from 01.01.1989 to 01.01.2023
Moscow, Russian Federation
VAC 2.1.2 Основания и фундаменты, подземные сооружения (Технические науки)
VAC 2.1.3 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение (Технические науки)
VAC 2.1.5 Строительные материалы и изделия (Технические науки)
VAC 2.1.6 Гидротехническое строительство, гидравлика и инженерная гидрология (Технические науки)
VAC 2.1.7 Технология и организация строительства (Технические науки)
VAC 2.1.8 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (Технические науки)
VAC 2.1.9 Строительная механика (Технические науки)
VAC 2.1.10 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства (Технические науки)
VAC 2.1.11 Теория и история архитектуры, реставрация и реконструкция историко-архитектурного наследия (Технические науки)
VAC 2.1.12 Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности (Технические науки)
VAC 2.1.13 Градостроительство, планировка сельских населенных пунктов (Технические науки)
VAC 2.1.14 Управление жизненным циклом объектов строительства (Технические науки)
VAC 2.1.15 Безопасность объектов строительства (Технические науки)
UDK 69.04 Строительная механика. Графическая и аналитическая статика применительно к исследованию, проектированию и расчету конструкций
UDK 331.453 Мероприятия по охране труда при различных видах работ
UDK 614.8.067 Результаты, последствия несчастных случаев на производстве
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
Abstract. The construction industry has one of the highest levels of occupational injuries. Despite the fact that most of the incidents occur due to systematic violations of occupational health and safety, many of them could have been prevented by assessing the risks of such traumatic situations at the design stage. Given the multifactorial nature of the building construction process, it is impossible to solve the problem without the use of information modeling technologies — to fundamentally reduce the risk of industrial injuries in the construction industry at the design stage. Currently, BIM technologies have become the most widespread. However, the proposed software solutions do not always include blocks for assessing the consequences of work from the point of view of safety, taking into account occupational injuries when making certain design decisions. This article discusses the issues of occupational safety at construction sites, conducted a statistical analysis of occupational injuries in the construction industry and developed recommendations for the use of modern information modeling technologies to increase the level of personnel protection and assess the risks of traumatic situations at the stages of construction of buildings.
construction, building information modeling, BIM software, visualization, safety in construction, reduction of industrial injuries
Введение
Информационное моделирование зданий (BIM) является одним из наиболее перспективных разработок в области архитектуры, инжиниринга, строительства и управления готовыми объектами [1, 2]. Применение BIM значительно облегчает работу всем участникам цикла, вовлеченным в процесс создания и эксплуатации зданий, начиная с ранних стадий проектирования объекта и заканчивая его сносом [3, 4].
Хотя за последние годы термин «BIM» и приобрел широчайшую популярность, но до сих пор не удалось получить общее определение этого понятия [4, 5]. Например, в США Национальный институт строительных наук (NIBS) рассматривает его как «Цифровое представление физических и функциональных характеристик объекта ... и общий ресурс знаний для получения информации об объекте, формирующий надежную основу для принятия решений на протяжении всего его жизненного цикла, определяемого как существующий от самого раннего зачатия до сноса»[1] [6]. Британский институт стандартов дает такое определение BIM: «Процесс генерации информации о здании и управления ею в течение всего срока его службы. BIM — это набор технологий и процессов, которые объединяются для формирования системы, в основе которой лежит компонентное 3D-представление каждого элемента здания; это заменяет традиционные инструменты проектирования, используемые в настоящее время»[2] [7].
Но какие бы определения не давались, фактически BIM – это метод цифрового 3D-моделирования для управления строительным проектом. Используемое программное обеспечение для трехмерного динамического моделирования зданий в режиме реального времени создает информационную модель здания, которая охватывает все соответствующие данные, относящиеся к геометрии здания, пространственным связям, географической информации, а также количествам и свойствам строительных компонентов [8, 9, 10].
