基于BIM的智慧礦山工程安全技術(shù)研究

康恩銓 王 軍2

（1.內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，四川 內(nèi)江 641100；2.沈陽建筑大學(xué)規(guī)劃建筑設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110016）

0 前 言

改革開放以來，我國礦業(yè)飛速發(fā)展，但隨著礦山數(shù)量增多、規(guī)模變大，施工事故開始多發(fā)，安全形勢愈加嚴(yán)峻，其施工過程中的工傷率和死亡率比其他行業(yè)都要高出很多，是我國五大高風(fēng)險行業(yè)之一。因此，保障施工安全，降低安全事故發(fā)生率，對于保障工人生命財產(chǎn)安全，提高項目建設(shè)的生產(chǎn)水平是至關(guān)重要的［1］。

施工危害是施工安全事故的根本原因之一，預(yù)防安全事故的重要手段是有效地掌握引起安全事故的各種危害，從而檢測這些危害的實時狀態(tài)，達(dá)到預(yù)防安全事故的目的。因此有效地識別和管理各種危險源將是從根本上解決施工現(xiàn)場安全事故頻發(fā)的途徑之一［2］。作為新型三維管控手段，BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）可對工程的全生命過程進(jìn)行全方位監(jiān)視控制。隨著國家推動各行業(yè)由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型邁進(jìn)，提質(zhì)增效成為了今后發(fā)展的關(guān)鍵，而在礦業(yè)行業(yè)，隨著智能信息化及新型的礦業(yè)建設(shè)技術(shù)的大力推廣，BIM技術(shù)快速地融入礦業(yè)行業(yè)中。BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得礦區(qū)建設(shè)施工有了新的拓展方向。但是如何有效解決施工安全問題，是BIM技術(shù)應(yīng)用的另一種重要途徑。與傳統(tǒng)的工作模式相比，BIM技術(shù)不僅可以幫助我們改進(jìn)和處理信息，與此同時還可以進(jìn)行協(xié)調(diào)、協(xié)作和集成，可以多方面解決施工中遇到的各種問題，發(fā)揮BIM技術(shù)在礦山工程行業(yè)的優(yōu)點［3］。

針對當(dāng)前的發(fā)展趨勢，為了更好應(yīng)對今后行業(yè)的發(fā)展和挑戰(zhàn)，對BIM技術(shù)和礦業(yè)工程施工安全管理展開研究和探討具有重大的現(xiàn)實意義?；诖?，本文首先對傳統(tǒng)礦山向智慧礦山建設(shè)轉(zhuǎn)型所面臨的一些問題進(jìn)行了分析，指出安全問題在這里尤為重要，接下來分析了將BIM技術(shù)在安全管理層面應(yīng)用的優(yōu)勢，為礦業(yè)工程施工安全管理提供可行的參考依據(jù)。

1 智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)化改造工程概況

可視化是BIM技術(shù)的一大特點，國內(nèi)的可視化技術(shù)起步較晚，我國近些年來才在三維可視化系統(tǒng)上取得了一定的研究成果。要實現(xiàn)BIM的可視化應(yīng)用，需要GIS等地理信息系統(tǒng)的配合，因此BIM與GIS技術(shù)的配合被認(rèn)為是解決復(fù)雜工程中BIM應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。地理信息對BIM技術(shù)的支撐可由圖1簡潔地表示［4］，GIS可以為BIM提供設(shè)計的基礎(chǔ)信息。

智慧礦山是將云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)挖掘等新技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化決策和管理［5］。GIS不僅可以在建設(shè)初期為BIM的施工規(guī)劃提供空間信息，還能與各種新技術(shù)進(jìn)行協(xié)同工作。可以實現(xiàn)信息的共享和傳遞，便于工程人員及時采取有效的管控手段，解決各類突發(fā)問題。

