基于BIM和RFID的模板支撑体系安全预警与管理研究

基于基于BIMBIM和和RFIDRFID的模板支撑体系安全预警与管理研究的模板支撑体系安全预警与管理研究 基于BIM和RFID的模板支撑体系安全预警与管理研究王婷曾凡奎教授 张涛高工学位名称专业硕士专业领域名称建筑与土木工程学习形式 全日制密级公开分类号TU712专业硕士学位论文指导教师2019年5月1 5日于基于BIM和和RFID的模板支撑体系安全预警与管理研究学科建 筑与土木工程研究生签字导师签字企业导师签字摘要近年来 随着 人们对安全生产意识的不断强化和对安全生产管理方式的不断改进 我国各行各业的安全生产状况得到明显改善 但在某些特殊行业如建筑施工领域的脚手架 模板支撑架行业 由 于其在搭拆 使用过程中容易受到各种可控及不可控不利因素的影 响 进而造成其较大及重大安全事故频发 其中最具代表性的事故 类型为坍塌事故与高处坠落事故 其事故发生率分别占事故总量高 达60 和50 以上的比例 究其原因是其采用的安全管理方式落后 未紧随建筑施工领域信息 化技术的发展而转变其传统的安全管理方式 为此本文提出将目前在建筑施工领域运用较为广泛的BIM 建筑信息 模型 技术和RFID 无线射频识别 技术应用于模板支撑体系安全 预警与管理中 从引发模板支撑体系坍塌事故及高处坠落事故的重 大危险因素出发 构建具有实际应用价值的模板支撑体系安全预警 管理系统 主要研究内容如下1 本研究主要探讨利用BIM的数字化 建模技术 信息关联技术及可视化协调技术 RFID的实时信息采集 及动态跟踪技术 构建模板支撑体系坍塌事故及高处坠落事故的安 全预警与管理系统 进而实现对坍塌事故及高处坠落事故重大危险 源的实时监测与预警 为模板支撑体系安全管理朝信息化方向发展 提供借鉴 2 根据模板支撑体系相关安全管理规范 原理及危险源辨识法等理 论 进而引出导致坍塌事故及高处坠落事故的重大危险源 对BIM技 术的理论及运用进行研究以及对RFID技术的理论及适用性进行分析 同时对BIM和RFID技术的集成运用原理及关键技术进行研究 以上 内容均为构建基于BIM和RFID技术的模板支撑体系坍塌事故及高处坠 落事故预警管理系统奠定理论依据 3 从系统功能需求 系统总体架构 RFID标签的选用与布设以及对 三类重大危险源监测预警的系统运行流程等四个方面对模板支撑体 系坍塌事故预警管理系统进行分析与构建 从系统功能需求 系统 总体架构 系统初始化设计 危险源人员感知能力培训以及对两类 危险源监测预警的系统运行流程等五个方面对模板支撑体系高处坠 落事故预警管理系统进行分析与构建 4 以位于陕西省安康市某大剧院工程为例 该大剧院的机械式升降 舞台需搭设模板支撑体系配合施工 通过对该大剧院工程中的机械 式升降舞台进行建模分析 运用Microsoft Aess建立坍塌事故及高处坠落事故危险源数据库 并将数据库同BIM 模型进行关联 运用RFID技术收集施工现场模板支撑体系搭拆及使 用过程中的实时状态信息及作业人员的属性信息与实时位置信息 并将收集到的信息作为BIM的分布数据 通过将两类数据库信息进行对比分析 可实现对模板支撑体系的安 全预警与管理 进一步验证了该预警管理系统的可靠性 其中特别是脚手架 模板支撑架行业作为改革开放以来的新兴行业 经过大约50年的发展历程 其生产的架体品种规格不断完善 各 种架体设计和施工技术水平不断提高 已成为建筑行业土建领域的 三大建设主材之一 在建筑施工中发挥了重要作用 为国家经济建 设作出了巨大贡献 1 特别是模板支撑体系 作为建筑工程施工中的一项重要临时设施 发挥着支撑模板和为施工人员提供高处作业平台的重要作用 己成 为建筑施工中不可或缺的一部分 但其快速发展背后的安全问题却不容乐观 模板支撑体系作为施工 现场的重大危险源之一 不论是因局部或整体失稳造成的坍塌事故 还是在搭设 使用或拆除阶段因安全防护装备不到位或安全意识 淡薄引发的高处坠落事故 该类事故一旦发生 不仅会影响主体工 程的进度 质量与安全 还会造成重大的人员伤亡及财产损失 进 而影响建筑行业的健康发展 