Quản lý an toàn lao động trong xây dựng dựa trên nền tảng tích hợp thông tin tòa nhà construction safety management based on integrated building information model platform

quản lý an toàn lao động xây dựng dựa tảng tích hợp thơng tin tòa nhà construction safety management based on integrated building information model platform Ngày nhận bài: 11/4/2017 Ngày sửa bài: 12/5/2017 Ngày chấp nhận đăng: 02/6/2017 TĨM TẮT ATLĐ (an tồn lao động) mối quan tâm hàng đầu ngành xây dựng thiệt hại tai nạn lao động người, thiệt hại kinh tế cho chủ đầu tư, ảnh hưởng nghiêm trọng đến uy tín nhà thầu Bài báo nghiên cứu ứng dụng mô hình thơng tin tòa nhà (BIM) vào cơng tác quản lý ATLĐ cơng trường xây dựng tích hợp mối nguy tai nạn lao động vào mơ hình BIM 4D, mơ khơng gian việc mơ hình BIM theo tiến độ thi công, phát giải xung đột không gian làm việc Nghiên cứu trình bày phương pháp tự động liên kết tiến độ từ MS-Project vào mơ hình BIM 3D Từ khóa: Mơ hình thơng tin tòa nhà, quản lý an tồn lao động, 4D ABSTRACT Safety is always the major concern in the construction industry because fatalities and injuries from construction work bring great losses to individuals, economic damage to investor and destroy contractor’s reputation The aim of this paper is applying BIM into safety management on construction site such as: integrating safety hazard into 4D BIM, visualizing workspace and automate linking them with schedule, checking and solving workspace conflict This research also presents automate method to link 3D BIM model with construction schedule Key words: Building information model (BIM), safety management, 4D Phạm Hồng Luân- Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Trần Việt Thắng - Học viên cao học ngành Quản lý Xây dựng, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Phạm Hồng Luân, Trần Việt Thắng Giới thiệu Theo số liệu thống kê Cục An toàn lao động - Bộ lao động thương binh xã hội: xây dựng ngành có số vụ tai nạn lao động nhiều nhất, trung bình lao động, lại có người bị tai nạn bên cạnh nguyên nhân ý thức người lao động, thiếu nhận thức ATLĐ cấp quản lý, việc thiếu kế hoạch ATLĐ phù hợp tác nhân dẫn đến TNLĐ công trường xây dựng (Lưu et al 2009) Đa số vụ tai nạn có nguyên nhân té ngã, bị vật rơi bị va đập với máy móc, thiết bị Điều đáng nói ngun nhân hồn tồn lường trước phòng tránh Kế hoạch ATLĐ truyền thống vốn dựa vẽ tĩnh 2D, đánh giá an toàn dựa vào kinh nghiệm người kỹ sư khơng thích nghi kịp thời với biến đổi liên tục tính phức tạp cơng trường xây dựng, mối liên kết công tác thi công kế hoạch ATLĐ chưa rõ ràng, không sát với thực tế cơng trường khơng thích hợp cho việc xác định nguy gây TNLĐ công trường (Rozenfeld et al 2009) Sự đời phát triển việc ứng dụng BIM ngành xây dựng làm thay đổi cách tiếp cận vấn đề ATLĐ BIM công nhận rộng rãi công cụ giúp bên liên quan cải thiện vấn đề thông tin liên lạc công trường, cải thiện chất lượng thông tin giúp cho việc định nhanh hơn, rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí tất giai đoạn vòng đời dự án (Zhang et al 2013) Công tác thi công công trường xây dựng tiềm ẩn mối nguy Ứng với bên liên quan, giai đoạn thi cơng, cơng tác có nguy ATLĐ Tính phức tạp ln thay đổi công trường xây dựng làm cho việc thiết lập theo dõi kế hoạch ATLĐ trở nên