BIM技術在水利工程施工現場安全管理中的應用

蔡旭光

廣東省水利水電建設有限公司 廣東 廣州 510635

引言

水利工程施工區域一般地質條件復雜，受氣候條件影響較大，施工人員職業素質不高，安全意識相對淡薄，這些增加了施工現場安全管理的難度[1]。針對水利工程安全生產中存在的問題，要想有效保證施工建設安全，BIM技術可以發揮重要作用，這是基于其可視化、協調性、模擬性、優化性的技術特征[2]。有鑒于此，本文對BIM技術在水利工程施工現場安全管理中的應用進行了探討。

1 水利工程施工現場危險源的識別

1.1 危險源識別的必要性

水利工程施工規模較大，參與單位多，施工場地多為敞開式，施工區域相對分散，安全隱患多，整體管理難度大，要加強施工現場安全管理，必須加強危險源尤其是重大危險源的識別，因為只有識別了危險源，才能有針對性地提出安全控制措施，實現降低事故發生率的目標[3]。

1.2 危險源釋義

危險源是可能導致人員傷亡、物體損壞的潛在不安全因素，其特征如下：一是潛在危害性。危險源一旦爆發就可能帶來人員損害、財產損失、環境破壞等危害性后果。二是其存在具有一定條件，包括物質的存儲條件、設備的防護條件、人員的控制管理條件等，它們是危險源爆發的約束條件和存在狀態。三是觸發因素。危險源是潛在的危險性，只有當其被觸發并引起事故，才成為真正的安全事故。

1.3 水利工程施工現場的危險源

依據《企業職工傷亡事故分類》（GB/T 6441-1986）第2章《事故類別》，危險源可以分為物體打擊、車輛傷害、機械傷害、起重傷害、觸電、淹溺、灼燙、火災、高處墜落、坍塌等20類。目前，水利工程現場施工中存在的危險源主要有：①火災或爆炸性危險源，例如壓力容器、炸藥庫、油庫等，在運輸、存儲、使用過程中可能發生爆炸。②高處墜落或物體打擊性危險源，例如起重設備、承重排架、棧橋等。③坍塌性危險源，例如高邊坡、基坑開挖等。④中毒性危險源，主要發生在施工人員居住區。⑤自然災害，例如臺風、龍卷風、雷暴天氣等。

1.4 事故觸發機制

危險源演變為事故的背后是人、物、環境三重因素共同作用的結果。首先，物的各種不安全狀態成為事故發生的各個危險源。其次，人的不安全行為和環境因素形成一個個觸發因素。而安全管理的任務是識別各種危險源，并制定相應的安全防控措施。如果成功識別危險源并進行有效防控，事故發生條件就會失效，否則事故就可能發生。

1.5 危險源識別方法

識別危險源大致可分為經驗法和系統分析法。經驗法是基于以往安全管理經驗和可供借鑒的危險源案例進行識別，前者稱為直接經驗法，后者稱為類比法。系統分析法是利用系統安全理論進行識別，例如安全檢查表法、事故樹分析法、預先危險性分析法、事件樹分析法等。

1.6 BIM技術在水利工程施工現場危險源識別中的應用

第一，利用Oracle、SQL Server、Access等數據庫軟件建立危險源識別信息數據庫。首先，整合水利工程施工相關規范，例如《建筑施工高處作業安全技術規范》《施工現場臨時用電安全技術規范》《建筑機械使用安全技術規程》《建設工程施工現場消防安全技術規范》《建筑邊坡工程技術規范》等，目的是在危險源識別時與規范對比，可以及早發現安全管理中存在的問題。其次，整合水利工程危險源評價數據。利用LEC評價法（即作業條件危險性評價法）對各種危險源進行評級，例如臨邊護欄高度低于1.2m且無密目網遮擋，L=3，E=2，C=7，D=42（L為事故發生可能性，E為人員暴露頻繁程度，C為事故后果嚴重程度，D為風險值），等級為一般。最后，確立危險源標準參數和防控信息庫，在危險源識別時通過與標準參數對比，確認危險源的同時明確相關安全對策。

第二，構建危險源識別系統模塊，包括信息采集與模擬、信息交互兩大模塊，前者在BIM模型基礎上可利用VR（虛擬現實）技術模擬各種危險源引發的事故場景，后者便于信息共享。將BIM模型導入到Navisworks中，利用沖突與碰撞檢查可以發現并標記危險源。還可以將BIM模型導入到FUZOR（VR平臺）中分析和標注危險源。

