近年来，钢结构建筑安全事故频发，但我国对钢结构安全管理的研究相对较少。周洪波等人通过收集大量工程案例数据，对钢结构事故进行统计，并对比设计阶段和使用维护阶段，发现生产安装阶段的钢结构工程事故占比达到49.2%。因此，对钢结构施工阶段安全风险控制的研究十分重要。结合具体工程实例，对BIM技术在大型钢结构施工安全管理中的应用进行了分析总结。
1 项目概况
某办公综合楼由A、B、C三座塔楼之间的L07-A、L07-B、L07-C及展厅裙楼组成，结构体系为钢框架结构，钢结构主要包括地下钢刚度柱及A、B、C三座塔楼内的框架钢柱、钢梁以及裙楼展厅内的大跨度钢梁、钢柱。钢结构构件主要类型包括焊接十字钢、焊接箱型钢、焊接H型钢，总用钢量约1万吨。
2 大型钢结构施工安全管理重点及难点
本项目规模大重型钢结构工程，钢结构节点复杂，传统的施工安全管理模式难以适应大型钢结构建筑施工的新要求，钢结构施工安全管理存在诸多难点，加之施工期间突发疫情，对安全管理提出了更高的要求。
（1）钢结构深化设计涉及面广，深化难度大，节点复杂，传统方法难以满足安全要求。深化设计过程需要相关专业人员配合，传统方法协调性差。
（2）钢柱节段加工、构件加工及复杂节点制作要求高。
（3）钢柱安装质量决定着钢结构体系的稳定性和安全性，采用传统方法安装钢柱的精度难以保证。
（4）本工程高度为60m，施工人员需在钢梁上行走、作业，高空施工的安全也是安全管理的重点。
（五）突发疫情对人员安全提出更高要求，疫情期间安全保障极为重要。
钢结构施工安全风险并不存在于某一具体的施工阶段，而是涉及所有施工环节。钢结构施工安全风险因素可分为“人、材料、机械、管理、环境”五大方面，又可进一步细分为若干小项目。各因素并不是独立作用的，而是相互影响的。
3BIM技术应用流程
根据以上钢结构施工安全风险因素，利用BIM技术对各个环节提出信息化解决方案，BIM技术在大型钢结构施工安全管理中的应用流程图如图1所示。
图1 BIM技术在大型钢结构建筑施工安全管理中的应用流程
图1中，设计深化阶段主要涉及钢结构施工方案优化与仿真，包括钢结构深化、钢结构仿真及装配、施工方案优化、安全风险预测与消除、深化BIM信息模型导入工厂工业化生产等。现场施工阶段主要涉及信息化施工过程协同安全管理，基于BIM技术的钢结构施工智慧安全管理平台建设，包括钢结构施工高处坠落防护管理、钢结构吊装安全管理、基于BIM技术的消防疏散、基于BIM技术的钢结构施工智能安全监控等。
4.钢结构施工方案优化及模拟
4.1 钢结构预拼装
钢结构装配是钢结构施工的重点工作，节点连接出现问题，会给整个钢结构体系带来安全隐患，关键节点的松动、安装错误，也会造成整个体系倒塌等危险。
传统钢结构的安全管理侧重于施工现场问题的解决和处理，而忽视了钢结构施工中安全问题的预防，从而导致设计的失误和现场无法避免的问题。
预防关键节点的安全问题需要从设计阶段就开始考虑，传统的做法是各专业的模型设计都是由各专业的专用软件完成，然后再进行集成，这样会产生很多错误，BIM技术可以提供多专业协同操作平台，将各专业的模型进行集成，并进行三维编辑。
以常用的BIM软件为例，在Revit中进行BIM建模后，将模型导入外部工具Navisworks进行碰撞检测，消除与结构、机电管线等的碰撞。
对基本修改好的BIM模型进行钢结构预组装模拟，检查钢结构组装中的错误，确保钢结构组装的安全性。
Revit具有多种API接口，可以安装多种插件，因此建模相对简单。用Revit创建的模型可以导入Tekla进行深化，然后用Tekla完成的BIM模型可以导入3D Max进行钢结构的预装配模拟，验证钢结构的安装细节和合理性。
图2为钢结构大箱型钢柱节点及主次梁节点的BIM装配模型。
（一）（二）
图2 钢结构节点BIM装配模型
（a）箱型钢柱节点；（b）主次梁节点
BIM技术可与增强现实技术相结合，对钢结构BIM模型进行展示和编辑，将BIM模型的“软件”模式转化为“沙盘”模式，可以更直观、全面地展示设计细节和预期效果，更容易暴露设计中的安全问题。
4.2 安全风险预测与化解
