李強年，王喬喬

（蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050，E-mail：1020160380@qq.com）

近年來，裝配式建筑在我國建筑市場的占比逐年增長，裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)場混凝土施工的建筑方式相比，施工現(xiàn)場的模板和腳手架工程、現(xiàn)場濕作業(yè)量大大減少，有效避免了模板腳手架坍塌、高處墜落等安全風險的發(fā)生。但裝配式建筑的施工階段由于重型、超重型吊裝設(shè)備的入場和使用，伴隨吊裝作業(yè)持續(xù)時間長、強度大，吊物形狀不規(guī)則、單件重量大，組裝要求操作精度高等特點，導致現(xiàn)場吊裝作業(yè)成為高頻安全風險源[1，2]；住建部2018年5月印發(fā)的《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》中已將起重吊裝與裝配式建筑混凝土預制構(gòu)件安裝工程列為危險性較大工程。

住建部2016年9月印發(fā)《2016~2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》并逐步制定綠色建筑相關(guān)評價標準，信息化技術(shù)在有效降低施工過程中的資源消耗，控制施工成本，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益有很大的應(yīng)用效果。目前，專家學者已對裝配式建筑吊裝階段的信息化管理進行了大量的深入研究，鄒小偉等[3]通過識別裝配式建筑施工過程中的機械、構(gòu)件本體及施工操作人員安全風險，構(gòu)建了基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全預警平臺；張玉媛等[4]通過分析裝配式建筑安全管理的重要安全風險點，提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在預制構(gòu)件、現(xiàn)場人員、施工機械管理中的具體應(yīng)用；李天華等[5]和常春光等[6]則將BIM與RFID相結(jié)合，前者構(gòu)建了裝配式建筑全壽命周期的信息化管理途徑；后者建立了裝配式建筑構(gòu)件制造、運輸、進場、倉儲、吊裝整個施工過程信息共享平臺。由此可見，目前在裝配式建筑構(gòu)件信息化管理方面，主要是通過RFID芯片儲存供管理人員掃描查看出廠時構(gòu)件攜帶的靜態(tài)屬性信息，無法實現(xiàn)構(gòu)件的實時監(jiān)控。所以，劉詩楠等[7]和劉占省等[8]在裝配式建筑施工過程提出了低功耗廣域網(wǎng)中的NB-IoT技術(shù)應(yīng)用方案，為裝配式構(gòu)件的實時信息采集提供了設(shè)想。

裝配式建筑作為吊裝作業(yè)密集型建筑，吊裝過程的安全風險管理尤為重要，本文借鑒已有的探索性研究，建立基于BIM技術(shù)及NB-IoT技術(shù)的裝配式建筑吊裝安全風險管理體系，旨在提高施工單位裝配式建筑吊裝作業(yè)安全管理能力與實施安全水平，減少傳統(tǒng)施工管理技術(shù)下的材料浪費、窩工消耗，實現(xiàn)吊裝過程安全風險管理由“經(jīng)驗控制型”向“過程控制型”的綠色轉(zhuǎn)化提升。

1 裝配式建筑吊裝安全風險因素識別

1.1 裝配式建筑吊裝過程安全風險分析

在裝配式構(gòu)件吊裝中，不僅需對吊裝過程中的構(gòu)件進行力學性能預分析，同時要保證在起吊過程中構(gòu)件能夠有效避免損毀，保證安裝質(zhì)量，避免物體打擊、高處墜落、機械傷害、坍塌、火災(zāi)及觸電等事故的發(fā)生。裝配式構(gòu)件吊裝過程中的安全風險不僅與單一的安全風險因素相關(guān)，同時安全風險因素之間的耦合特征，使安全風險因素的安全風險程度呈現(xiàn)不確定性。吊裝事故發(fā)生的直接原因是管理上的失誤和不當，間接原因則包括吊裝工作人員的不安全行為，物料、設(shè)備的不安全狀態(tài)及技術(shù)工藝的不成熟和環(huán)境脆弱性等方面，管理上的失誤往往會導致人員失誤、設(shè)備故障、操作失誤和環(huán)境脆弱等不安全狀態(tài)產(chǎn)生，進而導致吊裝事故的發(fā)生。

