基于BIM和物聯網技術的建筑項目智慧工地施工安全管理的研究*

李佩琪 綦春明 韋春昌 蔣金湖

(南華大學土木工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

近年來，隨著科技水平的不斷提高，建筑行業得到了快速發展，各大建筑企業也不斷更新技術，提高核心競爭力。但是建筑行業工作人員受到的死亡威脅比其他行業高出2.5倍，施工安全問題必須引起企業重視，加強施工安全管理，保障施工人員的安全勢在必行。“十三五”規劃提出推進建筑信息模型(BIM)的應用，BIM成為建筑行業的大勢所趨。本文通過研究BIM和物聯網技術在施工安全管理中的應用，借助智慧工地平臺將BIM技術、物聯網技術與建筑施工過程相融合，實現對施工現場危險源的識別與管控，實現工地的智能化管理，進而完善工地施工安全管理體系，達到提高安全管理水平的目的。

1 智慧工地與施工安全管理

施工安全管理，即通過管理手段及一系列措施保證施工過程中施工人員的生命安全，以達到預防、減少事故的目的。BIM技術和物聯網技術越來越多地應用于建筑施工中，結合這兩大新興技術與施工安全管理，將會極大提高安全管理效率。BIM是隨著信息時代的到來，在建筑行業逐步發展應用起來的一個以計算機為核心，對建筑設施設備數字化的信息模型，是信息共享的基礎。BIM的應用不只是軟件的使用，而是涉及多個領域的復雜過程，其能夠應用于建筑全生命周期的各個階段，具備可視化、模擬性、協調性、優化性和可出圖性等特點[1]，能夠實現建筑過程中的無障礙溝通，大大提升建筑工程的質量和建設的效率。物聯網則是通過信息傳感設備建立起網絡與其他物體之間的連接，實現便捷迅速的信息交換等功能。建筑施工過程中會產生繁多的信息，物聯網的使用有利于現場信息的采集與傳遞，提高參建各方之間溝通的效率。

智慧工地是一種嶄新的工程全生命周期管理理念，即利用先進的科技手段對施工現場進行管理，轉變傳統的管理模式，將BIM技術、物聯網技術、云平臺等集成應用于工地管理，實現工地管理的信息化、智能化和可視化，達到提高建筑工地的安全管理效率、減少事故發生概率、實現綠色施工等各項目標。智慧工地還是一種先進的管理施工現場的模式，BIM、物聯網是智慧工地的兩項核心技術。智慧工地提供BIM技術與施工現場安全管理相結合的平臺，BIM為智慧工地各個階段的關鍵因素控制管理提供信息技術支持，物聯網的信息采集功能則能提供更精確、更全面的建筑相關數據，提高施工安全管理的水平。

2 基于BIM和物聯網技術的危險源識別

危險源即誘發安全事故的起因，施工現場環境復雜多變致使存在的危險源種類繁多，一旦觸發，將可能造成無法承受的傷害和損失，人的失誤、物的故障和環境因素都可能導致施工現場的安全事故，具體危險源的分類見表1。要對這些危險源進行控制，首要任務就是在意外發生之前先識別出施工現場的各種危險源，然后有針對性地制定防范措施。而傳統的危險源識別主要是采用安全檢查表法和依靠施工管理人員的經驗，既不夠直觀還容易受主觀因素的影響。運用BIM和物聯網技術，通過智慧工地平臺實現模型與現場施工的結合，在施工前和施工過程中進行危險源的識別，減少主觀因素對判斷的影響，能夠更全面直觀地識別危險源，合理有效地控制危險源，減少施工安全事故的發生。

表1 危險源的分類

(1)BIM技術識別危險源。建立危險源信息數據庫，輸入施工項目的相關資料、與施工項目有關的安全標準規范、施工及類似項目發生過的事故案例，對危險源進行分類。構建BIM模型，讓模型中的構件與施工現場的安全信息建立對應關系，以模型為基礎，初步進行施工安全環境的分析。施工的各種安全信息儲存在BIM模型之中，對模型包含的各構件的屬性信息進行提取，對比相關規范識別危險源[2]。利用BIM的可視化動態模擬功能，對施工項目的施工工藝、流程以及施工方案等進行模擬，從而直觀地展示出更多建設過程中的細節；通過在虛擬模型中查看工程的施工要素、主要機械設備的部署[3]，并在模擬施工過程中比對BIM模型和數據庫信息，提前發現施工中的安全隱患，有效識別并全面考量各方面的安全隱患，從而提前對整個施工方案、工藝進行驗證進而優化。

