基于 BIM 技術的 PC 構件施工安全管理應用

黃 瑞，趙小明，楊智明，杜曉英，陳 斌，丁亞飛

（甘肅第六建設集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

國家近年來大力發展裝配式建筑，推動科技創新發展，不僅大力發展裝配式建筑，而且也在不斷提高裝配率。裝配式建筑具有一定的難點，存在大量安全管理問題，BIM 技術能夠促進建筑施工方面的不斷發展，裝配式建筑與傳統建筑相比對科技信息需求更為迫切，基于 BIM 技術的 PC 構件施工安全管理應用，是目前急于要解決的問題。

本文以裝配式建筑產業園項目為例，提出基于 BIM 技術的 PC 構件施工安全管理存在的問題，并對裝配式建筑的特點及施工安全管理等各個方面進行了分析及論證，為裝配式建筑施工安全管理提供解決方法。

1 建筑施工安全管理理論

1.1 施工安全管理理念

施工現場安全管理依托于先進的管理方式對現場施工進行管理，通過管理能及時掌握并了解施工過程各種不良危害，最終可消除施工過程不安全因素，減少安全施工發生，達到施工過程安全目的。安全管控為宏觀管控及微觀管控。宏觀管控依據政策法規、政策文件對施工項目進行安全管理；微觀管控基于各參與方，即建設單位、施工單位、監理及設計單位等對施工項目進行安全管理。施工項目根據自身復雜程度決定了其有流動性、復雜性及非常規等特性。

1.2 安全管理原理

1）系統原理。根據系統理論等因素對施工安全管理進行全面分析，即有安全管理、成本管理、進度管理及質量管理。

2）人本原理。人既是安全管控主體，也是安全管控客體、基于安全管理的原則，要積極發揮人在施工現場的主觀能動性。

3）預防預控原理。施工現場的安全管理更加側重于預防預控的原則，通過采取相應的預防措施，事前事中采用相應技術措施，能都最大限度地規避事故的發生。

4）動態控制原理。根據施工現場人員的流動及施工環境的變化及時調整各類施工安全管理方案，能夠確保施工項目的順利實施。

5）強制原則。依據強制執行力，嚴格管控施工現場作業人員行為，避免施工過程中不安全行為的發生。

6）安全經濟學風險。投入施工安全管理資金，能夠使得施工項目獲取更多的收益。

1.3 安全管理過程及危險源識別

施工過程是動態的，施工安全管理也基于動態管理。依托項目實際施工情況，確保施工項目安全目標，合理規劃周邊情況，合理劃分區域，確定材料的最佳堆放位置。施工相關政策改變，及時評價施工過程中重大風險因素，持續改進以達施工安全管理目標［1-8］。

2 裝配式混凝土（PC）建筑

2.1 PC 建筑概念

裝配式建筑是利用工廠預制的部品部件組裝而成的建筑物，裝配式混凝土建筑大部分構件是由混凝土構件組成的。

2.2 PC 建筑特點

與傳統建筑相比，裝配式建筑施工工藝具有一定的先進性，基于環境因素具有下列的特點。

1）現場施工構件主要采用工廠預制化，構件精度要求高，機械化程度高，現場濕作業少，具有施工速度快，生產率高等優點。

2）設計標準化程度高，制作構件模具可多次重復使用，具有裝配式構件現場組裝噪音小、施工現場污染小及環境污染小等優點。

3）施工現場機械程度高，減少施工人員數量，且集成化程度高，施工現場物資損耗少，施工現場精細化程度高。

2.3 PC 建筑施工工藝流程

將工廠生產的預制構件養護后運輸到施工現場，通過施工現場裝配建造而成，如圖 1 所示。

圖1 PC 建筑施工工藝流程

3 基于 BIM 技術的 PC 建筑安全管理

3.1 PC 建筑安全管理問題提出

PC 建筑的施工安全不僅具有傳統施工安全特點，也有施工過程中的其他特點。結合 PC 建筑施工工藝流程，其特點如下。

1）裝配式構件涉及現場堆放及運輸問題，這個過程的施工安全管理尤為重要，也是重點與難點。

2）構件重量大、體積大，選擇垂直運輸工具尤為重要，吊裝前需嚴格審查，確保塔吊起重滿足合理要求，塔吊施工處于安全穩定的狀態。

3）PC 建筑采用現場拼裝，濕作業少，施工人員數量較傳統人員少，方便人員管理。

3.2 基于 BIM 技術的 PC 建筑安全管理適用性分析

3.2.1 經濟適用性

基于 BIM 技術的應用，不僅需要配置軟件及硬件設備，而且需要儲備專業技術人員。國內 BIM 軟件所提供的 BIM 軟件服務費高，需高配置的電腦來運行 BIM 軟件。

3.2.2 環境適用性

裝配式建筑與 BIM 技術基于工業與信息化應用的研究，一方面結合目前國家的政策要求，符合現行我國政策要求，另一方面裝配式建筑符合“四節一環保”建筑理念，兩者結合應用后在環境保護方面具有技術可行性。