По мнению Чака Истмана (Chuck Eastman), директора Digital Building Laboratory (США)[3] существенным преимуществом использования современных инструментов проектирования BIM является следующее: «С внедрением BIM появилась возможность определять объекты параметрически. То есть объекты определяются как параметры и отношения к другим объектам, так что, если какой-то из связанных объектов изменится, все другие объекты также изменятся. Параметрические объекты автоматически перестраиваются в соответствии с заложенными в них правилами. Правила могут быть простыми, требующими, чтобы окно полностью входило в стену и перемещалось вместе со стеной, или сложными, определяющими диапазоны размеров и детализацию, такие как физическое соединение между стальной балкой и колонной».
Можно констатировать, что с внедрением BIM-моделирования появилась возможность исправлять ошибки на ранней стадии проектирования, что значительно повышает качество проектирования, позволяет избежать многих недочётов и нестыковок, уменьшает время строительства и снижает расходы [8]. Программы BIM сегодня – это разработанные приложения для проектирования и управления проектом, в которых итоговая документация разрабатывается исходя из непрерывного процесса жизненного цикла здания от эскизного проекта до эксплуатации и управления построенного объекта. При этом надо иметь в виду, что построенная с помощью технологии BIM цифровая модель здания будет востребована на всех этапах его жизненного цикла, так как содержит все актуальные данные по объекту [8, 9, 10].
При этом надо иметь в виду, что чем раньше разработчики объединятся с применением BIM-технологий, тем быстрее и с меньшими затратами будет достигнут оптимальный результат (рис. 1.).
Рис. 1. Оценка стоимости и эффективности внесения изменений в проект
на разных этапах его реализации (разработано автором)
Как показывает красная линия на графике (рис.1), благодаря своевременному подключению всех участников процесса проектирования к единому процессу BIM, большая часть усилий в проекте проектирования переносится обратно на этап детального проектирования (фактически на этап построения 3-D модели объекта с помощью компьютерных программ), когда способность нахождения оптимальных комплексных решений весьма высока, а стоимость внесения изменений в проект минимальна. Это позволяет инженерам затрачивать больше времени на оценку сценариев "что будет, если" для оптимизации проекта и меньше времени на создание строительной документации.
Материалы и методы
Развитие BIM-технологий — это постоянный процесс, который продолжает совершенствоваться с течением времени, поскольку подрядчики, архитекторы, инженеры и другие участники продолжают находить новые способы улучшения BIM-процесса [11]. Расширение перечня решаемых с помощью BIM-технологий задач приводит к расширению количества разделов BIM-модели.
Наиболее распространенной в настоящее время является следующая структура разделов [12, 13, 14]:
- 2D – это самая ранняя форма строительных моделей. Фактически это набор двумерных чертежей, изготавливаемых с использованием САПР.
- 3D – трехмерная графическая структура объекта, содержащая информацию о здании для обмена ею в общей среде данных. 3D-модели BIM используются для схематического проектирования, разработки дизайна, строительной документации и хранения чертежей. Основное преимущество — трехмерная визуализация объекта, которая помогает обмену информацией между различными группами работников, что значительно снижает риски возникновения конфликтных ситуаций на протяжении реализации проекта.
- 4D – последовательность строительства, т.е. фактически к 3D-модели добавляют четвертое измерение – время. Это помогает разработать четкий график реализации проекта, включая своевременность обеспечения проекта всеми необходимыми ресурсами (трудовыми, материально-техническими, энергетическими, транспортными и т.д.) на каждом этапе строительства.
- 5D – это добавление одного из самых важных в современных условиях критерия оценки любого проекта – стоимость. Основная цель внедрения этого раздела заключается в возможности получения отчетов о затратах на каждом этапе реализации проекта. Фактически в реальном времени можно видеть изменения финансового потока при корректировках проекта. Возможность получения подобных данных в режиме реального времени обеспечивает простой процесс изучения альтернативных концепций.
- 6D – эксплуатация оборудования готового объекта. Этот раздел позволяет будущему владельцу готового объекта наиболее эффективно им управлять, в том числе, в направлении оптимальной и бесперебойной работы всех инженерных систем. Это поможет в течение всего жизненного цикла проекта исследовать операционные параметры жизнедеятельности здания, в том числе регулярно проводить все необходимые мероприятия в рамках технического обслуживания оборудования.
