針對當前施工現場安全監控缺乏科學有效的信息化監控手段的問題，論文在研究國內外 BIM 技術和物聯網技術應用現狀的基礎上，提出了建立基于 BIM 技術和物聯網技術的建筑施工安全監控系統，以實現施工現場安全管理的實時監控、數據對比分析、自動預警、協同管理等功能。

1 BIM 技術與物聯網技術應用原理

1.1BIM 技術適用性分析

BIM（Building Information Modeling）技術是以信息技術為基礎，集成建筑工程全壽命周期中的所有數據，支持項目各參與方信息交流和共享的可視化、數字化表達。BIM 模型采用 IFC 體系作為共同的數據標準，采用參數化建模技術，實現信息數據的一致性、關聯性、及時性和共享性。

針對建筑工程施工過程，從安全需求的角度出發，梳理出安全預警的監控對象，針對每一個監控對象分析其可能存在的安全隱患，并對安全隱患進行參數化處理，形成相應的參數化指標，通過Microsoft Office Access 數據庫管理系統建立建筑工程施工安全指標數據庫。在設計階段的 BIM 模型的基礎上，添加場地圖元信息，和施工機械相關圖元信息，并將建筑工程施工安全指標數據庫作為外部鏈接關聯到 BIM 模型中。通過 BIM 模型中各個構件圖元與相應的文本文件之間超鏈接的建立，實現施工現場管理工作的具象化。

1.2物聯網技術適用性分析

物聯網（The Internet of things）是通過無線射頻識別（RFID）、紅外感應器、激光掃描器等信息傳感設備，將任何物品與互聯網按約定的協議約定連接起來， 形成物與物、人與物之間的通信以及信息交換，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡技術。采用物聯網技術進行建筑施工安全管理，可以將施工現場的人員、機械、環境等因素與互聯網連接起來，實現施工現場各類信息的實時互動，實現施工安全智能化的監控管理，提升安全管理能力。

在目標跟蹤定位方面，可以采用RFID 區域定位技術 ZigBee 點定位技術相結合的方式對施工現場的管理人員、施工人員以及機械設施進行定位。其中， RFID 射頻識別技術主要通過網絡的連通性和相鄰節點的位置關系實現對待定位標簽的區域性位置估計。ZigBee 蜂窩網絡主要通過 RSSI 測距、TOA 測距等距離測量技術實現對節點之間物理距離的測量。RSSI 測距定位算法結構簡單、易于實現、成本低、功耗低，是當前無線網絡節點定位技術的熱點。

在應力監測方面，可以采用振弦式傳感器對基坑支護結構、模板支撐體系等結構進行應力和變形的監測。采用化學性能穩定、抗拉強度大，且具有較高熔點的金屬絲作為傳感器的振弦材料， 與磁鐵、受力機和夾緊裝置一起組成振弦式傳感器，采用不同的受力機做應力和變形的測量。

在危險預警方面，采用超聲波技術和紅外對射裝置。超聲波測距原理是利用超聲波的傳播速度和聲波反射的時間差，計算出超聲波發射點和遇到的障礙物之間的距離。超聲波測距精度高，可用于機械施工中的近距離預警。紅外對射裝置的監測原理是利用 LED 紅外發射二極體發射脈沖紅外線到受光器，如果紅外脈沖射束被遮擋或者斷開，紅外對射裝置就會發出報警信號。因此， 可以將紅外對射裝置布設在危險區域， 如 ：臨邊、洞口等，當有人進入時觸發報警。

1.3BIM 技術與物聯網技術結合原理

BIM 模型在建筑施工安全管理中最主要的優勢是信息的集成管理和共享以及三維模型可視化分析，但是 BIM 模型本身無法感知建筑工程現場的現實環境等各種信息數據，無法結合工程現場管理活動和工作任務進行實時的管理應用。而物聯網技術無疑可以解決施工現場工作和環境的實時監控問題。因此， 將 BIM 技術與物聯網基礎的結合將實現建筑工程安全管理事故預防新的跨越。BIM 技術與物聯網技術結合的方式可以實現安全事故的動態監控，原理如圖 1 所示。首先，建立建筑工程施工安全指標數據庫 ， 該數據庫包含了施工項目安全指標或行業安全指標，并將數據庫與 BIM 模型進行鏈接，在事前進行危險源的防控。其次，在施工過程中通過物聯網技術對存在安全隱患的人和物進行實時監控，將采集到的安全信息與BIM 模型中安全信息進行實時對比，當臨近危險狀態時發出預警，使管理人員實時跟蹤現在施工情況，進行安全隱患的預控和安全事故的處置。最后，按施工結束對安全管理進行總結并結合施工信息對安全信息數據庫進行補充完善。

2 安全監控系統結構

基于 BIM 技術與物聯網技術的建筑施工安全監控系統是以集成綜合信息的BIM 安全信息模型為基礎，采用物聯網技術進行施工現場信息的實時采集，并兩者信息整合分析對比，實現對工程項目動態實時的安全管理與事故預警的信息系統。該系統結構架構主要三個模塊組成 ：現場信息采集模塊、BIM 安全信息模塊，安全監測數據處理反饋模塊， 系統工作流程如圖 2 所示。

