基于BIM技术的水电站建设施工现场
发布时间：2021-09-16
摘要：水电站建设施工过程中存在很多危险，严重威胁了施工人员的生命安全。为此，基于BIM技术设计一种水电站建设施工现场安全监控系统。该系统通过各种设备采集施工现场各种数据，如施工人员、建筑材料、机械运动状态和位置数据、建筑模型数据、危险区域数据，以及各种机械的基本属性信息等，以采集到的数据为基础，结合核心处理器，进行施工过程中的危险识别，最后将识别结果传输到监控中心，供用户查阅和浏览，以便及时采取危险规避措施。结果表明：经测试，系统很好地完成了水电站碾压混凝土浇筑全线到顶工程施工过程中存在的危险的识别工作，证明了系统的应用性能。
关键词：BIM技术;水电站;施工现场;安全监控系统
水源是人类生存和发展的基础资源，为了让水资源能够更好地为人类所用，各种水利工程被修建出来，其中水电站是最重要的一种[1]。水电站不仅实现了挡水、泄水、引水等功能，同时也实现了水力发电，为人类生产、生活提供了电力保障。在此背景下，水电站工程的修建一直是重点民生工程之一。水电站一般修建在条件比较恶劣的地区，此外，工程的施工工序更为复杂，因此与其他一般建筑工程相比，施工风险性更高，导致施工事故发生的比率也相对较大。为此，施工现场的安全监控工作愈加重要。
关于施工现场安全监控研究有很多，如，赵龙国以甄峰岭2号隧道动态施工为例，设计了一种信息管理系统，有效地避免了事故的发生;王培成，包腾飞，朱茜，将BIM模型与监测数据相关联，开发了大坝安全施工监测信息管理系统;林俊峰，李可从建筑工程发展的现状出发，在BIM技术的基础上设计了一般建筑施工现场安全监控系统;吴跃星从建筑工程施工阶段的典型事故危险因素出发，结合BIM与移动设备、RFID、数据库等Eworks现代信息技术和工具，设计了一种建筑工程事故预防系统。
虽然现有的施工现场安全监控研究有很多，但是针对水电站建设施工现场安全监控的研究相对较少，因此本文以其他建筑工程施工现场监控研究为基础，设计一种专门针对水电站建设施工现场的安全监控系统。通过本研究以期降低水电站建设施工风险，保证施工现场安全。
1基于BIM的水电站建设施工现场安全监控系统设计
1.1系统框架设计
基于BIM技术的水电站建设施工现场安全监控系统框架组成包括四个层次，即数据采集层、数据处理层、模型应用层和可视化展示层，具体如图1所示[2]。
数据采集层：采集施工现场与安全相关的信息，包括人员、设备、建筑材料、位置、状态等[3]。
数据处理层：将采集到的数据按照IFC标准进行处理，消除不同数据量级之间的量纲。模型应用层：根据采集到的信息分析现场情况，识别现场不安全因素，以达到施工风险事故预防的目的[4]。
可视化展示层：提供与工程安全负责人的可视化交互窗口，用户可以通过展示界面实时掌握施工情况，及时作出施工事故预防[5]。
1.2系统硬件设计
1.2.1数据采集设备
要想实现对施工现场的实时监控，对施工现场各方面数据进行采集是必不可少的。采集的数据包括施工人员、建筑材料、机械运动状态、位置数据、建筑模型数据、危险区域数据、各种机械的基本属性信息等[6]。由于需要监测的数据众多，因此需要的采集设备也很多。
监控摄像头：采集施工现场设备运行、人员工作状态、机械工作位置等一系列施工现场活动的监控图像，来源与型号：HikvisionC2S摄像头。优点是分辨率高、画面清晰，根据监控设备自动调整相应码流，意外断电数据保护不丢失，室外防尘、防水设计，不怕风吹日晒[7]。
RFID设备：对现场的建筑材料、人员和机械设备进行跟踪与管理。型号为LJYZNAFD-8320A，功率小，读写距离稳定可靠，数据读取速率快、标签唤醒识别，多区域多标签识别，多兼容设计，防水性外观设计[8]。
3D激光扫描设备：施工进度监控、现场环境评价等。来源与型号：wiibooxWscan工业级高精度3D激光扫描仪。优点有采用线激光陈列扫描技术，测量精度可达0.03mm，高质量还原物件表面的几何信息和表面细节;扫描速率可达200000次/s，满足高速扫描的需求;不仅支持标志点拼接扫描，还支持框架扫描模式搭载Digime-tric全局摄影测量系统，测量范围可扩展至几十米;支持对三维数据模型、图片和文字进行综合管理，数据输出接口广泛，且可与市面上大多数逆向工程软件进行自由交换数据[9]。
