改革开放以来，我国城市现代化建设得到快速发展，高层和超高层建筑已成为大城市常见的建筑形式．从高度而言，我国先后建成了上海东方明珠电视塔(468 m)、金茂大厦(420.5 m)、上海环球金融中心(492 m)、广州塔(610 m)、上海中心大厦(632 m)等九十年代以来不同时期的最高建(构)筑物，其中上海中心大厦和广州塔分别是国内仅有的超过600 m的建筑物和构筑物，同时也分别为世界第二高建筑物和构筑物；从体量而言，我国建成的150 m以上超高层建筑总量约占世界40%~50%，可以认为是世界高层和超高层建筑大国，在多项技术领域更是达到国际领先水平[1]，综合建造能力处于国际先进行列．但我国还不能称为世界超高层建筑强国，尤其是在超高层建筑施工风险管控方面，安全控制技术手段仍较传统，施工安全事故时有发生，亟须明确风险监控机理，形成专项施工风险控制技术，提高工程风险管控水平．近年来随着物联网技术、软件平台系统、人工智能技术、数控装备等前沿数字化技术与建筑行业的不断融合发展，极大地改变了工程建造模式，大幅提升了工程建造效率，为工程建造领域数字化转型升级提供了新的机遇[2-4]．因此，本研究针对高层和超高层建筑施工现场作业人员、机械设备、环境影响等多因素的安全风险管控难题，引入数字化建造技术和人工智能算法，通过人-机-环一体化监控新技术、新装置、新平台开发，研究建立了施工安全数字化监控技术体系，实现了关键施工风险要素的精准管控，提升了高层和超高层工程施工安全风险管控水平[5]．1 现场施工人员安全状态监控技术施工现场作业人员多、作业环境复杂、安全风险源密集，现场作业人员管理是施工安全风险监控的难点[6-7]，重点是做好人员空间位置、人员安全措施佩戴、人员危险行为管控、人员健康状态管理等方面的监控工作．针对施工现场人员空间位置管理，可通过采用卫星定位技术、楼层间电子标签识别、便携式模块化外设定位装置等，监控施工人员的水平、竖向位置，掌握施工现场复杂场景下的人员运动轨迹，重点关注施工人员在危险区域内的活动情况，对施工人员位置信息进行精准定位管理．例如：采用仿生双目立体识别装置，结合目标检测和语义分割等图像技术，引入开发的人员及环境立体感知三维重构仿生双目立体视觉算法对施工人员进行立体感知，确定其空间位置；采用高精度微波雷达对临边洞口等危险区域附近的移动人员进行识别，当侦测到该区域有活动人员随即激活声光报警装置进行预警．针对施工现场人员安全措施佩戴情况及人员危险行为的管理，可针对未正确佩戴安全帽、未穿反光背心等安全措施佩戴不到位行为，以及在易燃易爆品周边吸烟、施工人员长时间不动、塔吊和升降机司机身份有误等典型的施工作业危险行为，构建人员危险行为样本数据库，为人员风险辨识与分析提供数据支持．结合人员数字化远程可视安全监控系统，采用机器视觉技术捕获动态场景下的人体三维姿态，基于行为识别分级预警深度学习神经网络算法对施工人员作业行为进行智能识别与预警控制[8-10]．例如可采用人员身份自动识别控制技术，对作业人员身份进行识别，将采集信息与设定身份进行对比，监控电箱管控、升降机操作、塔吊操作等场景的施工人员非法操作行为．针对施工现场人员健康状态管理，应重点关注施工现场风险因素、严酷工作环境等对于人员生理、心理状态及特征的影响，依据自感疲劳程度对人员安全状态进行分级管理，可建立基于生理特征参数和人员属性的安全状态识别模型，实现对人员安全状态的智能识别．