随着建筑业的蓬勃发展, 建筑结构形式及施工工序日益复杂, 给施工现场带来较多复杂的安全风险和隐患, 使施工现场的安全管理工作愈加难以管控, 导致建筑施工事故越来越多。2016年3月, 上海市虹口区某在建工地发生筒架爬模坠落事故, 造成4人死亡;2017年3月, 广州市某热力电厂工程发生操作平台坍塌事故, 造成9人死亡;2017年5月, 济南市某建筑工地发生坍塌事故, 造成6人死亡, 4人受伤。

大量研究发现风险事故发生的直接原因是危险源, 它是事故链的起端, 因此施工过程中安全管理工作主要是危险源的识别和控制措施体系的建立, 对现场危险源进行实时识别是施工现场安全管理的核心^[1];同时, 科学研究表明, 引起事故90%以上的原因是人的不安全行为。传统的危险源识别依据GB/T13861—2009《生产过程危险和有害因素分类与代码》和JGJ59—2011《建筑施工安全检查标准》, 但在进行危险源识别时, 仅考虑某一方面的因素, 忽视了施工现场的活动过程处在实时动态变化中, 不同的施工阶段在结构形式、工程部位、使用材料设备等方面具有较大的区别, 并且每个施工阶段存在的危险因素也各不相同^[2], 导致传统的危险源管理方法在危险源识别中存在较大的弊端, 失去了危险源识别的意义和价值, 而BIM技术的不断发展为施工现场安全管理提供新的解决方式。

BIM技术受到越来越多建筑从业者的关注, 众多专家学者对BIM技术在实际施工现场中的危险源管理进行了一定的研究。Chan-Sik Park等集合BIM技术、人员定位技术、增强现实技术 (AR) , 构建了基于BIM的三维可视化监管系统框架, 利用该框架实现对现场安全教育培训和人员安全管理, 有效改善了对施工现场人员安全影响因素的识别^[3];Yang Huanjia等结合BIM技术构建了设计和施工阶段风险识别体系^[4];Sijie Zhang等将BIM模型与实现安全检查规则进行集成, 实现自动分析和评价施工模型的安全缺陷, 并自动生成防止高空坠落事故的应对措施^[5];江帆基于BIM和RFID技术构建了建筑施工安全管理框架, 并借助C#编程自主研发了基于BIM-RFID的建筑施工安全管理系统, 并建立事故应急模型, 为安全管理提供了一种新的解决方式^[6];李钰等基于BIM和VR/AR技术、智能穿戴设备、物联网、RFID等新兴智能化技术, 探究地铁实际施工阶段施工方主体人员的安全行为, 构建信息化安全管理体系^[7];曹璐琳提出了基于BIM模型的施工安全影响因素识别方法, 将BIM安全信息、施工动态模拟等功能识别直观因素, 通过构建施工安全风险预控知识库以及利用C#编程, 自动识别判断提取出的BIM施工信息与知识库风险信息, 高效快捷地识别整个施工过程前期危险源^[8]。虽然众多专家学者对BIM技术应用到施工现场的实际安全管理进行了研究, 但对BIM技术的应用还主要集中在多维模型的建立、施工动态模拟、碰撞检查和可视化管理等方面, 在解决现场建筑施工安全管理详细、实时、可落地、规范性等方面仍有较大的不足和欠缺。

数据采集层也可称为感知层, 通过WSN (如RFID, Zig Bee和UWB) , GPS/GIS及激光扫描等技术, 实现对现场安全信息的实时自动化动态收集, 建筑工程施工现场安全相关信息包括危险源的位置、隐患阶段和危险状态等, 如人员安全信息、机械设备安全信息、模板支架安全信息、环境安全信息、主体结构安全信息等。利用定位和地理信息系统 (GPS和GIS) 精确测定和把握施工现场地质和周边地理环境实际情况;通过安装的传感器测定作业场所实时变化情况, 如利用RFID技术实时定位人员、特种机械设备位置信息;采用激光扫描检测实际作业环境的轮廓数据;应用网络传输技术回传上述各类实时数据信息并集成到BIM场部模型中, 从而实现BIM模型与现场实时工作环境的交互。