影响社会的稳定 2 如表1 1所示为xx 2018年我国模板支撑体系较大安全事故占建筑工程安全事故的比例 统计表 表1 1xx 2018年模板支撑体系安全事故比例统计表年度模板支撑体系较大安 全事故数伤亡人数占建筑工程安全事故比例xx2613127 xx2910252 x x2210817 xx2311433 xx3310737 20183112935 模板支撑体系的安全 问题从技术层面已得到较好的控制 其相关的法律法规及安全技术 规范已较为完善 然而其安全管理方式并没有随着架体搭设规模的 扩大与搭设技术复杂程度的增加而改善 就目前而言 对模板支撑体系各阶段的安全管理仍主要依靠管理人 员的现场巡视与检查 相关信息依然采用纸质文档 人工录入 口 头传达的方式进行协商与沟通 3 这种方式只能做到对直观可见的不安全行为和不安全状况进行管理 但对于模板支撑架各关键部位的受力状况却难以做出准确的判断 对于管理人员视线之外的人员类危险源及物体类危险源无法进行 有效监测 并且安全管理效果的好坏同管理人员是否认真负西安工 业大学硕士学位论文2责直接挂钩 同时 传统安全管理方式属于事后控制 通常是在模板支撑体系出 现安全隐患并发现后才才采取相应的整改措施 无法做到对危险源 的事前控制 因此 迫切需要对模板支撑体系的传统管理方式进行改进 目前 从国内外建筑行业的发展特点来看 建筑行业的信息化建设 已成为未来发展的趋势 将显著改善建筑行业整体面貌 提高生产 效率 因此 探讨如何将信息化技术融入模板支撑体系安全管理中 实现 安全管理的智能化与信息化 成为改善传统安全管理方式的关键突 破口 BIM技术与定位技术作为信息化趋势的代表 二者的集成运用将为改 善模板支撑体系传统安全管理模式提供新的思路 而本论文也正是基于BIM技术与定位技术中较有代表性的RFID技术对 模板支撑体系传统安全管理方式进行改进 其中BIM技术可实现对模 板支撑体系全寿命周期的信息化 可视化及协同化管理 减少传统 管理方式中因人为管理失误所造成的缺陷 RFID即射频识别技术可 用于对危险源信息的实时采集与定位跟踪 弥补人工管理的缺陷 4 为模板支撑体系坍塌事故及高处坠落事故安全预警与管理系统的构 建提供了技术支撑 可有效降低甚至避免此类安全事故的发生 1 1 2研究意义模板支撑体系具有使用周期长 单件性及复杂性等特 点 在使用过程中存在较多引发安全事故的危险因素 特别是随着 现代建设项目规模的扩大及复杂程度的增加 模板支撑体系的搭设 规模及复杂程度也随之增加 进而导致危险性因素增多 由此引发 的事故后果级别也越来越高 但当前采用的安全管理模式无法扭转这一局面 难以满足安全管理 的需要 本论文对模板支撑体系传统安全管理模式进行改进的目的就是为了 有效减少并预防坍塌事故及高处坠落事故的发生 为此本论文的研究意义在于 1 为改善模板支撑体系传统安全管理模式 使其朝信息化方向发 展提供借鉴 针对模板支撑体系传统安全管理模式中存在的弊端 本文引入了BIM 和RFID技术对其进行改进 BIM技术可集成模板支撑架全寿命期各项 危险源信息 并将信息同模型进行链接 实现信息的可视化表达 方便管理人员对危险源信息实时监管 还可用于对模板支撑架的搭拆过程进行动态模拟 同主体结构之间 进行碰撞检测 RFID作为一项自动识别技术 可通过布设RFID标签及阅读器 天线 的方式实现对架体危险源信息的实时采集与定位跟踪 并通过光纤 及系统API接口将实时采集的信息传输至BIM数据库 5 将二者集成运用到模板支撑体系安全管理中的思路还可为建筑工程 其他领域的安全管理提供参考 为项目管理朝信息化方向发展提供 借鉴 2 能够有效减少并预防因模板支撑体系引发的坍塌事故及高处坠 落事故的发生 本文将从模板支撑体系全寿命期出发对其存在的危险源进行辨识 并将危险源分为坍塌事故类危险源与高处坠落事故类危险源 并对 其中的重大危险源构建预警管理系统 有效实现对两类安全事故危 险源的实时监测与预警管理 以达到 事前控制 预防为主 的安全管理目标 将事故隐患 消灭在萌芽状态 6 1绪论31 2国内外研究现状1 2 