近年来我国建筑行业得到迅猛发展, 建筑业总产值不断增高, 每年以约10%的速度增高。伴随而来的是建筑物运维期间安全事故也在逐年增加^[1]。

传统建筑结构运维安全管理主要通过目测和人工检查的方法进行, 这种方式难以及时有效地预防、控制事故的发生。随着科技发展, 用于安全管理的技术日新月异, 目前在建筑领域采用较多的是GPS、视频摄像等技术, 这些技术的应用在一定程度上缓解了人工监察现场的压力, 提高了安全管理效率, 但对于安全监控状态的判断最终还是依靠管理人员的经验。同时安全管理信息依然通过手工进行记录, 因此管理状态的反馈不及时、不准确、受主观影响较大, 不能实现安全监控的实时性、自动化与信息化^[2]。此外, 建筑结构安全管理信息的传递与沟通多采用纸质文件和口头的形式, 由此会导致信息滞留且利用率低下, 一旦事故发生难以得到及时处理与致因的追溯。因此, 如何提高建筑结构安全管理效果, 实现可视化、自动化与信息化的实时管理, 需要在技术与方法上进行深入探索与创新。

本文学习并借鉴BIM技术与网格化管理的既有研究成果, 将BIM技术与网格化管理模式进行融合, 构建建筑结构运维安全网格化管理体系, 用于解决目前建筑结构安全管理主动性不足、信息化落后和管理难度大等问题, 最终实现建筑结构运维安全管理的自动化、信息化、可视化。

我国建筑结构运维安全管理主要通过目测和人工检查的方法进行, 主要存在管理主动性不足、管理信息化落后和管理难度大等问题。

现有建筑结构多数还达不到运维管理的层次, 建筑结构安全管理属于被动型管理, 管理的目标是解决出现的问题, 缺乏管理的主动性和应变性, 对隐患的预防措施考虑相对较少, 应对突发事故能力较差, 多为事故后处理。

现有建筑结构运维主要采用手写记录的模式, 不但容易发生记录不完整、错误及记录破损或丢失的现象, 还增加了记录人员的工作量, 降低工作效率。在建筑结构运维安全管理过程中, 特别是突发事件处理时, 常需查找各类有用信息, 目前的状态基本都是在档案室的大量纸质版图纸资料内手动寻找, 费时费力。

现有建筑结构运维安全管理相对于建筑物其他阶段受重视程度明显不足, 而且对运维阶段的研究相对比较欠缺, 缺乏成熟可行的管理体系和措施。同时由于管理人员素质相对较低, 具体表现在建筑运维管理人员年龄偏大、学历相对较低、管理能力相对落后、接受新事物的能力相对较差、主动预防管理意识薄弱等, 这些因素都制约着建筑结构运维安全管理水平的发展。

建筑结构的运维安全风险主要涉及4个方面:建筑物不均匀沉降风险、大风灾害风险、渗漏风险、火灾风险。

1) 不均匀沉降风险

不均匀沉降是反映建筑物地基变形特征的重要指标, 其危害表现为:建筑物外观质量受到影响、引起结构损坏而导致其原有使用功能受到影响或丧失、降低建筑物对室内人员和设备的保护能力、引起建筑物倾斜而导致精密仪器设备无法正常使用、引起房屋倒塌而导致财产损失和人员伤亡、导致上层建筑物无法正常使用等。

2) 大风灾害风险

大风灾害是指大风灾害天气中所带来的不良影响, 包括围护结构构件坠落、屋面垮塌等。其危害主要表现为:建筑物倒塌、破坏、开裂、残余变形和连锁效应、疲劳破坏及人群不适感等。其中, 人群不适感是指由于风力作用频繁, 建筑物的构件产生疲劳破坏, 同时风力使结构产生振动, 大幅振动使结构产生反复位移, 导致居住者和工作人员产生不适的感觉。

3) 渗漏风险

渗漏风险是指建筑结构的渗水风险, 包括地下室外墙渗漏、高层侧墙面淋水渗漏等问题。其危害主要表现为:钢筋锈蚀、加速混凝土和碱骨料反应、混凝土吸收有害物质而被破坏、冻胀危害等, 此外也会造成家居、实木地板、精装修墙面和地毯等材料泡水, 从而导致经济损失, 影响使用功能。