- 7D – проведение текущего и капитального ремонта самого здания. Хранящаяся информация по зданию служит основой и при эксплуатации проекта для принятия решений при плановых и аварийных ремонтах. Применение этого раздела значительно сокращает как временные, так и финансовые затраты на всех этапах от проектирования до сноса здания. Наличие данного раздела значительно упрощает процедуру общего ремонта и замены отдельных конструктивных элементов здания. Также в этом разделе хранится информация о гарантиях, технических характеристиках, руководства по эксплуатации и т.п.
Проведя анализ предлагаемой структуры BIM-технологии, можно сделать вывод о необходимости внедрения новых разделов в существующую структуру. Целью статьи является рассмотрение одного из направлений в исследовании комплексного подхода к организации безопасности труда – это снижение уровня производственного травматизма в строительной отрасли, повышение уровня безопасности работ в строительстве с помощью технологий BIM, выработка рекомендаций по улучшению ситуации на производстве. Автором материала предлагается рассмотреть включение в BIM-модель нового раздела: 8D – обеспечение безопасности при реализации строительных проектов.
Далее перейдём к рассмотрению вопроса охраны труда и техники безопасности в строительной отрасли. Недостаточность контроля над уровнем безопасности при проведении работ на строительных объектах регулярно приводит к возникновению несчастных случаев, нанесению серьезного вреда здоровью работников и даже их гибели [15, 16].
Рассмотрим статистику, проведём анализ цифрового материала. Федеральной службой по труду и занятости в 2022 году было выявлено 4639 несчастных случаев на производстве, имеющих тяжелые последствия для пострадавших. Из 4639 случаев — 991 закончились смертельным исходом[4]. Согласно детальному анализу данной статистической информации строительная отрасль является одной из самых травмоопасных отраслей, что наглядно можно увидеть на представленных ниже рисунках (рис. 2, рис. 3).
Рис. 2. Доля по отраслям в общем количестве несчастных случаев на производстве,
2022 год (построено автором по данным Роструд)
Рис. 3. Доля по отраслям в общем количестве погибших в результате несчастных случаев на производстве,
2022 год (построено автором по данным Роструд)
Практически всегда причинами получения травм работниками является нарушение правил техники безопасности, как самим работником, так и другими исполнителями, в том числе допустившими ошибки при планировании работ на строительной площадке, в результате чего не был обеспечен надлежащий уровень безопасности, что подтверждает статистическая информация, представленная на рисунках (рис. 4, рис. 5).
Рис. 4. Основные причины несчастных случаев
в долях в общем количестве происшествий (построено автором по данным Роструд)
Рис. 5. Причины получения травм по категориям
в долях в общем количестве травм (построено автором по данным Роструд)
Следует отметить, что высокая травмоопасность в строительстве характерна и для других стран. В качестве доказательства можно привести следующие показатели.
- Согласно данным Бюро статистики труда (BLS) Министерства труда США средний уровень смертности среди всех работников в промышленности США в 2017 году составил 3,5 на 100 000 рабочих, в тоже время в этом же году в строительной отрасли он составил 9,5 смертельных случаев на 100 000 работников. В абсолютном выражении число смертельных случаев на производстве в строительной отрасли США стабильно превышает 1000 человек в год[5].
- Согласно отчету строительной статистики в Великобритании в 2018-2019 годах средний уровень смертности во всех отраслях промышленности составлял 0,45 на 100 000 рабочих, в то время как уровень смертности рабочих в строительстве составил 1,31 на 100 000 рабочих[6].