1模板支撑体系的发展及其安全管理 研究现状1 国外模板支撑体系发展及其安全管理研究现状二十世纪 初 英国最先使用了钢管与连接扣件组成的钢管支撑架 钢管支架 较之前的竹木支架承载力较大 支撑更可靠 安全性能更高 为后 来许多国家组建各类型的钢管支撑体系奠定了基础 7 二十世纪三十年代 由瑞士发明了一种单管式支柱 单管支柱的高 度可由螺管装置自动调节 这种可任意调节高度的单管式支柱具有使用方便 拆装灵活 构造 简单等优点 被许多国家借鉴与效仿 8 二十世纪五十年代 扣件式钢管支架在日本得到了广泛使用 其最 终占据支撑架体系的主导位置是在五十年代中期 但是由于扣件式 钢管支架体系本身的构造缺陷及工程施工管理疏忽等方面的因素造 成模板支撑体系伤亡事故频发 最为严重的曾在一年之内造成了约3 000人员的伤亡 也给建筑业带来了巨大的损失 9 二十世纪六十年代 美国最先研制出了门式钢管支架 基于其具有 拆装方便 承载力大 安全可靠 使用灵活等优点 门式支架在各 个发展迅速 欧洲 日本等国家于六十年代初期引进了门式支架 并依据本国工 程项目施工标准规范的要求 生产出了适用于本国建筑施工的各类 型门式支架体系 此外 法国 意大利 德国等西欧国家以门式支架为研究基 研制 出了如三角形 四边形 梯形等模板支撑体系支撑体系 目前为止 在日本 欧美等国家门式支架使用量已占到总支撑体系 使用量的50 10 二十世纪七十年代 研制出了承插式钢管支架 承插式钢管支架由 于其连接件处坚固 设计新颖 性能优良 进而逐渐取代扣件式钢 管支架 11 承插式钢管支架具有自锁性能 无框度的节点连接 无零散配件丢 失的情况 支架整体搭设效率比扣件式钢管支架效率高 能有效达到省时 省 力的效果 到目前为止 欧美与日本等发达国家对模板支撑体系安全监管水平 已比较成熟 建立了架体从设计 搭设 使用监管及拆除的全寿命 周期的安全监管体系 并且从人 物 环 管等各个角度提出了保 证架体安全的措施建议 12 在美国伊利诺斯大学 开发了许多用于建筑工程安全管理方向的软 件 这些软件如安全施工监控软件 安全绩效评价软件具有强大的 数据储备功能 可储备与安全管理相关的各种事故信息 规章制度 法律条款等 用户可通过这些软件对模板支撑架在搭设 使用 拆除过程中进行重大危险源识别与安全评价 进而预防安全事故的 发生 可见将安全管理与信息化技术结合起来可实现科学化 智能化的管 理模式 此外 美国从国家监督 行业资讯 企业负责以及保险制约四个方 面构建建筑工程安全管理体制 在安全检查时还采用 突袭制 可有效增强施工企业的安全意识 抑制不安全行为的发生 在日本 到目前为止已有10多年没有因脚手架及模板支架等临时设 施的问题而造成安全事故的发生 其除因架体构配件等生产工艺与 设备技术先进外 更为重要的是拥有权威的质量监督机构与严格的 质量监管体制 此外 日本还定期组西安工业大学硕士学位论文4织 修订脚手架 模板支撑架产品各项标准的培训班与研讨会 有效控 制和预防了模板支架安全事故的发生 13 2 国内模板支撑体系发展及其安全管理研究现状我国模板支撑架行 业相对于建筑业整体发展来看起步较晚 其于二十世纪六十年代引 入扣件式钢管支架并得以广泛应用 成为模板支撑架行业中使用比 例最高的类型 然而该类型支撑架在使用过程中暴露的弊端也逐渐增加 如整体稳 定性差 扣件缺乏灵活性 杆件搭设偏心较严重 14 二十世纪八十年代初 在对外开放政策的引导下 我国先后引入了 碗扣式模板支撑体系 门式模板支撑体系 碗扣式支架作为一种新型模板支撑体系 所占市场份额相对较小 而门式模板支撑体系由于其产品质量问题及使用缺陷 只局限于室 内外装饰装修工程的使用 15 二十世纪九十年代至今 在市场经济自由竞争理念的带领下 国内 模架企业为了求得生存与发展 借鉴了大量国外先进的技术理念 研发出了适用于国内建筑施工需要的许多新型模板支撑体系 如插 销式钢管支架 扣件式钢管支架等等 16 到目前为止 随着我国建筑行业的不断发展 出现了大批具有核心 竞争力的模板支撑体系企业 如湖南元拓实业集团 北京安德固脚 手架工程有限公司 