基于BIM+IOT+GIS的項(xiàng)目安全管控系統(tǒng)研究

楊思琪 倪燕翎 胡 進(jìn) 鄭 敏

（1.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院智慧建造中心,湖北 武漢 430205；2.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院法商學(xué)院,湖北 武漢 430205）

1 建設(shè)工程安全管理問題突出

建筑業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是一個(gè)高危行業(yè)。隨著時(shí)代發(fā)展，一方面建筑行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品性能的標(biāo)準(zhǔn)日益提高，另一方面隨著工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，施工工藝流程更加煩瑣復(fù)雜，導(dǎo)致安全管理工作難度越來越大。項(xiàng)目在施工過程中，往往面臨施工人員來源廣泛、組成復(fù)雜、安全意識(shí)不強(qiáng)，工程數(shù)據(jù)混亂，現(xiàn)場(chǎng)安全檢查效率低下，施工現(xiàn)場(chǎng)管理維護(hù)難度大等諸多難題[1]。當(dāng)前我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)正保持較高發(fā)展速度，如何在提高建筑工程安全管理效率、確保工程質(zhì)量的同時(shí)降低安全事故發(fā)生率，成為施工企業(yè)以及政府部門重點(diǎn)關(guān)注的問題。要解決這些問題，建設(shè)項(xiàng)目信息化管理無疑是目前最好的選擇，但由于我國(guó)信息化應(yīng)用起步較晚，BIM（建筑信息模型）、GIS（地理信息系統(tǒng)）、IOT（物聯(lián)網(wǎng)）等技術(shù)尚未全面普及，很多建筑工地現(xiàn)場(chǎng)管理方式依舊傳統(tǒng)、人工和單一。在此背景下，運(yùn)用BIM、GIS、IOT等新型智能技術(shù)，構(gòu)建起高效、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、統(tǒng)一的應(yīng)用管理系統(tǒng)已成為安全管控發(fā)展的必然。

2 工程項(xiàng)目安全管控系統(tǒng)基本構(gòu)架

工程項(xiàng)目安全管控系統(tǒng)集成BIM、IOT、GIS技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行全過程監(jiān)控，將工程項(xiàng)目中建筑、機(jī)械、人員、物料狀態(tài)等多種信息實(shí)時(shí)整合，遠(yuǎn)程監(jiān)管現(xiàn)場(chǎng)的施工組織進(jìn)度、施工材料質(zhì)量、施工作業(yè)安全規(guī)范等實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，同步傳輸，有效整改，實(shí)時(shí)反饋。不僅可以提升我國(guó)建筑企業(yè)管理與信息化技術(shù)水平，還助力企業(yè)高效施工、科學(xué)管理[2]。

工程項(xiàng)目安全管控系統(tǒng)可以分為用戶層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)服務(wù)層三個(gè)層級(jí)（見圖1）。利用BIM的數(shù)據(jù)信息作為基礎(chǔ)，疊加物聯(lián)網(wǎng)和地理信息的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目建設(shè)過程中各類資源的數(shù)據(jù)信息的記錄、提取、追蹤、同步，通過信息數(shù)據(jù)的傳輸、共享、利用、反饋，實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程的全過程監(jiān)控與管理。

圖1 工程項(xiàng)目安全管控系統(tǒng)架構(gòu)圖

工程項(xiàng)目安全管控系統(tǒng)各層級(jí)具體功能如下：

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)層：利用IOT技術(shù)與GIS技術(shù)對(duì)工程項(xiàng)目建筑信息進(jìn)行分析，主要包括模型數(shù)據(jù)集成和管理、編程模型。數(shù)據(jù)集成功能主要是處理各種數(shù)據(jù)的分布性與異構(gòu)性的問題。數(shù)據(jù)管理重點(diǎn)是對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)有效的信息管理。編程模塊為數(shù)據(jù)分析提供便利手段。

（2）應(yīng)用層：通過數(shù)據(jù)服務(wù)層的編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的具象功能，主要涉及對(duì)工程施工進(jìn)行物料管控、質(zhì)量驗(yàn)收管理、時(shí)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)進(jìn)度流程中對(duì)電子檔案的文字檢索、資料報(bào)審、竣工檢驗(yàn)。

（3）用戶層：在整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，主要使用移動(dòng)端、客戶端和網(wǎng)頁(yè)端等工具，對(duì)電子資源進(jìn)行編輯、匯總、檢索和審核；同時(shí)利用BIM模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括構(gòu)件信息、材料信息等為電子資料的報(bào)送提供大量的源數(shù)據(jù)，使電子資料填寫、內(nèi)容計(jì)算等工作更為便捷[3]。

3 寧波奧體中心安全管控系統(tǒng)分析

3.1 項(xiàng)目概況

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

圖2 寧波奧體中心BIM+IOT+GIS組織架構(gòu)圖

3.2 前期階段

3.2.1 BIM+IOT+GIS提高施工前期場(chǎng)地布置安全性

施工前期，利用Revit、Tekla、Rhino等軟件技術(shù)，建立寧波奧體中心三維信息模型，并運(yùn)用場(chǎng)布軟件針對(duì)各階段的現(xiàn)場(chǎng)施工方案以及臨時(shí)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)布置圖來對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全合理的規(guī)劃。

在施工過程中，要考慮預(yù)制構(gòu)件及施工材料堆放地點(diǎn)的合理性及運(yùn)送和吊裝的安全性，便于項(xiàng)目施工人員對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的全局掌控。根據(jù)材料清單，運(yùn)用IOT技術(shù)，生成物料基本信息庫(kù)，其中包含收料員、供應(yīng)商、數(shù)量、價(jià)格、型號(hào)等信息。完成對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)安裝過程的動(dòng)態(tài)、智能管理工作，能大大提高工程的施工管理質(zhì)量。GIS平臺(tái)與三維場(chǎng)布模型實(shí)時(shí)共聯(lián)，系統(tǒng)智能選擇各施工工序所需物料的最優(yōu)分配路徑，合理地組織并安排臨時(shí)設(shè)施場(chǎng)地的統(tǒng)一搭建，以及建筑材料、機(jī)械設(shè)備、工具物品的統(tǒng)一堆放，使項(xiàng)目場(chǎng)地整體規(guī)劃的布置結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)

由于寧波奧體中心項(xiàng)目工程量大、工期緊，材料運(yùn)用與資金使用計(jì)劃是工程實(shí)施方案的關(guān)鍵部分，直接影響工程的時(shí)間管理、成本管理，是實(shí)施把控、計(jì)劃調(diào)度的關(guān)鍵依據(jù)。利用管理人員的經(jīng)驗(yàn)粗略地編制施工進(jìn)度計(jì)劃，采用BIM5D技術(shù)進(jìn)行計(jì)劃精細(xì)合理化的施工模擬，將廣聯(lián)達(dá)軟件的算量模型、施工進(jìn)度計(jì)劃在BIM5D中進(jìn)行工作分解后，使模型、流水段和施工進(jìn)度計(jì)劃三者關(guān)聯(lián)，最終生成物料使用計(jì)劃。關(guān)聯(lián)預(yù)算文件與BIM模型，管理分包人信息，將分包工作內(nèi)容與構(gòu)件關(guān)聯(lián)，則可顯示出施工成本支出計(jì)劃情況。在后續(xù)施工中，應(yīng)將實(shí)際工程與虛擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的偏差，通過BIM5D技術(shù)及IOT技術(shù)對(duì)工程財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析與匯總，并做出掙值分析，有效減少施工投資方對(duì)資金問題的想象，從而降低在施工中資金周轉(zhuǎn)等風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)，減少機(jī)器的損耗及材料的浪費(fèi)。

3.3 施工階段

3.3.1 BIM+IOT+GIS保障機(jī)電系統(tǒng)施工安全

寧波奧體中心項(xiàng)目機(jī)電系統(tǒng)復(fù)雜，標(biāo)高及交錯(cuò)層落差大、凈空要求相對(duì)較高，系統(tǒng)管線須徑直穿過狹窄的施工走廊。為了減少施工中由于錯(cuò)漏碰缺引起的管線孔洞預(yù)留問題，需做綜合計(jì)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(xiàn)工程事故。需要利用三維計(jì)算機(jī)軟件將各專業(yè)施工圖信息集成起來，并生成一個(gè)整體的三維建筑信息模型。運(yùn)用BIM的碰撞檢測(cè)功能，將不同專業(yè)設(shè)計(jì)中發(fā)生沖突的部位在模型中標(biāo)記出來，利用RFID（射頻識(shí)別）系統(tǒng)對(duì)沖突位置進(jìn)行信息定位，自動(dòng)將標(biāo)記點(diǎn)同步到安全管控系統(tǒng)的實(shí)景圖中，在施工前提醒專業(yè)人員及時(shí)將沖突修改完善，確保施工時(shí)各工程間互不干擾，保障工程施工質(zhì)量和施工人員安全（見圖3）。

3.3.2 BIM+IOT增強(qiáng)安全生產(chǎn)防控能力

在現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)管階段，綜合運(yùn)用BIM、IOT這兩項(xiàng)信息化技術(shù)手段，提高施工現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)安全管理能力，確定安全合理的組織施工進(jìn)度，支持有效可控的工程成本，提高工程項(xiàng)目的質(zhì)量管理信息化水平。針對(duì)施工人員防護(hù)不到位，未系安全帶的工人在施工現(xiàn)場(chǎng)隨處可見等問題，BIM與IOT技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以切實(shí)提高各類設(shè)備的安全防控能力。安裝在施工作業(yè)人員安全帽、安全帶上的ID卡利用RFID系統(tǒng)可以在BIM中實(shí)現(xiàn)精確定位。一旦施工人員的設(shè)備使用情況明顯不符合有關(guān)規(guī)范，其ID卡與BIM管理系統(tǒng)中的相關(guān)定位信息將同時(shí)報(bào)警，管理者便能夠及時(shí)準(zhǔn)確地定位各種隱患位置，采取有效防護(hù)措施，避免安全事故的發(fā)生。

