高俊杰

（广州开发区交通投资集团有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

智慧工地系统在施工现场管理的关键技术分别是BIM技术、物联网技术和定位技术，其产生与发展满足了建筑产业发展所必需的新要求，其作用为提高房建项目施工现场管理水平，拉动房建项目的整体效益[1]。在国民经济发展过程中，建筑行业起到极其重要的支撑作用，在基础设施建设、民众居住条件改善、促进劳动力就业以及带动区域经济发展等方面作用显著。另一方面，建筑行业也是极易造成安全事故的危险行业。在党和国家各级主管部门以及行业机构的特别关注和同心协力下，不但工程中的安全事故出现的概率大幅度减少，而且提升工程质量。但也要充分认识到，未来的建筑行业的安全质量问题依旧任重道远，特别是各地城市化的深度推进，建筑工程规模逐年剧增，施工安全质量问题依旧是最主要的问题[2]。如何有效地进行施工现场的安全管控、将事故发生率降到最低、避免不文明施工、杜绝各类违规操作，依托可视化的BIM技术进行建模以及相关的施工方案，借助三维效果了解所有施工环节，完成可视化的施工安全交底，监控施工过程质量安全风险预警，最后保证施工质量。

1 工程质量安全系统应用设计

1.1 工程质量安全风险预警总体框架构建

通过BIM模型所构建的集成平台，其中会涉及多个辅助软件，包括Revit、Fuzor以及Navisworks等，通过科学化的方式，对参与方所提供的信息做好全面的整合与处理，确保相互之间可以信息共享，这样也能为后期风险识别，提供必要的参考依据。在预警模型过程中，需要将参数化作为基础，因为Revit中会涉及开放的API接口，这一接口也能为定义危害参数，同时进行相关的操作，包括定义、分析、反馈以及修改等，使可操作的空间更大[3]。

由5个层面共同组成的模型包括感知层、传输层、模型层、数据层和应用层，借助各自层次的功能，可以完成处理采集的数据、进行风险监测以及通过可视化的风险预警，整体关系和模型框架图如图1所示。

图1 预警系统框架总图

感知层在应用过程中，其负责的范围就是针对施工时可能出现危险源，做好全面的监测工作。在日常建设过程中，会涉及一些影响到建筑全生命周期的风险，根据划分类型可以将风险划分为质量缺陷、危险地带、冲击打击以及变形倒塌等，添加信息监测机制，采取相匹配的措施，可以快速采集现场所出现的危险信息， 然后编码和转编码。

传输层在应用过程中，其基本的作用就是对信息做好收集、反馈、处理。将不同的监控技术手段加入其中，可以形成一个完善的配置，在采集信息过程中，可以利用以外网或者无线网将采集到的数据上传到数据处理中心。除此之外，客户端信息结果的处理也由传输层负责，向对应的监测点返还，以保证反馈的信息通过监测点得到更好处理[4]。

模型层负责提供相应的参数，主要是项目施工过程中所涉及的。构成建筑模型的专业主要包括暖通、建筑、机电以及结构等，通过SDK数据包给出不同专业模型包括的参数。

数据层的作用是处理对标签传递的信息，例如解码对标签信息，比较分析监测数据和危害数据等。

应用层的作用是向危险区域的人、物、机等反馈数据层的对比分析结果，并在BIM模型中利用ID号直观地显示预警信息，以工具的形式进行安全管理的管理、协调和指挥。

上述预警系统总体框架的核心是通过BIM的安全风险预警模式实现，其作用是进行BIM建模，其对象是施工中物体坠落区和撞击区等危险源，同时进行危险源阈值的设置，将其导出后进行危险源数据库的建立。并有效监测施工现场模型标记的危险源，判断其有无突破安全阈值。一旦超过阈值就要进行信息预警。倘若在安全值内就要追踪施工进度，进行危险源数据库以及BIM模型的更新[5]。真正做到了及时发现问题并对循环检验中的问题进行解决。流程如图2所示。

图2 基于BIM的安全风险预警实现思路

1.2 安全预警功能分析

在BIM技术与信息技术之下所构建的风险预警模型会涉及输入、存储、运算和输出这四个模块，各个模块之间信息存在交互性，此时可以利用危险编码保证信息互相连接。整个系统模块功能如图3所示。

图3 功能模块

输入模块。主要实现两个功能：在标签中写入危害码，在BIM平台上导入监控数据。存储模块：存储模块不仅保存BIM模型中包括的参数和各种监控设备采集的数据，还保存各种监控设备的对比分析结果。运算模块：在运行运算模块过程中，会对危害数据与监测到的数据进行多次对比，进行数据差距的合理分析[6]。例如在全面监测施工安全事故的过程中，针对监测数据的几何运算、编译、转码等操作，必须在前期准备阶段进行。输出模块：利用运行模块完成对比与分析后，此时输出模块的出现，可以将一些预警信号，利用弹窗或者高亮的方式出现在BIM模型中，其中包括发生风险的位置、风险具体类型、风险解决方案等。其具体的实施流程如下。因为所识别的危险因素在施工项目中不是数量级的，因此可以考虑在查找中利用二分法。可用 C++实现源码：