khó khăn, sử dụng BIM việc tự động phát mối nguy đưa biện pháp giảm thiểu nguy TNLĐ khắc phục nhược điểm Tổng quan 2.1 Một số khái niệm JHA: Job hazard analysis (OSHA, 2002) – phân tích mối nguy công tác, kỹ thuật tập trung vào bước công việc công tác để xác định trước mối nguy xảy JHA tập trung vào mối quan hệ công nhân, công tác, công cụ môi trường làm việc Thực JHA giúp xác định mối nguy bước loại bỏ giảm nhẹ mối nguy tới mức chấp nhận trước tiến hành thi công Không gian làm việc (Workspace): không gian tối thiểu để thực cơng tác xây lắp, khơng gian làm việc phụ thuộc vào yếu tố như: hành dáng, kích thước cấu kiện cần thi cơng; số lượng cấu kiện; điều kiện sàn công tác; vật liệu yêu cầu; biện pháp, công cụ thi công; số lượng nhân cơng khơng gian đảm bảo an tồn cần thiết (Thabet and Beliveau, 1994) Dynamo: công cụ hỗ trợ lập trình Revit chuyên xử lý thơng tin mơ hình BIM, nghiên cứu này, Dynamo sử dụng đọc thông tin tiến độ tự động liên kết tiến độ vào phần tử Revit (Dầm-Sàn, Cột, Vách), tính tốn tạo khơng gian làm việc mơ hình BIM 2.2 Một số nghiên cứu ứng dụng BIM ATLĐ 6.2017 161 Giai đoạn Giai đoạn thiết kế Giai đoạn lập kế hoạch Giai đoạn thi công Tác giả Ku Mills (2010) Qi et al (2010) Kim Ahn (2010) Kiviniemi et al (2011) Kim Cho (2015) Zhang et al (2013) Park and Kim (2013) Zhang C ctg (2013) Nội dung nghiên cứu BIM thiết kế tích hợp an tồn (DFs) BIM thiết kế tích hợp kiểm tra ATLĐ Mô công tác giàn giáo tự động BIM BIM 4D ứng dụng ATLĐ Tự động tạo giàn giáo tạm theo biên dạng sàn Tự động tạo lan can theo cạnh sàn, lỗ sàn Mơ hình BIM tích hợp cơng nghệ thực tế ảo trong huấn luyện ATLĐ cảnh báo sớm mối nguy Tích hợp cơng nghệ RFID cảnh báo mối nguy ATLĐ công trường Phương pháp nghiên cứu 3.1 Liên kết tiến độ vào mô hình BIM 3D từ MS-Project Mơ hình BIM 3D kế thừa từ giai đoạn thiết kế chưa bao gồm thông tin tiến độ, việc kết nối liệu tiến độ thi công vào đối tượng mô hình BIM nghiên cứu thực Dynamo Synchro 4D Nghiên cứu sử dụng Dynamo BIM để liên kết tiến độ từ MS-Project vào mô hình BIM 3D Revit, thơng qua việc tạo biến chứa thông tin tiến độ cho đối tượng mơ hình BIM 3D, biến chứa thông tin mã WBS công tác Ví dụ thi cơng thi cột vách Zone 1, tầng có cơng tác lắp đặt cốt thép, lắp dựng ván khuôn, đổ bê tông tháo cốp pha tương ứng với mã WBS từ 5.1 đến 5.4, mã WBS cần gán vào đối tượng cột/ vách thuộc Zone 1, tầng mơ hình Vì Revit mặc định đối tượng cấu kiện không chứa trường thông tin tiến độ Revit cho phép người dùng tạo thêm biến liệu cho đối tượng thông qua Shared Parameter, biến chứa thông tin tiến độ (mã WBS) thêm vào Revit qua Shared Parameter JHA: Job hazard analysis (OSHA, 2002) – hay JSA (Job Safety Analysis) - phân tích mối nguy cơng tác, kỹ thuật tập trung vào bước thực công tác để xác định trước mối nguy xảy Thực JHA cho bước công tác thi công biện pháp hữu hiệu nhằm giảm thiểu TNLĐ, để đạt hiệu cao nhất, JHA cần phải thời gian, đối tượng, địa điểm Kiviniemi, 2011 phát triển phương pháp phân tích mối nguy ATLĐ thơng qua trợ giúp mơ hình cơng trường xây dựng ảo Bansal, 2011 ứng dụng công nghệ GIS giúp cảnh báo vị trí cơng tác có nhiều nguy xảy TNLĐ, mối nguy TNLĐ kết nối với tiến độ Hadikusumo, B and Rowlinson, S., 2004 phát triển công cụ DFSP (design for safety process) nhằm hỗ trợ người dùng phát mối nguy TNLĐ ứng với cấu kiện quy trình thi cơng Cơ sở liệu DFSP bao gồm loại cấu kiện, nguy TNLĐ, sở liệu cảnh báo sớm Để giới hạn mục tiêu nghiên cứu, báo tập trung vào đánh giá JHA cho công tác phổ biến thi công nhà nhiều tầng liên quan đến hạng mục cột/ vách/dầm sàn BTCT thi công theo phương pháp đổ chỗ Các đánh giá JHA cho cơng tác thi cơng tích hợp vào cơng tác thi cơng mơ hình BIM 4D theo tiến độ thi cơng • Xác định bước công việc: Các bước công việc công tác phân cụ thể bước thực • Xác định nguy TNLĐ cho bước công việc: ứng với bước công việc, rủi ro cơng việc Trong nghiên cứu sử dụng liệu đánh giá rủi ro Hiệp hội nhà thầu bê tông Hoa kỳ cho công tác thi công cấu kiện BTCT đổ chỗ (ASCC, 2017) • Đề xuất biện pháp phòng ngừa, giảm thiểu rủi ro: Các biện pháp cần thiết để loại bỏ giảm nhẹ mối nguy Hình Quy trình tích hợp JHA cho cơng tác thi cơng mơ hình BIM 4D Hình Quy trình tự động liên kết thơng tin tiến độ vào mơ hình BIM 3.2 Tích hợp JHA vào mơ hình BIM 4D 162 6.2017 3.3 Tính tốn xác định không gian làm việc Trong dự án xây dựng có nhiều cơng tác khác nhau, cơng tác cần khơng gian để thực nó, gọi chung không gian làm việc Không gian việc cho đối tượng đặc thù, Cho dù cơng tác có tính chất giống nhau, mang tính lặp lặp lại đặc trưng chỗ không gian thời gian thực khác Việc hoạch định không gian thi công mang ý nghĩa to lớn việc nâng cao ATLĐ cho cơng trường xây dựng, đòi hỏi việc lập kế hoạch phải rõ ràng, chặt chẽ, bao quát nhằm thuận lợi cho việc giám sát, thực quan trọng loại bỏ xung đột không gian thi công từ giai đoạn lập kế hoạch Với nhiều cơng tác thi cơng hàng nghìn cấu kiện khác công trường, nhiều thời điểm khác nhau, việc xác định không gian thi công theo tiến độ thi công tất đối tượng công trường công việc tốn thời gian dễ xảy sai sót thực theo cách thủ công Hơn nữa, công tác thi công thường đại diện cho nhiều cấu kiện, công tác lại chia nhiều bước công việc nhỏ với yêu cầu không gian khác nhau, thời gian thực khác Theo Zhang et al 2015, dựa q trình nghiên cứu thực nghiệm số cơng tác thi công công trường xây dựng, không gian làm việc cho công tác thi công cột/ vách BTCT theo phương pháp đổ chỗ thể sau: Bảng 1: Không gian làm việc công tác thi công cột BTCT đổ chỗ Tham số Giá trị trung bình (m) Lắp đặt cốt thép cột d1 1.7 Lắp dựng ván khuôn cột d2 3.0 Đổ bê tông cột d3 1.3 Tháo ván khuôn d4 1.5 Công tác Minh họa Nghiên cứu ứng dụng công nghệ BIM việc tự động tính tốn mơ khơng gian làm việc mơ hình BIM dựa kích thước cấu kiện tham số theo Bảng Các không gian làm việc tạo tương ứng với cấu kiện mơ hình BIM 3D, thông tin tiến độ không gian làm việc lấy từ thông tin tiến độ cấu kiện dầm cột sàn tương ứng 3.4 Xác định giải xung đột không gian làm việc Để xác lập mơi trường lao động an tồn, suất hiệu quả, nhà quản lý cần hoạch định không gian làm việc dựa công tác thi công Việc hoạch định không gian làm việc giúp diễn đạt rõ mối quan hệ mặt tổ chức công trường, không gian làm việc, không gian yêu cầu cho cơng tác tạm…góp phần giảm rủi ro công tác thi công công trường Xác định xung đột không gian làm việc, tạo không gian làm việc ứng với thời gian thi công không gian yêu cầu công tác thi công, công tác thực đồng thời khoảng thời gian xác định có xung đột chia sẻ khơng