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摘要
建筑业的职业伤亡率高于其他行业。通过设计预防（CHPtD）作为一种主动的安全管理方法，可以显著消除或降低施工安全风险。然而，这一概念在实践中没有得到有效实施，因为背后的技术问题没有得到解决。本文提出了一种针对建筑工程在设计阶段进行施工安全风险定量评估的新方法。该方法由可能性、结果和暴露率三个指标组成。这些指标是根据准确、客观的职业伤害、病死率和具体的施工规划数据进行计算的。AutodeskRevit开发了一个将建筑信息建模（BIM）与安全风险数据连接起来的插件，它可以自动计算建筑安全风险，以帮助建筑师和结构设计师快速选择设计方案。通过一个案例研究，证明了该方法的可行性和有效性。
1 引言
目前，由于建筑工作环境的动态特点，建筑行业的职业伤亡率相对较高。中华人民共和国住房和城乡发展部（MOHURD）表示，2018年发生建筑安全事故734起，死亡840例，[1]分别增长6.1%和4.1%。美国劳工部劳工统计局（BLS）显示，2017年建筑业的平均死亡率为每10万名工人9.5人死亡。然而，在同年的[2]期间，全工人的死亡率为每10万名工人中有3.5人死亡。一份英国建筑统计报告显示，2018/19年度[3]有30名工人死亡。所有行业的工人死亡率为每10万名工人1.31人，而平均死亡率为每10万名工人0.45人。建筑安全绩效已成为建筑行业公认的一个问题。
由于设计方案往往决定施工方法和进度，许多施工安全事故是由于设计不当造成的，如果设计得当，这是可以避免的。设计阶段的风险评估作为安全管理的重要内容，可以从根本上降低其源[4]的风险。美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）最初提出的通过设计进行预防（PtD)，被认为是一种有效的建筑风险降低战略[5–8]。可以防止施工、维护、维修、拆除过程中的施工职业伤亡；调整设计方案所需的成本和努力也可以降低[9]。作为PtD理论的扩展，通过设计预防建筑危害（CHPtD）特别强调在设计阶段[10]对建筑项目的施工安全危害的识别和消除。Behm[11]审查了224份死亡调查报告，并表明，在设计阶段使用CHPtD时，42%的死亡将减少或消除。Zhang等人[12]发现了潜在的坠落危险，并发现在设计阶段将护栏柱放置在楼板的边缘可以减少案例项目中的坠落危险。Golabchi等人[13]指出，在设计阶段存在许多干预措施来降低施工风险，包括工作场所的设计、任务顺序的设计、形状和大小的设计、人类行为的设计和其他干预措施。集成这些设计可以提高施工过程中的安全性。CHPtD的概念有利于建筑业的安全性能。
虽然许多研究建议使用CHPtD作为一种主动的安全干预措施，以降低施工安全风险，但这一概念尚未在实践中得到有效地实施。大多数的建筑师和结构设计师都缺乏足够的知识执行CHPtD所需的施工过程和安全风险。只有3.2%的建筑师和9.8%的结构设计师表示，他们的公司有审查CHPtD[14]的指导方针。其主要原因是，为了帮助建筑师和结构设计师更好地执行CHPtD，CHPtD背后的技术问题尚未得到[15]的解决。在设计阶段的安全风险评估是进行CHPtD的必要条件。传统的施工安全风险评估方法是在设计后实施的，如风险清单和风险管理系统，它们依赖于人工操作，在实际施工项目[9]中耗时且低效。
因此，正如哈迪森和哈洛韦尔[16]所指出的，技术问题的关键点包括如何使用基于风险的方法来选择优化施工安全的设计替代方案，以及如何使用新的工具来改进优化设计解决方案的选择。CHPtD计算机工具的可用性是CHPtD实现[4]的有利刺激。建筑信息建模（BIM）提供了一个平台，使其他基于BIM的开发能够将外部数据与参数化BIM环境集成，并在建筑设计中进行进一步的自动风险分析，帮助建筑师和设计师快速选择或改进设计方案[17]。与bim相关技术在建筑设计和安全管理中的应用正在迅速增长。然而，以往的大多数研究仍处于危害识别阶段[18，19]。很少有研究关注使用BIM平台来量化和计算综合安全风险。因此，本研究提出了设计阶段的bim综合施工安全风险评估，以进一步实施CHPtD的概念。