(2)物聯網技術識別危險源。物聯網技術包括傳感器技術、無線射頻識別技術(RFID)、定位技術(PT)等，主要實現智慧工地的數據采集、識別、定位等功能，為智慧工地的信息處理和決策分析提供實時的數據支撐。環境因素對施工安全有很大影響，利用相應的傳感器監測施工現場的環境因素，如颶風、暴雨、大雪等，在施工受到影響前發出預警；施工現場的傳感器可用于對塔吊、升降機等垂直運輸機械運行狀態進行監控，一旦檢測到狀態異常，即可自動發出聲光預警和報警；利用RFID可準確掌握并實時采集施工人員的工種、位置和進出場信息，當施工人員距離危險源位置過近或存在危險可能時即會發出警告。將RFID與BIM技術相結合，實時采集施工現場的各種信息，可實現虛擬模型與現實建設的連接[4]。

(3)施工過程危險源識別不夠智能，安全信息的采集和傳遞不夠及時，是導致施工安全事故的重要原因之一。利用智能識別技術，關聯采集到的各種建筑信息數據和BIM模型，傳遞監控信息到BIM信息數據庫中，比對BIM模型和現場施工的實際情況，對項目的數據與計劃、標準等進行分析，可實現對危險源動態、可視化的監控預警[5]。結合BIM和物聯網技術，不僅能夠在施工前提前識別危險源，制訂事故緊急預案，做好防控工作優化施工方案，還能在施工過程中全面監控現場情況，及時集成信息并反饋給智慧工地平臺，然后準確定位危險源，及時處理問題，使安全管理的效率得到很大程度提升。

3 基于BIM的智慧工地施工安全管理

3.1 數據采集

Microsoft Access軟件是應用較為普遍的數據管理平臺之一，運用SQL語句可以進行許許多多的操作，如對數據庫里的數據信息進行提取和更新。選用Microsoft Access數據庫平臺建立危險源信息數據庫，整理搜集到的各種建筑施工安全事故的案例和建筑施工過程中存在的危險源信息錄入到數據庫中，并在使用過程中不斷對庫內信息進行更新、反饋(圖1)。例如：安全管理人員通過監控設備查看現場施工情況，或者直接巡查作業現場時，檢查出現場施工存在的安全隱患，即可利用移動設備將相關信息輸入到數據庫中，實時更新項目的危險源信息。Navisworks軟件中的Data Tools工具可以實現危險源信息數據庫和BIM模型之間的鏈接，將模型中的構件和相關的安全信息連接起來，管理人員能夠通過BIM模型的模擬情況，結合自己的工作經驗找出可能存在的其他危險源，并將這些危險源信息也錄入數據庫中，數據庫會自動關聯模型[6]。這有利于更直觀地識別了解項目施工的危險源，從而采取措施對其進行防范管控。

圖1 危險源信息數據庫信息來源

3.2 模型搭建

Revit軟件是目前BIM技術中使用較為普遍的軟件之一，使用Revit軟件可創建3D建筑模型和結構模型。首先，創建項目文件與構件族庫。其次，根據項目實際情況設置項目的參數以及模型的材質信息，創建的Revit建筑、結構模型的相關信息會隨著模型的修改與完善及時更新。再次，將Revit軟件中構建好的建筑、結構模型依次導入Navisworks Manage軟件中，利用Navisworks軟件提供的視圖瀏覽和查看工具對項目的情況進行快速審查并進行記錄，Navisworks的相機視圖功能可以控制觀察點的位置，從而取得不同的觀察效果；施工過程中含有許多管線施工作業，利用其提供的Clash Detective工具進行圖元之間的碰撞沖突檢測，Navisworks可根據設定條件自動查找存在沖突的圖元位置，用戶即可對檢測結果進行管理，避免出現管線交叉、沖突而導致的返工或安全事故。最后，利用Navisworks提供的TimeLiner工具可定義好項目的施工任務并設置各項信息然后進行模擬施工，導出模擬過程的動畫或視頻，若出現模擬與現場施工不一致的情況，參建各方即可立刻進行協調溝通并及時做出調整。

