基于BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

王舒琪，倪燕翎

（湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院）

【關(guān)鍵字】BIM；物聯(lián)網(wǎng)；建筑施工；安全監(jiān)控

1 引言

建筑工程施工安全管理內(nèi)容復(fù)雜，施工過(guò)程涉及建設(shè)單位、設(shè)計(jì)院、施工單位、監(jiān)理單位等多方主體。現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境動(dòng)態(tài)復(fù)雜，施工作業(yè)立體交叉，這就導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行的安全監(jiān)控因素眾多，大大增加了施工現(xiàn)場(chǎng)的管理難度大。近幾年，高層、大型、復(fù)雜建筑物不斷增加，工程結(jié)構(gòu)和施工工藝日益復(fù)雜，這也對(duì)我國(guó)建筑工程安全管理提出了更高的要求。采用傳統(tǒng)的人工安全檢查對(duì)施工安全進(jìn)行監(jiān)控，主觀性大、時(shí)效性低，不能科學(xué)及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)施工中的安全事故進(jìn)行有效監(jiān)控。

近年來(lái)，國(guó)家層面多次發(fā)布文件，提出促進(jìn)建筑行業(yè)信息化的發(fā)展，并對(duì)建筑信息模型（BIM）在工程的設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段等全過(guò)程的應(yīng)用提出指導(dǎo)意見(jiàn)。在此背景下，研究通過(guò)信息化的手段，提升建筑施工安全監(jiān)控的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性體現(xiàn)出重大的價(jià)值。

2 BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用原理

2.1 BIM技術(shù)適用性分析

BIM （Building Information Modeling）技術(shù)是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程全壽命周期中的所有數(shù)據(jù)，支持項(xiàng)目各參與方信息交流和共享的可視化、數(shù)字化表達(dá)[1]。BIM模型采用IFC體系作為共同的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，采用參數(shù)化建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的一致性、關(guān)聯(lián)性、及時(shí)性和共享性。

針對(duì)建筑工程施工過(guò)程，從安全需求的角度出發(fā)，梳理出安全預(yù)警的監(jiān)控對(duì)象，針對(duì)每一個(gè)監(jiān)控對(duì)象分析其可能存在的安全隱患，并對(duì)安全隱患進(jìn)行參數(shù)化處理，形成相應(yīng)的參數(shù)化指標(biāo)，通過(guò)Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)建立建筑工程施工安全指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。在設(shè)計(jì)階段的BIM模型的基礎(chǔ)上，添加場(chǎng)地圖元信息，和施工機(jī)械相關(guān)圖元信息，并將建筑工程施工安全指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)作為外部鏈接關(guān)聯(lián)到BIM模型中。通過(guò)BIM模型中各個(gè)構(gòu)件圖元與相應(yīng)的文本文件之間超鏈接的建立，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)管理工作的具象化。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)適用性分析

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）是通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)按約定的協(xié)議約定連接起來(lái)，形成物與物、人與物之間的通信以及信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行建筑施工安全管理，可以將施工現(xiàn)場(chǎng)的人員、機(jī)械、環(huán)境等因素與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)各類信息的實(shí)時(shí)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)施工安全智能化的監(jiān)控管理，提升安全管理能力。

在目標(biāo)跟蹤定位方面，可以采用RFID區(qū)域定位技術(shù)ZigBee點(diǎn)定位技術(shù)相結(jié)合的方式對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的管理人員、施工人員以及機(jī)械設(shè)施進(jìn)行定位。其中，RFID射頻識(shí)別技術(shù)主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的連通性和相鄰節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)待定位標(biāo)簽的區(qū)域性位置估計(jì)。ZigBee蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)RSSI測(cè)距、TOA 測(cè)距等距離測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)之間物理距離的測(cè)量。RSSI測(cè)距定位算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低、功耗低，是當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的熱點(diǎn)。

在應(yīng)力監(jiān)測(cè)方面，可以采用振弦式傳感器對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、模板支撐體系等結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變形的監(jiān)測(cè)。采用化學(xué)性能穩(wěn)定、抗拉強(qiáng)度大，且具有較高熔點(diǎn)的金屬絲作為傳感器的振弦材料，與磁鐵、受力機(jī)和夾緊裝置一起組成振弦式傳感器，采用不同的受力機(jī)做應(yīng)力和變形的測(cè)量。

在危險(xiǎn)預(yù)警方面，采用超聲波技術(shù)和紅外對(duì)射裝置。超聲波測(cè)距原理是利用超聲波的傳播速度和聲波反射的時(shí)間差，計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)和遇到的障礙物之間的距離。超聲波測(cè)距精度高，可用于機(jī)械施工中的近距離預(yù)警。紅外對(duì)射裝置的監(jiān)測(cè)原理是利用LED紅外發(fā)射二極體發(fā)射脈沖紅外線到受光器，如果紅外脈沖射束被遮擋或者斷開(kāi)，紅外對(duì)射裝置就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。因此，可以將紅外對(duì)射裝置布設(shè)在危險(xiǎn)區(qū)域，如：臨邊、洞口等，當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)觸發(fā)報(bào)警。

