數(shù)字化建筑施工中安全監(jiān)督管理模式的技術(shù)探討

李艷紅 中煤江南建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建筑工程特別是地下空間開(kāi)發(fā)利用日益增多。大部分建筑項(xiàng)目都位于城市中心位置，場(chǎng)地較小，在有限的地下施工場(chǎng)所各種不同的機(jī)械設(shè)備交叉施工，再加上地下環(huán)境復(fù)雜，施工條件惡劣，比如在深基坑施工過(guò)程中，吊機(jī)及挖機(jī)如得不到安全指揮，其危險(xiǎn)系數(shù)非常巨大。數(shù)字化施工體系的實(shí)施，能夠避免施工過(guò)程中由于人員的錯(cuò)誤行為而引發(fā)的安全事故，有效降低這方面的危險(xiǎn)系數(shù)，確保工程建設(shè)的施工安全[1]。

一、數(shù)字化施工體系對(duì)管理和組織的影響分析

數(shù)字化施工系統(tǒng)的采用，以及項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和各種輔助軟件的應(yīng)用，將給施工項(xiàng)目的安全監(jiān)督管理帶來(lái)巨大的變化和影響，最終形成一個(gè)完整的企業(yè)信息系統(tǒng)，組織的改革與創(chuàng)新已成為當(dāng)前潮流。

（一）促進(jìn)工程項(xiàng)目數(shù)字化管理

1.建筑工程建設(shè)管理的內(nèi)容包含施工建設(shè)過(guò)程的計(jì)劃安排、協(xié)調(diào)控制以及調(diào)度。建設(shè)工程管理的首先任務(wù)應(yīng)在確保安全、質(zhì)量的前提下完成，科學(xué)合理地利用企業(yè)的設(shè)備及人力，降低建筑材料損耗，提高工程效率及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。這些需要管理系統(tǒng)能夠適應(yīng)當(dāng)前建筑市場(chǎng)環(huán)境變化，并進(jìn)行組織與計(jì)劃來(lái)達(dá)到此效益[2]。

2.數(shù)字化管理是一種量化管理行為，是利用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)、計(jì)劃組織及創(chuàng)新管理的方法。數(shù)字化管理是當(dāng)前企業(yè)為了提高競(jìng)爭(zhēng)力而選擇的途徑，同時(shí)也是技術(shù)發(fā)展的必然選擇，滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求[3]。

（二）對(duì)項(xiàng)目管理組織的影響

1.項(xiàng)目組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“扁平化”

數(shù)字化施工體系的應(yīng)用改變了管理組織方面的信息傳遞方式，管理組織作為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理目標(biāo)的一種手段，通過(guò)內(nèi)部組織的橫向及平等進(jìn)行信息傳遞，協(xié)調(diào)項(xiàng)目各方之間的合作關(guān)系，傳統(tǒng)的縱向組織結(jié)構(gòu)有“扁平化”的趨勢(shì)。

2.項(xiàng)目組織的功能結(jié)構(gòu)虛擬化、擴(kuò)大化

大型項(xiàng)目在建設(shè)前，可通過(guò)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建立一個(gè)具有共同目標(biāo)、動(dòng)態(tài)靈活的工程管理組織，以及安全、質(zhì)量、進(jìn)度等方方面面，提高工程管理過(guò)程中的資源配置及安全管理，突破傳統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)帶來(lái)的局限性[5]。隨著信息技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，傳統(tǒng)的層次金字塔組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际健⒈馄交奶摂M組織。

3.引發(fā)組織中的團(tuán)隊(duì)工作（Team Work）

團(tuán)隊(duì)合作是當(dāng)前信息時(shí)代的主旋律，基于IT技術(shù)的應(yīng)用學(xué)習(xí)型組織模式，授權(quán)工作，人性化管理，強(qiáng)調(diào)所有成員共享信息，緊密合作，實(shí)現(xiàn)共同目標(biāo)。

4.引發(fā)學(xué)習(xí)型組織與知識(shí)管理

近幾年在數(shù)字化施工系統(tǒng)的影響下，建筑建設(shè)方式、安全管理手段及理念都發(fā)生了很大變化。數(shù)字化施工是基于全新的開(kāi)放模式促進(jìn)項(xiàng)目各類工種、管理層不斷提升自我水平，同時(shí)對(duì)于各種新工藝、新技術(shù)所帶來(lái)的安全隱患有著新見(jiàn)識(shí)，形成一個(gè)現(xiàn)實(shí)的、漸進(jìn)的學(xué)習(xí)型組織，不再局限于經(jīng)驗(yàn)式的管理。

