河道治理工程管理信息化的需求。本文針對河道治理工程對安全監督管理系統平臺的需求，以BIM技術作為信息化手段、數據庫作為數據存儲的載體，通過BIM輕量化將BIM模型與數據庫相結合，將施工期不安全因素的識別工作前移到設計階段，即通過危險源自動識別與預控來加強事前控制，達到提高安全管理效率的目的。同時構建出基于BIM技術的河道治理工程建設安全監督管理系統平臺，進一步提升河道治理工程施工安全管理的信息化、智能化水平，為智慧水利的建設提供新的解決方案。