4) 火灾风险

火灾风险是指建筑物在面临火灾时的主要风险, 研究火灾风险可以为火灾应急处置提供依据。建筑物的火灾可以分为社区火灾和高层建筑火灾2种, 造成社区火灾的原因主要是社区人员复杂、防火意识差、火灾潜在风险源多和物业消防意识淡薄等, 造成高层建筑火灾的原因主要为电器引发火灾、机械设备故障引发火灾、违章作业引发火灾和明火管理不善引发火灾等。

BIM (building information modeling) 模型是一个参数化模型, 包含建筑实体的几何、物理及建造时间和造价等参数信息, 并且这些信息都是相互关联、互为一体的^[3]。BIM模型在工程项目建设过程中需要不断更新和完善, 最终形成一个与建筑实体一一对应的数字模型, 利用这个模型可以在工程建设的设计、施工和运维阶段对项目进行管理。

BIM技术以三维数字化的形式呈现, 而CAD是由点、线和面等几何元素构成, BIM模型的构件, 如柱、梁、墙、门窗等通过参数化形式被赋予几何、物理和建造等信息, 即构件皆有所对应的真实对象, 因此BIM模型蕴含大量属性数据, 更有利于对项目进行管理。BIM技术的特点主要包括可视化、协调性、模拟性、一体化性和参数化等。

BIM技术是建设项目物理和功能特性的数字表达, 集成了项目信息, 支持不同管理人员在运维阶段进行信息交流和共享^[4]。在建筑结构运维安全管理过程中, BIM三维可视化在分析、控制和监控潜在危险上实例验证效果显著^[5]。利用BIM模型进行结构冲突碰撞和人员疏散模拟等安全分析, 可以对运维期间的安全问题进行管理和预警。同时由于BIM模型是以数字化形式存在, 在传输和记录安全信息方面具有传统安全管理模式无法比拟的优势, 因此将BIM技术引入安全管理, 可有效提高建筑结构运维安全管理的信息化水平。

网格化管理是指利用网格小单元对管理对象进行划分, 有利于预测并及时发现问题。网格化管理还可以对各网格单元的资源进行统一调配、协同管理, 从而实现资源利用的最大化。网格化管理呈开放状, 可充分调动管理对象的参与性, 使管理者与管理对象深入进行问题处理, 从而弥补一对多管理模式的不足。通过划分的各网格小单元, 可以使信息在不同阶层和不同区域间进行无障碍传输, 避免在传统管理模式中常有的盲区, 有效确保管理过程中无缝衔接^[6]。

建筑结构可以根据不同区域、空间或功能进行网格化划分, 以符合城市精细化管理的需要。

1) 区域网格化划分

按建筑类型进行区域网格化管理的划分, 如住宅、医院、商场等, 不同类型的建筑设定不同的网格大小, 以达到有效管理的目标。

2) 空间单元网格化

针对多层级高层结构, 按照建筑空间进行网格化管理的划分, 在纵向空间上对管理进行划分。

3) 子系统网格化

按建筑功能对建筑结构进行网格化管理的划分, 形成子系统网格化管理。

网格化管理将过去被动应对问题的管理模式转变为主动发现问题和解决问题, 使管理手段数字化, 主要体现在管理对象、过程和评价的数字化上, 保证管理的敏捷、精确和高效。此外网格化管理是科学封闭的管理机制, 不仅具有一整套规范统一的管理标准和流程, 而且发现、立案、派遣、结案4个步骤形成一个闭环, 从而提升管理的能力和水平。因此网格化管理将过去传统、被动、定性和分散的管理, 转变为今天现代、主动、定量和系统的管理^[7]。

BIM技术与网格化管理在建筑结构运维安全管理中具有极大潜力, 两者相辅相成, 可以形成一个有机的整体。

1) BIM技术为网格化管理提供数据支持

建筑结构运维安全网格化管理不仅需要建筑实体自身构件的参数信息, 还需要建筑物的空间布局等信息, 利用BIM技术可以完整地提供这些数据, 同时可以结合BIM技术与其他信息管理和通信技术等手段感测、分析、整合建筑结构运行核心系统的各项关键信息, 通过软、硬件设备用于实现建筑物的管理和运行, 进而为城市中的人民创造更美好的生活, 促进城市和谐、可持续发展^[8]。

