基于BIM+IOT+GIS的項目安全管控系統研究

楊思琪 倪燕翎 胡 進 鄭 敏

（1.湖北經濟學院智慧建造中心,湖北 武漢 430205；2.湖北經濟學院法商學院,湖北 武漢 430205）

1 建設工程安全管理問題突出

建筑業是我國國民經濟的支柱產業之一，也是一個高危行業。隨著時代發展，一方面建筑行業產品質量、產品性能的標準日益提高，另一方面隨著工程建設規模的不斷擴大，施工工藝流程更加煩瑣復雜，導致安全管理工作難度越來越大。項目在施工過程中，往往面臨施工人員來源廣泛、組成復雜、安全意識不強，工程數據混亂，現場安全檢查效率低下，施工現場管理維護難度大等諸多難題[1]。當前我國國民經濟正保持較高發展速度，如何在提高建筑工程安全管理效率、確保工程質量的同時降低安全事故發生率，成為施工企業以及政府部門重點關注的問題。要解決這些問題，建設項目信息化管理無疑是目前最好的選擇，但由于我國信息化應用起步較晚，BIM（建筑信息模型）、GIS（地理信息系統）、IOT（物聯網）等技術尚未全面普及，很多建筑工地現場管理方式依舊傳統、人工和單一。在此背景下，運用BIM、GIS、IOT等新型智能技術，構建起高效、科學、嚴謹、統一的應用管理系統已成為安全管控發展的必然。

2 工程項目安全管控系統基本構架

工程項目安全管控系統集成BIM、IOT、GIS技術，運用先進的信息網絡技術，對現場施工進行全過程監控，將工程項目中建筑、機械、人員、物料狀態等多種信息實時整合，遠程監管現場的施工組織進度、施工材料質量、施工作業安全規范等實際情況，實現及時發現，同步傳輸，有效整改，實時反饋。不僅可以提升我國建筑企業管理與信息化技術水平，還助力企業高效施工、科學管理[2]。

工程項目安全管控系統可以分為用戶層、應用層和數據服務層三個層級（見圖1）。利用BIM的數據信息作為基礎，疊加物聯網和地理信息的數據，實現對項目建設過程中各類資源的數據信息的記錄、提取、追蹤、同步，通過信息數據的傳輸、共享、利用、反饋，實現建設過程的全過程監控與管理。

圖1 工程項目安全管控系統架構圖

工程項目安全管控系統各層級具體功能如下：

（1）數據服務層：利用IOT技術與GIS技術對工程項目建筑信息進行分析，主要包括模型數據集成和管理、編程模型。數據集成功能主要是處理各種數據的分布性與異構性的問題。數據管理重點是對采集的數據實現有效的信息管理。編程模塊為數據分析提供便利手段。

（2）應用層：通過數據服務層的編程技術實現業務場景的具象功能，主要涉及對工程施工進行物料管控、質量驗收管理、時間管理、施工過程管理、安全教育管理和竣工歸檔管理等功能；在上述功能的基礎上，形成BIM模型與電子文檔間相互有序的鏈接，并利用模型漫游、二維平面圖以實現進度流程中對電子檔案的文字檢索、資料報審、竣工檢驗。

（3）用戶層：在整個系統的構建過程中，主要使用移動端、客戶端和網頁端等工具，對電子資源進行編輯、匯總、檢索和審核；同時利用BIM模型的基礎數據，包括構件信息、材料信息等為電子資料的報送提供大量的源數據，使電子資料填寫、內容計算等工作更為便捷[3]。

3 寧波奧體中心安全管控系統分析

3.1 項目概況

寧波奧體中心體育館坐落于寧波市江北區，是寧波市奧體中心“三館一園”中最大的單體場館，總建筑面積51 370.56 m2，是一座可容納13 000人的甲級大型體育場館，地上五層，建筑高度37.688 m[4]。該項目基于BIM+IOT+GIS的安全管控系統架構如圖2所示。

圖2 寧波奧體中心BIM+IOT+GIS組織架構圖

3.2 前期階段

3.2.1 BIM+IOT+GIS提高施工前期場地布置安全性

施工前期，利用Revit、Tekla、Rhino等軟件技術，建立寧波奧體中心三維信息模型，并運用場布軟件針對各階段的現場施工方案以及臨時場地的設計布置圖來對整個項目進行施工現場動態模擬，對施工現場進行安全合理的規劃。

在施工過程中，要考慮預制構件及施工材料堆放地點的合理性及運送和吊裝的安全性，便于項目施工人員對整個項目的全局掌控。根據材料清單，運用IOT技術，生成物料基本信息庫，其中包含收料員、供應商、數量、價格、型號等信息。完成對預制構件生產安裝過程的動態、智能管理工作，能大大提高工程的施工管理質量。GIS平臺與三維場布模型實時共聯，系統智能選擇各施工工序所需物料的最優分配路徑，合理地組織并安排臨時設施場地的統一搭建，以及建筑材料、機械設備、工具物品的統一堆放，使項目場地整體規劃的布置結構更加安全合理，避免施工材料堆放混亂侵害公共利益或帶來人員傷亡。

3.2.2 BIM5D+IOT降低物料使用與資金周轉風險

由于寧波奧體中心項目工程量大、工期緊，材料運用與資金使用計劃是工程實施方案的關鍵部分，直接影響工程的時間管理、成本管理，是實施把控、計劃調度的關鍵依據。利用管理人員的經驗粗略地編制施工進度計劃，采用BIM5D技術進行計劃精細合理化的施工模擬，將廣聯達軟件的算量模型、施工進度計劃在BIM5D中進行工作分解后，使模型、流水段和施工進度計劃三者關聯，最終生成物料使用計劃。關聯預算文件與BIM模型，管理分包人信息，將分包工作內容與構件關聯，則可顯示出施工成本支出計劃情況。在后續施工中，應將實際工程與虛擬結果進行對比分析，及時發現其中存在的偏差，通過BIM5D技術及IOT技術對工程財務數據進行詳細分析與匯總，并做出掙值分析，有效減少施工投資方對資金問題的想象，從而降低在施工中資金周轉等風險的出現，減少機器的損耗及材料的浪費。