以生產(chǎn)要素劃分為基礎(chǔ)，基于安全風險耦合理論從人員、技術(shù)工藝、物料設(shè)備、環(huán)境、管理五大維度識別裝配式建筑吊裝安全風險因素體系，如圖1所示。

圖1 裝配式建筑吊裝過程安全風險因素體系

1.2 確定安全風險因素權(quán)重

相互作用矩陣法[9]由J.A.HUDSON提出，特別適合用來解決多因素之間的相互作用和相互耦合等復雜情況，其基本思想是通過分析構(gòu)造與系統(tǒng)相關(guān)的多因素作用矩陣，求解各安全風險因素相互作用情況下的權(quán)重值，更貼合工程實際。在相互作用矩陣法中，主對角線對應(yīng)各研究因素，非對角線為對應(yīng)因素之間的影響值，如圖2所示。該方法通過矩陣運算可定量獲得因素對系統(tǒng)、系統(tǒng)對因素之間作用強度的信息[10]。相互作用矩陣中，矩陣主對角線上放置的安全風險因素之間的前后順序均可顛倒，安全風險因素的大小表示該因素會對安全風險產(chǎn)生的影響程度；多安全風險影響因素相互耦合作用則放置在次對角線的位置，其值的大小表示因素之間耦合作用對過程安全風險的影響程度。

圖2 多因素相互作用矩陣

在這個關(guān)系矩陣中，Pi表示第i個安全風險影響因素；Pij表示安全風險影響因素i作用于影響因素j而對吊裝過程安全風險性所產(chǎn)生的影響；同理可以知道，Pji表示安全風險影響因素i受到影響因素j的作用而對建設(shè)項目施工總體安全風險性所產(chǎn)生的影響。在確定了吊裝安全風險影響因素并組成相互作用關(guān)系矩陣后，根據(jù)下面公式可以計算出影響某個建設(shè)項目吊裝過程安全風險的第i個影響因素的權(quán)重Ki：

式中，n表示影響裝配式建筑吊裝安全風險的主要影響因素個數(shù)；SR表示安全風險因素i自身安全風險系數(shù)和與其他因素產(chǎn)生耦合作用的系數(shù)之和；SC表示安全風險因素i自身安全風險系數(shù)和與其他因素對i因素產(chǎn)生耦合作用的系數(shù)之和；權(quán)重k表示第i個安全風險因素對吊裝過程安全風險的影響程度。裝配式建筑吊裝過程安全風險因素權(quán)重確定步驟如下：

（1）構(gòu)造裝配式建筑施工吊裝過程安全風險因素相互作用矩陣P=(pij)m×n。根據(jù)圖1所示的安全風險因素體系，按0，1，2，3，4的取值劃分各安全風險因素間的相互作用程度等級（見表1）。

表1 安全風險因素相互作用等級標準

邀請熟悉裝配式建筑和裝配式建筑工程項目安全風險管理的 10位專家，其中包括建設(shè)單位工程師、構(gòu)件生產(chǎn)單位管理者、施工單位總工程師、項目經(jīng)理和吊裝作業(yè)管理者各2名。按照表1得到相互作用關(guān)系矩陣中裝配式吊裝安全風險因素以及各因素之間的相互作用對吊裝過程安全風險性影響程度的取值，得矩陣P=(pij)m×n如下：

（2）根據(jù)式（1）~式（3）確定各安全風險因素權(quán)重，計算結(jié)果如表2第1~4列所示。

1.3 安全風險因素管理需求分析

依據(jù)上述分析，相互作用矩陣求得的安全風險因素權(quán)重值越大，表示對裝配式吊裝過程影響程度越大，按照權(quán)重值確定裝配式構(gòu)件吊裝過程風險因素綜合權(quán)重排序為管理因素B5（0.27）>構(gòu)件、設(shè)備因素B3（0.25）>人員因素B1（0.21）>技術(shù)、工藝因素B2（0.16）>環(huán)境因素B4（0.11），要準確掌握吊裝過程項目現(xiàn)場的實時安全狀態(tài)，防止吊裝施工現(xiàn)場相關(guān)人員的不安全行為，消除機械設(shè)備的不安全狀態(tài)及不安全作業(yè)環(huán)境因素，管理因素的管控是重中之重。為此，對裝配式構(gòu)件吊裝施工安全風險因素管理需求進行分析，如表2第5~6列所示。