3.3 信息應用

BIM技術可以協助智慧工地實現從虛擬模型到現實建筑、從理論到實際數據的整合分析，BIM技術的模擬可以幫助確定監控攝像頭安裝的最佳位置，達到更好的監控效果，進而全面實時監控施工現場，施工現場的管理人員利用BIM技術的施工模擬并結合施工現場的監控可實現建筑施工過程和BIM建筑模型間的比對，實時監測建筑工程中發生的變化，針對變化進行分析與判斷，及時找出并處理其中存在的問題，并確保施工現場的問題能夠得到及時解決。智慧工地的信息數據主要來源于BIM模型和施工現場，BIM模型可以很直觀地反映出建筑各專業信息的空間關系，施工現場的信息隨著施工不斷更新，更新的信息將直接傳輸到BIM數據庫中，這將有助于對收集到的信息進行整理分析、反饋和共享。為便于開展施工過程中的安全管理工作，本文構建了基于BIM的智慧工地施工安全管理體系(圖2)。

圖2 基于BIM的智慧工地施工安全管理體系

(1)人員安全管理。施工現場人員較多，管理起來比較困難，容易發生各種事故，造成人員傷亡。基于BIM和智慧工地系統對現場人員加以管控，可實現對人員安全、有序、高效的管理。使用勞務實名制管理系統，通過人臉識別可核查進入場地人員的身份信息，一方面，可以對施工人員進行考勤，統計在場工種數；另一方面，能防止外來人員的進入，避免發生不必要的矛盾或危險。施工人員在施工過程中的種種不安全行為往往容易造成事故。郭紅領等[7]對人員不安全行為進行了分類，基于BIM和定位技術可從不同方面預警施工人員的不安全行為，施工人員進入危險區域、沒有正確使用安全防護用品或者沒有按照規定操作機器設備等，一旦被識別出來就會立即發出警報，防止安全事故的發生。

(2)施工方案的優化。在傳統的安全管理模式下，優化施工方案主要依靠現場調研后制訂出多組方案，并從中選出相對最優的方案，這種做法存在的不確定因素較多。而利用BIM技術的可模擬性能夠對工程項目中的重難點進行模擬，進行構件之間的沖突碰撞檢測，對比分析不同的施工方案，從眾多方案中選擇出相對最優的方案，根據模擬中暴露出的問題再對該方案進行最終優化。如果發現是設計方面的問題，則及時反饋給設計單位修改調整；如果是施工工序、施工設備等方面的問題，則反饋給施工單位予以修改并再次進行施工模擬，直到方案符合施工要求[8]。在施工現場，施工的整個進程是動態的，存在各種可能導致工程變更的因素，需要對施工方案做出調整，利用BIM技術將施工現場采集的各種信息傳輸到BIM模型中，模擬施工現場的情況對施工方案做出合適的調整。這在很大程度上可以保證施工的順利推進，減少方案調整不當而誘發的安全事故。

(3)施工安全技術交底。在施工之前由施工技術人員向施工人員詳細說明施工過程中需要注意的問題、施工手法等。施工安全與施工技術緊密相關，一旦施工技術出現失誤，可能直接導致施工人員的生命受到威脅，或者導致工期延誤，后期施工單位為了追趕施工進度，也可能間接構成對施工人員安全的威脅。如今的建筑工程多為大型且復雜的項目，交叉施工作業的情況經常發生，BIM技術可以把建筑、結構、精裝修等內容全部整合到一個立體模型上，這對安全交底工作具有重要意義，可以協助管理人員更好地掌握全局情況，通過構建虛擬的建筑模型為現場管理人員提供一個可視化平臺，將施工內容與BIM模型進行結合，并搜集整理施工有關的各種安全信息，對影響施工安全的各種因素進行全面分析，使管理人員能夠明確不同部位存在的安全問題，并使用Navisworks軟件中的批注功能在模型中進行標注，生成相關的施工動畫或者視頻[9]。對施工人員進行更有針對性的安全技術交底，將施工需要注意的事項、安全技術的操作直觀地呈現給施工人員，給施工人員留下更深刻的印象，從而減少操作失誤，從根源上預防安全事故。

