基于BIM技术在房建施工安全管理的应用

南宁至昆明铁路横贯桂、黔、滇三省区，其中南昆线南宁至百色段增建二线七标（NBSG-7）主要工程位于广西壮族自治区百色市，气候条件属于亚热带季风气候，起止里程为K83+100至K208+700，长127.422km，主要包括里程范围内的全部站后工程（通信、信号、电力、接触网、房建）等专业施工。其中房建施工主要包括站后生产办公用房和生活用房等，设计年限为50年。

田东综合基地为该工程中重要工区之一（见图1），位于田东县内，里程为K144+000～K146+409.6。北临营业线、南靠既有村镇及耕地，主要包括间休楼、综合楼、轨道车棚、10KV变电所、防洪备料库等房屋，总建筑面积为10834m2，其结构形式为现浇框架结构。其施工区域临近站前单位和既有营业线，施工安全风险较大。总体而言该施工工区具有总建筑面积大、参与单位多、资源集中、施工区域狭小、多工种交叉施工等特点。

图1 田东综合工区平面布置图

在施工准备阶段，根据现场实际结合BIM技术，认真分析田东综合基地施工中存在的安全隐患及施工重难点。该工程具有工程量大、工期紧、参建单位多、参建专业多且部分施工内容需天窗点内施工等特点，导致现场管理难度大、安全风险大（见表1）。现场主要事故类型具体表现在：

表1 现场施工存在的主要安全隐患

2.1 工程量大、场地狭窄

施工现场占地面积较大约32000m2（含场地硬化），各房屋邻近且既有线数量多而散，地下管线及路径较为复杂（主要为铁路通信、信号光缆，电力电缆及铁路相关的供水、电管线等）。施工总平面布置区域划分紧凑和复杂，包括临时办公区、住宿区、材料堆放区、钢筋加工区、车辆运输等。此外该区域存在站前单位与站后单位同步施工，导致安全隐患进一步增加，安全管理难度进一步提高。但区域整体布置要求必须满足施工使用功能又要本着合理节约的原则进行布设。

2.2 邻近既有线、安全管理难度大

田东综合基地间休楼、综合楼、轨道车棚等房屋需邻近既有线进行钻孔灌注桩施工，周边环境不利因素（铁路营业线、既有营业线旧房屋、村镇等）导致安全卡控风险难度大。在各专业交叉作业层面上的“三宝、四口、五临边”安全管理措施要求较高。

2.3 环水保管理难度大、安全隐患多

施工过程阶段，现场土方开挖范围大且工程量大、周期长，对施工区域布置要求较高。与之对应的场内土方存放、扬尘治理、材料堆放、现场文明施工、基坑支护、漂浮物侵限营业线等方面安全管理要求高。同时现场部分地段需邻近接触网、高压线进行钢筋笼吊装等施工，存在触电、列车停运、红光带等风险。

传统安全管理主要针对人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全因素、管理缺陷等方面开展安全管理工作，导致现场存在无法预估的隐患漏洞及施工过程中不可避免的安全隐患。而BIM技术具有可视化、动态化、协调性、模拟性、优化性等优点（见表2），现将其与安全管理工作相结合能够更加直观地辨识安全隐患、预估潜在安全风险，更有利于开展安全管理工作。

表2 基于BIM技术与传统安全管理对比

建筑施工中存在较多的危险环节，其发生概率及事故的危险性均较高，因此现场管理人员需在机械管理、劳务管理、环境管理以及空间管理方面等进一步加强。此外施工单位还要进一步提升建筑工程安全管理力度，提前部署安全防控工作，积极创新全周期安全管理措施，从而为整个工程的施工安全提供保障。

4.1 建立BIM模型

通过设计图参数编制信息数据库建立数据层；
依据仿真施工及工序模拟建立模型层（土建模型、机电安装模型、平面布置模型等）；
基于风险源辨识及隐患整改、安全教育培训、碰撞测试、现场布置等目标建立应用层，同时根据施工进度进一步完善和优化。模型流程见图2。

图2 建立BIM模型

4.2 现场场地规划及动态模拟

本工程邻近营业线及村镇居民区且与站前单位存在交叉作业。现场区域集办公、生活、生产为一体，从而导致现场空间狭小，布局较为困难，安全风险增加。为合理利用有限空间进行作业且考虑到施工的安全性，结合现有条件并利用BIM技术进行场地规划及模拟，为实际施工提供指导。

①根据模拟结果明确可能存在的所有危险源，对危险源进行区域划分，并合理设置安全防护结构，确保危险源处于日常安全监测中。同时将危险源及不安全因素反应到BIM模型中，不断监测危险源的变化，定期评估并划分等级。

②明确各房屋主体工程位置，施工机械安放位置及运行路线，在建立BIM模型后进行模拟作业，要充分考虑到材料堆放、吊装等问题，避免运输机械和水平运输路线之间的冲突。

③确定主体工作位置后，明确材料堆放和钢筋加工棚等位置，制定场内交通路线图，避免机械作业给现场作业人员带来机械碰撞伤害，及时消除因材料堆放及机械停放位置不合理造成的不安全因素。

图4 水平洞口防护构件的制作图

图5 水暖管井洞口防护效果图

图6 脚手架BIM模型

图7 根据已建模型进行现场搭设

④确定施工现场临时设施、合理布局现场临水、临电的走向及消防安全设施。此外以房建主体施工场地位置为核心，根据项目实际需求和进度，动态优化不同阶段的施工机械、行进路线、作业范围、临建布置等，可有效减少施工过程中机械伤害、物体打击、起重吊装等安全隐患发生概率。