郭红领等使用RFID技术实现了现场施工人员的动态定位, 并提出基于BIM技术和RFID技术的施工现场工人定位系统模型^[9];刘占省等通过结合无线移动终端、WEB和RFID技术, 二次开发了基于BIM的应力-应变三维可视化动态监测系统, 实现了对徐州奥体中心全施工过程预应力钢结构的动态监测, 超过拟定预设应力-应变范围时, 自动做出预警, 能够直观、形象地提前发现现场结构潜在危险源^[10];侯宇基于BIM与WSN等技术, 构建了塔式起重机的安全管理实时监测与预警系统以及实施流程, 重点分析了该系统的关键环节, 通过对比分析WSN技术采集到的施工现场塔式起重机危险源实时信息和构建的数据库, 能够在系统模型中准确实时判断并显示人员和塔式起重机的运行状态, 有效实现对现场运行塔式起重机的安全管理^[11]。

数据采集层收集的现场实时数据, 需要经过处理过滤, 如转换格式等, 并且还需监督管理收集的数据, 同时还需要利用现场的网络传输功能实现对现场动态实时数据与BIM模型的对接与交互。收集的数据在与BIM进行交互时, 需要采用IFC标准, 数据进行交互时, 需要对数据进行处理、识别和匹配, 才能产生符合BIM模型需要的数据, 将收集的数据与模型载体进行关联挂接与交互, 为模型应用层提供基础数据支持。

模型应用层是安全管理检查框架的核心层, 该核心层主要包括2大部分。

1) 采用Microsoft Access 2013数据库对施工阶段、施工安全影响因素、施工安全预控措施等施工安全的相关数据和信息进行存储和查询, 构建施工安全风险预控数据库 (施工安全危险源数据库) 。

2) 融合BIM技术与危险源数据库, 实现对该数据库的充分利用, 其本质是一个基于建筑施工危险源数据库的内容和规则, 在施工过程中实时检查实际情况, 识别直观影响因素 (即能够借助可视化识别出的危险源因素) 的过程。在此过程中, 最主要的是将数据库文本形式的信息转化为Revit能够辨识的计算机语言, 并在Revit中对辨识结果进行可视化展示和标注。因此, 一方面需利用Revit本身携带的各类属性信息以三维可视化的形式展现出识别结果, 并利用C#在Visual Studio 2013平台基于Revit API (application programming interface应用程序编程接口) 实现对模型中的各图元和属性信息的获取, 并对提取的各数据信息是否满足JGJ59—2011《建筑施工安全检查标准》进行判断;另一方面, 可借助各类施工模拟软件 (如Navisworks, Fuzor等) 查看施工过程的安全状况。最终, 通过建立关系型危险源数据知识库寻找不同施工阶段下施工安全影响因素对应的改进措施, 其中施工安全知识库中数据表间存在一对多关系和多对多关系, 从而在对现场动态危险源实时识别的同时, 自动化展现对应的危险源控制措施。施工安全影响因素与对应的改进措施匹配过程如图2所示。

基于BIM技术构建的数据知识库, 只有当数据库中的施工安全预控措施针对的施工设计项包含在BIM属性信息中时, 相关的知识项才能直接从BIM模型中被提取和利用, 如长度、高度关系等可以通过属性信息提取直接识别影响因素的静态信息;行走路线、交叉作业等可以通过可视化施工模拟或漫游对安全影响因素动态信息进行识别。

在Access中, 为满足存储表间的多对多关系, 需要设计3张关系型数据表存储《建筑施工安全检查标准》中的知识, 分别是施工阶段和施工安全影响因素间关系的施工致险类规则表、施工安全影响因素和施工安全预控措施间关系的施工安全预控措施类规则表、施工安全影响因素和施工危害间关系的施工致害类规则表。具体建立的数据知识库可参考曹璐琳的研究^[8], 在此仅介绍数据表中多对多的关系结构以及整个表结构间的关系。以施工阶段与施工安全影响因素的关系为例, 存储型数据表间的多对多关系结构如图3所示, 7张数据知识表字段内容及表间关系如图4所示。

1) 开发语言Revit提供的API是基于.NET框架的类型, .NET框架是微软公司开发的一种技术平台。将应用程序通过Internet进行通讯和数据共享, 具有跨语言、跨平台、安全以及对互联网标准和协议的支持等优点^[12]。

因此, 基于Revit软件二次开发采用的程序设计语言为C#, C#语言是面向对象, 并运行在.NET Framework之上的高级程序设计语言, 具有安全、简单、稳定等优点^[13]。

2) 开发工具和扩展命令方式Revit是基于.NET运行环境运行的, 所以基于Revit二次开发主要包括Visual Studio Tools for Application和Microsoft Visual Studio (简称VS) 2个开发工具。本文研究使用VS工具集, 使用语言包含C#。

Revit系列3个产品拥有相同的接口组:Revit API.dll, Revit API UI.dll。通过使用External Command外部命令方式添加安全管理涉及的功能命令, 然后利用External Application外部应用方式创建Ribbon界面, 命令程序的集成和调用。