江西志特现代建筑科技有限公司等企业 能够 提供模板从生产制造 租赁 专业承包业务 从宏观角度出发 我国建设工程安全管理类型属于 过程控制型 加 经验控制型 的混合控制模式 以经验和事后处理为主线 安 全预警与管理体系不健全 难以做到事先有效控制安全隐患 预防 安全事故的爆发 17 而就模板支撑体系安全管理与风险控制而言 我国虽已颁布实施了 一系列与模板支撑架相关的安全技术规范 但由于其结构体系与作 业条件的特点 到目前为止 相关规范提及的安全管理方式本质上 仍属于半经验 半概率型的 缺乏科学统计和数据积累 18 此外我国对模板支撑架的管理也主要局限于对架体使用的材料及构 配件的规定 对架体设计计算 构造要求 搭设与拆除 检查与验 收等技术性的要求上 没有针对安全管理与预警管理提供合理有效 的措施建议 如赵雅军 19 针对模板脚手架行业安全管理方面提出 的措施建议为规范模架租赁市场 制定和落实标准规范 提升行业 综合水平 糜嘉平 20 对模架安全提出的建议为施工场地所用到的 架体材料及构配件必须要有产品合格证和合格的检验报告 对模架 企业要定期或不定期的进行产品质量监测与管理 陈宝春指出应通 过注重架体设计计算 提高作业人员业务水平 进而提高架体安全 管理水平 这些建议措施在一定程度上能够减少安全事故的发生 但对具体危险隐患缺乏正对性 1 2 2BIM在建筑工程管理中的应用现状建筑信息模型BIM最早起源于 美国 Chuck Easterman 21 在1975年撰写的 BuildingProduct Model 书中首次提出了信息化建造的核心理念 即信息处理在工程 项目建造过程中的重要性内容 接着Easterman 22 在 BIM手册 中将BIM定义为 BIM是通过参数 化1绪论5建模将建筑物各构件信息集成于建筑模型中 供项目各参 建方在项目全寿命周期各个阶段通过信息化模型实现项目信息的传 递与共享 欧洲学者则于1997年开始通过采用计算机技术创建建筑信息模型 这也对计算机硬件与软件的配置提出了较高的要求 此后 随着计算机技术的不断进步 由Autodesk公司推出了BIM软件 Revit系列 在BIM标准的实施方面 美国于xx年和xx年分别发布了国家BIM指南 与 美国国家建筑信息模型标准 新加坡于xx年发布了本国BIM实施标准 并指出公私工程项目建设到 xx年时 均应严格按照要求构建BIM参数化模型并通过模型送审 23 澳大利亚政府则于xx年发布了 国家BIM行动方案 并于xx年7月 将是否运用BIM构建三维数字化模型作为政府采购项目的标准之一 英国NBS机构于xx年发布了 国家BIM报告xx 该报告提出BIM将引 领我们从搜集信息的时代向创建信息的时代转变 24 ParkHyeon JinKim 25 提出的建筑安全管理可视化系统 SMVS 框架将BIM技术 融入了定位 跟踪 增强现实和游戏技术中 Sijie Zhang Kristiina Sulankivi 26 等开发了基于BIM的自动化安全规则检查算法 该算 法可用于对坠落危险源进行检测和预防 Zainab Riaz 27 等人为减少施工现场对工人健康和安全 H S 的威胁 开 发了基于无线传感技术与BIM技术的原型系统 其中无线传感技术用 于接受数据 运用BIM中的Autodesk Revit软件可视化功能能够使用户看到传感器在建筑物中的准确位置 Zhang 27 提出了可在BIM三维可视化模型中通过定义相关规则对模 型存在的安全隐患进行自动分析 检查与预警提示 并依据提示内 容采取相应的防护措施 LY Ding 28 等人构建了基于BIM技术 工程实体和Web技术的施工过 程危险源管理框架 其中BIM技术可为施工现场危险源管理提供可视 化平台与丰富的信息环境 清华大学郭红领 29 等人构建了基于BIM和定位技术的施工工人实时 定位预警系统模型 提出在BIM模型中可通过危险区域计算规则进行 危险区域的判断 并可将施工现场工人位置可视化呈现在BIM模型中 用于判断工人是否安全 仲青 30 等人构建了基于BIM和RFID技术的施工现场安全监控系统 