基于BIM技术和物联网技术的建筑施工安全监控系统

针对当前施工现场安全监控缺乏科学有效的信息化监控手段的问题，论文在研究国内外 BIM 技术和物联网技术应用现状的基础上，提出了建立基于 BIM 技术和物联网技术的建筑施工安全监控系统，以实现施工现场安全管理的实时监控、数据对比分析、自动预警、协同管理等功能。

1 BIM 技术与物联网技术应用原理

1.1BIM 技术适用性分析

BIM（Building Information Modeling）技术是以信息技术为基础，集成建筑工程全寿命周期中的所有数据，支持项目各参与方信息交流和共享的可视化、数字化表达。BIM 模型采用 IFC 体系作为共同的数据标准，采用参数化建模技术，实现信息数据的一致性、关联性、及时性和共享性。

针对建筑工程施工过程，从安全需求的角度出发，梳理出安全预警的监控对象，针对每一个监控对象分析其可能存在的安全隐患，并对安全隐患进行参数化处理，形成相应的参数化指标，通过Microsoft Office Access 数据库管理系统建立建筑工程施工安全指标数据库。在设计阶段的 BIM 模型的基础上，添加场地图元信息，和施工机械相关图元信息，并将建筑工程施工安全指标数据库作为外部链接关联到 BIM 模型中。通过 BIM 模型中各个构件图元与相应的文本文件之间超链接的建立，实现施工现场管理工作的具象化。

1.2物联网技术适用性分析

物联网（The Internet of things）是通过无线射频识别（RFID）、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备，将任何物品与互联网按约定的协议约定连接起来， 形成物与物、人与物之间的通信以及信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络技术。采用物联网技术进行建筑施工安全管理，可以将施工现场的人员、机械、环境等因素与互联网连接起来，实现施工现场各类信息的实时互动，实现施工安全智能化的监控管理，提升安全管理能力。

在目标跟踪定位方面，可以采用RFID 区域定位技术 ZigBee 点定位技术相结合的方式对施工现场的管理人员、施工人员以及机械设施进行定位。其中， RFID 射频识别技术主要通过网络的连通性和相邻节点的位置关系实现对待定位标签的区域性位置估计。ZigBee 蜂窝网络主要通过 RSSI 测距、TOA 测距等距离测量技术实现对节点之间物理距离的测量。RSSI 测距定位算法结构简单、易于实现、成本低、功耗低，是当前无线网络节点定位技术的热点。

在应力监测方面，可以采用振弦式传感器对基坑支护结构、模板支撑体系等结构进行应力和变形的监测。采用化学性能稳定、抗拉强度大，且具有较高熔点的金属丝作为传感器的振弦材料， 与磁铁、受力机和夹紧装置一起组成振弦式传感器，采用不同的受力机做应力和变形的测量。

在危险预警方面，采用超声波技术和红外对射装置。超声波测距原理是利用超声波的传播速度和声波反射的时间差，计算出超声波发射点和遇到的障碍物之间的距离。超声波测距精度高，可用于机械施工中的近距离预警。红外对射装置的监测原理是利用 LED 红外发射二极体发射脉冲红外线到受光器，如果红外脉冲射束被遮挡或者断开，红外对射装置就会发出报警信号。因此， 可以将红外对射装置布设在危险区域， 如 ：临边、洞口等，当有人进入时触发报警。

1.3BIM 技术与物联网技术结合原理

BIM 模型在建筑施工安全管理中最主要的优势是信息的集成管理和共享以及三维模型可视化分析，但是 BIM 模型本身无法感知建筑工程现场的现实环境等各种信息数据，无法结合工程现场管理活动和工作任务进行实时的管理应用。而物联网技术无疑可以解决施工现场工作和环境的实时监控问题。因此， 将 BIM 技术与物联网基础的结合将实现建筑工程安全管理事故预防新的跨越。BIM 技术与物联网技术结合的方式可以实现安全事故的动态监控，原理如图 1 所示。首先，建立建筑工程施工安全指标数据库 ， 该数据库包含了施工项目安全指标或行业安全指标，并将数据库与 BIM 模型进行链接，在事前进行危险源的防控。其次，在施工过程中通过物联网技术对存在安全隐患的人和物进行实时监控，将采集到的安全信息与BIM 模型中安全信息进行实时对比，当临近危险状态时发出预警，使管理人员实时跟踪现在施工情况，进行安全隐患的预控和安全事故的处置。最后，按施工结束对安全管理进行总结并结合施工信息对安全信息数据库进行补充完善。

2 安全监控系统结构

基于 BIM 技术与物联网技术的建筑施工安全监控系统是以集成综合信息的BIM 安全信息模型为基础，采用物联网技术进行施工现场信息的实时采集，并两者信息整合分析对比，实现对工程项目动态实时的安全管理与事故预警的信息系统。该系统结构架构主要三个模块组成 ：现场信息采集模块、BIM 安全信息模块，安全监测数据处理反馈模块， 系统工作流程如图 2 所示。