2 傳統(tǒng)工程施工安全管理形勢分析

工程安全問題一直是人們關(guān)注的熱點話題，近些年來各種事故層出不窮，造成極大的社會影響，因此需要對工程安全施工措施加強(qiáng)管理，企業(yè)在推進(jìn)工程建設(shè)的同時更需要全面提升工程施工的安全性。施工過程中存在著很多不確定性因素，比如周圍環(huán)境發(fā)生突變，包括自然環(huán)境因素和人為操作因素等。施工現(xiàn)場人員眾多且流動性較大，如果只是通過減少施工人員，降低人員流動性來保障工人安全，會導(dǎo)致工程施工進(jìn)度大大延緩；施工安全也需要現(xiàn)場施工人員增強(qiáng)防范意識，否則很難保障施工安全問題。面對如此多的工程安全施工問題，使用現(xiàn)代化技術(shù)提前預(yù)演施工過程中潛在的安全問題，可以有效地解決工程安全施工問題，這需要相關(guān)人員時刻確保工程的各種危險情景都在預(yù)料范圍內(nèi)，在做好比較周全的準(zhǔn)備后，才能在面對具體危險情況的第一時間進(jìn)行有效預(yù)防和控制，只有這樣才能體現(xiàn)出對施工安全問題高度重視。現(xiàn)階段國內(nèi)施工的安全管理有諸多問題有待解決，有效解決方法之一就是從施工安全管理方面出發(fā)來提升工程施工安全。國內(nèi)的諸多施工單位面對施工過程中各種安全問題時參考管理手冊，以圖紙為依據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，但圖紙大多數(shù)都是二維的，這也就是我國開展傳統(tǒng)工程安全管理工作的弊端之一，不能夠明確施工現(xiàn)場的各種安全問題，并且施工效率相對BIM技術(shù)而言是較低的。因此，工程安全問題需要高效化技術(shù)配合完成?，F(xiàn)對傳統(tǒng)工程施工安全事故高發(fā)的原因總結(jié)如下［6］：

（1）安全與責(zé)任。隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的提高，國內(nèi)相關(guān)工程需求大，它的特點是在保障施工質(zhì)量的前提下盡可能縮短工程工期，這就需要投入大量的勞動力來節(jié)約時間，達(dá)到縮短工期的目的，而且越來越多的農(nóng)民外出打工，間接刺激工程需求增加，他們一旦成為工程建設(shè)中的一員，就需要加強(qiáng)這類工人的安全防范意識，避免出現(xiàn)事故。如果企業(yè)只考慮經(jīng)濟(jì)效益，而未將安全監(jiān)督管理放在重要地位，忽視其重要性，勢必會導(dǎo)致施工現(xiàn)場出現(xiàn)各種安全問題。部分企業(yè)為了快速完成工程進(jìn)度，導(dǎo)致工程質(zhì)量降低和工程周期縮短，管理人員難以將充足的精力放在施工安全問題上，這種情況下很有可能產(chǎn)生安全事故。

（2）管理方法和技術(shù)設(shè)備。一方面，施工領(lǐng)域的很多企業(yè)使用的安全管理方法太過傳統(tǒng)，企業(yè)長年的工作經(jīng)驗以及管理思維都是過去的方法，不知變通，使得整體的管理技術(shù)水平低下。企業(yè)管理者經(jīng)驗多但存在老齡化的趨勢。在科技手段很先進(jìn)的社會形勢下，工程復(fù)雜度有所增加，配備設(shè)施繁多，每種設(shè)施都不可或缺，傳統(tǒng)安全管理方式難以針對這些新的安全隱患提出有效整改措施。過時的管理方式也不再適應(yīng)新形勢下的施工，如果按照過去的施工方式方法，不難想象在施工過程中會遺留怎樣的安全隱患問題，也會使得工程的成本投入量加大，后期將造成工程投入更多的檢修解決遺留的安全隱患。另一方面，技術(shù)設(shè)備落后，缺乏新技術(shù)的接受能力，工程難度增加。

（3）法律約束?！爸匦б孑p安全”是施工工程領(lǐng)域內(nèi)一些企業(yè)的真實理念，這種理念導(dǎo)致工程項目管理者對施工安全管理重視程度不夠，我國有明確的法律條例約束工程施工安全，現(xiàn)階段的礦山工程形勢復(fù)雜多變，使得工程施工安全管理暴露出的問題不能被現(xiàn)有的法律有效約束，使得工程領(lǐng)域的某些企業(yè)鉆了法律的空子，乘機(jī)做出違反安全生產(chǎn)的事情，比如說一些施工單位采取低價競標(biāo)獲得工程項目，為了降低自己企業(yè)的成本問題，若在施工過程中減少工程安全投入，則會導(dǎo)致工程施工某一階段出現(xiàn)嚴(yán)重工程事故。