Результаты и обсуждение
Осознавая насущность проблемы высокого травматизма в строительной отрасли, разработчики программного обеспечения для BIM стали интегрировать в свои программные продукты блоки, позволяющие на ранних стадиях проектирования оценивать потенциальные риски, возникающие в ходе строительства проектируемого объекта. В связи с тем, что BIM позволяет создавать точные 3D-модели строительного проекта, в том числе обеспечивая всестороннее представление о строительной площадке и ее компонентах, проектировщики и подрядчики могут заранее выявлять потенциальные опасности на ранних стадиях проектирования, что позволяет им вносить необходимые изменения для их минимизации [16…20]. В современные BIM-модели необходимо включать в себя не только сам строительный процесс, но и временные работы, такие как строительные леса, защита краев и ограждения. Это позволяет заинтересованным сторонам оценить эффективность этих мер безопасности, гарантируя, что они адекватны и расположены должным образом. Программное обеспечение BIM должно автоматически обнаруживать потенциальные опасности, такие как небезопасные маршруты перемещения персонала из-за проводимых в моменты прохода других видов работ (перенос тяжестей, сварка и т.п.), несоответствующие правилам пути движения рабочих и перемещения грузов (максимальная нагрузка на пол, ширина и высота проходов и т.п.), безопасные расстояния от мест проведения работ до работающих механизмов. Это позволяет оперативно решать данные вопросы до начала строительства, снижая вероятность несчастных случаев на стройплощадке.
В таблице 1 автором статьи предложены мероприятия по улучшению ситуации с производственным травматизмом, представлены возможные результаты применения BIM-модели для повышения уровня защищенности персонала.
Таблица 1
Результаты использования BIM-модели для повышения уровня безопасности при ведении строительных работ
|
Направления использования BIM |
Результат |
Реализуемые мероприятия |
|---|---|---|
|
Визуализация строительной площадки |
Определение расположения:
|
Определение зон риска для построения схемы безопасного движения в районе строительной площадки |
|
Моделирование путей перемещения по строительной площадке |
Выявление препятствий и потенциально опасных путей для передвижения персонала на всех этапах строительного процесса |
Построение подробной динамической 4D-модели производственного процесса для определения конструкций временных путей перемещения с компонентами ограждения |
|
Визуализация проводимых работ на высоте |
Выявление потенциально опасных ситуаций, при которых возможно падение работников с высоты |
Разработка дополнительных страховочных мер по недопущению падения работников, в том числе усиление страховочных элементов |
|
Определение возможного пересечения проведения потенциально опасных работ с другими мероприятиями |
Выявление временного и пространственного пересечения потенциально опасных работ с другими работами |
Разнесение по времени и в пространстве проведения потенциально опасных работ с другими мероприятиями для снижения риска травматизма |
|
Определение потенциально опасных помещений и проходящих в них работ |
Выявление помещений и определение перечня работ, при которых возможно превышение потенциально опасных концентраций вредных веществ, способных нанести вред здоровью человека и/или работающему оборудованию |
Заблаговременная разработка мероприятий, обеспечивающих безопасность работы в данных условиях, например, приобретение и установка специального приточно-вытяжного оборудования |
|
Определение на основе визуализации строительной площадки и построения подробной динамической 4D-модели производственного процесса потенциально взрывоопасных и пожароопасных зон |
Выявление мест для размещения систем оповещения о пожаре и пожаротушения |
Создание полноценной противопожарной системы |
|
Разработка схемы сбора, складирования, утилизации и вывоза строительных отходов |
Определение времени, места, типа и объемов образования строительных отходов |
Построение подробной динамической 4D-модели работы со строительными отходами, предусматривающей безопасную для персонала схему их сбора, хранения и транспортировки |
|
Визуализация процедуры сноса стен, разборки временных сооружений, демонтаж строительных лесов |
Построение модели по визуализации работ по демонтажу конструкций |
Определение на основе построенной модели потенциально опасных действий, способных привести к травмам с целью разработки мероприятий по их исключению |
|
Анализ процессов транспортировки, хранения, использования и утилизации материалов и веществ, которые представляют опасность для здоровья людей |
Построение модели по выявлению рисков в процессе использования опасных веществ и материалов |
Разработка мероприятий по безопасному обращению с опасными веществами и материалами, в том числе организация специальных складских помещений и маршрутов транспортировки |
|
Визуализация процесса проведения опасных и особо опасных работ |
Выявление участков и этапов работ с наиболее высоким уровнем травмоопасности |
Разработка мероприятий по снижению рисков возникновения травм |
Как уже отмечалось выше, развитие BIM-моделирования позволяет вносить в процесс проектирования новые разделы [9, 12, 19-22]. Например, расширение BIM-технологий может включать в себя разработку алгоритмов управления готовыми объектами, в том числе для эксплуатации инженерных коммуникаций и разработку плана по сносу здания при завершении его эксплуатации. Можно утверждать, что сейчас бытует мнение, что в модели здания существует почти бесконечное число измерений, и все чаще эту многомерную способность BIM-технологии обозначают в виде "nD".