2) 网格化管理指导BIM技术的应用

网格化管理模式可以将城镇建筑群划分为单独、具体的网格单元区域, 针对这些网格单元建立相应的BIM模型, 可以让BIM技术的应用有据可依, 有章可循。建筑结构运维安全管理人员可以依据特定区域的BIM模型主动发现问题, 并通过信息管理平台指导相应区域的安全管理人员及时解决问题。

基于BIM技术的建筑结构运维安全网格化管理体系由建筑结构BIM模型、风险感知点和建筑结构运维安全管理平台构成, 其中风险感应点可以采集建筑结构的运维安全信息, 然后通过管理平台与BIM模型进行关联, 从而形成一个模型等于实体的管理体系。

建筑结构BIM模型不仅包括建筑构件, 还可以将建筑物的各种物理、运行性能参数信息整合到BIM模型中。在运维阶段, 通过将BIM模型与自动控制、传感器和计算机网络等技术相结合, 利用管理平台可实现主动预警功能和被动防护功能, 由此可达更佳的管理效果。

利用网格化管理的划分原则, 将城镇建筑群划分为单元格, 并针对每个单元格建立BIM模型。利用BIM模型的三维特性, 可直观显示建筑结构构件和建筑设备的位置及建筑空间布局等, 通过对关键建筑构件和空间位置附加特定传感器, 可监测构件的应力、应变、裂缝、热应力及水蒸气等参数, 将这些参数输入对应的模型构件中, 可为建筑结构倾覆模拟、火灾模拟和人员疏散模拟等提供依据。

针对建筑结构各种运维安全风险, 设立相应的感知点监测建筑结构的安全状态, 具体包括应力、位移、裂缝、热应力和水或水蒸气感知点。

1) 应力感知点

应力感知点可以选取建筑结构柱、剪力墙的底部角点, 梁、板构件中部等变形和应力较大的部位作为监测布点。感应点的数量和布设位置对监测结果起重要作用, 应遵循合理性、可实施性及经济性原则确定感知点的数量和布设位置。

2) 位移感知点

位移感知可通过GPS接收器对卫星信号进行接收, 确定其在全球经纬系统中的定位, 再通过基站与被测点间的相对定位确定被测点的3D平面位移变化。

3) 裂缝感知点

建筑裂缝状况是建筑结构安全状态的重要指标之一, 通常建筑裂缝可划分为三级。一级是指建筑结构产生可见外表或“美观上”的损坏, 一般情况下正常处理即可;二级是指建筑结构产生使用性或功能性损坏, 一般情况下可能需要中修或大修;三级是指建筑房屋部分或全部倒塌需大修, 包括部分或全部重建。

4) 热应力感知点

建筑结构的温度变化会引起非结构构造的体积变化, 使结构始终处于一种不稳定状态。实际运维过程中可选用光纤光栅温度传感器监测建筑结构温度。

5) 水或水蒸气感知点

建筑结构容易因潮湿而导致装饰面脱落, 实际运维过程中可选用自动采集气象站对空气湿度连续实时监测, 气象站通常设置于建筑物顶部无遮挡处。

基于BIM技术的建筑结构运维安全管理平台是连接模型与实体的枢纽, 该平台从结构上可分为3个层次:应用层、网络层和感知层。建筑结构运维安全网格化管理平台架构如图1所示。

应用层的作用是信息利用, 主要功能包括形象展示、性能评估、数据查询和系统管理等。通过BIM虚拟建造软件, 可以对建筑结构进行仿真模拟, 排除运维过程中可能出现的安全问题, 并对不可避免的安全问题提出相应的预防措施, 也可利用BIM技术进行结构冲突、碰撞检验等, 避免结构上引起的安全问题。通过管理平台进行数据查询, 可以迅速找出事故发生的原因, 便于及时处理事故, 减少影响。