3 基于BIM技術(shù)的智慧礦山施工安全管控

3.1 BIM技術(shù)發(fā)展概述

BIM技術(shù)是將工程建筑或者機(jī)械電器設(shè)備等進(jìn)行三維模型，并且接入數(shù)學(xué)信息載體，從多角度觀測工程設(shè)計的實體模型，得到最優(yōu)的項目實施方案［7］。BIM技術(shù)體現(xiàn)在它可以進(jìn)行三維模型繪制，同時能夠進(jìn)行建筑性能分析，也能夠?qū)崿F(xiàn)工程造價管理以及能夠進(jìn)行施工指導(dǎo)，除此之外它還能夠進(jìn)行工程量統(tǒng)計等，可以看出BIM技術(shù)包含了工程項目全過程。

BIM技術(shù)的實現(xiàn)需要借助一系列軟件來完成［8］，其中Bentley軟件較為常見，它在我們身邊的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中也發(fā)揮了不少作用；許多設(shè)計院都在使用BIM核心建模軟件Autodesk的Revit，而且在民用建筑市場應(yīng)用更為廣泛；除此之外還有其他一些核心建模軟件。BIM技術(shù)需要配置詳細(xì)周全的軟件實現(xiàn)建筑施工全過程，首先，在設(shè)計工作開始之前，需要業(yè)主和設(shè)計師討論建筑設(shè)計框架，接著將業(yè)主的設(shè)計任務(wù)書里面涉及到的基于數(shù)字的項目按照要求進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變成展現(xiàn)在視覺前的基于幾何形體的建筑方案，最后需要業(yè)主評判設(shè)計的方案模型是否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，若是存在差異，即可修改方案設(shè)計模型，再次比對此方案直到滿足業(yè)主要求為止，可以看出BIM方案設(shè)計軟件可為未來所需的設(shè)計效果進(jìn)行評定。當(dāng)下BIM主流程序為Onuma Planning System及Affinity。

3.2 礦山工程安全管理BIM技術(shù)的優(yōu)點

（1）模擬化。礦山施工現(xiàn)場情況多變復(fù)雜，其潛在的安全隱患難以及時排查并解決，導(dǎo)致在施工過程中危險不斷發(fā)生，BIM技術(shù)的模擬化體現(xiàn)在它能夠根據(jù)礦山現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行模擬還原，進(jìn)一步展現(xiàn)礦區(qū)周圍的工況變化。利用BIM可以做到運用周全的方法處理這些不安全因素，并對該區(qū)域做出防護(hù)措施，這樣可以使得施工過程安全可靠地進(jìn)行。所以說工程施工過程遇到安全管理方面的問題，可以運用BIM技術(shù)進(jìn)行解決。BIM技術(shù)也可以對危險系數(shù)高的準(zhǔn)備工作進(jìn)行模擬，像在工程施工中腳手架搭設(shè)問題，可提前搭設(shè)演練，判斷其是否存在安全隱患，還有像其他危險系數(shù)較高的設(shè)備都可以模擬，比如懸挑架搭設(shè)和吊籃施工等，提前進(jìn)行模擬可以讓項目更好更順利地進(jìn)行。該項目的設(shè)計人員通過對礦區(qū)現(xiàn)場及周圍環(huán)境進(jìn)行4D模擬或5D模擬從而規(guī)劃具體的施工細(xì)則，4D模擬或5D模擬是在3D基礎(chǔ)上展開的，4D模擬是指模擬現(xiàn)場施工，可以清楚了解項目各階段進(jìn)展情況，5D模擬是指進(jìn)行造價管理，即對工程涉及的成本進(jìn)行統(tǒng)一化管理和全面控制，達(dá)到降低成本的期望。此外，利用三維圖形和一維數(shù)據(jù)融合，可以高效分析計算各項工程量。市面上以魯班為代表的國產(chǎn)BIM軟件，以及Innovaya和Solibri等進(jìn)口軟件，推動造價工作的改造升級。

（2）可視化。BIM技術(shù)的可視化體現(xiàn)在它所創(chuàng)建的三維模型中，三維模型既有智慧礦山建設(shè)項目的物理信息，同時擁有該項目相關(guān)的其他功能信息，BIM技術(shù)員能夠準(zhǔn)確得到該項目的所有有用的信息，再將信息分享給現(xiàn)場施工人員，提前安排好安全方面的事宜，同時也要提前準(zhǔn)備好各類防護(hù)措施，就可以做到有效的施工安全管理。其可視化體現(xiàn)在可以將工程施工過程提前進(jìn)行預(yù)演模擬，從而發(fā)現(xiàn)其中存在的潛在危險，就能達(dá)到預(yù)防控制的效果，最終避免發(fā)生施工安全事故。常用的可視化軟件有3DS Max、Rrtlantis、AccuRender和Lightscape等，其可以自動完善建筑施工中礦體和設(shè)備之間的三維圖形關(guān)系，應(yīng)用于礦區(qū)建設(shè)的安全管理之中，減少工程事故的發(fā)生概率。