gian làm việc (Akinci, B., Fischer, M., & Kunz, J , 2002) Không gian làm việc đối tượng thi công cơng tác có giao cắt khơng bị coi xung đột không gian làm việc giao cắt với đối tượng thi cơng khơng gian làm việc cơng tác khác bị coi có xung đột Một tiến độ hợp lý phải đảm bảo: có nhiều cơng tác thực đồng thời, khơng có cơng tác chia sẻ chung không gian việc với Đối tượng O1 O2 gán cho hai công tác A1 A2, hai công tác yêu cầu không gian tương ứng S1 S2 để đảm bảo thực công tác Khi thực hai công tác A1 A2 có xuất khoảng thời gian làm việc đồng thời (t0,t1) S1 S2 giao vùng S12, xuất xung đột không gian làm việc A1 A2 d Thay đổi vị trí khu vực kho bãi lưu/ vận chuyển vật tư có xung đột khơng gian với khu vực này; e Thay đổi không gian làm việc yêu cầu công tác, làm cho không gian làm việc chật chội để tránh xung đột với công tác khác làm giảm suất thi công; f Thay đổi thời gian bắt đầu kết thúc công tác; g Thay đổi thời gian thi công yêu cầu cho công tác (Đẩy nhanh tiến độ cách tăng thêm nhân công) Khi giải xung đột khơng gian, việc điều chỉnh tiến độ làm xuất xung đột không gian mới, cần thực lại cơng tác kiểm tra xung đột khơng gian sau để chắn khơng có xung đột sau giải xung đột cũ Áp dụng cho cơng trình cụ thể Kết nghiên cứu áp dụng vào cơng trình cụ thể, bao gồm: tự động tích hợp tiến độ vào cấu kiện mơ hình BIM 3D; tính tốn xác định xung đột khơng gian làm việc cho cơng tác thi cơng chính, giải xung đột khơng gian; tính hợp mối nguy vào mơ hình BIM 4D Cơng trình có quy mơ 16 tầng bao gồm khối: Khối đế từ tầng đến tầng 4, với diện tích sàn trung bình 3.600m2 Khối tầng điển hình từ tầng đến tầng 16, diện tích sàn trung bình 1.450m2 Tổng diện tích sàn là: 29.200 m2 Cơng trình sử dụng hệ kết cấu cột/ vách/ dầm/ sàn BTCT đổ chỗ Mơ hình BIM 3D cơng trình tạo phần mềm Autodesk Revit, mơ hình cơng trình Khơng gian làm việc đối tượng cột, vách tạo từ khối hình hộp bao trùm lấy Hình 5: Dynamo Script tạo không gian làm việc công tác thi công cột gán tham số tiến độ cho đối tượng khơng gian làm việc Hình Dynamo Script tạo không gian làm việc cho sàn theo biên dạng sàn Hình Dynamo Script đưa thơng tin tiến độ thi công vào không gian làm việc cấu kiện sàn đối tượng thi cơng, với kích thước hình hộp dựa tham số Bảng kích thước đối tượng thi cơng Đối với cơng tác thi cơng sàn khơng gian làm việc xác định theo biên dạng sàn Tương ứng với cơng tác thi cơng đối tượng có khơng gian làm việc Hình 3: Xác định xung đột không gian làm việc Để giải xung đột không gian cần vào phân tích đặc điểm công tác đặc điểm đối tượng thi công Các quy tắc giải xung đột không gian xây dựng dựa đặc điểm công tác đối tượng thi công: a Tính liên kết cơng tác, cơng tác có xung đột khơng gian điều chỉnh tiến độ cơng tác đứng sau phải hiệu chỉnh; b Khi xuất xung đột hai công tác, công tác găng ưu tiên điều chỉnh, công tác không nằm đường găng bị điều chỉnh; c Nếu công tác xét chia nhỏ tiến độ/ đợt thi cơng Ví dụ phân đợt đổ sàn triệt tiêu xung đột khơng gian làm việc; Hình 4: Mơ hình BIM 3D cơng trình kế thừa từ hồ sơ thiết kế sau thêm vào đối tượng lan can an toàn, giàn giáo bao che, thiết bị thi cơng, cơng trình tạm cơng trường Mơ hình BIM 3D chứa thơng tin hình dạng, kích thước, cao độ… chưa có thông tin tiến độ, ATLĐ, không gian làm