施工BIM七- 基于BIM技术的施工安全管理

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基于麦克劳希尔(McGraw Hill Construction) 2013年的全球施工企业调研报告,如图 1 所示:43%的实施企业认为通过引入BIM技术为工程安全带来了积极的影响,而只有不到4%的被调查者认为影响消极。调查结果显示,BIM技术对如下几个方面的施工安全产生了明显的好处:

(1)提前发现潜在的安全风险(43%);

(2)碰撞检测(23%);

(3)能创建3D可视化的对象(12%);

(4)支持构件工厂预制的能力(12%);

(5)更好地领会设计者的意图(6%)。

1 麦克劳希尔 2013年施工企业调研结果,BIM对施工安全的影响

BIM在施工质量与安全监控的应用主要是通过综合应用数字监控、场地扫描、无线通讯、移动互联及物联网技术,建立BIM与监测数据的融合机制、实现施工现场集成通讯与动态监管、施工时变结构及支撑体系安全分析、大型施工机械操作精度检测、复杂结构施工定位与精度分析等,进一步提高施工安全、提升施工精度和效率,通过工程控制确保施工的安全和质量。

BIM对安全管理在操作层面上:基于BIM施工模型,对施工工艺进行数字化仿真、实现三维可视化技术交底;对复杂结构实现三维放样、定位和监测;实现危险源自动识别和分析、防护方案的模拟;实现远程质量验收、保障工程质量和安全。

如下是几种常用的施工安全BIM技术应用:

  1. 3D可视化的模拟与预演

基于BIM可视化的动态模拟施工建造的工艺、流程、及施工方案,通过对施工全过程模拟,帮助公司提前识别安全及工程健康风险,优化场地布置及施工方案。如图2所示:通过创建临时构筑物模型(如脚手架)和构筑物本身进行碰撞检查,判断是否有冲突。本例提前发现机械布置与结构专业的碰撞,消除安全隐患,优化施工方案。

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图2施工方案论证:工作中吊机与项目主体发生碰撞

如图3 所示:本例通过对起吊设备的运行工艺模拟,规定其施工过程中的运行参数,确保施工过程中不发生碰撞。

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图3 通过吊机的工作状态模拟,确定运行参数

  1. 在项目的设计/深化设计阶段考虑并添加施工安全要素
  1. 在设计阶段或施工深化设计综合考虑并创建防坠落设施、起重设施、临边洞口防护设施、临时通行设施、脚手架、爬梯、临时可移动工作平台等对象。
  2. 通过BIM技术动态模拟施工过程中的这些对象的布设是否影响工程安全,如:在进入工地安装之前,提前进行高支模的认定、提前模拟起重、索具或脚手架搭接的方式,测试它们是否有效。参见图4综合考虑施工要素进行施工方案深化设计。

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图4 综合考虑施工要素进行施工方案深化设计

将BIM技术应用于施工现场安全管理及标准化管理中,较传统CAD二维协调模式,更能有效的发现并隔离危险源,保护现场人员生命安全。

  1. 工厂预制与安装模拟
  1. 通过工厂预制降低施工现场工作量,降低有毒(如通过胶水粘结)有害(如现场焊接)的作业,减少场地安全管理的科目。如图10.4-7所示:

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图5 基于BIM数据进行工厂预制

构件在工厂内生产,有较为成熟、完善、标准化的制度、规程、相对较为熟练的作业人员及相对标准化、自动化的机械设备,且实施条件不受气象、政策及场地规划的影响,因此实施安全风险较现场大大降低。

  1. 对于大型构件进行预拼装模拟,降低施工成本及工程现场的返工及操作风险。如图6所示:

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图6 基于BIM数据的大型件预拼装

大型构件往往需要大型的锻造及成型设备,需要场地进行拼接。而通过BIM及数字化样机技术,可实现大型构件的设计、加工一体化、可在BIM系统中对实施的构件进行虚拟拼装,节省了预拼装场地及费用,节省了实施现场的场地资源。通过数字化的安装模拟,落实设备进场次序,优化运输路线及安装方案,降低实施过程中的工程风险。