2 BIM及NB-IoT技術(shù)在裝配式建筑吊裝風險管理中的應(yīng)用流程

BIM（Building Information Modeling）作為建筑業(yè)信息化發(fā)展的重要工具，其推廣和應(yīng)用深受重視，能夠?qū)崿F(xiàn)工程項目各參與方之間的信息共享，對于一個工程建設(shè)項目來說，是能夠集成全壽命周期內(nèi)的工程信息于一體的數(shù)據(jù)庫，在裝配式構(gòu)件吊裝過程管理中，BIM技術(shù)能實現(xiàn)的信息化功能主要有[11~13]：一是3D可視化、碰撞檢測的功能可模擬構(gòu)件吊裝過程，檢測吊裝過程機械、構(gòu)件和人員操作沖突，促進早期吊裝安全風險識別安全風險溝通；二是4D吊裝進度計劃（即3D模型＋時間維反映動態(tài)吊裝過程）可提高吊裝管理水平，實時檢測吊裝過程中動態(tài)安全風險，促進吊裝作業(yè)安全隱患整改；三是吊裝進度跟蹤功能，BIM吊裝模型顯示動態(tài)吊裝進度，模型資源曲線以時間維對應(yīng)實際完成量與計劃完成量實時數(shù)據(jù)對比；四是BIM信息共享平臺的互操作性實現(xiàn)吊裝作業(yè)過程管理人員和操作人員之間的信息傳遞。

表2 安全風險因素指標權(quán)重

NB-IoT技術(shù)使用license頻段，適用于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)位置固定、相對集中的場景信息傳遞的同時，解決了長距離低能耗的密集信息傳遞問題，是多址技術(shù)的代表，傳感追蹤領(lǐng)域的通信橋梁[14]。NB-IoT技術(shù)最大的特點是窄帶Narrow Band，基帶復雜度遠低于傳統(tǒng)基帶，模組電池使用可長達10年以上；連接能力比現(xiàn)有無線技術(shù)高出 50~100倍。NB-IoT技術(shù)可實現(xiàn)裝配式建筑中大量預制構(gòu)件數(shù)據(jù)采集同時進行，進一步提高對裝配式構(gòu)件監(jiān)控程度。

BIM與NB-IoT技術(shù)的結(jié)合主要以NB-IoT模組作為終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部署，采集人員、構(gòu)件、設(shè)備的位置信息、屬性信息及姿態(tài)信息的數(shù)據(jù)上傳同步至BIM數(shù)據(jù)庫，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)層信息與BIM模型數(shù)據(jù)進行對象識別和匹配，生成虛擬灰暗模型與實際吊裝高亮顯示模型兩者的復合 BIM數(shù)據(jù)模型，跟蹤吊裝管理活動，為直觀動態(tài)管理過程提供支持與優(yōu)化，以減小或消除吊裝過程中安全風險因素的影響。

在裝配式建筑施工過程中BIM與NB-IoT技術(shù)的運用流程如圖3~圖5所示，在構(gòu)件入場檢驗合格后，為構(gòu)件嵌入NB-IoT模塊標簽并進行信息綁定，構(gòu)件堆放階段為節(jié)省耗電，對NB-IoT模塊標簽進行MCU休眠程序編譯，當構(gòu)件在流動中靜止時間超過5min，NB-IoT模塊自動休眠，一旦構(gòu)件位置有所改變，NB-IoT模塊標簽可迅速喚醒，構(gòu)件吊安裝完畢后，將構(gòu)件上NB-IoT模塊標簽回收，循環(huán)使用。

圖3 BIM與NB-IoT技術(shù)運用流程示意圖

BIM+NB-IoT技術(shù)的裝配式建筑吊裝安全風險管理體系需實現(xiàn)對裝配式構(gòu)件吊裝作業(yè)中人員、機械的實時位置、狀態(tài)的監(jiān)控，同時實現(xiàn)吊裝過程構(gòu)件姿態(tài)、安裝垂直度、精度的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸，可彌補 BIM 技術(shù)在動態(tài)安全風險管理中難以獲取實時數(shù)據(jù)的缺陷。