việc, thông tin đưa vào mô hình Dynamo BIM Sau mơ hình BIM 3D tiến độ xuất qua Synchro Pro để chạy giả lập 4D, kiểm tra xung đột không gian, khai báo mối nguy TNLĐ hiển thị cảnh báo mối nguy Hình Kết kiểm tra xung đột không gian làm việc 6.2017 163 tạo ra, không gian làm việc gán thông tin tiến độ từ cấu kiện Việc xác định xung đột không gian làm việc tương tự xác định xung đột thiết kế, khác đối tượng kiểm tra xung đột không gian làm việc Nghiên cứu sử dụng tính Spatial Coordination Synchro 4D để kiểm tra xung đột khơng gian Mơ hình giả lập 4D để xác định xung đột khơng gian làm việc cơng tác Phân tích giải xung đột không gian làm việc: Xung đột không gian làm việc công tác “Lắp dựng ván khuôn sàn Zone 2” công tác “Tháo dỡ ván khuôn cột Zone 1” a Khi xuất xung đột hai công tác, công tác găng ưu tiên điều chỉnh, công tác không nằm đường găng bị điều chỉnh.→ Cả hai công tác công tác găng b Nếu cơng tác xét chia nhỏ tiến độ/ đợt thi cơng.→ Có thể chia dải thi cơng sàn để tránh xung đột c Thay đổi vị trí khu vực kho bãi / vận chuyển vật tư có xung đột khơng gian với khu vực → không thuộc trường hợp d Thay đổi không gian làm việc yêu cầu công tác, làm cho không gian làm việc chật chội để tránh xung đột với công tác khác làm giảm suất thi công; → việc thay đổi không gian làm việc yêu cầu công tác Lắp dựng ván khn sàn khơng khả thi khơng gian yêu cầu thiết bị thay đổi Đối với cơng tác tháo dỡ ván khn, cơng tác có mối nguy vật rơi (ván khuôn, vữa bê tông) gây ATLĐ, biện pháp thay đổi khơng gian làm việc cho 02 công tác không khả thi e Thay đổi thời gian bắt đầu kết thúc cơng tác → Vì hai cơng tác khơng phải cơng tác găng, điều chỉnh tiến độ để tránh xung đột f Thay đổi thời gian thi công yêu cầu cho công tác (Đẩy nhanh tiến độ cách tăng thêm nhân công) → Tăng số lượng nhân công vừa làm phát sinh chi phí, vừa gây ATLĐ cho cơng trường Thời gian xung đột 02 công tác 01 ngày làm việc nên chọn phương án điều chỉnh tiến độ công tác tháo dỡ ván khuôn kết thúc muộn 01 ngày Tương tự cho công tác “Tháo dỡ ván khuôn cột Tầng 2; tầng –Zone 1” Hình 9: Mơ hình BIM 4D Synchro 164 6.2017 Sau giải xung đột không gian làm việc, tiến hành tích hợp đánh giá JHA vào mơ hình BIM 4D Dựa vào đánh giá JHA cho công tác thi công, tiến hành khia báo mối nguy gây ATLĐ công cụ Risk Register Synchro Mối nguy theo bước công việc gán tự động theo tên cơng tác Hình 10 Khai báo mối nguy ATLĐ Synchro 4D Hình 11: Các mối nguy thời điểm thi công công tác “Lắp dựng cốt thép vách Zone 1- Tầng 8” Kết luận Nghiên cứu đưa cách tiếp cận cho việc tích hợp BIM vào cơng tác quản lý ATLĐ, hạn chế mối nguy trình thi công cách giảm thiểu nguy xung đột khơng gian làm việc, tích hợp JHA cho cơng tác cảnh báo mối nguy TNLĐ mô hình BIM Mơ hình BIM 4D tích hợp ATLĐ giúp kỹ sư công trường bám sát với kế hoạch thi công cập nhật thay đổi công trường nhanh chóng để đảm bảo xác định mối nguy TNLĐ kịp thời có biện pháp giảm thiểu nguy TNLĐ cần thiết Mơ hình BIM 4D sử dụng cho mục đích huấn luyện ATLĐ cho công nhân, hỗ trợ việc định cải thiện việc trao đổi thông tin bên thuộc dự án Hạn chế lớn nghiên cứu đơn vị thời gian cơng tác tính ngày, khơng thể xác định xác thời điểm diễn bước công việc đưa cảnh báo mối nguy theo thời điểm tương ứng diễn cơng việc đó, hạn chế chung