1）現場信息采集模塊

現場實時采集的信息主要包括人員、材料、機械、建筑構件等屬性信息，危險性較大工序的實時信息，隱患區域實時信息等。采集標簽有定位節點、振弦式傳感器、超聲波裝置和紅外設備組成。首先，結合安全信息數據庫和施工現場實際情況，定義 RFID 標簽種類、數目以及位置，布設ZigBee 信標節點、振弦式傳感器、超聲波裝置和紅外對射裝置等。然后，將布設對象的基礎信息添加到 BIM 模型中。在施工現場，運用物聯網技術作為施工現場數據采集的工具， 對人員、機械，以及支撐構件應力和危險區域進行實時監測。

2）BIM 安全信息模塊

將采集到的信息通過ZigBee 無線技術發射到閱讀器進行數據打包處理，進而通過光纖把數據發送給上層服務器， 再對數據進行分析處理，共享到 BIM 安全信息模型中，實現施工全過程安全數據信息的交互，在 BIM 安全信息模型中呈現出施工人員和機械的實時位置、周圍環境、檢測參數等安全狀態以及關鍵工序和關鍵構件的安全狀態。

3）安全監測數據處理反饋模塊

安全監測數據處理與信息反饋模塊的主要功能是實現施工現場實時數據信化的危險源信息進行對比分析。施工現場質量安全信息與 BIM 模型的信息交互比對是實現事故預防的關鍵。可通過單獨開發 API 功能模塊或者通過支持 IFC標準的軟件，實現 BIM 數據庫以及電子標簽之間的信息數據讀取格式轉換、交互與讀寫，實現自動的數據對比，以及通過系統管理人員針對構件進行現場數據與嵌入模型安全規則的對比，項目安全管理小組所有成員可以隨時查看到施工現場各個關鍵點和危險點實時的安全狀況。一旦施工現場發生人的不安全行為或者物以及周圍環境的不安全狀態， BIM 模型上就進行報警，并對危險行為或狀態的級別進行分類。

3 安全監控系統功能分析

1）定位管理功能

該系統的建立可以在電腦終端通過BIM 模型查詢任何一個時間段某個現場區域范圍內人員的數量、身份 ；還可以查詢某個員工的實際位置和活動軌跡以及安全裝置佩戴信息。這樣不僅可以對現場人員進行考勤，對施工人員的工作效率進行評價，督促安全員按時按點對現場進行檢查，還可以為后續事故預防工作打下基礎。

2）報警功能

報警功能可分為人員報警功能和安全預警功能。人員報警功能是指當無權限人員進入某個施工區域時，該區域的報警系統發出報警，在 BIM 模型中的相應區域顯示出來，并將信息推送相關管理人員。每一位現場施工人員和管理人員身上都佩戴有相應的標簽，通過施工區域入口處的標簽識別器可以識別出人員的屬性，判斷該人員是否具有進入該區域的權限。安全預警功能是指在施工過程中，構件應力或變形量超過臨界點，機械或施工人員發生危險行為，可以導致安全事故時，現場的報警系統發出報警，在 BIM 模型中的相應區域顯示出來，并將信息推送相關管理人員。

3）多方協同功能

傳統的安全管理主要是施工單位單方面的管理行為，基于 BIM 模型，可以整合項目各參與方（業主、設計、施工、監理等）的管理資源，各個項目參與方均可以在 BIM 模型中查看項目施工中的安全信息，及時了解施工安全狀態，當存在安全隱患時，通過電腦終端向施工現場發出信息推送，實現項目多方參與者協同進行施工安全分析和安全管控的功能。

4）動態更新功能

BIM 技術與物聯網技術的結合，使得現場信息不再需要人工進行收集和錄入，在施工現場采用物聯網技術對現場施工環境及作業環節進行實時的監控， 并通過數據傳輸，將施工現場施工安全信息實時更新到 BIM 模型中。在項目竣工后，又可對項目的安全管理進行評價， 并對與 BIM 模型相連接的安全信息數據庫進行補充和完善。

5）全過程安全管理功能

傳統的施工安全管理主要局限于施工過程中的安全監管，但是安全事故的發生具有因果效應，僅僅對施工現場進行管理并不能完全預防安全事故的發生， 所以經進行全過程的安全管理。在施工前，用 BIM 模型進行虛擬建設和沖突檢查對施工進行模擬，結合施工安全信息數據庫，分析施工過程中可能存在的安全隱患，在施工以前做好安全交底工作。在施工過程中，運用物聯網技術對施工現場的環境及作業進行全程監控，克服人工監管的局限性，并通過 BIM 模型進行數據對比分析，科學的進行施工中的安全管理。在項目施工完成后，對項目施工安全管理進行評價總結，對施工安全數據庫進行補充更新，為之后的施工安全管理提供指導。