针对危险施工区域工作人员的安全状态评估，可引入安全状态分级专家评估模型加以修正，采用可穿戴式装置动态地对施工现场人员心率、体温、血压及环境温度等要素进行监测，获取施工人员身体状态数据，将相关信息传送至云端进行数据分析，实时评估施工人员的身体健康状态，出现不适合工作的情况及时预警并采取措施救治．对于施工安全风险情况复杂、人员管理要求高的工程，可根据实际工程需求开发集施工人员危险行为及特征分析、施工人员安全状态智能识别于一体的人员安全智能监控平台(见图1)，对施工人员位置、生理状态和作业行为的综合性安全状态进行智能识别与控制，提高施工现场人员安全风险管控水平，确保工程施工过程零伤亡．10.13245/j.hust.220805.F001图1某施工人员安全智能监控平台2 设施设备数字化监测及控制技术2.1　整体爬升模架安全状态监控整体爬升模架操作安全风险大，其工作状态决定着施工安全、施工质量和项目进度，须要针对安全状态进行覆盖全过程、全要素的监测、评估、预警和反馈控制．爬升模架安全状态监控是设施设备安全风险监控的主要内容，工作重点是做好模架支撑系统安全、模架搁置状态及爬升状态下的施工安全智能监控等方面的工作．模架支撑系统安全状态监控主要关注支点处混凝土结构强度和模架支撑装置的工作状态．可采用强度监测装置实现支点处混凝土结构实体强度无损、高精度、远程实时监测，为模架搁置状态和爬升状态混凝土结构强度评估提供技术支持[11]．模架支撑装置安全状态可通过力/行程自感知一体化工具式智能支撑装置，实现支撑系统受力点承载力的自感知和超限承载预警，确保模架支撑受力安全[12]．通过基于AI图像智能识别的支撑装置状态监测技术，实现承重销伸缩行程状态的智能识别和自动控制，确保模架设备附着安全；通过智能支撑装置监测反馈软件系统，综合考虑智能支撑装置状态评估指标，实现群体支撑装置的自适应协同控制，解决爬升模架设备支撑系统操控自动化程度低的技术难题．针对模架设备搁置状态的安全状态监控，可建立模架设备安全监控预警指标体系[13]，综合考虑包含支撑系统、钢平台系统、筒架系统及爬升系统的全要素，借助机器视觉等辅助控制手段实现模架设备作业规范性、设备封闭性、侧向障碍物影响等方面的实时监测预警，达到模架设备作业状态风险的智能识别和安全状态控制目的．针对模架设备爬升状态的安全监控，应重点关注爬模工作时的姿态控制，深度理解模架爬升姿态控制机理，明确模架爬升姿态与爬升功能部件位移的耦合关系，为模架设备姿态调整及控制提供技术支持．可基于模架爬升同步位移与平台变形(水平度、油缸压力、同步位移)响应规律，实现模架爬升状态下的姿态定量预测和智能控制；基于模架爬升实时数据，利用智能自传感反馈控制单元实现爬升功能部件的智能操控．此外，无线+有线融合(5G+光纤)技术的合理应用能够确保超高复杂环境监测数据采集及远程高效传输，极大提升模架设备爬升姿态安全监控一体化协同技术的发展进程．对于工程结构复杂、环境恶劣、爬升模架工作风险较高的工程项目而言，可根据实际工程需求开发集安全监测、评估、预警于一体的爬升模架设备远程可视化安全监控平台(见图2)，实现整体爬升模架设备工作过程的数字化安全风险管控，提高爬升模架施工效率、平稳性与安全性．如在宁波新世界广场工程建设中，通过集成爬升模架设备支撑系统监测与评估、搁置状态下安全监测与预警、爬升姿态监测与控制等技术，以组态软件为基础，结合附着的混凝土结构实体强度监测、模架设备智能支撑装置，研发了爬升模架设备远程可视化安全监控平台，实现了爬升模架设备安全状态的定量监测、评估、预警及反馈控制和爬升姿态的远程监测与控制，改变了传统监测与控制分离的现状，提高了建筑施工安全保障能力和信息化、智能化水平，有效降低安全隐患和事故发生率．