3.3 基于 BIM 技術的 PC 建筑安全管理模型

3.3.1 安全管理模型設計原則

1）動態性。施工現場環境復雜多變，為保證施工安全管理有效性，需及時掌握施工現場各種復雜多變的情況，這些信息在系統中動態體現。

2）準確性。準確完整的數據信息是保證施工安全管理工作的準確性及高質量發展的首要條件，基于 BIM 技術的模型建立，是保證施工安全管理準確性的必要條件。

3）模塊化。根據建筑施工安全管理模型，將部件管理對象和功能進行分區，按照施工項目具體內容要求，施工安全管理應用模塊既互相聯系又互相獨立。

3.3.2 基于 BIM 技術的 PC 建筑安全管理模型

為了能夠基于 BIM 技術對 PC 構件施工安全管理進行信息化管理，通過建筑施工安全管理原則，對 PC 建筑施工安全管理特點及 PC 建筑施工安全管理問題等方面進行闡述，建立了基于 BIM 技術的 PC 構件施工安全管理模型，如圖 2 所示。

圖2 基于 BIM 的 PC 建筑安全管理模型

3.4 基于 BIM 的 PC 建筑安全管理模型應用

3.4.1 基于 BIM 技術的參數化建模

為實現基于 BIM 技術的 PC 構件施工安全管理，首要任務是建立 BIM 模型。基于 BIM 模型的施工安全標準化管理，不單純在施工階段才使用，各階段信息息息相關，各施工參與方構成施工項目整體，通過整體角度考慮施工項目管理，最終使得施工安全管理更加完善。

3.4.2 施工階段基于 BIM 技術模型應用

施工企業能夠基于模型平臺獲取相應信息，施工模型包括進度、成本、資源及安全等，不僅可以減少模型建立成本，還可使設計和施工階段信息共享，最終達到不斷深化設計的目的。

3.4.3 基于 BIM 的 PC 建筑不安全因素識別

施工項目的安全管理是以建筑物安全識別、確定及衡量施工安全影響因素為基礎，制定、選擇和實施施工安全決策方案過程，堅持了“預防為主”的思想，辨識出施工作業危險因素，采取針對性的安全防范措施，確保施工項目管理人員安全。

4 項目概況

4.1 工程概況

本工程為天水裝配式建筑產業園一期建設項目，工程主要分為兩部分，辦公區及食堂。主要有兩部分工作，一是根據構件深化設計圖紙，建立不同類型的裝配式構件，建立 BIM 模型；二是提出施工安全管理模型，對模型進行應用實施。

4.2 應用流程

首先通過定位目標確定 BIM 應用范圍，縮短工期，提高生產效率，減少施工現場安全事故的發生。基于 BIM 技術的 PC 構件對施工過程中的安全隱患進行動態識別，及時調整施工方案，最終力求解決 PC 構件建筑施工安全管理方面的問題。

首先依據拆分后的施工詳圖建立各類裝配式構件的三維模型，主要包括 PC 構件的幾何信息及非幾何信息，然后通過預制構件拼裝 PC 構件模型，最后根據完成的 PC 建筑 BIM 模型，融入施工進度模型，從而實現虛擬施工。通過模擬能夠識別出施工現場潛在的各類危險因素，避免施工現場安全事故的發生，如圖 3 所示。

圖3 BIM應用流程

4.3 BIM 建模

4.3.1 工具選擇

基于 BIM 軟件操作平臺，在 Revit 中建立復雜的參數化構件，如表 1 所示。

表1 項目 BIM 軟件配置

4.3.2 BIM 參數化建模

PC 構件需進行拼裝，要依據深化設計圖紙并建立 PC 構件 BIM 模型。BIM 模型中包含的預制構件數量多，信息量大。本文以現有國家標準圖集為基礎，總結出一套裝配式構件建模標準，基于此標準建立相應模型，確保 BIM 模型中構件的有效識別與管理，從而保證裝配式建筑 BIM 模型的規范性，如圖 4～圖 5 所示。

圖4 預制外墻三維模型和參數信息

圖5 整體 BIM 模型

4.4 基于 BIM 的 PC 建筑施工安全管理應用

4.4.1 施工場地模擬

本工程采用裝配式混凝土結構，PC 構件量多類廣，施工現場 PC 構件需車輛進行運輸，大型設備設施較多，如若不能合理進行規劃，會造成施工安全事故的發生。依據 BIM 的三維模式充分展示了施工現場，充分考慮各種施工因素并結合施工方案進行施工現場的 PC 構件堆放區、施工機械停放區等的布設，如圖 6 所示。

圖6 PC 建筑施工場地模擬示意圖

4.4.2 施工動態模擬

施工過程復雜多變，傳統的橫道圖及網絡圖不能清晰描繪出施工進度全部過程，更不易表達動態關系。PC 構件施工現場布置緊密，交叉作業多，構件進場堆放問題顯得尤為重要，二維施工布置圖紙不能指導復雜施工現場施工，因此基于 BIM 技術對 PC 建筑進行動態施工模擬能夠讓現場施工作業人員把握好施工作業計劃，優化施工資源。如圖 7～圖 10 所示。