4.3 危险源辨识及检查

高处坠落是房建施工安全管理的重点和难点，其中主要体现在临边洞口未防护或防护不到位导致。基于这种情况，利用BIM技术可视化、仿真化等特点对本项目前期建立整体主体模型，还原出贴近现场的三维场景并在场景中利用视角方式进行漫游操作，主要包括VR模式和人物控制模式，即利用人物第一视角和方向进行漫游模拟，从而对所建主体模型中的危险源进行辨识和分析，找到和预估出存在的电梯口、楼梯口、预留洞口、通道口等临边洞口，并记录好危险源部位制定安全防护措施。（隐患与防护措施见图3～图8）。

图3 未增加防护措施的水平洞口

图8 隐蔽工程中现场安全隐患与模型对比

利用BIM虚拟仿真技术可以提前辨识很多隐蔽性、不可预见性的安全隐患，能够从人、机、料、管理、环境等方面找出缺陷，实现安全方案的最优化。对于脚手架搭设不仅能够计算出钢管扣件的用量而且可以分析交叉位置、疑难位置搭设的可行性。

4.4 碰撞测试

4.4.1 管线及构件碰撞测试

田东综合工区房屋为四电设备房屋，作业环境限制及参建专业较多，其设备管线及布置错综复杂，往往由于现场条件限制导致设备之间、管线之间、管线与设备之间、管线与结构物之间在施工过程中出现空间上的碰撞和冲突，为施工带来潜在的安全隐患。现场利用BIM技术进行三维管线综合设计及建立综合模型进行管线碰撞或冲突测试，可有效地改变这一状况。BIM模型可看作一次施工“预演”，预演过程可进行设备管线与结构件因设计问题导致的碰撞冲突。基于BIM技术可从整体上的宏观及微观角度进行提前管控。首先将管线与构件进行碰撞测试，将碰撞结果进行反馈，然后调整数据和参数，如此反复碰撞冲突测试，最终得出合理的管线设备布置方案，为后期现场实际安装施工与安全管理提供指导。

4.4.2 消防管道碰撞测试

现场对四电房屋中给排水、消防、喷淋管线进行碰撞测试（见图9～图11），将碰撞结果进行反馈。会同机电安装、土建主体等相关专业结合图纸和现场实际情况进行会商和研判，制定并优化空间布局和施工方案，本着“小管让大管、有压让无压、支管让主管、水管让桥架、非重力让重力管”的空间布置原则，采用合理避让方法如：平移、下移、打弯等。同步根据优化方案调整模型参数，确保施工安全可控、施工顺畅，实现多专业交互式、可视化、信息化的施工安全管理模式。

图9 消防管与结构碰撞优化前

图11 消防管与结构碰撞优化后

4.4.3 施工机械与建筑物碰撞测试

机械伤害事故往往发生在机械碰撞、倾覆、挤压等方面，基于施工机械的几何尺寸大、活动范围广、旋转半径大等特点。依据施工区域及塔吊安装位置等进行模拟塔吊碰撞事故。采用机械几何特征、运行特性、安装位置及与楼座间距等因素，建立动态模型，模拟出塔吊工作时可能存在的轨迹如：前进与旋转半径、运行特性、回转与结构件之间的冲突、机械之间的交叉作业等。机械伤害事故模型可随着机械作业、现场施工辨识出潜在的安全隐患（见图12）。

图12 塔吊与塔吊之间、塔吊与建筑物之间碰撞

4.5 安全教育培训及应急演练

区别于传统的安全管理，BIM技术在施工现场中的安全管理存在的优势较为突显。充分利用BIM技术所展现的三维布置及虚拟施工现场开展安全教育培训和应急演练更为直观，能够起到身临其境的效果，有利于增强作业人员熟知周围作业环境、辨识作业风险隐患，降低高风险伤害的概率。其BIM技术的原理是利用3D模型，将安全管理操作规程、人机料法环等因素布置到BIM模型中，以“第一人”视角进行漫游，直观影视化的进行“真实”的施工场景，从而提高作业人员的安全意识。（图13～图15）

图13 水平洞口部位动态漫游示意图

图15 安全教育讲平台实际效果图

图10 消防管与框架柱碰撞参数优化

图14 临边洞口动态模拟

建立BIM数字化安全培训的数据库，能有效地贴近施工实际现场，具有较高的相似度，可以更为直观的传递现场实际环境，明确各专业工作范围及存在何种风险，从而针对性的制定安全管控措施，对于一些复杂的现场施工效果比较显著。此外安全教育模型也可以作为实际安全教育进行指导，并以此反映到实际安全管理中。

随着现代建筑工程安全文明施工要求不断提高，利用BIM技术模拟对施工全过程进行安全管理，能够有效辨识现场可能存在的安全隐患，从而实现全方位、无死角的动态管理，确保建筑施工经济平稳、高效完成、安全可控。目前BIM技术在建筑领域中逐步成为一种趋势。但BIM技术与安全管理相结合仍处于探索阶段，在深度及广度上仍存在一定的局限性，不能完全反映出现场具体实际，还需进一步的应用和探究。本文将BIM技术引入安全管理中，能够对现场安全管理起到一定的辅助作用，从而有利于施工前风险源的准确辨识、施工过程中的风险控制和隐患整改，为提高安全管理再上新台阶。