由于建筑施工的特点, 现场多发安全事故, 每年建筑业施工安全事故死亡人数仅次于煤矿业和交通业。随着对施工质量的要求越来越高, 施工难度也越来越大, 而传统的安全管理模式却十分滞后, BIM技术的出现, 为此提供了新的思考方向。 目前, BIM技术对于我国项目建设施工过程的安全管理的改善已经有许多成功的应用, 在危险源辨识的过程中, 利用VP (Virtual Prototyping) 技术模拟再现及性能分析功能进行危险源辨识, 结合3D (ThreeDimensional) 模型进行相关风险措施制定及预防;在安全措施制定这一方面, 也有借助4D (Four-dimensional) 模型成功降低风险的成功应用, 并在方案实施前对其实施效果作评价, 对建筑物施工过程中的稳定性作评价;利用BIM的VP技术对施工现场的各个专业的作业人员进行必要的安全培训等。 现有的文献资料多从较为具体的一方面进行具有针对性的分析, 为实际中的施工安全管理提供技术和理论支持, 但缺乏对BIM技术在安全管理中的各个方面应用的综合性分析。本文先对传统项目施工安全控制与管理过程中的问题进行分析, 进而得出BIM在施工现场安全控制中具有较强适用性, 并结合实际中使用的BIM工具, 全面而系统地阐述在项目实施各个阶段现场的安全控制与管理中的关键技术, 并结合实例说明BIM技术的适用性及优越性。

1 传统建筑工程安全管理存在的问题

由于建筑发展的要求, 现阶段建筑物的结构受力要求高, 体量大, 承重受力机制复杂, 故对于结构安全性、施工关键技术、施工质量等方面的标准也越来越高。由于建筑项目固有的建筑周期较长、露天作业多、环境恶劣、工程量大、工序复杂、施工生产的动态性、生产工艺复杂等方面的原因, 会产生许多威胁现场工作人员的危险与隐患, 总结大致有表1所示的几类问题。

2 BIM在施工安全管理中的适用性分析

BIM能够真实展现实际建设现场的各个不同建设方、关键技术、重要建设过程等, 便于在建设之前及建设过程中及时找出施工过程中的问题, 制定针对性措施预防风险发生, 降低风险的损失;并能够在已有项目数据、性能数据参数等信息的基础上, 针对该项目构建综合的BIM模型 (建筑信息模型) , 保证在项目整个生命周期内的各个阶段而非仅仅施工阶段中, 对项目的施工过程的各个事项作出相对正确的决定, 保证对施工过程具有全面而系统的把握与控制。并且, BIM平台能够最大程度保证建筑各个参与方信息共享、建筑各个阶段的信息集成, 减少信息孤岛、信息不对称和信息不透明等现象产生。本节从BIM应用于建筑施工安全管理的技术、经济、环境适应性等角度分析BIM应用于建筑施工安全管理的适应性。