10.13245/j.hust.220805.F002图2某爬升模架设备远程可视化安全监控平台2.2　垂直运输设备安全状态监测建筑工程垂直运输设备是建筑施工人员和物资运输的关键设备，安全风险较高、事故多发，安全管控难度较大．安全状态监测评估和智能识别控制是确保其工作性能的重要环节，主要载体包括塔吊、施工升降机和混凝土泵送管等设施设备．在明确设备结构安全监控的关键部位和预警规则的基础上，建立垂直运输设备本质安全监控方法，可为施工现场监控方案提供理论支撑．此外还须建立针对垂直运输设备的程序安全监控方法，实现有限时间、空间和场地内多工种协同作业安全保障和人-机-环作业流程正确，使作业过程及流程完成质量符合标准规范和操作要求[14]．针对塔吊设施，可从复杂社会技术系统视角分析其安全关键因素，基于数字推理模型、功能共振分析等方法建立安全评估模型；基于不同工况下的结构静动力分析明确设备安全监控关键位置和预警规则，并进行起升作业、变幅作业、回转作业动力响应分析；分析塔吊安装、顶升、拆除工艺流程，制定程序作业安全控制表单，实现塔吊施工程序安全；利用集数据处理与无线传输功能的智能传感装置监测塔吊设备的结构垂直度及倾角．针对施工升降机设备，可基于层次分析法、模糊综合评价法进行安全状态评估；通过附墙一体化本质安全分析，明确其安全监控关键部位和预警规则；基于升降设备安装、拆除、加节流程分析，明确安全监控方法和参数；利用集感知、数据采集、数据处理、无线传输一体的智能传感器监测升降设备构件连接状态．针对混凝土泵送设备，可基于典型事故安全风险分析，并结合数字化风险概率分析、数字推演分析法进行泵送设备的安全状态评估；通过管道压力分析，明确结构安全监控关键位置和预警规则；通过管道振动分析，明确泵送的关键参数设置；通过建立管道磨损模型，分析管道磨损对泵送的影响；通过模拟泵送过程，明确关键监测点位，分析泵送速度的影响，明确监测指标阈值．针对超高复杂结构施工，可根据实际工程需要，开发垂直运输设备安全监控平台系统，对塔吊、施工升降机和混凝土泵送管等设施设备进行一体化监控，并重点监测设备设施的结构力学参数、作业状态参数、运行作业安全状态．当现场监控时，可以按照统一的风险规则模式存储垂直运输设备各类事故数据，包括事故基本信息、事故原因、事故特征及事故后果等．基于建筑信息模型(BIM)虚实联动插件在虚拟模型中显示实体对象的信息空间映像，综合应用BIM技术与风险规则数据库为施工过程提供分析决策，确保垂直运输设备的结构安全、程序安全和作业安全，实现垂直运输设备与附墙一体化结构、程序逻辑、作业状态的全方位安全监控效果．3 施工环境安全状态监测预警技术建筑施工环境风险较高，须针对施工环境进行智能监测预警及精准有效控制，解决高层、超高层建筑施工紧邻构筑物的安全监测效率低、耗时长、精度低等共性问题．环境安全状态监测预警的重点是做好环境安全控制机理、安全状态智能监测、安全状态动态评估及环境扰动安全控制等方面工作．在建筑工程环境安全控制机理方面，应基于国家规范、行业标准及工程实践经验，建立基坑紧邻构筑物等环境安全指标体系，对紧邻构筑物进行风险评估，形成建筑工程施工紧邻构筑物等环境安全控制理论方法；针对边坡风险评估随机性与模糊性共存的特性，在传统模糊综合评判法(FCE)的基础上引入云模型理论评估边坡风险等级[15]；采用高斯混合聚类算法、小波分析等数据整理方法，针对基坑施工紧邻环境监测数据缺失、异常、聚类等综合问题进行处理，优化施工环境监测信息的数据质量，实现建筑工程施工环境监测信息的智能识别和环境动态安全的态势预判．