网络层的作用是信息传递输送, 利用无线网络和移动通信等技术, 可以将感知层处传递来的信息自动输入到BIM3D/4D模型中, 从而动态呈现建筑实体中人或构件的位置、周围环境和检测参数等安全状态。维持网络层的网络安全和通信稳定, 运维安全管理小组可全天候地把握建筑结构安全状况。一旦出现人的不安全行为或建筑构件及周围环境的不安全状态, 管理平台可及时警报。

感知层通过采集附着在建筑构件上传感器产生的信息, 进行实时定位和跟踪。信息采集工作分3步进行:定义标签、布设标签和定位跟踪。

1) 定义标签

运维安全管理人员根据安全管理小组协同安全分析得出的安全隐患清单, 对应清单中的监控对象并结合建筑结构的实际情况, 定义不同对象 (如人、材、机、建筑构件) 标签的种类, 确定标签及相应设备的数目, 规划布设位置。

2) 布设标签

标签定义完成后, 首先向标签存储ID、对象属性、安全护具、工作区域等基础信息并添加到BIM模型中, 然后再根据规划方案布设设备, 对照不同对象附着相应标签。

3) 定位跟踪

通过BIM模型可视化的功能, 结合布设在各类感知点处的传感器, 可以动态展现建筑结构的安全状态和人员位置, 一旦建筑结构出现危险情况或有人员发生意外, 管理平台会对超出预设安全标准的情形发出警报, 现场管理人员能通过BIM模型迅速定位危险结构构件和人员位置。此外通过扫描材料、机械上的标签信息, 可以利用BIM模型在时空范围内动态观测到对象所在位置, 并判断周围是否具有安全风险。

通过对建筑构件附着相应的传感器进行跟踪定位, 将监测对象的实时状态、工作区域等信息通过网络自动传入BIM模型, 利用BIM技术可视化的特点, 动态呈现建筑结构即时的安全状态。当有人进入错误区域或建筑结构出现安全隐患时, 平台会发出警报, 安全管理人员可及时确定对象在现场的位置及建筑构件的工作状态等信息, 从而做出较合理的决策。

建筑结构安全管理的主要过程和核心在于监测结构构件的健康状况, 但由于安全事故的发生具有因果和连锁效应, 所以仅监控建筑构件的安全不能达到完全预防和控制安全事故发生的目的。为减少安全事故发生几率, 应在建筑结构正式运维前对可能存在安全风险的地方进行分析和控制。利用本平台可从设计阶段开始, 协同设计方和施工方及业主等参与方, 通过BIM模型进行安全分析, 并模拟事故发生时的处置流程和措施, 从而论证建筑结构和应急措施是否满足相关安全规范与标准, 实现安全事故的事前控制。

传统建筑结构安全管理主要由运维管理方单方面进行, 安全事务的处理受管理者的经验影响较大, 具有较大的片面性和局限性。本平台借助BIM技术实现信息共享与即时交流, 整合建筑运维相关方的管理资源, 及时解决建筑结构中出现的安全问题。在运维阶段, 通过附着在建筑构件上的传感器将建筑实体与BIM模型连接, 形成一个联动的整体, 各相关方都能通过管理平台实时查看系统, 从而使建筑结构安全状态的数据信息得以共享。

利用传感器生成的标签信息作为BIM数据库的分布数据库, 在定义时便存储了ID、工作区域等固有信息。在建筑结构建设过程中, 固有信息和过程信息会不断更新从而使BIM模型中的信息同步刷新扩充, 最终形成BIM安全信息数据库。BIM安全信息数据库可以作为项目的数据库, 也可为该项目后期的运营维护提供资料, 为企业其他项目提供参考数据并形成循环反馈, 最终成为更庞大、丰富的企业、行业、国家BIM安全信息数据库, 由此, 可提升建筑企业、行业乃至国家的安全管理整体水平。

网格化管理是目前城市管理模式的新形势, BIM技术是建筑行业未来的发展趋势, 将这两者有机结合起来, 并应用于建筑结构运维安全管理, 可有效提高我国建筑结构安全管理水平, 减少建筑安全事故发生。因此, 基于BIM的建筑结构运维安全网格化管理具有重要的理论和实践意义, 有必要作为一个系统性工程去抓, 不断将建筑结构运维安全网格化管理推向纵深。