  1. 临时安全设施的4D 模拟

由于一些安全防护设施是临时的,随着施工阶段的进展会被安装和拆除,因此仅在施工现场考虑防护设施,并创建相关的模型尚无法有效的满足实施过程中的安全管控。还需通过BIM 4D模拟施工过程的安全条件,如开挖支护、临边洞口及楼梯在安装扶手之前的临时安全防护问题。施工企业根据模拟的结果进行安全设施备料,按照进度计划安装洞口防护栏、设备围栏、楼梯扶手等。如 10.4-9所示。

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图7 施工维护结构与安全防护要素BIM模型

  1. 基于BIM数据库对接场地传感器进行可视化变形监控与预警
  1. 基于数据传输与交换协议将现场测试装置布设点位的传感器采集的数据与BIM数据库关联起来,将监控的结果如应变、挠度数据传递到BIM数据库中,实现数据询检及动态、可视化的监控。后台管理系统基于采集的数据进行综合分析,判断及预防风险。如图10.4-10所示。
  2. 当监控数据超过危险警戒限值时,系统会自动报警并引导工程人员处理。

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图 8施工变形动态监控与风险预测

  1. 基于可穿戴设备的安全管理

数字化可穿戴设备相当于把施工人员的行为数字化,常见的穿戴设备有可穿戴的传感器及与传感器相关联的数据终端。该终端将采集的上传至云端,与BIM管理平台中的数据对接,将人的行为数据纳入集成管理。图9展示了一种基于穿戴设备的安全管理的案例:

  • 施工管理者在数据管理平台端将施工过程中的安全限制区域予以定义;
  • 现场人员的穿戴设备数字终端同步相关的数据;
  • 该数据终端通过同步的数据控制安全马甲上的灯光接通或断开;
  • 当现场施工人员踏入该限制区域时,则身上的安全马甲在数据终端的控制下会自动闪烁,确保安全生产。

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图9 基于可穿戴设备的现场安全管理

  1. 场地定位、监控

常见的基于穿戴设施或芯片的现场定位手段有蓝牙、wifi基站、GPS及无线射频技术等。一般在露天开放的区域进行场地定位较容易实施,而在地下设施,由于受制于电磁屏蔽或信号干扰、场地施工阶段的演化,这些定位设备往往无法有效发挥全部的效能。需要通过常规手段和临时措施结合方能取得较好的效果,具体的技术手段不作为本书的讨论领域。

下面以RFID技术为例介绍场地定位的内容。通过RFID实现人员定位和人车之间相互关系的定位,将人员、车辆、机械位置动态实时的显示在BIM模型的相应位置上。通过后台的管理系统(自动化或半自动化)的综合处理和分析,一旦这些对象有动态冲突的可能,则系统可进行预警和通知。避免安全事故的发生。如图10所示:

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图10 基于RFID感应进行施工要素定位

施工现场RFID的实施架构:施工现场动态安全监控,则需要在目标对象上布设感应标签(感知层)等对象。通过现场预设的采样终端进行数据采样;采样结果通过无线网络(传输层)将采样的数据传输到服务器端(或云端);服务器端(或云端)运行BIM相关的管理平台(应用层),实现对人、机的综合定位与对当前的安全环境进行判断和预警。参见图10.4-13 施工现场基于RFID定位的技术方案。

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图11施工现场基于RFID定位的技术方案

  1. 基于BIM信息平台现场视频监控

通过BIM进行施工模拟或工艺模拟可进行施工方案优化、场地布置方案优化及施工过程风险判断。基于BIM模拟优化的施工方案中应包含相关的施工监控设施布设方案(含无人机巡检规划)及相应的监察规章制度。图12 是针对施工过程中的安全项进行定点的监控,监控手段是通过摄像设备机型实时的视频采集。视频结果通过网络传输到后台进行监控。视频采样点的数据可通过BIM管理平台进行实时查询。

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图12 施工现场安全点监控

通过上述技术手段,工程人员可及时的掌握材料进场安排、关键工序、临边洞口、高空作业及危险源的实施作业状况。提前进行风险趋势判断。

  1. 基于机器学习的违章图片识别

当前图像识别技术是人工智能(AI)发展相对较为成熟的领域,在交通安全领域已用作驾驶辅助系统(ADAS)-通过对驾驶环境中障碍物的识别,辅助汽车电脑判断,辅助修正驾驶者的行为,确保行车安全。如图13所示:

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图13 图像识别技术用于家是辅助系统

这种图像识别技术已逐渐引入施工的安全管理:

  • 将施工现场监控端海量的照片上传至云端,如图14所示

图14现场照片上传至云端

  • 通过图像识别对违章作业的行为进行学习和识别;
  • 将违章的行为自动抽取、归类并发起管理任务,如图15所示。从而可智能化的现场安全监管。

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图15 人工智能识别违章行为

  1. 基于二维码技术的安全巡检

图16展示了二维码技术在施工安全管理中的应用。本例是配电箱的常规巡检,通过手机扫描配电箱二维码,进入安全管理平台页面,填写相关的巡检内容即可实现数字化的归档。与传统的事后手动填表的方式相比,效率高、无遗漏、杜绝了伪造巡检记录的现象。

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图16 基于二维码扫描的安全巡检

  1. 基于BIM成果革新安全培训

通过BIM可视化交底可快速直观的展示施工作业点的安全风险,通过对于工艺的模拟和优化可进行直观的工艺安全教育:如通过BIM向分包商可视化地展示错误的操作(如安装工艺)是什么样子及会带来什么样的后果等。下例展示了通过VR技术进行"身临其境"的安全体验,加深安全教育的效果。参见图17通过VR技术进行安全教育。

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图17通过VR技术进行安全教育

  1. 数字化施工安全条件验收表

1)现行的施工安全管理模式

现行的施工安全管理是通过如下手段进行管理:安全制度、安全教育、安全协议、安全责任书、安全措施、安全日志、安全标语及施工安全技术交底等部分组成。其典型的特点是:事先进行准备和教育,事后进行记录。

其不足之处,施工现场安全科目、技术条件、变化因素及随机因素众多。前期的教育与提醒很难让工程人员现场全部掌握并能针对安全问题及时作出正确的响应。而一旦发生安全事故往往只能在事后进行总结。

2)数字化安全管理作业架构

数字化安全管理是对当前施工安全管理体系的技术补充。通过BIM进行施工模拟及工艺模拟,管理人员可提前预判施工过程中的安全风险。此时工程人员可将应对安全风险措施添加到安全管理条目中,作为安全检查项。通过将安全管理的检查项创建检查或验收表,执行基于数字表单的现场检查或验收管理。如下是数字化安全管理的作业流程:

a)将现场安全管理项制定为安全检查表(Checklist),现场作业前将相关的验收表同步到手持移动终端;

b)基于移动终端对作业点的安全检查表进行逐项检查验收,只有施工条件满足安全表的验收条件,才能进行安全施工;

c)将检查验收的结果及辅助资料(图纸与模型标记、照片等)及时反馈到云端或服务器端形成安全问题或任务;如图18所示。

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图 18 数字化现场采集、标记并反馈到管理系统

d)管理平台将相关的安全问题或任务及时汇总、审核及委派给相关责任人;如图:19所示。

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图19项目管理平台后端(办公室)进行汇总、审核及委派管理任务

e)管理端及时作出响应并将处理的结果通过云端(或服务器)同步至各个终端,相关方进行处理和问题状态追踪。如图20所示。

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图20项目管理平台后端(办公室)进行项目分析与总结

3)基于云及移动平台的安全管理(验收)制度

如前所述,基于云计算及移动终端的施工安全管理是对传统安全管理制度框架下的技术补充。其补充的是施工现场安全检查的制度盲点,其管理特点是实时实地的,其结果是可统计、可追踪,可归档。其执行的手段是通过安全检查清单(checklist)进行实时管理。只有安全清单上的安全施工条件检查项通过了,才能进行安全施工。如在焊接工序开展前逐条进行安全条件的检查与验收,可避免由安全条件不具备造成的火灾,避免人员及财产损失。

对实施的企业而言,除了常规的安全制度、规程及教育之外,尚需按照施工安全要求整理出台相应的安全检查清单样板(企业样板)。现场根据这些样板定制安全检查表进行施工安全条件实时检查。以清单验收的形式进行施工现场的安全生产要素进行实时验收。

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