2.1 技术适用性

目前很多高校研发团队和BIM工具软件商, 开始构建BIM 5D+安全模型:在既有国家、行业规范的准则下, 基于BIM技术得到的危险源辨识结果, 与已构建的3D信息模型对接, 并将根据建设费用、建设周期、施工过程等制定的资源需求量计划、进度及成本计划输入BIM系统。综合各方面信息得到的BIM 5D+安全模型, 一方面可以及时准确寻找出在施工中潜在的安全风险, 并及时制定安全防护与控制措施, 不断完善安全计划, 保证施工过程顺利、安全进行;另一方面, 利用BIM平台的可视化优势, 以动画等形式生动形象地为现场施工作业人员进行有针对性的安全教育和安全技能培训, 从各个方面进行施工安全的控制与管理。 BIM系统通过采用统一的数据格式, 如IFC格式, 实现了项目全生命周期内各个参与方的信息共享和协同工作, 即在项目不同阶段, 特别是设计和施工阶段, 设计方、施工方、供应商、建设方等各个参与方能够在同一个BIM平台上输入、获得必要的信息。通过BIM系统对信息的整合, 减小了传统建设过程中的信息错误、丢失、延迟等现象, 避免重建信息浪费劳动力的现象, 在保证信息准确性的同时, 提高信息利用率。 BIM也可以进行施工现场的动态施工模拟, 通过将建筑物的3D模型中的各项数据与不同层面的进度计划在施工模拟软件中对接, 得到具有节点进度参数的4D动态施工模型;在4D模型的基础上, 将成本计划数据对接, 得到5D施工模拟;将现场安全控制与管理计划添加至5D模型中, 得到6D施工模拟模型。在BIM系统中, 通过综合得到的6D模拟模型中对施工现场及建筑物的设计、建造等过程的形象、动态模拟分析, 较早分析出既有施工组织设计的不合理甚至有安全风险的地方, 制定有针对性的措施, 完善施工方法、施工技术。有重点、有针对性地对作业人员进行安全知识培训、安全技术教育, 从源头上减少安全事故发生的概率与安全事故损失的大小, 加强施工过程中的安全管理, 进而提高项目全寿命周期内的效益。 表1 建筑施工安全问题 下载原表

2.2 经济适用性

BIM系统由一系列不同功能的智能软件组成, 相对于一些单一功能软件而言, 使用成本会较高, 对计算机配置的要求也高。同时, 由于BIM软件使用对专业知识要求高, 故需对项目参与人员进行BIM基础知识及基本操作等方面的培训, 这也是一部分较高的成本。但是, 相比较而言由于安全管理疏忽和不完善而造成的施工者伤亡、工期拖延、企业信誉受损的经济损失却是更大的经济损失。 所以, 使用BIM进行安全管理在为施工过程提供更好的安全防护的同时, 能够有效促进项目整个生命周期的收益增长。根据现有的相关统计数据, 使用BIM可以将工程预算不确定性降低至40%, 并在将费用计算时长减至传统费用计算时间的80%的同时, 保证工程费用的估算精确至3%以下;在利用BIM软件的可视化等功能实现冲突发现与减少的过程中, 不仅降低合同费用达10%, 也很大程度上缩短工期达7%, 从降低项目损失与增加项目收益的两个方面增长了项目的经济利益。

2.3 环境适用性

在建筑行业层面, 根据2014年的《中国施工行业信息化发展报告 (2014) ——BIM应用与发展》中的调查数据信息, 国内的施工企业中, 已有60%以上在积极利用BIM技术改善其施工运作过程;30%以上的建筑相关企业在在其项目中不同程度地应用了BIM技术进行试点。BIM以其独特而绝对的优势已经被建筑行业内不同领域的企业逐渐利用。 而政府层面也对BIM技术进行了政策方面的宏观引导与支持, 继将BIM纳入“十一五”国家科技支撑计划重点项目后, 发布了《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》, 为“十二五”发展过程中BIM的发展这一方面指明了方向。随着行业、市场、及政策环境对BIM技术的大力支持与推广, BIM技术在工程施工安全管理的应用将会取得长足的发展。

3 基于BIM的施工安全管理关键技术

不同的项目参与方在项目生命周期的各个阶段利用自己的信息门户不断向BIM系统输入、提取信息, 保证信息有效传递与利用, 实现协同工作。不仅能够促进各个参与方的工作质量和效率的提高, 也能更好地立足于项目的全寿命周期、基于全面而综合的项目信息对施工过程进行更加完善的安全管理, 进而提高项目管理的水平。借助BIM工具进行施工安全控制的过程为:基于建筑物的BIM模型进行虚拟施工过程模拟, 通过虚拟施工过程中的冲突、碰撞检测发现施工过程中的安全隐患;并利用BIM工具的可视化决策出各项安全应急预案、对施工人员进行安全教育与培训。这些措施能够很大程度上降低安全事故发生率, 进而降低由于安全事故带来的项目损失, 更大程度上保证安全管理目标的实现, 提高项目管理水平。具体来说, 基于BIM的施工安全管理关键技术主要有基于BIM的危险源辨识技术、基于BIM的安全计划与优化技术、基于BIM的安全规则检查技术、基于BIM的空间规划技术、基于BIM的施工现场劳务人员疏散技术以及基于BIM的安全教育与培训技术。