二、建筑工程施工數(shù)字化安全監(jiān)督管理模式的技術(shù)方法

在建筑施工中，施工人員的人為因素與復(fù)雜的施工環(huán)境是引發(fā)施工安全風(fēng)險(xiǎn)的主要源頭[6]，在地下環(huán)境缺乏穩(wěn)定性、施工區(qū)域內(nèi)埋地管道位置信息缺乏的情況下，容易引發(fā)周邊建筑物不均勻沉降。這在一定程度上反映出施工人員安全意識(shí)淡薄，施工安全管理工作不到位。依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源分析，將AR技術(shù)與智能攝像機(jī)技術(shù)結(jié)合，BIM信息技術(shù)模型，形成數(shù)字化安全管理監(jiān)督系統(tǒng)。以下重點(diǎn)討論在充分的數(shù)據(jù)和技術(shù)支持下，數(shù)字化在建筑施工安全監(jiān)督管理中的應(yīng)用，對(duì)提升安全系數(shù)，推進(jìn)項(xiàng)目有序進(jìn)行，具有重要意義[7]。

（一）智能視頻監(jiān)控在建筑施工安全管理上的應(yīng)用

數(shù)字化施工將信息技術(shù)用于施工管理及施工方面得到有效應(yīng)用，如青島的一個(gè)建筑項(xiàng)目采取高清攝像機(jī)記錄施工現(xiàn)場(chǎng)的全部過(guò)程，并實(shí)時(shí)在電腦屏幕顯現(xiàn)，監(jiān)理工程師可隨時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)安全狀況。廣東省在很多建筑項(xiàng)目方面均采取了數(shù)字化施工安全監(jiān)督模式，同時(shí)采取先進(jìn)的施工技術(shù)方法，基于安全保障需要，實(shí)現(xiàn)了“現(xiàn)場(chǎng)直播”和重點(diǎn)建筑工地施工狀態(tài)全天候監(jiān)控[8]。

全國(guó)一二線城市基本上都應(yīng)用數(shù)字監(jiān)控技術(shù)，視頻監(jiān)控技術(shù)作為數(shù)字化施工的重要組成部分，為施工現(xiàn)場(chǎng)提供了全面、直觀的記錄形式，并對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)直播，從而直接反映進(jìn)度，及時(shí)監(jiān)督施工及其安全狀態(tài)，提高現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)管能力。隨著攝像設(shè)備的不斷完善，攝像智能分析系統(tǒng)可以把所錄制的視頻直接傳送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，同時(shí)在同一網(wǎng)段內(nèi)的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)均可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接攝像機(jī)，從而擺脫了內(nèi)存的束縛，幫助施工安全管理人員實(shí)時(shí)關(guān)注施工人員的具體操作過(guò)程。另外，系統(tǒng)的警報(bào)響應(yīng)時(shí)間非常重要，與傳統(tǒng)的人工警報(bào)相比較，數(shù)字化系統(tǒng)的自動(dòng)警報(bào)響應(yīng)時(shí)間具有即時(shí)響應(yīng)，雖然其危險(xiǎn)行為已經(jīng)發(fā)生，但時(shí)間差已得到很大縮短。系統(tǒng)是基于預(yù)告假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，在自動(dòng)響應(yīng)中可能會(huì)產(chǎn)生兩種誤報(bào)現(xiàn)象：（1）由于預(yù)先設(shè)計(jì)的事故類型沒(méi)有包含所有的危險(xiǎn)動(dòng)作，視頻捕捉時(shí)無(wú)法有效識(shí)別危險(xiǎn)行為，導(dǎo)致發(fā)生危險(xiǎn)行為時(shí)卻沒(méi)有警報(bào)響應(yīng)，是安全漏洞之一。（2）無(wú)危險(xiǎn)作業(yè)，卻發(fā)出警報(bào)及采取應(yīng)急措施。第一種誤報(bào)現(xiàn)象，解決方法是完善危險(xiǎn)行為的知識(shí)庫(kù)，對(duì)報(bào)警規(guī)劃的范圍進(jìn)行擴(kuò)大，使得假設(shè)的危險(xiǎn)行為盡可能接近實(shí)際情況；第二種誤報(bào)現(xiàn)象的解決方法是將危險(xiǎn)行為的描述準(zhǔn)確性細(xì)化，使之更加接近于實(shí)際情況[9]。

