诸卫卫，刘永强，吴 浩，朱 斌，高 阳

(1.南京市水务工程建设管理中心，江苏 南京 210098；2.河海大学，江苏 南京 210098)

随着新时期治水新理念的深入推进，河道治理工程不断受到各级部门的重视[1]。河道治理工程可以分为长河段治理和局部河段治理，其河道整治内容包括：堤防除险加固、灌区水利设施建设、开口堤修建、堤防溢洪堰建设、闸站泵站修建及河床疏浚。因为河道狭窄且施工路线比较长，所以河道治理工程具有施工范围大且不同地段的施工条件变化差异大的特点，这会导致施工人员调配和管理及施工有一定的困难。施工现场人与物的状态随时间一直发生变化，使得施工安全监督一直处于动态变化的过程，如何高效辨识不安全因素并且进行预控，实现事前控制与施工现场动态监督是施工安全监督的难点[2]。目前，安全风险管理信息在传递过程中往往以纸质文件的形式进行传递、存储、查询及利用，缺乏信息化集成，容易导致信息断层，无法满足新时代水利现代化建设的需求。

近年来BIM技术在各行各业受到广泛推广，其应用大放异彩，特别是在建设期的项目管理中成就诸多。而安全管理作为工程项目管理中的重点工作，其形成的研究成果更为丰硕，越来越多的学者使用BIM技术进行施工模拟、隐患排查、安全预警和方案优化等方面的研究与应用。Collins等[3]通过将脚手架安全风险与BIM 4D进度计划关联，告知安全管理者与脚手架相关的高安全风险活动；V.K.Bansal[4]主要研究在使用BIM技术进行安全管理的过程中引入GIS系统，在集成安全规则的同时，对其进行基于地理信息的监控筛选通过坏境信息辅助指定安全措施的计划，此技术在印度取得了较大的成功；陈丽娟[5]针对地铁施工空间安全方面、施工环境方面的问题，利用BIM技术进行了模拟，对施工现场环境、器材进入路线进行了合理规划，减少施工空间冲突以及机械碰撞，防止安全问题的产生；杜长亮[6]基于BIM技术，借助VR来解决现场钢筋排布问题；仲青等[7]收集并整合了施工现场的有效安全信息，并将之运用于施工现场的安全监控之中，有效地实现了可视化、信息自动化等多方协同参与的高效安全监控。现阶段，BIM技术已经逐步推广开来，但相关研究主要都集中在安全规划设计阶段，在施工阶段仅仅利用BIM技术协助进行安全教育和碰撞检查，对BIM技术进行危险源的自动识别、智能化管理、BIM轻量化等的研究尚有不足。

基于此，针对河道治理工程的施工特点，本文提出了基于BIM的河道治理工程施工安全风险辨识流程，对建立的BIM模型进行轻量化处理，搭建河道治理工程安全监督系统平台并对平台进行功能设计以满足河道治理工程施工安全管理的需求。通过将安全管理中的危险源辨识工作前移，变被动应对为主动控制，从事中事后控制转变为事前控制，同时将结构中的危险源依据相关法规及规范进行识别，并及时形成危险源预控方案，从而提升施工安全监督效果，推动智慧水务的建设。

1 技术构建分析

1.1 BIM技术

BIM(Building Information of Modeling)，中文名为建筑信息模型技术，在业内有时候也会以虚拟设计和施工(Virtual Design and Construction，VDC)来表述，其目的在于在实际工地之外以数字工地作为项目实体的数字化表述[8]。BIM技术的可视化、交互性和优化性特点决定了其在建设项目施工阶段具有较大的应用价值。作为一项在美国出现以来至今已经在众多发达国家被广泛应用的一项技术，BIM近十几年也在中国社会和学界都得到了充分的重视。

1.2 数据库技术

数据库技术是通过研究数据库的结构、存储、设计、管理以及应用的基本理论和实现方法，并利用这些理论来实现对数据库中的数据进行处理、分析和理解的技术，其具有共享性、独立性好的特点，在各行各业中广泛应用[9]。数据库系统有大小之分，大型数据库系统有SQL Server、Oracle、DB2等，中小型数据库系统有Foxpro、Access、MySQL。其中，Access数据库支持广泛，易于扩展，弹性较大，可以通过链接表的方式来打开EXCEL文件、格式化文本文件等，被广泛应用于河道治理工程危险源数据库和安全措施数据库的建立。

1.3 BIM轻量化

轻量化是为了解决BIM数据流通的便捷性，同时保证数据安全信息的完整性的一种技术，该技术是为了解除模型对专业软件的依赖并压缩模型文件[10]。具体来说，就是将模型文件(可以是Revit模型、CAD、3dmax、Microstation、ArchiCAD等等)解析为其他格式，新格式可以通过HTML/WebGL技术显现，利用浏览器或其他通用软件进行浏览。经过BIM轻量化转换后模型文件会被极大压缩，使得文件传输速度、效率提升很多。