3.1 基于BIM的危险源辨识技术

危险源辨识是进行危险管理的第一步也是重要一步, 多使用安全检查表法 (Safety Check List, SCL) , 这种方法多通过简单基础的文字描述来表现检查项目的情况, 不仅不够直观, 且即使通过全面的分析得出的完善方案也由于其定性的性质较难对项目产生实质性的影响与改进。而BIM技术能够虚拟再现施工现场, 利用其可视化功能寻找危险源并有针对性进行优化, 最大程度降低安全检查表法的定性分析不足。故结合BIM与传统的安全检查表法 (SCL-BIM法) 便于改善建筑工程的安全生产状况, 提升危险源管理的现代化水平。 识别危险源后, 需对其进行管理与控制, 来降低其发生的可能性和损失, 即将SCL-BIM得到的危险的性质、程度、后果、允许范围及必要的管理措施等信息通过二维表形式录入BIM系统。利用BIM强大的数据管理功能, 进行三维模型的建立, 实现建筑工程危险源的可视化建模, 仔细而全面对施工现场的各项危险进行排查, 实现数据的集中管理、危险源的可视化管理及查漏补缺等。SCL-BIM法的危险源管理工作流程如图1所示。

3.2 基于BIM的安全计划与优化技术

3.2.1 指导安全进度计划编制

利用BIM技术对施工现场的安全进度计划进行规划与设计过程为:在对项目的所有任务进行工作结构分解, 得到由一系列工作包组成的工作分解结构 (WBS:Work Break Structure) ;建立工作分解结构与不同的构件间的对应关系, 并将建筑3D模型与构件参数、进度节点计划匹配, 综合以上信息便可生成不同时间节点上的人、材、机等资源需求量计划;在BIM系统中确定某构件当前节点的施工操作时, 构件参数、构件施工所需资源等信息便清晰直观展现, 此时很容易发现该施工过程中的矛盾点, 即为危险源, 并制定相关控制措施;将危险源及对应的控制措施与进度计划对接, 便形成所需的安全进度计划;通过4D可视化动态模型的手段对总计划进行验证和调整。 图1 基于BIM-SCL法的危险源管理工作流程 下载原图

3.2.2 实时开展事中安全控制

事中安全控制是在安全进度计划的基础上进行计划值与实际值的比较分析, 若实际值超出计划值的范围超过允许范围, 便采用必要措施调整的动态控制的过程。BIM理念下实际值的获得多是在施工现场安装摄像头、扫描仪等工具获取图像、数据信息, 结合专业工作人员的实时分析与判断及BIM系统的动态分析得出当前时间节点上施工现场的安全状态, 得到进度计划比对图。当偏差超过接受范围的阈值需进行调整时, 依据已有的安全计划中的措施、BIM系统的数据信息、现场资源分配情况、各个参与方意见得出调整方案。调整方案由施工方执行并进行后续执行情况的检查, 并实时做出必要调整, 将方案执行情况及执行结果等信息及时输入BIM数据库中, 与各方共享信息, 更新安全进度计划, 并作为重要信息进行下一轮安全进度的动态控制与管理。

3.2.3 实现安全进度事后评价

在项目建设完毕后, 可立足于建设项目全寿命周期, 基于原有的安全进度计划、事中动态措施与结果, 将完善的建筑物三维模型与原始BIM模型进行比较分析, 进行建设过程的事后评价。并生成对于类似或者其他项目具有参考意义的报表与图形, 特别是计划值与实际值情况比较分析报表、动态调整结果分析、资源分配调整分析等, 为项目总结及其他项目建设提供依据, 提高企业安全管理水平。