（二）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）在建筑工程施工安全管理上的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR），是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。最初的圖形學(xué)領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的前身，90年代取得了迅速發(fā)展，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的新型技術(shù)。其三大核心技術(shù)分別是虛擬現(xiàn)實(shí)組合技術(shù)、實(shí)時(shí)交互技術(shù)和三維配準(zhǔn)技術(shù)。AR和VR不同，與VR將用戶沉浸在虛擬的三維交互環(huán)境中相比，AR是生成場(chǎng)景及系統(tǒng)提示疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)最終的增強(qiáng)與虛擬性有機(jī)地結(jié)合。使他們看起來(lái)像一個(gè)整體，通過(guò)軟硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，用戶可以更自然地與環(huán)境中的真實(shí)和虛擬對(duì)象進(jìn)行交互。在AR環(huán)境中真實(shí)對(duì)象和虛擬對(duì)象共存、相互補(bǔ)充[10]。

借助計(jì)算機(jī)和AR平臺(tái)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)和工程結(jié)構(gòu)主體增強(qiáng)數(shù)字化施工過(guò)程仿真，建立包含結(jié)構(gòu)信息和施工環(huán)境的數(shù)字化工程模型。事先對(duì)實(shí)際施工工藝進(jìn)行研究和推導(dǎo)，將施工人員在實(shí)際施工過(guò)程中需要注意的信息疊加在施工人員的視覺(jué)上。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字模型包括兩種信息。一是人們視覺(jué)中存在的可見(jiàn)信息。圖像信息是從施工人員的真實(shí)視角獲取的。AR移動(dòng)設(shè)備，如AR眼鏡，被輸入AR系統(tǒng)處理器，用于與虛擬信息對(duì)接。另一個(gè)信息是沒(méi)有可見(jiàn)的信息或?qū)嵺`中不存在的信息，即增強(qiáng)信息。這部分信息是通過(guò)三維配準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如土層下市政管道或工程結(jié)構(gòu)的施工參數(shù)，將這些信息將添加到預(yù)構(gòu)建系統(tǒng)模型中。模型中當(dāng)前視野的方向由AR圖像輸入裝置獲得，即確定視點(diǎn)。然后，從模型中提取當(dāng)前視點(diǎn)的所有附加信息，如市政管道的位置和尺寸、地質(zhì)土層的描述、當(dāng)前的施工工藝和操作要點(diǎn)等。

施工人員操作不規(guī)范、缺乏安全意識(shí)或技術(shù)交底信息不充分等所造成的施工風(fēng)險(xiǎn)，AR技術(shù)能夠避免這些因素。采用AR技術(shù)作為施工安全管理的前饋手段，主要是為施工人員在施工作業(yè)時(shí)提供全面的安全提示。為使AR技術(shù)在施工階段得到有效應(yīng)用，首先要根據(jù)實(shí)際工程建立三維模型。這一模式不僅要包括工程信息的所有內(nèi)容，而且要隨著建設(shè)的進(jìn)展而不斷演變施工環(huán)境的變化。這種模式實(shí)際上是施工資料脈絡(luò)的整合。它將各種來(lái)源和形式的施工信息集成到AR系統(tǒng)模型中，為施工提供準(zhǔn)確、全面的數(shù)字化支持，有效指導(dǎo)復(fù)雜環(huán)境下的施工作業(yè)[11]。

圖1 BIM數(shù)字化管理平臺(tái)

圖2 數(shù)字化安全管理系統(tǒng)

（三）BIM技術(shù)在建筑工程施工安全管理上的應(yīng)用

BIM 模型作為可視化、數(shù)字化、協(xié)調(diào)管理等功能的信息技術(shù)工具，是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的工具之一。通過(guò)構(gòu)建BIM建筑信息模型，建立BIM數(shù)字化施工平臺(tái)，施工人員上傳數(shù)據(jù)到數(shù)字化平臺(tái)，與實(shí)際施工過(guò)程相吻合。BIM數(shù)字化施工管理平臺(tái)，解決了施工現(xiàn)場(chǎng)不方便查看、管理等問(wèn)題，能夠?qū)崟r(shí)查看各方面施工信息，統(tǒng)一管理各參建單位，收集施工現(xiàn)場(chǎng)資料等，讓現(xiàn)場(chǎng)施工安全管理更加規(guī)范，如圖1所示。

1.施工過(guò)程中的數(shù)據(jù)查看

通過(guò)建立工程施工過(guò)程的三維模型，將三維模型上傳到數(shù)字平臺(tái)上，可以直接看到施工進(jìn)度、施工質(zhì)量和安全生產(chǎn)情況。在三維模型上，可以將設(shè)計(jì)圖紙、現(xiàn)場(chǎng)圖片和現(xiàn)場(chǎng)視頻鏈接起來(lái)，直接查看施工現(xiàn)場(chǎng)，從而解決施工現(xiàn)場(chǎng)管理混亂、部分隱蔽性工程檢查困難等問(wèn)題。