传感器：用于机械设备运行状态监控、地基承载力监测等。包括红外探头、烟感探头、位移传感器、温度传感器、湿度传感器，以及承载力检测仪等[10]。
1.2.2核心处理器
系统中各种业务处理和功能的实现均依靠核心处理器来完成，因此核心处理器是系统的核心硬件设备。本系统当中的核心处理器为ARM?Cortex?-A9i.MX6Quad。该处理器相关功能参数如表1。
1.2.3监控中心硬件设备
前期所有处理都需要传输到监控中心，以供相关工作人员进行监控，因此监控中心的硬件设计也相当重要，关系到识别结果的呈现效果。本系统当中的监控中心硬件设备主要由四种组成：PC端计算机、信息传输网络(Intranet)、数据库服务器及打印机等外围设备[11]。具体配置如下：
(1)处理器：CPUIntelPentiumIV2.6G。
(2)操作系统：Win2003Server/Win2000Server。
(3)硬盘：160G。
(4)内存：512MBDDR2。
(5)显示器：飞利浦23.8英寸AH-IPS显示屏。
(6)打印机：HPLaserMFP136nw锐系列激光多功能一体机。
1.3系统软件部分设计
本系统软件设计主要包括系统功能模块设计和系统数据库设计两个部分[12]。
1.3.1系统功能模块设计
根据水电站施工现场监控需求，系统功能模块主要分为七大模块，具体如表2。
1.3.2系统数据库设计
系统数据库是系统当中重要数据存储的地方，主要用于为其他功能业务的实现提供基础数据，实现数据的集中控制和管理。存储在数据库当中的数据质量更高，更具有秩序化[13]。
2系统实现与测试
为测试本系统的应用系统性能，以延庆赛区A部分场馆配套基础设施-造雪引水系统工程施工项目为例，进行现场施工安全监控仿真测试。该工程主要挡水建筑物为重力坝，等级为3级。1050m高程塘坝位于两座山“V”形沟谷之间。两座山分别是左右坝肩的位置，根据塘坝地质情况，塘坝边坡主要为花岗岩，又由于工期紧迫，故采用爆破方式进行开挖。本测试就以该阶段工程施工作为研究对象，1050m塘坝爆破断面见图2，利用基于BIM技术的水电站塘坝爆破施工现场安全监控系统进行危险源识别测试研究。
2.1风险清单设置
要想识别水电站塘坝爆破施工中存在的不安全因素，需要有一个风险清单作为对照。水电站塘坝爆破施工过程中存在的风险如表3所示。
2.2基于BIM技术的施工现场建模
利用BIM技术中的ArcGIS软件进行施工场地建模，建模结果如图3所示。
2.3危险识别显示
首先点击系统“安全监测模块”按钮，弹出“安全监测模块对话框”进行子功能选取，点击“危险源识别”按钮，系统就会显示“危险源搜索中……请稍候!”，单击“确定”键，即进入危险源的识别和危险区域的构建。之后会显示危险识别的结果“开挖深度超过2m及以上的基坑周边未安装防护栏杆”，单击“确定”键，危险区域识别完毕———“搜索完毕，共识别出洞口1处，临边1处，危险区域已布置，请查看!”。
利用所设计的系统对基于BIM技术水电站塘坝爆破施工过程中存在的风险进行识别，识别出整个过程中存在两种危险因素，一种是开挖深度超过2m及以上的基坑周边未安装防护栏杆，一种是洞口和临边存在高空坠落风险和物体打击风险。通过本系统很好地实现了风险监控，避免了人员伤亡和经济损失。
3结论
水电站的建设不仅实现了水资源更好地利用，同时实现了电力生产的目的，因此水电站工程的修建一直是我国重点的民生项目。在项目工程修建过程中，危险一直伴随始终。为此，基于BIM技术设计一种水电站建设施工现场安全监控系统。该系统经测试，很好地识别出了施工过程中存在的风险，证明了系统的应用性能。——论文作者：杨娟
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