3.3 基于BIM的安全规则检查技术

3.3.1 BIM安全规则检查技术

基于BIM的过程节点的检查可将安全设计验证和规则检查贯穿整个建筑安全设计, 随着项目推进, 不断生成新的项目信息, 将其更新至BIM系统, BIM系统便开始进行模型检查, 识别项目设计、施工、进度等方面的不合理、错误信息;设计变更产生后, 变更信息便实时输入BIM系统, 保证在不同阶段的不同专业设计任务交接时所有变更也完成, 使得设计验证不是割裂开来的一部分。

3.3.2 基于BIM的安全检查技术应用

在危险源识别完成并制定了针对性措施后, 需对每一个危险源进行更细致、全面的检查与分析, 并将分析得出的建筑物的所有安全隐患在建筑信息模型中在对应构件上标注出来。本文基于广联达系列软件, 通过对某建筑物的土建模型的各个部位排查后, 在基坑、电梯井口、临边等地方易坠落物体产生许多危险源, 并制定出有针对性的控制方案。

3.3.3 基于BIM的安全检查保护系统应用

据统计, 高空坠物是建筑工地五大伤害中发生频率最高, 伤害较大的伤害种类, 这是由于建筑物普遍存在预留洞口和结构临边等易导致高空坠物的地方。传统大型建筑工程项目防坠落管理的难点, 主要是在传统设计、施工过程中, 难以准确定位危险源并利用相关控制方案降低风险。在BIM系统的3D视图及4D虚拟可视化操作下, 能够较容易排查出项目不同阶段的不同施工过程高空坠落及物体打击等事故发生频率较高的地方, 制定相应控制措施。将这些信息置于结构模型中, 就形成了防坠落保护系统, 建立的防坠落保护系统效果图如图2所示。 图2 防坠落保护系统效果图 下载原图

3.4 基于BIM的空间规划技术

3.4.1 时空冲突分析

由于建筑项目的固定性、施工场地有限性, 在施工操作会有许多立体交叉现象, 故人、材、机等很容易产生碰撞与冲突, 进而发生安全事故。在BIM理念和平台下, 模拟施工过程的具体操作, 提前发现时间、空间矛盾处, 并选择针对性方案避免事故, 完善施工计划。基于对构件和工序的空间占用情况分析, 采用边界法描述BIM实体外形, 例如, 图3中, 基于挖掘机的施工中的回转半径, 利用BIM虚拟其具体操作过程的向前、向后等行为确定其所需空间范围, 进而排查所有潜在的冲突。 接着将空间冲突分类, 并判别其产生的后果, 在传统的工程进度计划上附加3D模型, 利用4D模型虚拟施工进程, 确定不同时间节点上各机械作业过程中的所有可能发生碰撞的空间矛盾点, 优化施工方案。在本文实例中, 发现挖掘机在需要从两柱中移动时会撞上浇筑中的横撑, BIM软件能够在4D模型下生成包含本过程中时间、性质等信息的碰撞详情报告。

3.4.2 碰撞检测种类

(1) 设备管线冲突和碰撞检测

利用BIM模型模拟功能在设计阶段对设备管线复杂的建筑工程进行全面的“三维校审”, 排查出设计方案中的冲突, 如图4所示, 并将信息及时传递给设计方做出改进, 经过发现问题、改进方案的动态循环, 不断完善设计方案。不仅能保证正常安全施工, 也能够避免由于设计阶段与施工、运营阶段独立带来的施工完毕无法对管线作修改或改动成本大的现象, 从项目全生命周期的角度提高了项目收益。