2.標(biāo)準(zhǔn)化的施工管理

在施工管理數(shù)字化平臺(tái)上，建立標(biāo)準(zhǔn)化施工管理數(shù)據(jù)庫(kù)和各類標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)，按不同施工類型、施工工序和安全質(zhì)量控制點(diǎn)，對(duì)工程進(jìn)行規(guī)范化管理，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的精細(xì)化管理。

3.施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集

將施工現(xiàn)場(chǎng)的安全檢查表、質(zhì)量驗(yàn)收單等由移動(dòng)終端直接輸入，實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的平臺(tái)化和透明化，便于施工單位及時(shí)整改施工中存在的安全質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)GPS定位和實(shí)時(shí)監(jiān)控，統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械智能調(diào)配，保證工程安全。

三、建筑施工安全管理數(shù)字化建設(shè)

（一）數(shù)字化安全管理系統(tǒng)

依托AR及BIM等數(shù)字安全技術(shù)手段，在智能攝像機(jī)上已經(jīng)形成了一套數(shù)字化的施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化安全管理系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，業(yè)主、施工單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、政府監(jiān)督部門(mén)可以對(duì)建筑工程施工進(jìn)行嚴(yán)格的安全控制（見(jiàn)圖2），最終達(dá)到降低施工安全事故概率的目的[12]。

（二）數(shù)字化安全管理輸入輸出系統(tǒng)

在工程實(shí)踐中，數(shù)字安全管理輸入系統(tǒng)包含AR眼鏡（或AR頭盔）及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，所捕獲到的視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)里。網(wǎng)絡(luò)選擇方面有兩種，一種接入公共網(wǎng)絡(luò)，一種接入局域網(wǎng)。如客戶端和服務(wù)器相距較遠(yuǎn)，采取多個(gè)工地共用一個(gè)處理器，不受地理位置限制，可以采取接入公共網(wǎng)絡(luò)方式。局域網(wǎng)是一個(gè)專用的網(wǎng)絡(luò)（VPN）將網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、服務(wù)器和客戶機(jī)連接到一塊，這種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建簡(jiǎn)單，且能保證傳輸質(zhì)量。而接入公共網(wǎng)絡(luò)的則首先將局域網(wǎng)與公共網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，安裝在工地的攝像頭，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施監(jiān)控，讓安全管理人員在控制室實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域的施工狀態(tài)。再加上AR信息的輸入，將佩戴設(shè)備施工人員的數(shù)字標(biāo)簽與三維信息模型相連接，實(shí)現(xiàn)管理者的現(xiàn)場(chǎng)感受。

（三）數(shù)字化安全管理分析處理系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)作為建筑工程施工數(shù)字化安全管理設(shè)備的一種，首先，它不僅可以用于施工現(xiàn)場(chǎng)的綜合監(jiān)控，還可以利用智能視頻分析軟件自動(dòng)識(shí)別危險(xiǎn)行為。該軟件將從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中總結(jié)出危險(xiǎn)源，并用一系列圖像規(guī)則表示出來(lái)，計(jì)算機(jī)可以響應(yīng)這些規(guī)則，形成報(bào)警事件，幫助安全管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)行為。

其次，智能分析軟件一旦檢測(cè)到報(bào)警事件的發(fā)生，就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)連鎖反應(yīng)措施。報(bào)警信息以聲音提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員，彈出窗口提示視頻監(jiān)控人員，也可通過(guò)電子郵件或短信發(fā)送給安全管理人員。

最后，攝像頭的所有報(bào)警事件自動(dòng)保存形成報(bào)警日志，并根據(jù)時(shí)間、攝像頭、應(yīng)用規(guī)則等指標(biāo)進(jìn)行分類，總結(jié)施工現(xiàn)場(chǎng)安全文明施工的實(shí)施情況，進(jìn)行安全培訓(xùn)和施工指導(dǎo)。

四、結(jié)束語(yǔ)

建筑工程施工安全管理數(shù)字化建設(shè)，改變了傳統(tǒng)的人對(duì)人安全監(jiān)督與安全技術(shù)交底方式，提高了安全管理的效率和質(zhì)量。同時(shí)，數(shù)字化工程安全管理減少了施工過(guò)程中的信息失誤，實(shí)現(xiàn)信息的交互共享，是當(dāng)前數(shù)字化施工安全監(jiān)督管理的重要手段。