（3）優(yōu)化性。BIM模型以三維的形式呈現(xiàn)工程施工圖紙中存在的諸多不足，從而完善圖紙使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。施工項目能夠順利完工的要點是在礦山的建設(shè)過程中需要不斷地優(yōu)化建設(shè)過程，BIM軟件建立房屋的三維模型就可以進(jìn)行可視化展示，再對該模型不斷地優(yōu)化和協(xié)調(diào)，最終達(dá)到規(guī)定的要求。

4 BIM技術(shù)在智慧礦山建設(shè)安全管理中的應(yīng)用

智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工程，包括地層三維建模及其可視化、礦山通風(fēng)系統(tǒng)、給排水、電氣工程整治等。可運用BIM技術(shù)解決礦山工程安全管理問題。

4.1 動態(tài)布置場地

BIM技術(shù)能夠在工程建設(shè)的很多中間環(huán)節(jié)發(fā)揮獨特的作用，例如可以對礦區(qū)混凝土建筑以及管道的搭建位置和安全性進(jìn)行準(zhǔn)確的評估，保證建筑工程的健康推進(jìn)。BIM技術(shù)在動態(tài)規(guī)劃平面施工場地上的應(yīng)用還有很多，建模過程中就可展示出工程漏洞，便于在出現(xiàn)問題前進(jìn)行有效整改，以保障工程的安全性。工程師還將收集到的各類信息再利用BIM技術(shù)進(jìn)行匯總處理，建立礦區(qū)內(nèi)所有建筑物的三維模型。該類工程中，項目決策人員通過將礦區(qū)內(nèi)礦體巷道三維化布局，可以看出BIM技術(shù)能夠有效解決CAD無法實現(xiàn)的功能。

4.2 4D施工模擬

現(xiàn)階段的建筑施工要求更高，建筑數(shù)量以及規(guī)模都十分巨大，安全措施制定困難。在減少經(jīng)濟(jì)損失的同時，可利用4D技術(shù)與三維立體模型配合使用，時刻把握工程施工進(jìn)度，同時更新現(xiàn)場反饋的各種數(shù)據(jù)，增強(qiáng)過程進(jìn)度和成本管控。施工方案隨著建立完整的4D模型動態(tài)變化，各種信息及時采集整理，通過4D施工模擬可以對施工現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整，包括各種資源和人力調(diào)動，從而確保工程施工順利進(jìn)行。BIM技術(shù)對于建筑施工過程中的潛在危險進(jìn)行預(yù)演［9］，基于Revit平臺，C語言用于二次開發(fā)，并可與Revit軟件本身的功能進(jìn)行集成，最終創(chuàng)建一個危險源安全管理模塊，建立安全管理系統(tǒng)，模塊功能包括項目信息、危險源管理、安全信息摘要和其他子功能。對實際施工項目利用Revit軟件建立安全管理模塊，對施工現(xiàn)場的安全標(biāo)志、危險品、大型機(jī)械等危險源進(jìn)行實時監(jiān)控和管理，利用BIM技術(shù)等視覺資源顯示施工現(xiàn)場內(nèi)或邊緣等危險源。實施可視化安全管理，利用Navisworks軟件對施工現(xiàn)場突發(fā)事件進(jìn)行應(yīng)急救援模擬，比如演示施工人員墜落的應(yīng)急救援場景等。圖2是利用3DVS系統(tǒng)建立的某鎢礦井通風(fēng)系統(tǒng)。