第三，識別危險源的方法。首先，根據相關軟件操作方式在危險源識別信息數據庫與Navisworks模型之間建立鏈接，以實現數據庫與模型對接。然后，模擬水利工程現場施工各工序，根據數據庫存儲的危險源相關信息判別各工序中潛在的危險源。遍歷數據庫中所有危險源數據，選出匹配的危險源，逐一對比分析，直至找出所有危險源。利用FUZOR平臺可以模擬事故場景和展現危險源危害性，通過對模型設置二維碼可以更加方便地獲取危險源信息。

2 水利工程現場施工安全檢查

2.1 安全檢查現狀

經過多年實踐，關于水利工程施工建設的安全標準、指導原則、實踐經驗已極為豐富，能為任一種施工建立安全檢查流程，例如施工排架拆除作業控制檢查流程、高邊坡開挖作業控制檢查流程等，然而這些流程在實踐中應用并不方便，因為它只是停留在紙質規則文件上，雖然展示了各參與方職責和任務要求，但并不方便各方相互交流，由于溝通不到位或各方理解不一，存在難以洞察的漏洞，現場施工中也無法避免安全隱患的出現。

2.2 BIM技術用于安全檢查的優勢

BIM技術具有的施工可視化、參數化、協調化、動態化的優點，讓現階段水利工程安全檢查難題迎刃而解，結合三維信息模型，建立基于安全規則標準的檢查系統，可以實現施工全過程監控，動態檢查施工安全問題，并以交互方式提供解決方案，幫助安全管理人員更科學地規劃施工任務和規避安全風險。

2.3 BIM技術在水利工程施工現場安全檢查中的應用

建立基于BIM技術的安全檢查系統分為以下幾個步驟：

第一，映射安全規則標準，即將當前已存在的安全檢查相關的規則標準文件映射為系統可讀形式。規則標準的應用適用條件包括標準應用背景、適用屬性兩方面。應用背景用于識別施工對象，例如施工排架拆除或高邊坡開挖施工。適用屬性用于安全檢查的關鍵參數，例如開挖口所處位置、長寬尺寸等。將現有的安全檢查表重新整理成系統可讀的參數化形式，例如高處作業面和通道需設置安全護欄或懸掛安全網，整合之后“對象”為高處作業面和通道；條件①：臨水——設置不低于1.2m安全護欄的防護措施；條件②：臨空——懸掛安全網的防護措施。

第二，建立基于對象的模型。為實現系統自動檢查的目的，需要包含多種信息的模型，該模型比常規三維模型更嚴格，除了對象名稱、類別、屬性以外，還包括識別號、日期、創建者姓名、空間關系等信息，并且實時更新。

第三，執行自動安全檢查。建立了可供系統使用規則標準集和基于對象的模型以后，系統通過對象名稱、類別、屬性等信息，對照規則標準進行自動檢查。檢查方式分為兩種情況：一是根據系統默認設置應用安全解決方案；二是提供可能的解決方案。對于后一種情況，系統會比較所有可能的方案，然后選擇一個最佳方案。

第四，生成安全檢查報告。系統可生成兩種形式的報告，其一為可視化安全防護設備，其二是安全檢查表。后者包含模型對象信息、解決方案信息、防護設備清單等。

第五，提出安全措施。為方便決策者做出更好決策，系統會針對安全檢查結果提供相應的糾正措施，以方便任務調度和工作安排。

3 水利工程現場施工安全風險的預警

3.1 BIM技術用于施工安全風險預警的意義

施工安全風險是施工中可能發生事故導致人身傷害、財產損失的可能性，在安全風險成為事故前預警，可以及時采取措施避免事故的發生。然而水利工程往往施工組織復雜，安全管理難度大，傳統安全風險評估預警方法存在種種不足。例如層次分析法（AHP）可針對多個評價指標自適應分配，但其預測環境適應度不好。再如通過理論與實證結合建立預警模型，但其預測可靠性不高。應用BIM技術對施工安全風險進行預測評價可靠，準確度較高，對于提高水利工程施工安全風險控制能力具有重要意義[4]。

3.2 創建基于BIM技術的施工安全風險預警模型

第一，采用Revit創建三維BIM模型。創建規則模型可以直接從Revit族庫中選擇同型構件，調整修改族屬性參數即可。創建不規則構件模型可使用體量族方式。

第二，設置參數。模型創建后，賦予相關信息，如施工單位、開始/結束時間。針對施工安全風險預警信息，應在施工設計初期創建。以樁基礎工程為例，按施工工序分為樁基施工和樁帽施工兩道工序，運用Revit軟件劃分為兩個施工階段，分別評估施工安全風險。首先，從模型中提取施工信息并生成明細表。然后進行仿真模擬，將模型導入Navisworks軟件進行全方位觀察和試驗。通過仿真試驗，確定樁基施工和樁帽施工的風險等級，并采取相應的處理措施。