2 基于BIM的河道治理工程施工安全预监督技术

2.1 基于BIM的河道治理工程施工安全预监督流程

基于BIM的河道治理工程施工安全预监督应用流程见图1。

a)构建河道治理工程安全风险知识库。通过信息的关键词从安全管理规范标准及相关工程施工组织设计文件中筛选统计整理出不同阶段、不同分部分项工程的施工特点与相对应的危险源及安全措施，并按照作业活动内容进行归类整理，利用Access数据库软件构建河道治理工程施工期危险源数据库和安全措施库，实现作业活动信息与危险源关联。

b)建立河道治理工程BIM模型。利用Revit等BIM建模软件进行参数化建模，构建河道治理工程族库，将各族部件导入项目模板中形成河道治理工程治理BIM模型，同时结合施工文件中的作业内容为各族部件添加WBS编码，实现作业活动信息与BIM模型关联，并进行模型轻量化处理。

c)构建基于BIM的河道治理工程建设安全监督系统平台，实现安全风险知识库和BIM模型融合。将数据库文件以及BIM轻量化模型加载至建立的河道治理工程建设安全监督系统平台，以作业活动为纽带，实现模型构件与危险源关联，得到基于BIM的施工期安全预监督模型。通过建立的河道治理工程建设安全监督系统平台，可以实现各参建单位的施工安全信息共享、河道治理工程危险源管理及预控方案的制定。

图1 基于BIM的河道治理工程施工安全预监督流程

2.2 河道治理工程施工风险分析

河道治理工程主要包含的建筑物类型有水闸、泵站和堤防，影响其施工的风险因素有很多，根据风险来源可以分为环境风险、社会风险、经济风险、政治风险以及技术风险等；根据风险可控程度划分可控风险与不可控风险；根据风险对象分为人身风险、责任风险和财产风险；根据各参与方的责任可以分为业主风险、设计单位风险、施工方风险、监理单位风险以及供应商风险；根据风险损失的程度分为轻度风险、中度风险及高度风险[11]。

目前，对于施工现场危险源的种类有很多种分类方式，按照《企业职工伤亡事故分类标准》，结合河道治理工程的实际情况进行合理分析，总结出5种最为常见及最为典型的施工安全事故，分别为高处坠落、物体打击、机械伤害、坍塌以及触电伤害[12]，具体内容见表1。

表1 河道治理工程常见施工安全事故

2.3 河道治理工程安全风险知识库构建

根据已有的安全法规、相关行业规范标准以及施工安全危险源辨识有关的文献资料，对河道治理工程中不同阶段，不同分部分项工程的不安全因素进行分析，基于语义分析对河道治理工程的安全风险进行提取，同时结合已识别出的危险源制定对应的处理措施。例如：“吊篮是否经过检测”“脚手架上堆放的荷载是否均匀”“在脚手架上是否按规则操作”，此类表述中存在“是否”这类判断词，分析得出“吊篮未经过检测”“脚手架上堆放的荷载不均匀”“在脚手架上未按规则操作”为对应的安全风险。通过该文本语义分析方法对相关安全法规及相关行业规范进行遍历，以相关工程案例为补充，以工序作业活动为安全风险发生对象，明确每项工作中存在的危险源及对应的安全措施[13]。同时，为便于后续河道治理工程BIM模型加载河道治理工程安全风险信息，需对危险源按分部分项、作业类型和涉及构件进行归类整合。最终，利用Access数据库软件构建包含单位工程、分部分项工程、作业活动、涉及构件、危险源和安全措施的河道治理工程安全风险知识库。

3 基于BIM的河道治理工程建设安全监督系统平台

将BIM技术引入河道治理工程建设安全预监督，可以实现施工现场的危险源可视化管理，在安全监督系统平台实现轻量化BIM模型与进度计划、资源计划、安全风险等相对接。本文以南京市江宁区一干河河道治理工程为例，对堤防标段K0+050～K0+100进行BIM建模以及轻量化处理，最后通过河道治理工程建设安全监督系统平台进行安全监督，实现河道治理工程施工期安全管理信息化。