在建筑工程施工环境安全状态智能监测及动态评估方面，可基于精密的振弦、倾角、图像算法处理等类型传感器，利用物联网技术实现传感器数据自动采集，并智能识别异常数据以实现实时预警功能．例如在紧邻基坑的地铁隧道类工程项目中，可基于准分布式光纤传感器和光纤光栅传感器，制定紧邻基坑隧道横断面变形和纵断面不均匀沉降变形的监测方案，精确掌握隧道管片结构变形情况．对于施工紧邻构筑物的环境安全评价，可结合理论计算、专家评审和工程经验等多级监测预警体系开展环境安全状态动态评估，建立精准的施工紧邻建筑物环境安全打分机制．在建筑施工环境影响扰动安全控制方面，对于施工环境风险较高的基坑施工，可采用分层分区开挖的环境扰动被动控制技术，按照由远及近、对称开挖的施工顺序，最大程度降低基坑开挖对紧邻隧道位移的影响；也可以基于基坑变形控制装置超前主动强制干预响应，实现基坑开挖环境影响监测、评估与主动控制的耦合联动，提升基坑开挖环境影响的自动化、智能化控制水平．对于施工环境复杂、风险因素较高的项目，可建立基于现场多源异构海量监测数据深度分析的建筑工程施工环境安全监控一体化平台(见图3)，实现多维数据管理、数据多终端展示、安全风险多因素耦合分析、高危风险智能研判等核心功能；并通过汇集工程案例、监测数据、风险处置等相关要素，形成工程安全风险大数据仓库，为现场风险预警、管控及应急处置提供科学参考．10.13245/j.hust.220805.F003图3某建筑施工环境安全监控一体化平台4 风险监控集成平台技术开发和应用多源风险一体化协同控制的建筑工程施工安全监控集成平台，是现场施工风险智能化监控技术整体落地的有效实施方案，可以实现作业人员、设备设施、环境影响等多因素的安全风险精细化控制，提升建筑工程施工风险智能化管控水平[16]．国外的建筑施工安全风险管理数字化程度较高，十九世纪八十年代，美国IntelliCorp，Power UP等公司推出施工安全管理专家系统，利用计算机实现针对施工现场安全指标的统计分析．部分学者提出了项目进度计划与安全管理相结合的施工安全风险管控理论，并强调网络信息的运用．发展至今，国际施工风险监控平台技术逐渐形成人工智能及专家系统与网络技术相结合、基于BIM和射频识别技术的风险信息模块构建等发展理念．我国在施工风险监控集成平台技术研究领域仍处于起步阶段，国内相关企业在施工安全风险管控方面展开了一些探索研究，如中国建筑、上海建工等头部企业分别开发了建筑安全信息管理系统、远程可视化安全检测平台等；建设部发布的建筑安全生产监督管理信息系统有效整合事故上报、许可管理及人员管理等建设信息系统，形成国内的权威建筑安全管理办公平台．上述施工安全风险管控平台技术的创新发展极大地促进了我国建筑施工安全管理的数字化发展，但相对国外，在风险要素耦合、监控的智能化属性方面，尤其是大数据、人工智能等新兴技术的应用层面，仍有一定差距，为此，本研究开发并应用了现场施工安全集成监控平台(见图4)．10.13245/j.hust.220805.F004图4某建筑施工安全集成监控平台该平台综合覆盖了模型展示、项目管理、预警评估和风险报告等基本功能，实现了人员、设备和环境的安全状态监控和多源风险动态评估．通过对该平台的开发过程进行总结，可以发现其重点是做好安全风险三维可视化虚拟仿真、多因素耦合风险动态评估与预警和建筑工程施工安全耦合风险控制及平台架构与数据处理等方面的工作．