为了保证钢结构施工在施工阶段的安全，需要在施工方案制定阶段消除可能出现的安全风险或者制定防护方案。传统方法缺乏信息化的智能分析工具，对安全问题的预测和解决只能依靠经验，不能很好地贴合工程施工的实际情况。
钢结构建筑的受力问题是工程质量和安全的关键问题，在施工过程中，当钢结构体系自重超过临时支撑体系的承载极限，或体系承受的荷载超过应力边界时，极有可能发生大面积钢结构倾覆或倒塌。
BIM技术为钢结构受力安全提供了智能化的计算方法，通过对结构整体、复杂节点、分割单元进行有限元分析及应力模拟，可以检查钢结构建筑的受力问题，发现关键受力部位及结构薄弱部位，提前进行修正加固。
经过受力验证和深化后的BIM模型，通过输入钢结构安全信息，形成BIM安全信息模型，通过智能算法结合经验数据和结构、构件信息数据，对钢结构施工过程中的潜在安全风险进行评估，提前消除风险，并基于BIM仿真辅助制定相应的风险评估方案。
表1为本工程A栋部分钢柱吊装计算模拟结果。
表1 3号塔吊吊装A栋部分钢柱模拟结果
4.3钢结构构件工业化生产
由于钢结构构件的安装类似于装配，都是在工厂进行标准化生产，然后在现场进行安装、连接、加固等。因此，通过BIM钢结构深化、碰撞检查，可以得到高精度的钢结构构件模型。该模型可以自动导出图纸、进行工程量统计、生成切割清单，并导入工厂收货平台，减少人工操作，避免人为失误。工厂可以根据模型信息进行构件的标准化生产，同时还可以同时生产临时支撑设备等辅助构件。
由于BIM模型承载着大量的构件设计细节和构件信息，可以大大提高构件生产的标准化，工厂也能更好地了解和关注构件细节，提高构件质量，为施工安全提供保障。
5.信息化建设过程中的协同安全管理
基于设计深化阶段完成的BIM信息模型，构建施工过程信息化协同安全管理平台，通过物联网、LoRa技术将钢结构施工安全信息数据与平台交互，利用智能算法进行分析决策，通过智能机械设备实现钢结构施工过程信息化安全管理。
5.1 疫情安全信息化管控
本项目施工期间，突发新冠肺炎疫情，为保障人员安全，应对人员短缺压力，需加强人员安全管控。结合BIM技术进行人员管理，开发微信小程序，汇总人员每日动态、身体状况、工作状态，形成电子档案，提供端口，严格登记进场人员14天内出行信息，利用大数据核查人员是否为密切接触者，并将人员信息挂靠到BIM管理平台，确保人员信息记录可追溯；并将每日消毒记录、进场人员身份登记信息归档于BIM平台，结合BIM模型实时展示消毒区域，严把综合消毒工作关。
为了降低施工人员密度，减少管理与操作、管理与管理、管理与操作、操作人员之间的接触，在BIM管理平台进行施工模拟，融合现场监控系统，利用RFID等技术实时反馈施工动态，在平台更新状态，经管理人员或系统智能决策后下达施工指令。利用智能施工机器人完成部分施工工作，减少对人力的依赖，减少病毒传播。
5.2钢结构施工坠落风险管理
由于钢结构建筑的特殊性，工人高空作业时需行走在钢梁、檩条上，极易发生滑倒坠落事故。传统的防坠安全设施管理依赖于人的分析和布置重型钢结构工程，人为判断和检查存在较多误差，无法确保安全防护设施安装到位，安全宣传形式陈旧，难以提高建筑工人的安全意识。
为此，可根据经验计算与规范分析安全设施布置方案，如重点考虑尚未建设的楼梯间、天窗等；在BIM模型中建立防护设施模型，通过三维视图、施工模拟等方式优化布置方案。将BIM模型加载到平台上，建立安全防护设施检查制度。利用二维码提示、更新已安装、未安装位置，便于安全防护设施布置准确、完整。
此外，可利用BIM技术进行安全仿真教学的可视化，利用虚拟现实或增强现实技术对操作人员进行安全教学；通过体验提高操作人员和管理者的安全意识，掌握安全事故的应急处理方法。通过智能监控设备的连接，可在系统中管理现场人员的安全装备及佩戴情况。
5.3钢结构吊装安全管理
钢结构建筑现场吊装过程中，经常因操作不当、判断错误、单元构件强度不够等原因导致吊装安全问题，严重影响工程进度和安全。