圖4 NB-IoT技術(shù)運用流程圖

圖5 BIM技術(shù)運用流程圖

3 裝配式建筑吊裝過程安全風險管理體系的構(gòu)建

根據(jù)前述吊裝風險分析，裝配式建筑吊裝過程風險因素主要可以歸納人員、技術(shù)工藝、構(gòu)件設(shè)備、環(huán)境、管理五大類21項因素，這21項因素最能完整地描述裝配式建筑吊裝施工現(xiàn)場的情況，準確掌握吊裝過程項目現(xiàn)場的實時安全狀態(tài)，以達到避免吊裝事故發(fā)生的目的。BIM技術(shù)和IoT技術(shù)的結(jié)合和引入，正好可以實現(xiàn)對事故的有效防范，提升吊裝施工管理水平。本文構(gòu)建的以BIM技術(shù)為核心的裝配式吊裝施工風險管理體系，如圖6所示。

圖6 裝配式構(gòu)件吊裝安全管理平臺架構(gòu)設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)采集層。負責預制構(gòu)件信息的采集，數(shù)據(jù)采集的工具主要包括構(gòu)件出廠攜帶的RFID標簽、傳感器等機械，構(gòu)件入場時管理人員通過讀取攜帶構(gòu)件基本信息的RFID標簽，獲得構(gòu)件的基本屬性，3D激光掃描檢驗構(gòu)件入場質(zhì)量，檢驗合格構(gòu)件按照實體位置與 BIM 模型中位置對應(yīng)[15]。嵌入NB-IoT模組作為終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部署，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸、構(gòu)件定位以及垂直度監(jiān)測，通過4G、Wi-Fi、等網(wǎng)絡(luò)通訊工具上傳同步至數(shù)據(jù)庫，對構(gòu)件吊裝過程實時追蹤和定位。傳感器包括力學傳感器、傾角傳感器、溫度濕度傳感器等，用于獲取吊裝過程中物理數(shù)據(jù)，如構(gòu)件受力、傾斜度、環(huán)境數(shù)據(jù)等。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。將采集到的構(gòu)件位置信息、屬性信息及姿態(tài)信息的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)層。

（3）數(shù)據(jù)儲存層。儲存數(shù)據(jù)的BIM信息數(shù)據(jù)庫，用以儲存構(gòu)件的構(gòu)件位置信息、屬性信息及姿態(tài)信息。

（4）模型集成層。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)層信息與BIM模型數(shù)據(jù)進行對象識別和匹配，生成虛擬灰暗模型與實際吊裝高亮顯示模型兩者的復合 BIM 數(shù)據(jù)模型，顯示所吊裝構(gòu)件軌跡及就位狀態(tài)，構(gòu)件吊裝完成復合模型通過綠色顯示構(gòu)件已就位狀態(tài)，就位后垂直度檢查不過關(guān)則紅色閃亮顯示，示意管理人員反饋吊裝操作人員進行調(diào)整，直至構(gòu)件準確就位，確保吊裝施工質(zhì)量。

（5）平臺應(yīng)用層。包括吊裝模擬、吊裝指導、安全風險監(jiān)控、安全預警四大模塊功能，此外提供構(gòu)件屬性查詢、構(gòu)件位置信息顯示、及姿態(tài)信息動畫等功能。結(jié)合BIM模型的虛擬吊裝功能，用戶層吊裝施工人員可隨時通過自身攜帶簡易機械獲得當前吊裝構(gòu)件的吊裝模擬演示動畫，獲得需要的技術(shù)操作指導，在吊裝過程中的吊裝超載、起吊速度過快或吊裝作業(yè)環(huán)境等出現(xiàn)不利安全風險都會在手持機械發(fā)出警報，警示操作人員及時整改。

（6）用戶操作層。吊裝作業(yè)指揮人員、吊裝過程管理人員、吊裝機械操作人員三大用戶通過攜帶簡易通訊設(shè)備（如手機端、PC端及平板端等），調(diào)取應(yīng)用層模塊，可準確了解吊裝作業(yè)實施的實時安全狀況。如吊裝機械操作人員可配備ipad端，利用其可視化技術(shù)，可實時獲取構(gòu)件與設(shè)計位置距離，結(jié)合吊裝指揮人員指揮信息更利于構(gòu)件精準就位。