3.1 BIM模型建立及轻量化处理

河道治理工程BIM模型作为信息化载体，是构建安全预监督系统的基础。针对河道治理工程信息化模型编码统一性不足的现状，将河道治理工程模型分解为族构建单元，并对其进行统一的编码和命名[14]。本文研究的河道治理工程施工对象为堤防，其主要组成部分包括堤基基础、堤身主体、堤防道路、防渗墙、护坡等。本次运用的建模软件为Revit2018，由于Revit2018自带的族库并不能满足针对堤防的设计，虽然堤防工程构造相对其他水利工程简单，多为线性结构，但是由于各桩号断面不一，使其多数部件需要在Revit中创建公制常规模型，通过族编辑器进行编辑与构建，再载入到建筑选项板中按照一定原则拼接。在建筑面板上针对族面板中创建的模型进行构建之后的创建的简化模型见图2。

图2 河道治理工程BIM模型

随后，针对堤防模型在Revit软件中显示端便携性较差的问题，拟对其进行轻量化处理。在进行轻量化处理之前，对其构件进行编号以便于安全规则的匹配、显示与管理。以堤身主体第一部分构件编码为例，在Revit软件的管理选项卡下的设置面板中选择“项目信息”“项目参数”和“共享参数”，即可实现对模型构件编码属性的创建及添加。添加的模型构件编码属性见图3。

图3 全局参数设置展示

在构建完BIM模型后，为使BIM模型能与建立的安全风险知识库进行有机融合，需在不影响核心数据的前提下进行合理的数据取舍，将BIM模型进行轻量化处理。本文利用模型转换器作为中间件，通过HTML文件环境中JavaScript显示组件库，在网页上新建DOM元素再根据viewToken指定待显示的模型，最后设置加载模型的回调参数，经过以上操作后，便可以在网页端显示轻量化的模型[15]。轻量化模型转换流程见图4,轻量化处理后的BIM模型见图5。

图4 轻量化模型转换流程

图5 河道治理工程轻量化模型转换

3.2 系统总体架构

安全监督系统平台具体涉及到建设项目的项目管理、进度管理、安全管理和劳务管理等业务内容。本系统平台管理软件采用B/S架构，使用浏览器就可以访问管理平台，降低了系统维护成本，便于软件的升级和扩展，系统主体平台采用JAVA语言开发。系统设计思路见图6，系统总体架构见图7。

图6 系统设计思路

图7 系统总体架构

3.3 平台功能模块设计

制定了完整框架的情况下才能做出一个健康的系统。在对整个系统框架进行设计及规划的同时，根据功能、实现的效果以及相关规范，将分成若干个大模块，自顶向下科学的开发从而达到对系统整体安全性、操作性及后续的工作带来更好效益的效果。通过图7可知，本系统共有4个功能模块，即项目管理模块、进度管理模块、安全管理模块和劳务管理模块，各部分功能如下。

a)项目管理模块可以将项目的总体信息予以展示，使得安全管理人员以及业主能够对于项目有一个直观的基本概念。在该模块下可对项目概览内的项目信息及项目下的单位工程进行维护更改，同时开放WBS分解和工序分析功能，按照类别分级对模型构件添加或修改WBS编码，实现构件与编码关联。

b)进度管理模块依据WBS分解项逐级展开具体施工部位，对其进行添加或修改开始日期、结束日期、工作量等施工进度信息，同时还能配置资源项，反映人工成本及机械设备使用情况。

c)安全管理模块是该系统的核心，通过数据库导入列表呈现了所有安全危险源信息，且危险源与作业活动进行了关联，而编码反映了作业活动，由此实现了危险源和构件关联，选取构件便能查看该部分潜在的危险源及对应控制措施。此外，开放了施工信息采集功能及比对功能，管理人员可以预先添加人员、机械设备计划数量，施工过程中可以将现场采集的施工现场人员机械位置信息、数量信息载入至对应构件，随后计划人机数量信息与施工现场人机数量信息进行比对，若存在偏差则发出告警。

d)劳务管理模块劳务管理模块主要是对劳务班组信息进行管理，添加或修改班组成员信息以及机械设备信息；实现对施工人员及机械的信息管理；机械人员的信息都在劳务管理的劳务班组中；涉及到工作人员的姓名、班组、岗位、工种以及上岗证等资质证明。

4 结语

在河道治理工程施工安全管理中，传统的信息传递方式需要耗费大量的人力、物力、财力，且信息化程度底，容易导致信息断层，亟需引进新技术来提升安全管理水平。BIM技术及数据库技术在一定程度上能够满足河道治理工程管理信息化的需求。本文针对河道治理工程对安全监督管理系统平台的需求，以BIM技术作为信息化手段、数据库作为数据存储的载体，通过BIM轻量化将BIM模型与数据库相结合，将施工期不安全因素的识别工作前移到设计阶段，即通过危险源自动识别与预控来加强事前控制，达到提高安全管理效率的目的。同时构建出基于BIM技术的河道治理工程建设安全监督管理系统平台，进一步提升河道治理工程施工安全管理的信息化、智能化水平，为智慧水利的建设提供新的解决方案。