3.4 運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段

3.4.1 BIM+IOT+GIS高效防控救災(zāi)

寧波奧體中心為大型體育場(chǎng)館，人流集中，對(duì)于突發(fā)狀況的應(yīng)對(duì)能力要求較高。傳統(tǒng)突發(fā)狀況管理僅關(guān)注突發(fā)狀況下的救援，而采用了BIM+IOT+GIS安全管控系統(tǒng)后，對(duì)突發(fā)狀況的管理包括了防范、警報(bào)、應(yīng)變與處理。BIM模型庫(kù)信息豐富、參數(shù)可依據(jù)實(shí)際情況設(shè)置與變更、數(shù)據(jù)翔實(shí)準(zhǔn)確，且三維模型直觀可視，在災(zāi)情預(yù)測(cè)、災(zāi)情防范、突發(fā)警報(bào)和應(yīng)變處理方面均能發(fā)揮巨大作用。首先，可以使用災(zāi)難分析仿真軟件模擬建筑物可能遇到的各類災(zāi)難的產(chǎn)生和發(fā)展過程，剖析災(zāi)難產(chǎn)生的原因，從而提出避免或減少災(zāi)難產(chǎn)生的對(duì)策。其次，定位災(zāi)難發(fā)生的空間位置，分析模擬對(duì)應(yīng)天氣、時(shí)點(diǎn)、材質(zhì)、空間環(huán)境等條件下的災(zāi)難蔓延態(tài)勢(shì)，據(jù)此提出各種人員撤離、救災(zāi)支持的緊急預(yù)案。災(zāi)難出現(xiàn)后，利用IOT技術(shù)將受災(zāi)信號(hào)傳達(dá)給系統(tǒng)，通過GIS實(shí)時(shí)定位，采用可視化的方法把受災(zāi)場(chǎng)景的信息提交給救援人員，使救援人員快速發(fā)現(xiàn)前往災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)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(gòu)建安全可靠的現(xiàn)場(chǎng)管控系統(tǒng)，需要利用IOT技術(shù)將處于監(jiān)控下的現(xiàn)場(chǎng)施工人員、機(jī)械、物料等各種要素的信息通過傳感器聯(lián)系在一起，再通過GIS技術(shù)精確定位。將施工人員的個(gè)人身份信息進(jìn)行統(tǒng)一集中記錄管理，確保各類信息資料與實(shí)際相符。本工程為勞務(wù)用工辦公室配備專業(yè)的勞務(wù)管理員進(jìn)行用工管理，采用專業(yè)高效的電子實(shí)名制系統(tǒng)，從安全教育技能培訓(xùn)到施工人員考勤記錄管理，每個(gè)環(huán)節(jié)均嚴(yán)格執(zhí)行實(shí)名制，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目建設(shè)過程所有現(xiàn)場(chǎng)人員活動(dòng)情況的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控與定位，使整個(gè)工程項(xiàng)目的施工人員信息管理高效化、精確化，做到準(zhǔn)確掌握施工人員進(jìn)出工地軌跡，從而盡量避免過程中出現(xiàn)的種種異常情況[6]。

3.4.3 BIM+GIS提供安全智慧保障

運(yùn)維階段主要運(yùn)用BIM+GIS完成工程竣工模型交付、維修規(guī)劃、資產(chǎn)管控、災(zāi)難應(yīng)對(duì)等（見圖4）。安全管控系統(tǒng)在運(yùn)維階段的典型運(yùn)用，在于整合了各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，包括安防、一卡通、樓宇自控、電力、消防控制、能耗及環(huán)保管理系統(tǒng)、停車庫(kù)等，系統(tǒng)支持BIM建設(shè)的所有固定資產(chǎn)管理部件實(shí)現(xiàn)顯隱檢索，并設(shè)置關(guān)鍵詞模糊查詢、分類定位查詢等功能，通過數(shù)據(jù)可視化，輔助管理者分析與決策。

圖4 安全管控系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)劃

4 結(jié)語(yǔ)

BIM+IOT+GIS技術(shù)的深入應(yīng)用，在項(xiàng)目的成本管控、質(zhì)量安全管理、進(jìn)度管理等方面可以取得顯著成效，不僅有利于建設(shè)方和施工方控制造價(jià)、把握質(zhì)量、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，也有利于使用方全面管理與維護(hù)，乃至應(yīng)對(duì)各種突發(fā)災(zāi)難。但現(xiàn)階段，工程項(xiàng)目的安全綜合管控系統(tǒng)還缺少全國(guó)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，工程針對(duì)性和行業(yè)應(yīng)用性相對(duì)于當(dāng)前實(shí)際工程項(xiàng)目建設(shè)和現(xiàn)場(chǎng)工作應(yīng)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(fā)展的必然趨勢(shì)，系統(tǒng)融合、各種技術(shù)的綜合應(yīng)用，以及系統(tǒng)人工智能程度，都有待進(jìn)一步提高和完善，建筑行業(yè)對(duì)工程項(xiàng)目管理智能化的重視和實(shí)踐還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，相信工程項(xiàng)目安全管控系統(tǒng)未來將會(huì)促進(jìn)整個(gè)建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。