4 裝配式建筑吊裝過程安全風險管理流程

以BIM與NB-IoT技術(shù)運用流程為基礎(chǔ)，構(gòu)建了如圖7所示的裝配式建筑吊裝過程安全風險管理體系。

圖7 裝配式建筑吊裝過程安全風險管理流程

（1）虛擬吊裝階段。運用BIM-Revit軟件建立起建筑本體構(gòu)件組合三維模型，然后運用 Navisworks和Revit二次開發(fā)對構(gòu)件進行反復吊裝模擬，形成優(yōu)化的吊裝方案，并按照構(gòu)件的裝配順序自動生成與其唯一對應(yīng)的ID實現(xiàn)BIM模型中單體與實際構(gòu)件的精準匹配，供用戶層精準查閱所需信息。

（2）吊裝數(shù)據(jù)收集處理階段。通過數(shù)據(jù)采集層和網(wǎng)絡(luò)層，實時收集吊裝數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化處理，生成復合BIM三維模型。

（3）吊裝指導及安全風險監(jiān)控階段。一是吊裝指導系統(tǒng)，BIM復合模型中集成和存儲構(gòu)件吊裝信息，用戶層可通過手持機械調(diào)取當前構(gòu)件的虛擬吊裝動畫，結(jié)合BIM模型中的構(gòu)件吊裝實時畫面，對現(xiàn)場吊裝人員進行指揮和安全風險監(jiān)控（見圖8）；二是安全風險監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控和排查構(gòu)件吊裝過程中的安全風險因素。通過接收布置在吊裝作業(yè)區(qū)的NB-IoT模塊力學傳感器和構(gòu)件及吊裝機械上的NB-IoT模塊的傳感器數(shù)據(jù)，運用計算機編程計算分析吊裝機械、吊裝構(gòu)件、吊裝機械場地安全狀態(tài)，實現(xiàn)對吊裝機械、構(gòu)件及其作業(yè)環(huán)境的安全風險監(jiān)控，防止吊裝過程中發(fā)生機械傾覆、場地結(jié)構(gòu)性破壞及構(gòu)件損壞等安全風險。NB-IoT模塊風力、濕度、火災(zāi)傳感器對環(huán)境安全風險進行監(jiān)控的同時，系統(tǒng)通過吊裝現(xiàn)場的攝像頭，排查現(xiàn)場吊裝準備情況，授權(quán)人員是否佩戴防護具，監(jiān)控未授權(quán)人員不得進入吊裝區(qū)域，輔助指揮人員查看作業(yè)盲區(qū)，全面管控吊裝現(xiàn)場安全風險（見圖9）。

圖9 安全風險監(jiān)控系統(tǒng)

（4）安全預警階段。根據(jù)復合BIM模型中高亮顯示所吊裝構(gòu)件軌跡及就位狀態(tài)，人員位置、機械位置，實現(xiàn)對吊裝現(xiàn)場安全風險的實時追蹤，通過實時通訊機械，通知吊裝人員和安全管理人員，采取相應(yīng)的安全措施后，直至預警解除。

5 結(jié)語

對于裝配式建筑施工中最為關(guān)鍵的構(gòu)件吊裝環(huán)節(jié)，安全風險因素眾多，通過相互作用矩陣法確定裝配式建筑吊裝過程關(guān)鍵安全風險因素，利用BIM及NB-IoT技術(shù)構(gòu)建裝配式建筑吊裝安全風險管理體系：將低能耗、低成本、廣覆蓋的 NB-IoT技術(shù)引入到裝配式建筑的 BIM 信息化施工過程管理中，不僅滿足裝配式建筑施工的過程精細化、多目標信息化等綠色施工要求，還能降低建筑施工企業(yè)信息管理的成本?；贐IM+NB-IoT技術(shù)的裝配式建筑吊裝安全風險管理體系為裝配式吊裝安全風險信息化、智能化的管理方式提供理論框架，為打造“智慧工地”、促進建筑企業(yè)信息化轉(zhuǎn)型升級奠定了理論基礎(chǔ)。