2.3 BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合原理

BIM模型在建筑施工安全管理中最主要的優(yōu)勢(shì)是信息的集成管理和共享以及三維模型可視化分析[2]，但是BIM模型本身無(wú)法感知建筑工程現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境等各種信息數(shù)據(jù)，無(wú)法結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)管理活動(dòng)和工作任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理應(yīng)用。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無(wú)疑可以解決施工現(xiàn)場(chǎng)工作和環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控問(wèn)題。因此，將BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的結(jié)合將實(shí)現(xiàn)建筑工程安全管理事故預(yù)防新的跨越。

BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的方式可以實(shí)現(xiàn)安全事故的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，原理如圖1所示。首先，建立建筑工程施工安全指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)包含了施工項(xiàng)目安全指標(biāo)或行業(yè)安全指標(biāo)[3]，并將數(shù)據(jù)庫(kù)與BIM模型進(jìn)行鏈接，在事前進(jìn)行危險(xiǎn)源的防控。其次，在施工過(guò)程中通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)存在安全隱患的人和物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將采集到的安全信息與BIM模型中安全信息進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，當(dāng)臨近危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)發(fā)出預(yù)警，使管理人員實(shí)時(shí)跟蹤現(xiàn)在施工情況，進(jìn)行安全隱患的預(yù)控和安全事故的處置。最后，按施工結(jié)束對(duì)安全管理進(jìn)行總結(jié)并結(jié)合施工信息對(duì)安全信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)充完善。

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)是以集成綜合信息的BIM安全信息模型為基礎(chǔ)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)采集，并兩者信息整合分析對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的安全管理與事故預(yù)警的信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)架構(gòu)主要三個(gè)模塊組成：現(xiàn)場(chǎng)信息采集模塊、BIM安全信息模塊，安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理反饋模塊，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

1）現(xiàn)場(chǎng)信息采集模塊

圖1 BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的安全事故的動(dòng)態(tài)監(jiān)控原理

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的信息主要包括人員、材料、機(jī)械、建筑構(gòu)件等屬性信息，危險(xiǎn)性較大工序的實(shí)時(shí)信息，隱患區(qū)域?qū)崟r(shí)信息等。采集標(biāo)簽有定位節(jié)點(diǎn)、振弦式傳感器、超聲波裝置和紅外設(shè)備組成。首先，結(jié)合安全信息數(shù)據(jù)庫(kù)和施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，定義RFID標(biāo)簽種類、數(shù)目以及位置[4]，布設(shè)ZigBee信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、振弦式傳感器、超聲波裝置和紅外對(duì)射裝置等。然后，將布設(shè)對(duì)象的基礎(chǔ)信息添加到BIM模型中。在施工現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的工具，對(duì)人員、機(jī)械，以及支撐構(gòu)件應(yīng)力和危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2）BIM安全信息模塊

將采集到的信息通過(guò)ZigBee無(wú)線技術(shù)發(fā)射到閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)打包處理，進(jìn)而通過(guò)光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送給上層服務(wù)器，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，共享到BIM安全信息模型中，實(shí)現(xiàn)施工全過(guò)程安全數(shù)據(jù)信息的交互[5]，在BIM安全信息模型中呈現(xiàn)出施工人員和機(jī)械的實(shí)時(shí)位置、周圍環(huán)境、檢測(cè)參數(shù)等安全狀態(tài)以及關(guān)鍵工序和關(guān)鍵構(gòu)件的安全狀態(tài)。

3）安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理反饋模塊

安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與信息反饋模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息與 BIM 模型嵌入的安全規(guī)則或者參數(shù)化的危險(xiǎn)源信息進(jìn)行對(duì)比分析。施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全信息與 BIM 模型的信息交互比對(duì)是實(shí)現(xiàn)事故預(yù)防的關(guān)鍵。可通過(guò)單獨(dú)開(kāi)發(fā) API 功能模塊或者通過(guò)支持 IFC標(biāo)準(zhǔn)的軟件，實(shí)現(xiàn) BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)以及電子標(biāo)簽之間的信息數(shù)據(jù)讀取格式轉(zhuǎn)換、交互與讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的數(shù)據(jù)對(duì)比，以及通過(guò)系統(tǒng)管理人員針對(duì)構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與嵌入模型安全規(guī)則的對(duì)比[6]，項(xiàng)目安全管理小組所有成員可以隨時(shí)查看到施工現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和危險(xiǎn)點(diǎn)實(shí)時(shí)的安全狀況。一旦施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生人的不安全行為或者物以及周圍環(huán)境的不安全狀態(tài)，BIM模型上就進(jìn)行報(bào)警，并對(duì)危險(xiǎn)行為或狀態(tài)的級(jí)別進(jìn)行分類。