本文提出了一种定量的施工安全风险评估模型，它考虑了可能性、后果和暴露三个指标。这些指标是根据准确、客观的职业伤害、病死率和具体的施工规划数据进行计算的。欧特克Revit开发了一个将BIM与安全风险数据连接起来的插件。该插件可以自动计算建筑安全风险，以帮助建筑师和结构设计师快速选择优化施工安全的设计方案。此外，还通过一个案例研究，验证了该方法在设计阶段进行施工安全风险评估的可行性和有效性。
2 文献综述
2.1 施工过程中的安全风险评估
学者们从不同的角度提出了几种量化施工安全风险的方法，可归纳为三个方面。第一个方面是一种基于项目的方法，集中于分析施工危害的原因，综合评估施工安全风险水平。一些学者表示，组织安全监督和设备管理、遵守适用的安全法规、对冒险和管理行为的态度、高质量、频繁的安全沟通是影响施工工人[20，21]安全行为的关键因素。Gunduz和莱丁[22]提出了一个动态风险评估模型，该模型包括一个14项检查表和一个两尺度风险矩阵。风险因素包括秩序和整洁性、化学危害、心理因素等。需要在所有部件[23]之间建立各种类型的安全通信。安全风险评估方法包括模糊集、分析层次过程和加权聚合和乘积评估方法[24-26]。
第二种方法是以活动为导向的，它强调创建一个工作分解结构，分析相关的危害，并分层评估施工安全风险。古坎利等[27]建立了25个建筑项目的工程分解结构，并列出了每个建筑项目的所有施工活动，以确定不同的安全风险。哈洛韦尔和甘巴特斯[28]确定了13项建筑混凝土模板工作的施工活动，并对每个安全风险进行了量化。Esmaeili等人[29]提出了一种基于属性的风险评估方法来量化建筑活动的风险。
第三种方法是职业导向，主要从建筑业的角度来分析不同职业的伤亡数据。Baradan和Usman[30]分析了16种建筑职业的非致命伤害和死亡风险。
结果表明，铁工人和屋顶工人具有最高的安全风险。Choe和Leite[31]表明，每个职业对伤害来源都有一个独特的风险数据结构。以职业为导向的方法无法识别所产生的进一步危险
从后续的施工过程中开始。然而，在设计阶段，面向职业的方法比基于项目的方法和基于活动的方法有几个优势。首先，以职业为导向的方法的数据收集更加准确和客观。前两种方法主要基于历史数据或基于调查的数据[32-34]，而以职业导向的方法可以从现有的职业中提取真实的统计数据
资料库第二，不同的职业有不同程度的伤亡频率和严重程度，即使是在同一建设项目或建筑活动中。因此，安全风险应根据不同职业的独特性质进行量化。
2.2 施工安全风险评估的定量模型
不同的学者对安全风险的概念有不同的解释。埃斯迈利和哈洛韦尔[35]提出，安全风险包括可能性和后果。可能性表示每小时的伤亡人数。后果描述了伤亡的严重程度。一些学者利用可能性和结果建立定量模型，评价施工安全风险。
哈洛韦尔等人。[36]建立了一个安全风险量表，考虑所有可能的可能性和后果。Azadeh-Fard等人[37]引入了一种新的后果评分系统，它考虑了多个伤害后果因素，并将其作为一种新的风险评估的一部分
矩阵Mohandes等人[38]开发了一种新的风险量化模型，具有前概率参数和严重程度参数，利用模糊最佳最差方法获得每个参数的权重来计算建筑工人的安全风险。
暴露量也是安全风险评价的一个重要指标。美国职业信息网络（O*NET）项目[39，40]强调，建筑工作条件涉及许多危险暴露，如污染物、噪音、坠落风险和其他危险。该项目通过根据工人数量和暴露时间对每个职业进行暴露评分，来量化危险暴露。一些学者提出，暴露可以描述为接触危险情况的时间[41]。风险可以被确定为可能性、后果和暴露的产物[42-45]。弗里杰特斯和Swuste[46]利用风险量化表来估计可能性和后果，并通过计算施工过程的总持续时间来确定暴露程度。哈洛韦尔和甘巴特斯[28]提出了一个包括可能性和后果的风险量表，并根据工人的工作时间计算了暴露量。Gangolells[47]等人根据专家的意见对施工活动的可能性和后果进行评级，并根据建设项目文件对暴露情况进行评估。达法马帕兰等人[48]向总承包负责人发放问卷，以确定可能性和后果的风险规模，并根据单位工作时间进行量化。
然而，这三个指标的值通常通过专家访谈和问卷进行，这很容易受到主观判断[49]的影响。因此，解决准确、客观的优质数据源问题是迫切的。