指出BIM系统可可视化呈现RFID技术实时采集的信息 并自动存储形 成BIM安全信息数据库 该数据库可为项目后期运用维护提供可靠资 料 王莉 31 等人分析了BIM技术在工程施工安全管理中所具有的独特优 势 可用于施工现场突发事件的模拟及安全隐患的排查 同时在危 险源实时监控与预警处理方面也具有显著优势 综上所述 BIM技术运用于施工现场安全管理方面的研究较多 但均 基于宏观层面进行进行探讨 在具体性与针对性方面需进一步深入 研究 为此本文将应用对象具体化即着眼于模板支撑体系 并同RFID定位 技术进行结合 具有一定创新性 1 2 3RFID在建筑工程管理中的应用现状近年来 通过运用RFID技术 以提高施工现场管理水平成为国内外学者研究的热点话题 Skibniewski和Jang 32 将基于超声信号的嵌入式开发系统与无线电 系统结合起来 用于追踪建筑设备及材料等资产 Dziadak开发了用 于管理地下材料的基于RFID技术的3D模型 Goodrum 33 等人利用RF ID技术追踪施工现场的材料 设备等工器具 Domdouzis 34 西安工业大学硕士学位论文6研究了如何运用RFID技 术自动识别地下管廊等其他有价值物品 此外 随着预制构件的发 展 许多专家学者开始探索RFID技术在预制构件上的应用 yin 35 等人研发了基于RFID的预制生产管理系统 Chin 36 利用4D CAD和RFID先进的信息系统来跟踪施工进程 Becerik Gerber和Li 37 从定位准确性 数据存储 上下文独立 负担能力 等方面对八种定位技术进行了对比分析 得出RFID技术是最适合运 用于施工现场的传感技术 Chae S 38 将RFID标签附着在施工现场工作人员和机械设备上 可通过阅 读器扫描实时定位 当出现人的不安全行为及物的不安全状态时会 触发报警系统 可有效避免安全事故的发生 在国内 陈伟珂 39 等学者研究将RFID技术结合多维关联规则运用 于对地铁施工危险源进行自动识别与实时定位跟踪 为地铁项目安 全预警与管理系统的构建奠定了基础 魏国民 黄璟 40 提出基于R FID与ARM的智能安全系统 即采用 射频 指纹 摄像 射频 摄 像 射频识别 指纹识别 的监控模式进而实现对施工现场的安 全预警与管理 王海语 41 提出将RFID技术应用于对建筑施工人员 日常管理与培训中 可大幅度提高施工现场的管理水平 减少伤亡 事故的发生 此外 将RFID技术与传感器 WSN 技术结合运用于建筑工程领域中 也产生了较大的应用空间 其主要通过集成射频识别系统与无线传感系统的RFID标签进行信息 的感知与收集 如战金雷 42 设计了含有温度传感器的RFID标签芯片 可有效感知 标签附着物及周边环境的温度 并将感知温度偏差控制在0 4 范围 内 上海交通大学刘福铭 43 对RFID与WSN集成的关键技术进行了详 细研究 并将其应用与世博会的物品跟踪与管理中 通过对RFID在国内外建筑工程管理中的应用研究发现 虽然RFID技 术在工程领域的各个方面都有所涉及 但将其与BIM及WSN技术结合 应用于对施工现场危险源进行安全预警与管理的研究较少 特别是 以危险系数较高的模板支撑体系作为安全管理对象方面的研究 因此 本文在借鉴相关领域学者研究成果的基础上 结合模板支撑 体系安全管理的特点 将RFID技术引入对其的安全预警与管理中 对预防和减少模板支撑体系坍塌事故及高处坠落事故具有重要意义 1 3研究内容与方法1 3 1研究内容本论文借助BIM与RFID技术 围绕 对模板支撑体系进行安全预警与管理这一主题展开研究 并将研究 内容以七个章节的方式呈现 可将各章节分别简述为第一章绪论 主要撰写内容为对模板支撑体系借助信息化技术进行安全预警与管 理的背景及意义 并在广泛阅读国内外相关领域文献资料的基础上 介绍模板支撑体系的发展及安全管理现状 BIM及RFID在建筑工程管 理方面的应用现状 得出撰写本论文的必要性 最后对本论文的具体研究内容及研究方法进行详细阐述 第二章模板支撑体系安全管理及危险源辨识分析 首先通过对模板支撑架相关安全管理规范