phần mềm lập tiến độ khơng thể chia nhỏ tiến độ tới cấp độ bước công việc TÀI LIỆU THAM KHẢO Akinci, B., Fischer, M., & Kunz, J (2002) Automated generation of work spaces required by construction activities Journal of construction engineering and management, 128(4), 306-315 ASCC (n.d.) American Society of Concrete Contractors - Job hazard analysis Retrieved Febuary 20, 2017, from https:// www.ascconline.org/concrete-safety-council/publications/jobhazard-analysis-template Cục An toàn lao động (2016) Thơng báo tình hình tai nạn lao động năm 2015 Guo, S J (2002) Identification and Resolution of Work Space Conflicts in Building Construction Journal of construction engineering and management, 128(4), 287-295 Kim, H and Ahn, H (2011) Temporary Facility Planning of a Construction Project Using BIM (Building Information Modeling) Computing in Civil Engineering, 627-634 Kim, K a (2015) BIM-Based Planning of Temporary Structures for Construction Safety Computing in Civil Engineering 2015, 436-444 Ku, K., and Mills, T (2010) Research needs for building information modeling for construction safety International Proceedings of Associated Schools of Construction 45nd Annual Conference Lưu Trường Văn, Lê Hoài Long, Soo-Yong Kim, Young-Dai Lee (2009) Factors affecting labor accidents in residential construction projects Hội nghi Khoa học công nghệ lần thứ 11-Đại học Bách Khoa TP.HCM 21-23/10, (pp 285-290) HCMc Ophir Rozenfeld, Rafael Sacks, Yehiel Rosenfeld, Hadassa Baum (2010) Construction Job Safety Analysis Safety Science, 48(4), 491-498 Park, C S., and Kim, H J (2013) A framework for construction safety management and visualization system Automation in Construction, 33, 95-103 Qi, J., Issa, R., Hinze, J., and Olbina, S (2011) Integration of Safety in Design through the Use of Building Information Modeling Computing in Civil Engineering, 698-705 Sijie Zhang, Jochen Teizer, Nipesh Pradhananga, Charles M Eastman (2015) Workforce location tracking to model, visualize and analyze workspace requirements in building information models for construction safety planning Automation in Construction, 60, 74-86 Sulankivi, K., Kähkönen, K., Mäkelä, T., Kiviniemi, M (2010) 4D-BIM for construction safety planning Procedia Engineering Thabet, W Y and Beliveau, Y J (1994) Modeling work space to schedule repetitive floors in multistory buildings Journal of Construction Engineering and Management, 120(1), 96-116 Zhang, S., Teizer, J., Lee, J K., Eastman, C M., & Venugopal, M (2013) Building information modeling (BIM) and safety: Automatic safety checking of construction models and schedules Automation in Construction, 29, 29, 183-195  ... (2010) Construction Job Safety Analysis Safety Science, 48(4), 491-498 Park, C S., and Kim, H J (2013) A framework for construction safety management and visualization system Automation in Construction, ... Resolution of Work Space Conflicts in Building Construction Journal of construction engineering and management, 128(4), 287-295 Kim, H and Ahn, H (2011) Temporary Facility Planning of a Construction. .. Lee, J K., Eastman, C M., & Venugopal, M (2013) Building information modeling (BIM) and safety: Automatic safety checking of construction models and schedules Automation in Construction, 29, 29,