第三，評估施工安全風險，可結合風險評估常用方法對施工安全風險進行評分，然后判斷安全等級，再提出風險接受準則。評價施工安全風險等級，可根據現行風險評價等級劃分原則及相關資料。

第四，風險預警。根據施工安全風險評估結果，將不同風險等級及防控措施以不同顏色展示，效果清晰而醒目，易為參建各方查閱和重視。

3.3 構建施工安全風險預警體系

第一，對工程系統進行分解。一般可按施工工序的先后順序分解，例如樁基礎工程先施工樁基，再施工樁帽；也可按工程分項、功能、要素等進行分解。使用分解樹或分解表表達工程系統分解后的情況。

第二，對風險事故進行分類。根據《企業職工傷亡事故分類》（GB/T 6441-1986）將風險事故進行分類，例如物體打擊、高處墜落、機械傷害、觸電等。

第三，識別施工安全風險。結合施工事故分類表，對水利工程施工中可能發生的風險事故進行歸類，作為制定控制安全風險方案的依據。

第四，建立施工安全風險評估指標體系。與常規風險評估方法依靠專家打分賦值不同，利用BIM技術可以根據客觀事實獲取精確信息。通過風險評估指標函數量化風險等級，據此計算風險評估指標參數。使用三維BIM模型評判工程規模、施工復雜程度和計算工程量。施工安全事故研究結果表明，事故發生概率與施工復雜程度相關，復雜程度越高，發生事故的概率越大，通過這一關系可以為各分項工程風險評估指標進行賦值。同時，施工安全風險與現場施工人員數量有關，參與施工的人數越多，發生安全事故的風險越大，所以在為風險評估指標賦值時還要加上施工人員數量因素。水利工程現場施工機具種類較多，其中不乏大型施工機械，而大型施工機械種類越多，發生安全事故的風險也越大，所以在對風險評估指標賦值時還要加上施工機械因素。在應用BIM模型過程中，可以直接提取相關機械信息。風險評估指標設置時，還應考慮單個構件的施工難度，因為單個構件施工難度越大，事故風險也越高。

第五，建立施工安全風險預警體系。建立過程包括參數設置、評估指標權重計算、風險評估和構建評估模型評判集。參數設置即為前述評估指標參數賦值。評估指標權重計算可采用AHP法。根據評估指標參數賦值及權重計算結果可計算風險評估值。評判集即對施工安全風險進行分級，例如重大事故、較大事故、一般事故等，據此可為施工安全風險進行分級。

第六，制定施工安全風險防控措施。根據施工安全風險評估結果，制定相應的防控措施。例如預防物體打擊就要求施工人員必須佩戴安全帽、遠離起重設備等。

第七，施工安全風險預警。在BIM模型中以不同顏色表達施工安全風險等級。選擇相應的構件可以查看信息反饋效果。還可以動態圖片或動畫視頻方式演示安全風險發生情況，結合事故預防措施，讓施工人員直觀了解施工安全風險，從而自覺遵守安全防護要求，降低事故發生率。

4 BIM技術在水利工程施工現場安全管理中的其他應用

4.1 施工圖檢驗

利用BIM技術的沖突檢查或碰撞檢測功能，分析不同專業施工圖有無沖突，從而對施工圖進行優化，加快施工圖會審效率。

4.2 安全交底

利用VR技術展示施工中可能遇到的各種安全風險及安全控制措施的作用，可以增強施工人員體驗效果，克服傳統安全交底不直觀、效果差的問題。

4.3 場地分析

水利工程場地規模大，現場地形、地貌、環境復雜，利用BIM技術并結合GIS（地理信息系統）分析施工場地對施工安全的影響，有利于提高施工組織設計的科學性。

4.4 現場學習和應急處理

在施工現場重要部位粘貼施工流程圖，圖示中關鍵節點附二維碼，當施工人員忘記安全要點或希望重溫相關細節時，利用手機掃碼即可獲得BIM技術制作的視頻材料。遇到緊急情況，施工人員不知如何處理時也可掃碼獲取相關信息。

5 結束語

BIM技術以其三維可視化、協調性、模擬性、動態優化性的優勢，可以在水利工程施工現場安全管理中發揮重要作用，但因BIM技術在我國推廣應用較晚，許多工程技術人員對其不夠熟悉，然而其具有的巨大價值值得關注和研究。