(2) 机械冲突和碰撞检测

在施工中, 需避免机械之间, 机械和建筑物之间碰撞, 这就要求在方案设计阶段即利用BIM虚拟施工技术确定各个机械设备在作业过程中的行为路线及空间范围, 保证作业过程正常安全进行。以塔吊为例, 在进行其选址施工安全分析时, 首先, 利用4D虚拟施工技术找出其开行路线, 确定两个机械的空间活动范围, 并根据其行为路线虚拟其作业过程, 判断是否会发生冲突现象, 结果为会发生碰撞冲突。因此, 两个机械不可同时在重合空间内作业, 将碰撞信息及相应措施传递给施工方, 提醒其注意合理安排好作业时间, 防止碰撞事件产生。 接着进行塔吊与建筑结构之间的碰撞模拟。利用BIM技术结合施工进度依据其机械半径对其活动范围进行作业模拟, 得到该机械作业过程与建筑物的碰撞冲突情况, 进而确定塔吊的活动轨迹及活动时间方案, 降低冲突风险发生的可能性, 提高施工过程中的安全管理水平。

3.5 基于BIM的施工现场劳务人员疏散技术

本文所述施工现场劳务人员安全疏散, 是在BIM平台下得到的建筑工地静态3D模型中加入施工进度计划, 确定各个施工过程的时间节点, 形成时间轴下的4D模型;再依据施工进度将各个施工阶段分不同的4D动态施工场景分别分析其现场劳务人员安全疏散效果, 具体仿真疏散框架设计如图5所示。并可利用基于BIM和pathfinder的施工劳务人员安全疏散技术, 即先通过搭建疏散场景, 设定疏散人员及障碍物构建施工疏散模型。 图3 机械占用空间示意图 下载原图 图4 管线和结构构件冲突示意图 下载原图 图5 施工现场劳务人员安全仿真疏散设计框架 下载原图 该实例工程的施工进行到混凝土浇筑工序的绑扎钢筋工艺, 此时作业面上除了有绑扎好钢筋的模板, 还有剩余模板与钢筋及钢筋废料, 表面有障碍物, 会减弱施工人员的疏散效果, 容易出现疏散不成功现象, 故在BIM系统中虚拟第五层现场的疏散场景。此时有40人在这个现场作业, 施工现场的3维BIM模型如图6所示, 图中黄色、红色部分为作业平面。若火灾来临, 人员的疏散结果为:90.3s内将作业面上的40名作业者疏散到安全地方。 图6 基于BIM模型的三维动态疏散 下载原图

3.6 基于BIM的安全教育与培训技术

在项目施工以前, 利用BIM的可视化和与实际现场相似度很高的特点, 将安全情况以动画为载体, 将项目中仿真的影像呈现给施工作业人员, 对其进行更加深入和具体的安全教育。并应用BIM进行数字化培训, 使他们在短时间内快速理解如何进行安全操作。在利用BIM技术进行危险源识别后, 对于危险发生概率较大及危险性较大的施工过程和施工位置, 利用BIM的可视化在三维模型下制作漫游动画, 分别为针对某项目竖向和水平洞口这些易发生高空坠物危险的位置所展示的动态漫游图, 由负责安全管理的专业人员给相应的作业人员讲解安全隐患、提醒注意事项、传递事故预防、保护措施等。

4 结语

安全管理作为项目管理的重要组成部分, 直接影响项目其他目标的实现程度。BIM技术在建筑工程安全管理中技术、经济、环境等方面均具有较好的适用性, BIM技术可以应用于建筑行业的全生命周期阶段, 项目的各参与方都可以通过BIM技术提高其工作效率和质量。将BIM技术运用到建筑工程施工安全管理过程中, 利用BIM建模、虚拟施工、碰撞检测等技术来指导施工, 并基于可视化管理平台制定安全应急预案, 将会大大提高施工安全管理水平, 避免建筑工程安全事故的发生。基于BIM的危险源辨识、安全计划与优化、安全规则检查、空间规划、施工现场劳务人员疏散以及安全教育与培训等关键技术的应用能够很大程度上解决传统安全管理中的问题, 降低施工风险及风险损失, 提高我国建筑工程施工安全管理水平。