BIM技術在煤礦建筑工程安全檢測中的應用研究

鄒繼雪，張樂芳，薛 婷

(西安歐亞學院，陜西 西安 710065)

我國作為煤炭大國，煤礦開采過程中注重提升煤炭開采量的同時，還需保證煤礦建筑安全。由于礦區建筑均建立在煤礦開采區域上方[1-2]，建筑群面積較大的同時，其功能性較為復雜，在不同程度上增加了工程安全監管難度[3]。礦區煤炭開采方式大多數為地下開采，因此在煤礦建筑施工過程中，綜合地形原因的同時，也需加強對建筑的抗震性能、受力形變等情況關注度。為使煤礦建筑施工以及煤炭開采順利進行，很多煤礦企業對建筑施工過程進行了安全檢測[4-6]。針對此問題，該方面學者均提出有效方法，如邊俊奇等[7]基于煤礦建筑安全檢測理論，通過STOP系統建立安全觀察模型，從施工人員行為角度對建筑安全進行了分析，以降低施工人員不當操作導致的煤礦建筑風險程度。該方法經過驗證可在一定程度上有效規避煤礦建筑風險，但僅從施工人員操作入手極具片面性和主觀性，科學性較差，因此應用范圍不是很廣。而譚章祿等[8]則以煤礦建筑歷史安全隱患詞數據為基礎，通過建立安全隱患詞的向量模型，以桑基圖的方式描述建筑施工作業安全隱患分布特征，實現煤礦建筑工程安全檢測。但該方法受歷史數據缺失以及模型存在欠擬合或過擬合狀態影響，無法精準描述煤礦建筑施工作業安全隱患分布特征，因此無法較好地管理煤礦建筑工程安全。BIM技術是建筑信息模型技術，適用于工程設計、建筑數據管理等方面[9]，可以三維圖形的方式呈現建筑信息，是一個建筑施工全過程的信息數據庫。該技術所構建的建筑工程模型具有完備性、關聯性以及信息一致性，運用該技術可有效縮短施工工期，也可有效監管施工過程中的安全問題[10]，在建筑領域廣受歡迎。結合上述技術，研究基于BIM技術的煤礦建筑工程安全檢測方法，對把控煤礦建筑工程安全具有重要價值和意義。

1 煤礦建筑工程安全檢測方法

1.1 煤礦建筑工程概況

以某省大型煤礦新開礦區為實驗對象，該煤礦建筑工程項目包括礦井指揮樓、員工宿舍、調度中心等，該建筑工程總面積約為23 326.91 m2，地基均為擠密樁打造，主體為框架，建筑高度均為23.3 m，抗震等級為Ⅱ級，防火等級為A級。

1.2 基于BIM的安全檢測模型框架構建

利用煤礦建筑工程BIM模型，結合RFID技術和WSN技術建立BIM煤礦建筑安全檢測模型，模型框架如圖1所示。其中RFID技術也稱無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術，其以無線電信號方式識別建筑并讀寫其相關數據[11]。WSN是無線傳感網絡，利用傳感器以無線通信方式構建多跳自組織網絡。

煤礦建筑安全檢測模型框架由5個層組成：①數據采集層主要負責收集煤礦建筑工程信息，信息來源包括以RFID和WSN方式采集和傳輸煤礦建筑工程施工信息，安全事故數據源和煤礦建筑工程信息庫，其中RFID對煤礦建筑工程構件添加標簽，以標簽的形式呈現該建筑構建的基本屬性、安全屬性、幾何信息等[12-14]。對建筑工程構件進行定位，且其定位信息與模型所構建的煤礦建筑工程BIM模型相對應，通過WSN傳感方式獲取煤礦建筑工程施工過程中的建筑溫度、受力、傾斜度等情況。②將RFID與WSN獲取到的煤礦建筑工程基本數據以無線網絡形式傳輸至數據處理層，為煤礦建筑工程安全檢測提供基礎數據[15]。數據處理層則依據IPC施工標準，對數據采集層獲取到的煤礦建筑工程施工數據進行過濾、檢測后采用物聯網方式傳輸至模型層。③模型層依據處理后的數據構建和更新煤炭建筑工程BIM模型，同時以3D動態模擬方式呈現煤礦建筑工程施工情況[16-17]，以便工程管理人員掌握工程資源屬性等信息。④應用層是煤礦建筑工程安全檢測的核心層次，主要實現4D動態安全檢測、施工作業人員、建筑材料和作業機器、設備的動態監控以及利用層次分析方法分析建筑工程的安全性。⑤用戶層實現煤礦建筑工程安全檢測的人機交互功能，用戶通過該層對煤礦建筑工程安全進行管理。

1.3 建筑工程BIM模型構建

模型層采用REVIT軟件構建煤礦建筑工程的BIM模型。BIM軟件也稱建筑信息模型軟件，此類軟件種類很多，其中REVIT軟件在建筑施工過程應用范圍較大[18]，由于該軟件的模型信息存儲模式為單一式，當所構建的建筑模型任何一個組成部分發生變化時，則模型其余地方也隨之更新，因此REVIT軟件具備較強的雙向關聯性。而其族群組件在無任何程序驅動和編碼語言情況下為用戶提供設計獨立的建筑組件功能，靈活性較好，且可應用于手機端，方便施工人員隨時掌握工程進度。基于此，選擇REVIT軟件構建煤礦建筑工程模型。對于煤礦建筑工程的管線利用Navisorks構建，該軟件可實時提供管線完整視圖，且精準檢測管線碰撞位置并導出相關報告。煤礦建筑工程現場布置軟件選擇廣聯達BIM，版本為V7.70。煤礦建筑工程如圖2所示。