(4)施工現場平面布置。施工現場的環境復雜，工程項目施工場地有限，人機碰撞、機械設備碰撞時有發生，為了減少碰撞保證施工安全，施工前合理規劃施工現場材料的進場時間和擺放位置對現場的安全管理至關重要，利用BIM技術可視化、動態性的特點動態模擬施工，提早發現施工布置方案中存在的安全隱患，同時對施工現場的環境進行考察，收集實時的工程信息輸入BIM模型中，使得模型能更真實地反映實際施工情況，從而對材料、機械設備的到場時間、現場安置與堆放進行合理規劃與安排，直觀地顯現出施工過程中現場場地的布置情況(如材料堆放區、人員安全通道、機械通道及擺放區等位置)，便于運輸、儲存與施工，減少材料安放導致的安全問題。例如：施工人員對一些危險物品沒有進行合適的放置，將導致物品的傾倒或與人員發生碰撞，造成人員傷亡，所以十分有必要應用BIM技術模擬和安排材料的空間布置，避免其成為危險的源頭，保證施工過程的順利進行。

(5)施工安全監管。施工現場的塔吊、升降機、深基坑、臨邊洞口等皆為易發生事故之處，可利用BIM技術的可視化管理實施全面的管控。以塔吊為例，建立塔吊安全監控系統。該系統由主機、顯示器、傳感器和監控攝像頭組成，利用傳感器實時采集塔吊的各項運行數據，并在顯示屏實時顯示塔吊工作狀態，供塔吊司機更好地了解塔吊工作情況。在塔吊大臂前端安裝攝像頭，可監控塔吊司機在操作室無法看到的死角，以便塔吊司機通過監控視頻全面掌握塔吊周邊和塔吊自身的情況，避免發生塔吊碰撞事故。

在傳統的安全管理模式下，施工過程產生的信息傳遞不便，利用率不夠高，容易出現信息混亂的情況，這必然會對安全管理產生不利的影響，利用BIM協助安全管理，將利于對施工進度、方案等的核查，提高工作效率。在施工過程中，安全檢查是保證施工現場進行安全生產的重要手段之一，項目人員通過現場巡查或者現場監控，對發現的問題進行拍照、截屏、描述，并上傳到智慧工地平臺，將現場問題與BIM模型進行掛接，全方位掌握施工現場安全狀況，在平臺發起問題分析與整改，將需要解決的問題落實到人，通過平臺發送通知給相關問題的責任人，使相關責任人及時對現場情況進行分析處理，解決問題并在平臺發起審核，審核通過后則關閉流程并進行記錄存檔，未通過的則繼續整改直到通過為止。

4 結語

安全管理在工程項目順利完成的過程中扮演著極其重要的角色，現代建筑工程項目作業環境越來越復雜，對技術的要求也越來越高，有必要提高安全管理的水平來保證施工安全。智慧工地平臺可將BIM技術與施工現場結合，并輔以物聯網技術，利用BIM建模、虛擬施工、碰撞檢查識別出危險源、優化施工方案、合理安排材料設備空間布置、監管施工質量與安全等。本文經過研究得出以下幾點關于安全管理的結論：

(1)加強安全監管的力度。對智慧工地實施全面監控，這對于工地的工作人員來說，可以起到一個監督的作用，能夠從側面影響工作人員的工作態度，使得施工人員在施工作業時會更加謹慎、規范，對于相關的操作規程能做到更加嚴格遵守；運用BIM技術能夠實現信息共享，更有利于帶動項目的各相關方積極參與到加強施工安全管理的工作中。

(2)提高安全監管的效率。傳統的安全管理依賴于管理人員在施工現場進行安全檢查，但易出現人手不夠、監管不及時或者不到位的狀況，BIM結合物聯網技術應用到安全管理過程中，即使管理人員不能前往施工現場，也能通過電子設備隨時隨地了解施工現場的情況，從而及時發現施工過程中存在的安全隱患，并通知施工單位發起整改，促進安全生產和管理。

(3)提高安全管理工作的科技含量。目前，國家和地方都頒布了一系列的政策，促進BIM技術的應用推廣，在建筑施工的安全管理中引入BIM技術，在傳統的安全管理基礎上實現安全管理模式的創新，這將使得安全管理更加便捷，從而實現遠程監督與實時管理工地，在一定程度上促進建筑施工安全管理科學性與有效性的提高。