1.3 安全预警流程分析及功能实现

1.3.1 预警监测节点定位

因为多基站的定位模式，所选择的算法是TDOA（Time Difference of Arrival）法，公式如下：已知1，2，…，n个节点的坐标为（p1，q1），（p2，q2）（p3，q3），…，（pn，yqn），d1，d2，d3分 别是坐标到节点D的距离，…，dn，如果（p，q）是节点D的坐标。则有：

式中：p，q，pn，qn为坐标点，d，dn为两点之间的距离。

前（n-1）项减去最后一项得：

式中：p1，pn，q1，qn，为坐标d1，dn两点间距离。

由矩阵可为AX=b ，式中A、b是下面的矩阵，X是变量。

其中：

则可得待测点的坐标如下：

式中：X为测得点的坐标，AT为矩阵A的转值矩阵，A、b为上面的矩阵（3）和矩阵（4），

监测点既可以确定标签位置，是否进行预警的判断就是标签是否进入危险区。

1.3.2 基于施工安全事故监测的预警流程

施工安全事故是由变形区域和危险区域导致的，可以从两个方面进行纵向风险监测，如图4所示。

图4 危险区域监测系统工作流程图

图4中有2个部分，第一部分为机械设备监测和施工现场危险区域的相关情况。通过感知层、传输层和数据处理层对监测到的信息进行处理，最后处理成的数据结构等同于危险源代码，然后与危险源数据库进行对比分析[7]。

创建危险源数据库的过程是该系统的另一部分，危险源数据库的数据构成主要是相关的危险源参数，该参数是从包括危险区要素的BIM模型中导出。系统操作程序的最后步骤是以ID号为主要索引，对以上两部分的数据进行对比分析[8]。超过安全阈值时，发出警告信号，突出显示危险部位，生成风险评估报告。否则会推送安全通知。

准确判断工作人员的位置是不是处于危险区域，是该工作程序的核心工作。所以，要划分危险区域和工作区域。

式（6）为危险区域点集合，（1，2，3）的坐标是危险，式（7）的定义设定为工作人员置身的区域，（X'1，X'2，X'3）代表的位置坐标即是工作人员所在点。对危险区域有无工作人员的判断，可判断X和X'（X危险区域，X'员工所在位置），如果X'∈X，表示员工进入危险区，就会警告。危险区域包括点危险区域、空间危险区域、线危险区域以及平面危险区域，其最后的界定是根据动作区进行[9]。

根据主体的特点，危险区域分为动态和静态两类。静态：例如建筑窑洞、建筑入口等区域。动态：例如大型机械、塔吊等区域。人员所在区域和动态危险区域的位置如公式（8）所示。

式中：g（W，t）为工作人员和动态危险区域的定位，Y∈F就是一个危险区域，φ（W）是否进入危险区域。

倘若某个建造者没有通过授权（（W）=0）便闯进某个危险区域（Y∈F），系统就会及时向施工人员发出警告。而施工人员进入危险区域时，便会产生如公式（9）所示的坐标位置。

式中：g（z；t+Δt）发出预警后是否离开危险区域，Z∈F仍处于危险区域，P（Z）=0就是没有离开。

风险预警信号为∆t时间后，工人可能处于离开危险区（Z∩F=0），预警就会解除，而人员还在危险区域Z∈（F）时，安全管理的防护干预就要及时进行，对安全风险进行化解，保障施工者的安全。

2 项目应用实例

2.1 项目背景

某科技大厦智慧工地项目，其依托的基础是大数据、物联网、云计算，利用BIM和IBMS和BIM为智慧中枢的智慧建筑。通过碗型鹰眼技术，对施工作业区、物料区、生活区、车辆进出口进行360°全景摄录，三维立体化全方位监管，做到施工过程、施工质量、施工环境公开化和透明化管理，是施工所在区十三五规划智能建筑的典型缩影之一。

2.2 系统应用

针对项目特征设计解决方案，采用BIM+监测系统方式进行碰撞监测。相关的碰撞监测主要是针对构筑物之间、不同的机械设备、人员、车辆等的碰撞监测，而针对复杂环境的监测，要注重风险监测的双向性[10]。监测运动危险区示意图如图 5所示。

图5 基于BIM+监测机械碰撞区域监测示意图

2.3 应用效果

利用IBM+监测系统的实景操作体验方案，部署方便，可监控工地日常情况并监督工程施工进度；利用IBM+监测系统展示建筑现场，效果惊艳，如图6所示，同时又让来访人员感受到了实景操作体验。

图6 监控实际效果图

3 结论

该文通过信息化手段将BIM+监控系统应用于房建施工现场，实现现代化管理，为房屋施工现场创建更高效、安全的管理系统。将BIM技术+监控技术广泛运用于建筑工地的风险预警和相关的管理，真正做到安全风险管理从传统的评估到主动监控预警，转变为被动的人工监督检查的全天候实时动态监控与管理，不仅能高效、有针对性地对施工现场的安全风险进行控制，为信息技术在安全生产领域的应用提供了新的视角和新的参考。