3.3 施工階段

3.3.1 BIM+IOT+GIS保障機電系統施工安全

寧波奧體中心項目機電系統復雜，標高及交錯層落差大、凈空要求相對較高，系統管線須徑直穿過狹窄的施工走廊。為了減少施工中由于錯漏碰缺引起的管線孔洞預留問題，需做綜合計算分析并考慮其凈空要求、走廊寬度等，減少砌體二次破壞，避免施工過程中出現工程事故。需要利用三維計算機軟件將各專業施工圖信息集成起來，并生成一個整體的三維建筑信息模型。運用BIM的碰撞檢測功能，將不同專業設計中發生沖突的部位在模型中標記出來，利用RFID（射頻識別）系統對沖突位置進行信息定位，自動將標記點同步到安全管控系統的實景圖中，在施工前提醒專業人員及時將沖突修改完善，確保施工時各工程間互不干擾，保障工程施工質量和施工人員安全（見圖3）。

3.3.2 BIM+IOT增強安全生產防控能力

在現場施工監管階段，綜合運用BIM、IOT這兩項信息化技術手段，提高施工現場的生產安全管理能力，確定安全合理的組織施工進度，支持有效可控的工程成本，提高工程項目的質量管理信息化水平。針對施工人員防護不到位，未系安全帶的工人在施工現場隨處可見等問題，BIM與IOT技術的綜合應用，可以切實提高各類設備的安全防控能力。安裝在施工作業人員安全帽、安全帶上的ID卡利用RFID系統可以在BIM中實現精確定位。一旦施工人員的設備使用情況明顯不符合有關規范，其ID卡與BIM管理系統中的相關定位信息將同時報警，管理者便能夠及時準確地定位各種隱患位置，采取有效防護措施，避免安全事故的發生。

3.4 運營維護階段

3.4.1 BIM+IOT+GIS高效防控救災

寧波奧體中心為大型體育場館，人流集中，對于突發狀況的應對能力要求較高。傳統突發狀況管理僅關注突發狀況下的救援，而采用了BIM+IOT+GIS安全管控系統后，對突發狀況的管理包括了防范、警報、應變與處理。BIM模型庫信息豐富、參數可依據實際情況設置與變更、數據翔實準確，且三維模型直觀可視，在災情預測、災情防范、突發警報和應變處理方面均能發揮巨大作用。首先，可以使用災難分析仿真軟件模擬建筑物可能遇到的各類災難的產生和發展過程，剖析災難產生的原因，從而提出避免或減少災難產生的對策。其次，定位災難發生的空間位置，分析模擬對應天氣、時點、材質、空間環境等條件下的災難蔓延態勢，據此提出各種人員撤離、救災支持的緊急預案。災難出現后，利用IOT技術將受災信號傳達給系統，通過GIS實時定位，采用可視化的方法把受災場景的信息提交給救援人員，使救援人員快速發現前往災難現場最合適的路徑，提高救援成效[5]。

3.4.2 IOT+GIS提高人員信息管理安全性

構建安全可靠的現場管控系統，需要利用IOT技術將處于監控下的現場施工人員、機械、物料等各種要素的信息通過傳感器聯系在一起，再通過GIS技術精確定位。將施工人員的個人身份信息進行統一集中記錄管理，確保各類信息資料與實際相符。本工程為勞務用工辦公室配備專業的勞務管理員進行用工管理，采用專業高效的電子實名制系統，從安全教育技能培訓到施工人員考勤記錄管理，每個環節均嚴格執行實名制，實現了項目建設過程所有現場人員活動情況的全程實時監控與定位，使整個工程項目的施工人員信息管理高效化、精確化，做到準確掌握施工人員進出工地軌跡，從而盡量避免過程中出現的種種異常情況[6]。

3.4.3 BIM+GIS提供安全智慧保障

運維階段主要運用BIM+GIS完成工程竣工模型交付、維修規劃、資產管控、災難應對等（見圖4）。安全管控系統在運維階段的典型運用，在于整合了各類物聯網設施，包括安防、一卡通、樓宇自控、電力、消防控制、能耗及環保管理系統、停車庫等，系統支持BIM建設的所有固定資產管理部件實現顯隱檢索，并設置關鍵詞模糊查詢、分類定位查詢等功能，通過數據可視化，輔助管理者分析與決策。

圖4 安全管控系統應用規劃

4 結語

BIM+IOT+GIS技術的深入應用，在項目的成本管控、質量安全管理、進度管理等方面可以取得顯著成效，不僅有利于建設方和施工方控制造價、把握質量、降低安全風險，也有利于使用方全面管理與維護，乃至應對各種突發災難。但現階段，工程項目的安全綜合管控系統還缺少全國統一的技術標準，工程針對性和行業應用性相對于當前實際工程項目建設和現場工作應用而言，還存在較大的差距。

施工過程安全管控智能化是未來發展的必然趨勢，系統融合、各種技術的綜合應用，以及系統人工智能程度，都有待進一步提高和完善，建筑行業對工程項目管理智能化的重視和實踐還需要進一步加強，相信工程項目安全管控系統未來將會促進整個建筑業實現跨越式發展。