Выводы
Строительная площадка здания – это сложный объект управления, со сложно организованным производственным процессом, основанным на выстраивании многозадачных операций и оптимизации трехмерного постоянного перемещения людских ресурсов, механизмов, конструкций и материалов. Большое число строителей и множество строительных процессов, задействованных в проекте, делают управление безопасностью на строительной площадке нужным и жизненно необходимым. Учитывая, что стройиндустрия является постоянно развивающейся отраслью, информационное моделирование зданий произвело революцию в строительстве за счет оптимизации процессов, повышения эффективности работ и снижения всех видов затрат. Отмечу, что одним из наиболее значимых преимуществ BIM является его способность значительно улучшать безопасность на строительных объектах. Поскольку именно при проектировании происходит разработка методов, моделей и графиков реализации строительного процесса, необходимо на начальных этапах проектирования учитывать приоритеты безопасности организации ведения строительных работ, так как многих несчастных случаев на производстве можно было бы избежать при правильной расстановке приоритетов при разработке проектов. Оценка риска на стадии проектирования, как важный раздел управления безопасностью, может фундаментально снизить риск у его источника.
[1] National Institute of Building Sciences (NIBS), https://nationalbimstandard.org/
[2] The British Standards Institution (BSI, a company incorporated by Royal Charter), performs the National Standards Body (NSB) activity in the UK. https://www.bsigroup.com/
[3] The Digital Building Lab https://dbl.gatech.edu/
[4] Федеральная служба по труду и занятости (Роструд), https://rostrud.gov.ru/
[5] U.S. Bureau of Labor Statistics, https://www.bls.gov/news.release/osh.nr0.htm
[6] Health and Safety Executive GB, https://www.hse.gov.uk/statistics/
1. Ying Lu, Peizhen Gong, Yuchun Tang, Shuqi Sun, Qiming Li, BIM-integrated construction safety risk assessment at the design stage of building projects, Automation in Construction, Volume 124, 2021, 103553, ISSN 0926-5805, https://doi.org/10.1016/j.autcon.2021.103553.
2. Feng Fu, Chapter Six - Design and Analysis of Complex Structures, Editor(s): Feng Fu, Design and Analysis of Tall and Complex Structures, Butterworth-Heinemann, 2018, Pp. 177-211, ISBN 9780081010181, https://doi.org/10.1016/B978-0-08-101018-1.00006-X.
3. Rakhmatullina E.S. BIM modeling as an element of modern construction // Russian entrepreneurship. - 2017. - Volume 18. - No. 19. - p. 2866.
4. Security and Communication Networks, "Retracted: Construction and Evaluation of Construction Safety Management System Based on BIM and Internet of Things", Security and Communication Networks, vol. 2022, Article ID 9757049, 1 pages, 2022. Volume 2022 | Article ID 9757049 | https://doi.org/10.1155/2022/9757049
5. Marco Casini, Chapter 3 - Building digital revolution, Editor(s): Marco Casini, In Woodhead Publishing Series in Civil and Structural Engineering, Construction 4.0, Woodhead Publishing, 2022, Pp. 151-186, ISBN 9780128217979, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821797-9.00013-1.