1）现场信息采集模块

现场实时采集的信息主要包括人员、材料、机械、建筑构件等属性信息，危险性较大工序的实时信息，隐患区域实时信息等。采集标签有定位节点、振弦式传感器、超声波装置和红外设备组成。首先，结合安全信息数据库和施工现场实际情况，定义 RFID 标签种类、数目以及位置，布设ZigBee 信标节点、振弦式传感器、超声波装置和红外对射装置等。然后，将布设对象的基础信息添加到 BIM 模型中。在施工现场，运用物联网技术作为施工现场数据采集的工具， 对人员、机械，以及支撑构件应力和危险区域进行实时监测。

2）BIM 安全信息模块

将采集到的信息通过ZigBee 无线技术发射到阅读器进行数据打包处理，进而通过光纤把数据发送给上层服务器， 再对数据进行分析处理，共享到 BIM 安全信息模型中，实现施工全过程安全数据信息的交互，在 BIM 安全信息模型中呈现出施工人员和机械的实时位置、周围环境、检测参数等安全状态以及关键工序和关键构件的安全状态。

3）安全监测数据处理反馈模块

安全监测数据处理与信息反馈模块的主要功能是实现施工现场实时数据信化的危险源信息进行对比分析。施工现场质量安全信息与 BIM 模型的信息交互比对是实现事故预防的关键。可通过单独开发 API 功能模块或者通过支持 IFC标准的软件，实现 BIM 数据库以及电子标签之间的信息数据读取格式转换、交互与读写，实现自动的数据对比，以及通过系统管理人员针对构件进行现场数据与嵌入模型安全规则的对比，项目安全管理小组所有成员可以随时查看到施工现场各个关键点和危险点实时的安全状况。一旦施工现场发生人的不安全行为或者物以及周围环境的不安全状态， BIM 模型上就进行报警，并对危险行为或状态的级别进行分类。

3 安全监控系统功能分析

1）定位管理功能

该系统的建立可以在电脑终端通过BIM 模型查询任何一个时间段某个现场区域范围内人员的数量、身份 ；还可以查询某个员工的实际位置和活动轨迹以及安全装置佩戴信息。这样不仅可以对现场人员进行考勤，对施工人员的工作效率进行评价，督促安全员按时按点对现场进行检查，还可以为后续事故预防工作打下基础。

2）报警功能

报警功能可分为人员报警功能和安全预警功能。人员报警功能是指当无权限人员进入某个施工区域时，该区域的报警系统发出报警，在 BIM 模型中的相应区域显示出来，并将信息推送相关管理人员。每一位现场施工人员和管理人员身上都佩戴有相应的标签，通过施工区域入口处的标签识别器可以识别出人员的属性，判断该人员是否具有进入该区域的权限。安全预警功能是指在施工过程中，构件应力或变形量超过临界点，机械或施工人员发生危险行为，可以导致安全事故时，现场的报警系统发出报警，在 BIM 模型中的相应区域显示出来，并将信息推送相关管理人员。

3）多方协同功能

传统的安全管理主要是施工单位单方面的管理行为，基于 BIM 模型，可以整合项目各参与方（业主、设计、施工、监理等）的管理资源，各个项目参与方均可以在 BIM 模型中查看项目施工中的安全信息，及时了解施工安全状态，当存在安全隐患时，通过电脑终端向施工现场发出信息推送，实现项目多方参与者协同进行施工安全分析和安全管控的功能。

4）动态更新功能

BIM 技术与物联网技术的结合，使得现场信息不再需要人工进行收集和录入，在施工现场采用物联网技术对现场施工环境及作业环节进行实时的监控， 并通过数据传输，将施工现场施工安全信息实时更新到 BIM 模型中。在项目竣工后，又可对项目的安全管理进行评价， 并对与 BIM 模型相连接的安全信息数据库进行补充和完善。

5）全过程安全管理功能

传统的施工安全管理主要局限于施工过程中的安全监管，但是安全事故的发生具有因果效应，仅仅对施工现场进行管理并不能完全预防安全事故的发生， 所以经进行全过程的安全管理。在施工前，用 BIM 模型进行虚拟建设和冲突检查对施工进行模拟，结合施工安全信息数据库，分析施工过程中可能存在的安全隐患，在施工以前做好安全交底工作。在施工过程中，运用物联网技术对施工现场的环境及作业进行全程监控，克服人工监管的局限性，并通过 BIM 模型进行数据对比分析，科学的进行施工中的安全管理。在项目施工完成后，对项目施工安全管理进行评价总结，对施工安全数据库进行补充更新，为之后的施工安全管理提供指导。