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

針對當(dāng)前施工現(xiàn)場安全監(jiān)控缺乏科學(xué)有效的信息化監(jiān)控手段的問題，論文在研究國內(nèi)外 BIM 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了建立基于 BIM 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全管理的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)對比分析、自動預(yù)警、協(xié)同管理等功能。

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

1.1BIM 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)，支持項目各參與方信息交流和共享的可視化、數(shù)字化表達(dá)。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)，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的一致性、關(guān)聯(lián)性、及時性和共享性。

針對建筑工程施工過程，從安全需求的角度出發(fā)，梳理出安全預(yù)警的監(jiān)控對象，針對每一個監(jiān)控對象分析其可能存在的安全隱患，并對安全隱患進(jìn)行參數(shù)化處理，形成相應(yīng)的參數(shù)化指標(biāo)，通過Microsoft Office Access 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建立建筑工程施工安全指標(biāo)數(shù)據(jù)庫。在設(shè)計階段的 BIM 模型的基礎(chǔ)上，添加場地圖元信息，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)庫作為外部鏈接關(guān)聯(lián)到 BIM 模型中。通過 BIM 模型中各個構(gòu)件圖元與相應(yīng)的文本文件之間超鏈接的建立，實現(xiàn)施工現(xiàn)場管理工作的具象化。

1.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)適用性分析

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）是通過無線射頻識別（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， 形成物與物、人與物之間的通信以及信息交換，以實現(xiàn)智能化識別、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)場的人員、機(jī)械、環(huán)境等因素與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)施工現(xiàn)場各類信息的實時互動，實現(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)合的方式對施工現(xiàn)場的管理人員、施工人員以及機(jī)械設(shè)施進(jìn)行定位。其中， RFID 射頻識別技術(shù)主要通過網(wǎng)絡(luò)的連通性和相鄰節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系實現(xiàn)對待定位標(biāo)簽的區(qū)域性位置估計。ZigBee 蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要通過 RSSI 測距、TOA 測距等距離測量技術(shù)實現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)之間物理距離的測量。RSSI 測距定位算法結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、成本低、功耗低，是當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的熱點(diǎn)。

在應(yīng)力監(jiān)測方面，可以采用振弦式傳感器對基坑支護(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。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)力和變形的測量。

在危險預(yù)警方面，采用超聲波技術(shù)和紅外對射裝置。超聲波測距原理是利用超聲波的傳播速度和聲波反射的時間差，計算出超聲波發(fā)射點(diǎn)和遇到的障礙物之間的距離。超聲波測距精度高，可用于機(jī)械施工中的近距離預(yù)警。紅外對射裝置的監(jiān)測原理是利用 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，紅外對射裝置就會發(fā)出報警信號。因此， 可以將紅外對射裝置布設(shè)在危險區(qū)域， 如 ：臨邊、洞口等，當(dāng)有人進(jìn)入時觸發(fā)報警。

1.3BIM 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)勢是信息的集成管理和共享以及三維模型可視化分析，但是 BIM 模型本身無法感知建筑工程現(xiàn)場的現(xiàn)實環(huán)境等各種信息數(shù)據(jù)，無法結(jié)合工程現(xiàn)場管理活動和工作任務(wù)進(jìn)行實時的管理應(yīng)用。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無疑可以解決施工現(xiàn)場工作和環(huán)境的實時監(jiān)控問題。因此， 將 BIM 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的結(jié)合將實現(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)合的方式可以實現(xiàn)安全事故的動態(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 ， 該數(shù)據(jù)庫包含了施工項目安全指標(biāo)或行業(yè)安全指標(biāo)，并將數(shù)據(jù)庫與 BIM 模型進(jìn)行鏈接，在事前進(jìn)行危險源的防控。其次，在施工過程中通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對存在安全隱患的人和物進(jìn)行實時監(jiān)控，將采集到的安全信息與BIM 模型中安全信息進(jìn)行實時對比，當(dāng)臨近危險狀態(tài)時發(fā)出預(yù)警，使管理人員實時跟蹤現(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)束對安全管理進(jìn)行總結(jié)并結(jié)合施工信息對安全信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行補(bǔ)充完善。

2 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)場信息的實時采集，并兩者信息整合分析對比，實現(xiàn)對工程項目動態(tài)實時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)主要三個模塊組成 ：現(xiàn)場信息采集模塊、BIM 安全信息模塊，安全監(jiān)測數(shù)據(jù)處理反饋模塊， 系統(tǒng)工作流程如圖 2 所示。

1）現(xiàn)場信息采集模塊

現(xiàn)場實時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，危險性較大工序的實時信息，隱患區(qū)域?qū)崟r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)庫和施工現(xiàn)場實際情況，定義 RFID 標(biāo)簽種類、數(shù)目以及位置，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射裝置等。然后，將布設(shè)對象的基礎(chǔ)信息添加到 BIM 模型中。在施工現(xiàn)場，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的工具， 對人員、機(jī)械，以及支撐構(gòu)件應(yīng)力和危險區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測。