4.3 三維碰撞檢查

智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工程中的電氣工程整治共有三大部分，分別是強(qiáng)電、亮化、弱電。過去常用2D圖紙設(shè)計管線通道，沒有考慮不同部件之間會發(fā)生碰撞，或者某些不明顯部件被遺漏沒有反映在圖紙中，這對施工有著嚴(yán)重影響［10］，現(xiàn)階段考慮以BIM技術(shù)實現(xiàn)三維碰撞檢查，即對管線布置首先建立三維模型模擬，達(dá)到可視化要求，隨后及時發(fā)現(xiàn)部件之間的碰撞位置或找到殘缺部件位置。可以避免工程返工重做，有效防止碰撞現(xiàn)象發(fā)生，使得工程質(zhì)量顯著提高。圖3、圖4是利用Autodesk Revit 2018軟件進(jìn)行簡單模擬三維碰撞檢測圖，圖3中所示為墻體、窗戶、管道以及風(fēng)管進(jìn)行三維碰撞檢查，圖4是墻體和風(fēng)管存在“沖突”圖，由此可以看出Autodesk Revit 2018可以實現(xiàn)BIM技術(shù)中的三維碰撞檢查。

4.4 施工安全監(jiān)控及檢查

現(xiàn)階段施工單位通常以2D圖紙為依據(jù)進(jìn)行施工管理，工程安全管理工作效率相對較低，通過BIM技術(shù)的普及與應(yīng)用，既可以有效避免傳統(tǒng)技術(shù)中的弊端，又能夠為建筑工程事業(yè)提供現(xiàn)代化發(fā)展方向，是當(dāng)前時代下工程安全管理事業(yè)的重大突破。通過對傳統(tǒng)安全管理工作模式與BIM技術(shù)支持下的現(xiàn)代化工作模式進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)工作模式不僅無法體現(xiàn)建筑工程整體的安全指數(shù)，而且由于載體的限制，信息相對混亂，容易產(chǎn)生誤差，各個施工項目之間的模型共享困難，信息的利用率不高。國內(nèi)的建筑安全形勢愈發(fā)嚴(yán)峻，更應(yīng)該有效利用BIM提供的多元信息協(xié)助工程人員對圖紙以及施工進(jìn)度、方案進(jìn)行核查，扼制安全事故的發(fā)生。

對于BIM技術(shù)在智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)化改造的工程管控，首先是進(jìn)場前期計劃，其次是BIM模型構(gòu)造，最后是BIM信息生產(chǎn)、確認(rèn)、提交和存儲。以上三方面的合理安排可以有效提高礦山工程安全管理的全面性，通過BIM技術(shù)形成了智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工程管理規(guī)范［11］。

4.5 施工安全教育培訓(xùn)

基于BIM技術(shù)的施工安全教育培訓(xùn)，能夠使每一類工種的專業(yè)人員得到全面化的安全意識培訓(xùn)與強(qiáng)化［12］。施工行業(yè)的安全技能是不可忽視的部分，相關(guān)的安全事故長久以來不曾間斷。責(zé)任人通常較少從事故安全教育角度出發(fā)設(shè)計教學(xué)過程與內(nèi)容，培訓(xùn)的效果往往不理想［13］。而BIM技術(shù)可以提供更為深入沉浸的安全教育體驗，解決了這一弊端。

5 結(jié) 論

通過分析BIM技術(shù)在智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工程的施工過程中安全管理應(yīng)用，可以看出BIM技術(shù)在礦區(qū)建筑施工領(lǐng)域有著不錯的前景，并在建筑工程施工方面更是發(fā)揮了極大的作用。通過分析可以看出BIM技術(shù)在施工安全管理中的優(yōu)勢有：

（1）BIM信息是綜合的、相互關(guān)聯(lián)的，“一次修改，全部修改”功能，明顯降低勞動強(qiáng)度，減少人工投入成本。

（2）施工現(xiàn)場潛在的危險源安全管理通過基于Revit平臺開發(fā)的安全管理模塊實現(xiàn)模擬化，內(nèi)容直觀、清晰，信息參數(shù)便于收集和管理，減少未知危險，方便加快建筑工程施工。

（3）在施工前期準(zhǔn)備階段，通過BIM對工地布置三維設(shè)計，掌握平面道路的走向和流向，杜絕火災(zāi)和應(yīng)急道路的發(fā)生，明確施工過程中的安全管理重點和控制措施。

（4）通過基于BIM技術(shù)的施工安全教育培訓(xùn)，結(jié)合應(yīng)急預(yù)案可扼制潛在的安全事故，減少不必要的財產(chǎn)傷亡。

未來企業(yè)要在國家的引導(dǎo)號召下跟隨科技的發(fā)展進(jìn)程，給礦山行業(yè)提供更好的發(fā)展前景，加大與引進(jìn)安全新方法，企業(yè)生產(chǎn)過程以安全為基石，推進(jìn)我國安全穩(wěn)定高質(zhì)量的礦業(yè)生產(chǎn)。