3) 开发流程基于上述Revit二次开发流程开发相关程序, 是为了提取和判断BIM模型中的属性信息, 为施工现场安全管理数据知识库的充分利用提供强有力的技术支撑。

在集成好的BIM模型上, 利用VR等技术进行导入施工, 技术管理人员佩戴显示器后沉浸在施工人员的“真实”环境下, 不但整个模型的各个部件实时展现在眼前, 并且可携带详细的安全操作流程, 各类施工人员均能准确及时地识别出随环境不断变化的实时危险源, 针对不同的危险源能够实时提供相应的操作规范和说明, 且基于此, 安全管理人员能及时跟踪和记录相关危险源, 形成动态实时的安全行为日志。大大增加施工人员的安全性, 降低人在整个安全管理体系中发生风险的概率, 从而达到本质上的安全管理。

1) 三维可视化展示BIM平台通过集成和共享施工阶段安全管理相关的所有信息, 可以针对性地规划和布置施工场地, 利用VR/AR技术, 在三维可视化模式下, 从业人员和管理人员对施工工序和规范标准有了更直观生动的认识, 增强安全管理人员对整个建筑施工过程的事中动态管控能力, 为改进和优化施工组织提供依据。

2) 危险源信息快速显示通过集成化的BIM虚拟建模, 各施工阶段的信息能够集成到BIM模型中, 并且这些信息始终保持一致性和关联性。通过Revit二次开发提取和判断BIM模型中的特定属性及图元信息, 能够从庞大的信息库中快速整合所需信息, 使信息的跟踪、存储、浏览、管理和共享更加快捷有效, 极大提高信息利用率。

3) 危险源数据知识库高效查询通过建立施工危险源数据知识库, 并通过某语言编写查询算法 (如SQL语言) , 系统实现知识库的存储和查询2大功能。根据Revit模型中提取的属性及图元信息, 实时判断模型中识别的危险源, 并反馈到施工危险源数据知识库中, 再利用查询获得的应对措施实时解决实际作业过程中出现的新问题, 更加快捷、有效地指导安全文明施工, 增强施工过程的安全性和规范性。

4) 信息采集的实时及高效该系统框架实现的基础是实时采集现场数据, 而现场数据的采集需要结合各类传感器、网络传输、GPS/GIS等技术, 在保证能够对现场数据采集实时性的同时, 也保证数据信息的完整性, 实现信息的高效、实时、及时传递。

危险源管理系统框架逻辑结构体系主要包括:数据层、模型层、应用层和展示层。

1) 数据层其中的数据信息主要来自BIM参数化设计模型, 添加施工设施和安全信息的施工模型、施工进度信息以及基于施工安全影响因素知识库和施工现场采集的实施数据。

2) 模型层主要包括施工过程中安全管理的详细应用, 如虚拟施工模拟、安全信息提取等。BIM是一个集成完整施工信息的模型数据库, 包含大量有效的施工安全信息, 可以自动提取属性或图元信息, 并进行判断和检查, 实现信息的快速查看和高效传递。同时, 通过各种施工模拟软件进行项目施工可视化管理, 从而动态模拟施工过程。

3) 应用层主要基于属性或图元信息提取及施工动态模拟中对危险源影响因素识别和预控措施的查询, 批评辨别出的危险源与数据知识库, 有效提出相应的应对措施, 从而规避危险源因素, 并不断改进施工安全计划和优化施工组织设计。

4) 展示层是整个体系的顶层, 旨在确定不同系统使用人员的信息交互访问权限, 为其提供相应的管理平台。

基于BIM技术为建筑业施工过程危险源管理提供强有力的技术手段, 为提高建筑施工过程中的安全性, 降低施工人员等的安全风险, 而提供新的技术路径。

基于BIM技术的信息集成理念, 将各施工信息集成到直观的三维模型中, 通过利用无线网络传输技术、GPS/GIS、激光扫描技术等, 实现BIM模型与现场实时工作环境交互。再通过基于Revit的二次开发, 将整合好的直观危险源数据库与三维BIM模型进行对接, 基于可视化三维模型平台实现实时环境下的危险源识别。相比传统的危险源识别方式, 此危险源识别方法能够建立一个实时、动态、集成、科学有效的危险源辨别方式, 真正实现将BIM技术应用于施工现场的实际危险源管理中, 为危险源实时识别提供全新的解决方案, 最后分析该系统框架的功能和数据逻辑, 较系统地解释系统可行性。