在安全风险三维可视化虚拟仿真方面，可以建立基于安全风险要素控制的人员、设施、设备、环境、结构可复用模块化分解模型标准库系统，通过模块化快速组合形成整体模型，实现安全风险三维场景的参数化快速搭建；通过三维模型轻量化技术切割模型构建关联片段，采用流格式序列化形成的小包文件进行渲染，在满足模型可视化表达的基础上同时保留实体模型几何信息，有效降低平台渲染表达压力，实现模型传输、加载、浏览的流畅性，为现实场景的数字孪生提供技术支撑；基于传感设备的多源异构安全风险要素的参数数据监测技术创建参数化动态模型，建立监测数据与模型参数的实时交互，通过参数化动态模型自动更新及重构技术方法，实现基于数字孪生理念的真实物理场景安全风险实测数据驱动的虚拟仿真呈现．在多因素耦合风险动态评估方面，可基于风险事件链接情况分析风险事件的耦合关系，采用风险事件影响要素分析方法确定风险监测对象及其相关物理参数，建立实测数据与风险事件发生概率间的关联，通过实测数据修正风险事件发生概率及损失程度，以风险事件概率与事故损失程度为判别指标，实现施工安全风险动态评估要求；在多因素耦合风险动态预警方面，可将施工风险处理为时间序列，基于拉格朗日插值修正等趋势外推预测算法进行．在耦合风险控制方面，可在确定施工风险控制关键因素的前提下，依据风险事件的发生概率与损失程度，建立不同层级的施工风险控制策略，并结合安全风险评估、预警过程制定施工现场最优控制策略．可以综合应用具有场景针对性的多维多级立体控制装置，如针对高层、超高层建造施工临边洞口等局部危险区域安全防护的智能围挡设施，一体集成传感元件、传输模块、语音报警模块等，并结合复杂环境超远距离数据无线传输技术，实现平台界面报警、信息推送与现场语音提醒线上线下一体化的临边洞口立体管控体系．在集成平台架构方面，为实现前述人、机、环各专项安全监控子平台与一体化风险监控集成平台的融入，可制定子平台融合数据传输格式及协议标准，并构建基于微服务架构的开发框架，保证安全监控集成平台功能的快速开发，提升集成平台的扩展性，降低子系统间的依赖性；在数据处理方面，应依据监控要素及其传感元件类型制定子平台监测数据的结构形式，通过数据网关进行监测数据的分类校验以保证数据的完整性和时序性，构建基于协议标准的规范数据库，集成装载子平台的安全监控数据，实现子平台无障碍接入和多源异构数据的预处理；在数据分析方面，应构建分布式时序数据库以实现高吞吐量、高容错机制的海量数据实时处理，建立数据存储分区和缓存机制，以降低服务器运算压力，提升集成平台的运行效率．5 结论建筑工程施工风险数字化监控技术是一个复杂的系统工程，也是建筑行业转型发展的重要成果，为施工安全管控提供了新方法．数字化施工安全监控技术体系的构建，改变了传统施工安全管理模式，有效提升了建筑工程施工现场安全管理精细化水平．但在风险监控基础理论研究、数字分析专业软件、智能化识别算法、数字化控制设备设施及数字化控制平台系统等方面仍存在一定不足，亟须深入开展相关研究，从体系上促进行业的数字化转型发展．a. 重点开展建筑施工数字化风险监控基础理论研究，从多维风险源耦合方面入手，建立施工风险控制方程，明确控制机理，指导现场施工分析与应用．b. 重点开展数字化专业分析软件开发研究，根据施工风险管控要素研发出具有中国特色的专业软件，实现专业分析软件的国产化．c. 重点开展施工风险智能化识别算法研究，通过智能化算法来建立控制程序，以智能化程序驱动来赋予相关设备设施智能化属性，提升施工现场智能化监控水平．d. 重点开展施工风险数字化控制平台系统研究，从数据采集传感器、平台引擎、平台开发到数据分析处理，从专业平台到一体化集成平台，系统性形成系列产品化平台及配套装置，全面提升施工风险监控平台性能，确保工程高效安全建造．