圖2 煤礦建筑工程示意Fig.2 Schematic diagram of coal mine construction project

煤礦建筑工程的主體部分利用REVIT軟件構建，依據數據處理層傳輸的建筑工程信息，通過確認相應的樣板數據，設置好建筑的標高與軸網，將CAD工程圖紙導入REVIT軟件內，通過對建筑框架結構執行柱體填充、添加梁、門窗等操作步驟，建立該煤礦建筑工程模型。所構建的BIM建筑模型如圖3所示。

圖3 煤炭建筑工程BIM模型Fig.3 BIM model of coal construction project

1.4 基于層次分析法的施工過程安全分析

層次分析法屬于運籌學理論，應用層利用層次分析法分析煤礦建筑工程施工過程的安全性。首先先將煤礦建筑工程BIM模型內的建筑施工信息劃分為3個層次，其中目標層是整體建筑施工信息，準則層和方案層均是其上一層次向下延伸的較為具體的目標[19]，對該目標進行重要性判斷后，建立煤礦建筑安全分析矩陣，其步驟如下。

R表示煤礦建筑安全分析矩陣，其表達式為：

(1)

依據上述公式結果，將煤礦建筑安全分析矩陣涵蓋的所有安全因素排列并歸一化處理，其表達式為：

(2)

利用歸一化處理后的建筑安全因素建立新建筑安全分析矩陣R′，對該矩陣內按照行排列的建筑安全因素相加得到行向量[20]，由U=(U1，U2，…，Un)T表示，計算行特征向量權重，其表達式為：

(3)

對公式(3)進行歸一化處理后，得到建筑安全因素行特征向量權重，其表達式為：

(4)

式中，Ui為建筑安全因素行特征向量權重。

對式(4)結果進行一致性檢驗后，對建筑安全因素行特征向量權重進行由高至低層次排序，進而獲取到影響煤礦建筑施工過程中安全因素，對比其是否符合安全預警標準，判斷是否進行煤礦建筑工程施工安全預警。

2 應用實例

為驗證本文方法實際應用過程中對煤礦建筑安全檢測效果，利用本文方法從以下幾個方面對其展開安全檢測，測試效果如下。

2.1 孔洞標記測試

為該煤礦建筑工程的調度中心墻體設置10個孔洞，經過RFID和WSN數據采集后，實時更新調度中心的BIM模型，更新結果如圖4所示，并利用該模型輸出孔洞標記結果，見表1。結合圖4與表1可知，在使用本文方法實時更新后的BIM指揮樓建筑模型內，所設置的10個墻體孔洞均被標記出且已標注好序號，將孔洞數據輸出后，可充分描述孔洞位置、尺寸、標高以及孔洞構成材料。該結果表明，本文方法在建筑施工過程中可有效更新建設施工信息，且能較為具體地描述所更新的建筑施工情況，為后續建筑施工安全檢測提供較為符合實際情況的決策依據。

圖4 調度中心孔洞更新結果Fig.4 Update results of the holes in the emergency command building

2.2 沖突檢測

在建筑施工過程中，塔吊運送建筑物資時，塔吊與塔吊間、塔吊與樓體間均存在碰撞沖突風險。塔吊如圖5所示。分別使用2臺塔吊為該煤礦建筑運輸砂石等物資，塔吊臂長分別為60 m和70 m，分別標記為塔吊A、塔吊B，初始角度均為30°，塔吊臂均以勻速逆時針方向運轉，設置塔吊距樓體沖突閾值為10 m，使用本文方法對兩個塔吊臂以每3 s檢測1次的檢測速度對其進行沖突檢測，檢測結果如圖6所示。分析圖6可知，檢測次數越多，則塔吊臂與樓體的距離越近，二者呈正比關系，即每3 s檢測1次塔吊臂與樓體距離情況，隨著檢測時間的增加，塔吊以勻速方式運轉因此距樓體距離越來越近，在測試第30次、35次和40次時，兩個塔吊臂與樓體距離均低于10 m，因此出現5次沖突預警。該結果表明：本文方法可有效檢測塔吊臂與樓體距離，實現煤礦建筑施工過程中的沖突預警功能。

圖5 塔吊模擬示意Fig.5 Schematic diagram of tower crane simulation

圖6 沖突檢測結果Fig.6 Conflict detection results

2.3 安全隱患追蹤

利用本文方法對該煤礦的調度中心進行安全隱患排查，利用手機端初始排查結果以及安全隱患排除結果，如圖7所示。分析圖7(a)可知，對該礦區的調度中心進行安全隱患排查時，發現8條安全隱患，當前待整改數目為1條，而點開隱患整改選項后，則圖7(b)中的最下方水管沖突改造為灰色進度條，灰色進度條表示該項目是當前待整改項目進度，并且呈現其預計整改天數是14 d。同時圖7(b)中通過進度條顯示了主體鋼結構裂隙整改、負一層電路卡槽拓寬以及區域回填3個整改項目都已經完成了整改。

圖7 安全隱患追蹤測試Fig.7 Security hazard tracking test

綜上可知，本文方法可有效對煤礦建筑工程安全進行安全隱患追蹤，并依據追蹤結果規劃整改時間，描述整改進度，具備較強的工程安全檢測能力。

3 結語

本文研究基于BIM技術的煤礦建筑工程安全檢測方法，該方法通過REVIT軟件構建煤礦建筑工程的BIM模型，利用層次分析法對建筑工程安全進行分析。經過實驗驗證，本文方法標記建筑孔洞準確，且可充分描述孔洞相關信息，建筑施工情況更新能力好；可有效檢測塔吊臂與樓體距離，具有較強的沖突預警功能；安全隱患排查能力較好，且可充分描述安全隱患情況，并可規劃整改項目實際與記錄進度。