圖7 PC 建筑施工動態模擬技術路線

圖8 施工模擬示意圖

圖9 預制構件運輸至現場模擬

圖10 預制外墻吊裝模擬

4.4.3 可視化交底

BIM 技術具有可視化特點，建筑外部虛擬施工可明確危險源類型及位置，現場施工人員能夠更好接受直觀的技術交底與安全交底。在內部漫游過程中，隨著現場人員的行走，可清晰觀察到電梯井部位置及疊合板位置。基于 BIM 技術的可視化安全培訓工作，通過內部漫游形式將培訓工作全面落到實處，利用場景仿真技術，依據施工安全策略及施工安全細則，在能夠強化安全培訓效果、提升培訓效率的同時，還能減少時間及資金方面浪費，如圖 11 所示。

圖11 電梯井部位漫游示意圖

4.4.4 臨邊、洞口防墜落保護

裝配式建筑標準化程度高，高度通常達幾十米，需施工人員在高處作業。施工現場有大量預留洞口，作業邊緣如若沒有維護設施，高處作業會發生物體打擊等安全事故。運用基于 BIM 虛擬施工技術，借助漫游手段，能夠快速準確找到施工過程中不同部位墜落安全隱患。建立臨邊洞口防護模型，形成防墜保護系統，為施工現場作業人員提供可視化管理平臺，利用施工進度模擬，依據進度對防護欄桿進行安裝、拆除，最終達到節約成本和循環使用的目的，如圖 12～圖 13 所示。

圖12 臨邊洞口防護設施示意圖一

圖13 臨邊洞口防護設施示意圖二

4.4.5 塔吊施工安全管理

裝配式建筑施工中構件需現場拼裝，塔吊是最為重要的工具。PC 構件體積大，不能很好地完成預制構件的拆除工作。本工程需多臺塔吊同時作業，工作過程中存在交叉現象，有效管理塔吊工作是施工安全管控的第一保證。塔吊間距、與建筑物距離、回轉半徑及作業區域都應做好詳細規劃，因此確定塔吊安全位置、合理作業區域及高度變得更加重要。優化后的塔吊施工方案不但滿足施工現場及裝配式建筑施工精度要求，而且降低施工塔吊安全風險，避免塔吊發生碰撞，如圖 14 所示。

圖14 塔吊運行模擬圖

4.5 應用效果評價

本工程基于 BIM 技術實現 PC 構件五大方面施工安全管理，共有兩部分，一是直接基于 BIM 技術的施工安全管理，二是基于 BIM 技術識別施工中的不安全因素，采取相應措施實現安全施工管理。可視化交底和臨邊洞口的防墜落保護是第一種情況，施工過程模擬、施工現場模擬及塔吊避免交叉作業是第二種情況。本文通過案例分析，說明基于 BIM 技術的 PC 構件施工安全管理具有一定的優勢：通過 BIM 可視化特點，模擬分析中及時發現不安全因素，能夠快速將施工項目中未設置封閉擋墻、構件堆放不合理等不安全因素識別出來，基于 BIM 技術的施工動態模擬識別出未采取臨邊防護措施、多塔之間互相作業等不安全因素。虛擬施工技術能夠及時發現施工現場不安全因素，做好施工風險規避，增強施工安全管理的事前控制效果；其次 BIM 可視化交底可提高施工安全技術交底的直觀性及有效性，BIM 技術能夠有效解決施工吊裝中操作不當、施工作業人員素質低、高空圍擋不到位等施工現場安全問題，對施工難度大、工序要求高等問題，能夠借助動態漫游和施工工藝的方式，形象直觀將操作場景展現于施工作業人員面前，基于 BIM 技術的 PC 構件施工安全管理可以解決溝通不到位問題，提高各方協同效率。

5 結論

本文從裝配式建筑特點和傳統建筑施工安全管理方面進行探討及分析，提出裝配式建筑施工安全管理等方面存在的問題，建立了相關裝配式建筑施工安全管理模型，通過現場實際案例驗證模型的可行性，主要成果如下。

1）基于裝配式建筑特點和裝配式建筑施工安全管理理論，提出目前我國裝配式建筑在施工安全管理方面所存在的問題。

2）基于不同施工階段的不安全因素進行分類，通過對比傳統建筑施工不安全因素，更加凸顯了基于 BIM 技術來模擬施工現場不安全因素的優越性。

3）結合裝配式 PC 構件施工安全管理的特點，建立基于 BIM 技術的 PC 構件施工安全管理的模型框架，為施工安全管理提供參考依據。

4）結合實際項目進行分析，研究基于 BIM 技術解決 PC 構件施工安全管理在施工現場布置、虛擬施工、臨邊洞口防護、塔吊防碰撞等安全管理方面的應用，驗證基于 BIM 的 PC 構件施工安全管理框架模型可行性及適用性，以期對 PC 建筑施工安全管理提供一定理論及實踐意義。Q