2.3 BIM在安全风险中的应用
作为一种面向对象的参数化数字表示法，BIM正在成为一种改变项目规划、设计、施工、运营和维护阶段的系统工具。在设计阶段，
BIM是将风险数据与BIM[50]中的设计元素联系起来的有效方法。许多学者将BIM与相关数据库结合起来，实现了PtD的概念，旨在帮助建筑师和结构设计师识别危害，并提供解决方案[51]。实现PtD有两个主要趋势：使用BIM软件进行冲突检测，并集成BIM和基于知识的系统来检测危害[9]。例如，Hu等人[52]创建了一个对整个施工过程进行连续和动态模拟的模型，然后应用BIM技术进行碰撞检查。Zhang等人[12]将安全规则集成到BIM中，以识别和防止与跌倒相关的危险。Guo等[53]将BIM与设计安全规则结合，自动识别设计阶段可能出现的安全问题。Hussian等人[54]开发了一个与BIM集成的风险审查系统，以帮助建筑师和结构设计师检查设计元素。Cortes-Perez等人[55]将职业健康和安全风险评估整合到西班牙的BIM项目中，并根据西班牙法规和危险预防措施进行参数化的BIM对象。根据每个对象的风险等级水平，用颜色编码显示评估结果，并实施相应的措施。
建筑师和结构设计师可以从BIM集成安全管理系统[56]中获益。然而，以前的大多数研究只是根据规则确定了特定类型的危害。利用BIM平台进行综合计算安全风险的研究很少。迫切需要一种新的建筑安全风险定量评估方法和一种基于bim的自动计算插件，以帮助建筑师和结构设计师确定更安全的设计替代方案。
3 方法学
本文中的研究方法包括一个理论框架和一个已开发的插件。所提出的理论框架包括数据收集、数据映射和数据分析，并按职业定量计算施工安全风险，如图1所示。所开发的插件实现了所提出的理论框架，并作为一个自动计算施工安全风险的平台。
3.1 所提出的理论框架
3.1.1 数据收集
作为一种可视化的建模工具，BIM可以提供规划、设计、施工和运营阶段所需的信息。但是，BIM缺乏与安全风险评估相关的数据。应在数据收集阶段有系统地获取安全风险数据。因此，在数据收集阶段新建了两个整合所有风险评估数据的数据库：伤害和死亡数据库和建设规划数据库。前一个数据库记录了每个建筑职业的伤亡信息和就业规模。后者收集了关于具体的施工过程、单位工时和所需劳动力资源的数据。这些数据库中汇总的所有信息都是基于美国建筑行业。在伤亡数据库和死亡数据库中，根据劳工统计局的伤害、疾病和死亡(IIF)计划，将伤亡类型分为日间伤害和死亡。BLSIIF项目收集来自美国不同州、联邦和独立数据来源的年度数据，以确定和验证所有行业[2]的职业离职伤害和死亡人数。本研究采用了从2018年BLSIIF项目中提取的建筑业数据。具体来说，日间伤害的数据来自IIF项目的职业伤害和疾病调查(SOII)。死亡数据收集自IIF项目的致命职业伤害普查(CFOI)。BLSSOII只从私营部门收集数据，而BLSCFOI则按行业收集私营部门、政府工作者和个体经营者的数据。因此，本研究使用的数据来自私营部门，以保持一致性。本文根据2010年标准职业分类(SOC)体系，选择了19个建筑职业进行分析。私营部门雇用的工人总数来自美国劳工统计局的职业就业统计数据(OES)。所有这些数据都被整合在伤害和死亡数据库中。
在建设规划数据库中，获取单位劳动时间、所需劳动力资源和建筑材料。RSMeans是Gordian公司现有的一个成熟的建筑成本数据库；该数据库包含了北美建筑项目的单位材料成本、单位人工成本、单位人工成本、单位设备成本、劳动力来源、城市成本指数、设备租金、选址因素等最全面的数据，[57]。RSMeans可以反映美国建筑业的平均水平。本研究仅采用三种类型的数据来计算暴露指数：单位劳动小时数、所需劳动资源和建筑材料。因此，我们只从RSMeans中分别获取了这三种类型的数据，并整合到建设规划数据库中。
表1 施工安全风险评价指标
根据这些数据库中存储的信息，可以根据相应的公式自动计算出施工安全风险评估的指标。详细的计算方法将见第3.1.3节。所有指标及其数据源初步列于表1，说明风险评估过程与数据库之间的关系。
3.1.2 数据映射
BIM是一种面向家庭对象的建
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