4 安全監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

1）定位管理功能

圖2 安全監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)的建立可以在電腦終端通過(guò)BIM模型查詢?nèi)魏我粋€(gè)時(shí)間段某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域范圍內(nèi)人員的數(shù)量、身份；還可以查詢某個(gè)員工的實(shí)際位置和活動(dòng)軌跡以及安全裝置佩戴信息。這樣不僅可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行考勤，對(duì)施工人員的工作效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，督促安全員按時(shí)按點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查，還可以為后續(xù)事故預(yù)防工作打下基礎(chǔ)。

2）報(bào)警功能

報(bào)警功能可分為人員報(bào)警功能和安全預(yù)警功能。人員報(bào)警功能是指當(dāng)無(wú)權(quán)限人員進(jìn)入某個(gè)施工區(qū)域時(shí)，該區(qū)域的報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，在BIM模型中的相應(yīng)區(qū)域顯示出來(lái)，并將信息推送相關(guān)管理人員。每一位現(xiàn)場(chǎng)施工人員和管理人員身上都佩戴有相應(yīng)的標(biāo)簽，通過(guò)施工區(qū)域入口處的標(biāo)簽識(shí)別器可以識(shí)別出人員的屬性，判斷該人員是否具有進(jìn)入該區(qū)域的權(quán)限[7]。安全預(yù)警功能是指在施工過(guò)程中，構(gòu)件應(yīng)力或變形量超過(guò)臨界點(diǎn)，機(jī)械或施工人員發(fā)生危險(xiǎn)行為，可以導(dǎo)致安全事故時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，在BIM模型中的相應(yīng)區(qū)域顯示出來(lái)，并將信息推送相關(guān)管理人員。

3)多方協(xié)同功能

傳統(tǒng)的安全管理主要是施工單位單方面的管理行為，基于BIM模型，可以整合項(xiàng)目各參與方（業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等）的管理資源，各個(gè)項(xiàng)目參與方均可以在BIM模型中查看項(xiàng)目施工中的安全信息，及時(shí)了解施工安全狀態(tài)，當(dāng)存在安全隱患時(shí)，通過(guò)電腦終端向施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出信息推送，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目多方參與者協(xié)同進(jìn)行施工安全分析和安全管控的功能[4]。

4)動(dòng)態(tài)更新功能

BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，使得現(xiàn)場(chǎng)信息不再需要人工進(jìn)行收集和錄入，在施工現(xiàn)場(chǎng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境及作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸，將施工現(xiàn)場(chǎng)施工安全信息實(shí)時(shí)更新到BIM 模型中。在項(xiàng)目竣工后，又可對(duì)項(xiàng)目的安全管理進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)與BIM模型相連接的安全信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

5)全過(guò)程安全管理功能

傳統(tǒng)的施工安全管理主要局限于施工過(guò)程中的安全監(jiān)管，但是安全事故的發(fā)生具有因果效應(yīng)，僅僅對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管理并不能完全預(yù)防安全事故的發(fā)生，所以經(jīng)進(jìn)行全過(guò)程的安全管理。在施工前，用BIM模型進(jìn)行虛擬建設(shè)和沖突檢查對(duì)施工進(jìn)行模擬，結(jié)合施工安全信息數(shù)據(jù)庫(kù)，分析施工過(guò)程中可能存在的安全隱患，在施工以前做好安全交底工作。在施工過(guò)程中，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境及作業(yè)進(jìn)行全程監(jiān)控，克服人工監(jiān)管的局限性，并通過(guò)BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，科學(xué)的進(jìn)行施工中的安全管理。在項(xiàng)目施工完成后，對(duì)項(xiàng)目施工安全管理進(jìn)行評(píng)價(jià)總結(jié)，對(duì)施工安全數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)充更新，為之后的施工安全管理提供指導(dǎo)。

5 結(jié)語(yǔ)

集成BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)安全管理中人工檢查、手動(dòng)錄入、溝通不暢等弊端，通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)安全數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，信息實(shí)時(shí)更新，平臺(tái)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，多方協(xié)同參與的全過(guò)程安全管理，極大的提高了建筑施工中安全管理的科學(xué)性和及時(shí)性。采用BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的方式進(jìn)行建筑施工安全監(jiān)控不僅可以大大降低安全事故發(fā)生的概率，并且，通過(guò)對(duì)施工安全數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷補(bǔ)充更新，可以極大提升建筑施工企業(yè)對(duì)安全施工的提前預(yù)控能力，提升安全監(jiān)控水平。