6. James Sinopoli, Smart Building Systems for Architects, Owners and Builders, 2010, ISBN 978-1-85617-653-8, DOI https://doi.org/10.1016/C2009-0-20023-7
7. Llewellyn Tang, Chao Chen, Shu Tang, Zhuoqian Wu, Polina Trofimova, Building Information Modeling and Building Performance Optimization, Editor(s): Martin A. Abraham, Encyclopedia of Sustainable Technologies, Elsevier, 2017, Pp. 311-320, ISBN 9780128047927, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-409548-9.10200-3.
8. Talapov V.V. Introduction to building information modeling. - M.: DMK Press, 2011. - 392 p.: ill.
9. Bachurina S.S. Information modeling: methodology of using digital models in the process of transition to digital design and construction. Part 1: Digital project management of a full cycle in urban planning. Theory. - M.: DMK Press, 2021. - 104 p.: ill.
10. Shilkina S.V., Ivanova O. V. The choice of software for the implementation of projects based on information modeling technologies // journal: Construction and Architecture.Volume11. Issue 2 (39), 2023. https://doi.org/10.29039/2308-0191-2023-11-2-13-13
11. Lingzhi Li, Jingfeng Yuan, Meiling Tang, Zhao Xu, Wei Xu, Yusi Cheng, Developing a BIM-enabled building lifecycle management system for owners: Architecture and case scenario, Automation in Construction, Volume 129, 2021, 103814, ISSN 0926-5805, https://doi.org/10.1016/j.autcon.2021.103814.
12. Chernikova A.A. Information modeling at the stage of building operation / A. A. Chernikova. - Text: direct // Young scientist. - 2022. - № 49 (444). - Pp. 66-68. - URL: https://moluch.ru/archive/444/97392 / (date of address: 09/28/2023).
13. Chegodaeva M.A. Stages of formation and prospects for the development of BIM technologies / M. A. Chegodaeva. - Text: direct // Young scientist. - 2017. - № 10 (144). - Pp. 105-108. - URL: https://moluch.ru/archive/144/40481 / (access date: 22.09.2023).
14. Sheina S.G., Petrov K.S., Fedorov A.A. Investigation of the stages of development of BIM technologies in world practice and Russia // Construction and technogenic safety. - 2019. - № 14
15. Bakrunov Yurij O. Matters of labor safety in the construction industry and the ways of their solution by the means of modern methods of information modeling. Construction and Architecture (2022) Vol. 10. Issue 3 (36)/ P. 56-60. https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-3-56-60
16. Volkova N. V., Efimova E. I. Problems of the occupational safety and health in the construction industry. Institute of Public Administration, Law and Innovative Technologies (IGUPIT). Online journal "Science Studies" №1 (2013) http://naukovedenie.ru/37TBH113
17. Wu, W., and Issa, R. R. BIM execution planning in green building 803 projects: LEED as a use case // Journal of Management in Engineering, (2014). 31(1), A4014007.
18. Volk, R., Stengel, J., and Schultmann, F. (2014). "Building Information Modeling (BIM) for existing buildings-Literature review and future needs." Automation in Construction, 38, 109-127.
19. Lin, S.-H., and Gerber, D. J. (2014). "Evolutionary energy performance feedback for design: Multidisciplinary design optimization and performance boundaries for design decision support." Energy and Buildings, 84, 426-441.
20. Jrade, A., and Nassiri, M. (2015). "Integrating Decision Support System (DSS) and Building Information Modeling (BIM) to Optimize the Selection of Sustainable Building Components." Journal of Information Technology in Construction, 2015, 20(25): 399-420.
21. Inyim, P., Rivera, J., and Zhu, Y. (2014). "Integration of Building Information Modeling and Economic and Environmental Impact Analysis to Support Sustainable Building Design." Journal of Management in Engineering, 31(1), A4014002
22. Asl, M. R., Zarrinmehr, S., Bergin, M., and Yan, W. (2015). "BPOpt: A framework for BIM-based performance optimization." Energy and Buildings, 108, 401-412.