针对单元构件可能出现的受力过大、强度不足、形状错误等问题，BIM技术可提供有限元受力分析，校核强度和受力，模拟安装过程。通过关联现场设备数据和设计模型数据，确保钢结构体系的稳定性，确保吊装过程中的受力安全。经过分析计算，本项目采用分段吊装方案，以钢柱为例，钢柱中部分为2层，其中下部分为1层，较高楼层的钢柱分为3层。所有节段开孔均位于楼层标高以上1.200 m处。
传统吊装依靠塔吊传递指令，容易发生事故。针对塔吊作业问题，基于BIM信息模型开发塔吊管理系统。利用BIM模型确定塔吊回转半径和撞击区域，保证其与高压线及附近建筑物的安全距离。利用物联网实时掌握其工作状态，利用BIM可视化特点提前规划工作方案，对可能发生的塔吊碰撞事故进行预警。BIM还可以记录塔吊工作情况，并进行电子存档，方便问题追溯和经验积累。
5.4 基于BIM的消防疏散
钢结构建筑是绿色工业化建筑的一种形式，具有高效、自重轻、减少环境干扰、缩短施工工期等特点和优势。但由于钢结构建筑防火性能差，施工现场环境复杂，一旦在施工过程中发生火灾，工人将很难及时逃生。
BIM技术可以作为数字孪生技术中构建虚拟空间的基础，结合BIM技术跟踪施工进度，构建工程模型和施工模型，利用物联网技术采集施工过程中新增的数据和空间状态监测数据，利用LoRa技术进行组网传输，实时更新BIM施工模型，并进行火灾监测，提供贴合现实的火灾预警。通过智能算法规划火灾疏散路线，并在BIM模型中展示。通过对BIM模型进行轻量化[4]，可以将模型安装在网页端和移动端，方便管理人员查看和修改，为管理人员组织指挥逃生提供高效的参考依据。
同时，可通过模型及规划路径定义易发生火灾的地点，并指定为着火点，BIM模拟可为日常消防疏散演练、安全教学提供参考，通过多条逃生路线的比对，确保路径规划的合理性，提高火灾逃生概率。
5.5钢结构施工智能安全监测
为了保证大型钢结构建筑施工及运营阶段的安全可靠性，需要对钢结构进行安全监测，应基于BIM构建钢结构建筑多维度可视化动态监测平台，随时掌握钢结构建筑的状态，便于预防和及时解决钢结构体系的安全问题。
5.5.1构建多维度可视化动态监测体系
基于BIM施工过程信息模型，构建钢结构建筑多维度可视化动态监控系统，系统包含模型加载、模型编辑、模型展示三大模块，进行施工过程监控、施工模拟计算，形成整个钢结构施工过程的可视化安全监控体系。
将实际施工监测数据及仿真分析数据文件与BIM信息模型进行对接，针对BIM模型在安全管理系统中的动态性能，分析结构实际状态与结构理想状态的差异，通过设定阈值，进行实时报警及危险部位精准定位，为施工安全管理提供决策依据，并可作为智能装备开发与使用的平台。
图3为钢结构建筑多维视觉动态监测系统示意图。
图3 钢结构建筑多维可视化动态监测系统（电脑截图）
5.5.2 视频监控集成
基于BIM的钢结构建筑多维可视化动态监控系统需与现场视频监控系统进行融合，通过网络传输技术，将现场施工过程中的进度、质量、安全等视频图像数据经系统后台处理后直观地展现在BIM模型中。
管理者可以通过点击系统BIM模型中对应的摄像机来查看视频监控内容，在视频系统接口的支持下，可以接入施工现场的实时视频，实现对施工现场的实时远程安全管控。
该平台在后台对视频监控内容进行分析计算，识别危险内容，并对安全问题及时发出警报，使得问题更容易被发现。
通过视频监控系统采集的现场施工图像数据将作为施工过程的原始资料，取代传统的纸质资料，并以电子方式保存和归档。
六，结论
BIM技术在大型钢结构施工安全管理中的应用可以概括如下。
（1）优化、模拟钢结构施工方案，对钢结构进行预拼装，提前解决钢结构与其他构件的碰撞问题。
（2）提前预测钢结构施工安全风险，协助制定施工方案及应急预案。
（3）BIM深化后，承载大量信息的BIM模型可以方便工厂加工钢结构构件，提高产业标准化程度。
（4）基于BIM构建施工过程智慧安全管理平台，包含安全设施管理、吊装管理、消防疏散、钢结构多维可视化智能安全监控等功能，实现现场钢结构施工安全问题信息化协同管理，提高管理效率。
摘自《建筑技术》2021年6月，刘俊涛、孟新桐、张丽佳、刘占胜、汪建伟、王浩鹏
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