2）BIM 安全信息模塊

將采集到的信息通過ZigBee 無線技術(shù)發(fā)射到閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)打包處理，進(jìn)而通過光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送給上層服務(wù)器， 再對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，共享到 BIM 安全信息模型中，實現(xiàn)施工全過程安全數(shù)據(jù)信息的交互，在 BIM 安全信息模型中呈現(xiàn)出施工人員和機(jī)械的實時位置、周圍環(huán)境、檢測參數(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)測數(shù)據(jù)處理反饋模塊

安全監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與信息反饋模塊的主要功能是實現(xiàn)施工現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)信化的危險源信息進(jìn)行對比分析。施工現(xiàn)場質(zhì)量安全信息與 BIM 模型的信息交互比對是實現(xiàn)事故預(yù)防的關(guān)鍵。可通過單獨(dú)開發(fā) API 功能模塊或者通過支持 IFC標(biāo)準(zhǔn)的軟件，實現(xiàn) BIM 數(shù)據(jù)庫以及電子標(biāo)簽之間的信息數(shù)據(jù)讀取格式轉(zhuǎn)換、交互與讀寫，實現(xiàn)自動的數(shù)據(jù)對比，以及通過系統(tǒng)管理人員針對構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)與嵌入模型安全規(guī)則的對比，項目安全管理小組所有成員可以隨時查看到施工現(xiàn)場各個關(guān)鍵點(diǎn)和危險點(diǎn)實時的安全狀況。一旦施工現(xiàn)場發(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)行報警，并對危險行為或狀態(tài)的級別進(jìn)行分類。

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

1）定位管理功能

該系統(tǒng)的建立可以在電腦終端通過BIM 模型查詢?nèi)魏我粋€時間段某個現(xiàn)場區(qū)域范圍內(nèi)人員的數(shù)量、身份 ；還可以查詢某個員工的實際位置和活動軌跡以及安全裝置佩戴信息。這樣不僅可以對現(xiàn)場人員進(jìn)行考勤，對施工人員的工作效率進(jìn)行評價，督促安全員按時按點(diǎn)對現(xiàn)場進(jìn)行檢查，還可以為后續(xù)事故預(yù)防工作打下基礎(chǔ)。

2）報警功能

報警功能可分為人員報警功能和安全預(yù)警功能。人員報警功能是指當(dāng)無權(quán)限人員進(jìn)入某個施工區(qū)域時，該區(qū)域的報警系統(tǒng)發(fā)出報警，在 BIM 模型中的相應(yīng)區(qū)域顯示出來，并將信息推送相關(guān)管理人員。每一位現(xiàn)場施工人員和管理人員身上都佩戴有相應(yīng)的標(biāo)簽，通過施工區(qū)域入口處的標(biāo)簽識別器可以識別出人員的屬性，判斷該人員是否具有進(jìn)入該區(qū)域的權(quán)限。安全預(yù)警功能是指在施工過程中，構(gòu)件應(yīng)力或變形量超過臨界點(diǎn)，機(jī)械或施工人員發(fā)生危險行為，可以導(dǎo)致安全事故時，現(xiàn)場的報警系統(tǒng)發(fā)出報警，在 BIM 模型中的相應(yīng)區(qū)域顯示出來，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，可以整合項目各參與方（業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理等）的管理資源，各個項目參與方均可以在 BIM 模型中查看項目施工中的安全信息，及時了解施工安全狀態(tài)，當(dāng)存在安全隱患時，通過電腦終端向施工現(xiàn)場發(fā)出信息推送，實現(xiàn)項目多方參與者協(xié)同進(jìn)行施工安全分析和安全管控的功能。

4）動態(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)場信息不再需要人工進(jìn)行收集和錄入，在施工現(xiàn)場采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對現(xiàn)場施工環(huán)境及作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實時的監(jiān)控， 并通過數(shù)據(jù)傳輸，將施工現(xiàn)場施工安全信息實時更新到 BIM 模型中。在項目竣工后，又可對項目的安全管理進(jìn)行評價， 并對與 BIM 模型相連接的安全信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

5）全過程安全管理功能

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)，僅僅對施工現(xiàn)場進(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)和沖突檢查對施工進(jìn)行模擬，結(jié)合施工安全信息數(shù)據(jù)庫，分析施工過程中可能存在的安全隱患，在施工以前做好安全交底工作。在施工過程中，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對施工現(xiàn)場的環(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 BIM 模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析，科學(xué)的進(jìn)行施工中的安全管理。在項目施工完成后，對項目施工安全管理進(jìn)行評價總結(jié)，對施工安全數(shù)據(jù)庫進(jìn)行補(bǔ)充更新，為之后的施工安全管理提供指導(dǎo)。