李海生，矯悅悅，孫 明，劉占省，徐駿青

(1.中鐵二十二局集團(tuán)有限公司，北京 100043； 2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

0 引言

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)應(yīng)用的層次逐漸加深，范圍逐漸廣泛，BIM 技術(shù)在地鐵建設(shè)過程中不斷涌現(xiàn)創(chuàng)新點。嚴(yán)小衛(wèi)等[1]基于哈爾濱地鐵3號線哈平路地鐵車站下穿既有地道橋施工項目，采用BIM技術(shù)和有限元分析聯(lián)合深化設(shè)計方案，提出基于BIM技術(shù)的城市地鐵車站建設(shè)施工聯(lián)合設(shè)計管理方法；何高峰等[2]以南寧地鐵2號線為例，利用Revit的API進(jìn)行二次開發(fā)，建立隧道BIM結(jié)構(gòu)模型和基于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的三維地質(zhì)模型，實現(xiàn)BIM在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下地鐵隧道三維可視化、結(jié)構(gòu)分析及安全預(yù)警預(yù)報；張勇等[3]以吉隆坡地鐵車站為例，介紹BIM技術(shù)在地鐵車站施工階段的應(yīng)用，主要包括施工模擬、進(jìn)度管理、碰撞檢查與協(xié)調(diào)、土石方開挖作業(yè)模擬、鋼筋模型建立等，體現(xiàn)BIM技術(shù)在施工階段的優(yōu)勢；張康寧等[4]以北京地鐵19號線平安里站為依托，研究基于BIM的施工進(jìn)度管理；周少東等[5]依托武漢地鐵2號線中南路地鐵車站項目，詳細(xì)介紹施工過程集成管理系統(tǒng)的構(gòu)建過程和各功能模塊應(yīng)用，通過系統(tǒng)實施反映集成管理效果，體現(xiàn)基于 BIM 的集成管理應(yīng)用價值和發(fā)展前景；李鈺等[6]基于BIM數(shù)據(jù)平臺，綜合運用虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)、智能穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通信、射頻識別(RFID)等智能化技術(shù)，對地鐵施工階段施工方主體人員的安全行為進(jìn)行探究，構(gòu)建合理的信息化安全管理體系。

綜上所述，雖然BIM技術(shù)在地鐵應(yīng)用中已較廣泛，但應(yīng)用在地鐵施工安全方面的研究較少。因此本文以地鐵施工安全問題為研究對象，基于在建昌平線南延工程，對建設(shè)過程中的安全風(fēng)險進(jìn)行分析，針對地層位移風(fēng)險、管線老化改移風(fēng)險、沉降變形風(fēng)險等問題，采用BIM技術(shù)對安全風(fēng)險進(jìn)行管理研究，制定解決方法，包括引入新工藝、VR技術(shù)；建立管線4D模型、定制化族庫；建立監(jiān)測平臺。

1 工程概況

北京市軌道交通昌平線南延工程呈南北走向，北始西二旗站，南達(dá)薊門橋站，全線長12.6km。遠(yuǎn)期與9號線融匯運營，是北京市南北方向的主要客運路線，將串聯(lián)多條地鐵運營路線。

西土城站、學(xué)院橋站—西土城站區(qū)間(簡稱學(xué)西區(qū)間)、10號線西土城站改造為本工程的3個工點。分別采用四導(dǎo)洞PBA工法、礦山法、盾構(gòu)法、PBA工法、明挖法施工。

2 風(fēng)險識別

根據(jù)BIM模型，提取昌平地鐵安全風(fēng)險信息，以分解WBS-RBS(work breakdown structure-resource breakdown structure, 工作分解結(jié)構(gòu)-資源分解結(jié)構(gòu))，進(jìn)行安全風(fēng)險識別。以RBS作為橫向，WBS作為縱向，構(gòu)建WBS-RBS耦合矩陣，對分析對象所有風(fēng)險因素進(jìn)行識別。

2.1 WBS分解

地鐵施工的整個過程可劃分為土方工程W1、模板工程W2、鋼筋工程W3、腳手架工程W4、盾構(gòu)工程W5等環(huán)節(jié)，WBS分解如圖1所示。

圖1 地鐵施工作業(yè)分解

重要建(構(gòu))筑物坍塌、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(坍塌)、腳手架變形或坍塌、副環(huán)拆除坍塌、隧道坍塌等事故一旦發(fā)生，會造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失及人員傷亡；土方滑坡、工程機械中挖機被掩埋或傾翻、焊接作業(yè)時發(fā)生火災(zāi)、切割與彎曲作業(yè)時發(fā)生機械傷害等是發(fā)生頻率最高的。以上危險源在進(jìn)行地鐵施工安全管理時需重點防范，加強管控。

2.2 RBS分解

地鐵施工安全風(fēng)險指標(biāo)種類按照不同特征，可劃分為技術(shù)風(fēng)險R1、周邊環(huán)境風(fēng)險R2、管理風(fēng)險R3、施工風(fēng)險R4，RBS分解如圖2所示。

圖2 地鐵施工風(fēng)險分解

2.3 構(gòu)建WBS-RBS耦合矩陣

對地鐵施工中的安全風(fēng)險進(jìn)行WBS-RBS分解，如表1所示，根據(jù)耦合矩陣分析結(jié)果，需注意土方工程W1、周邊環(huán)境風(fēng)險R2等。結(jié)合昌平地鐵項目特點，提煉總結(jié)分解結(jié)果，應(yīng)重點管控地層位移、管線老化改移、沉降變形風(fēng)險，且分析得到的風(fēng)險與施工重難點一一對應(yīng)。

表1 地鐵風(fēng)險WBS-RBS分解

3 項目風(fēng)險分析

3.1 地層位移風(fēng)險

北京地鐵建設(shè)中，地鐵隧道、車站、聯(lián)絡(luò)通道等工程建設(shè)環(huán)境日益復(fù)雜，且本項目施工影響范圍內(nèi)存在運營地鐵、文物古建、橋梁、地下管線、重要建筑等，加之地質(zhì)情況復(fù)雜，存在砂性含水地層，需嚴(yán)格控制地層位移，保護(hù)地下水資源，否則會破壞周邊環(huán)境。

3.2 管線老化改移風(fēng)險

新建車站上方2.3m處平行結(jié)構(gòu)存在直徑1 500mm 的污水管，此管道建設(shè)投產(chǎn)于20世紀(jì)50年代，自身腐蝕嚴(yán)重，常年帶壓運行。此外，需改造既有地鐵10號線車站，改造情況復(fù)雜，在運營過程中施工，需改移大量管線設(shè)備及轉(zhuǎn)換使用功能。

3.3 沉降變形風(fēng)險

新建車站部分結(jié)構(gòu)下穿元大都遺址，根據(jù)國家文物局要求，需重點保護(hù)該遺址，控制沉降變形。

學(xué)西區(qū)間盾構(gòu)工法下穿既有地鐵10號線車站，拱頂距既有車站底僅2m，施工過程中需控制車站沉降及變形。BIM技術(shù)可提供工程風(fēng)險源識別、風(fēng)險分析、風(fēng)險管理[7]。利用BIM 技術(shù)可針對各施工部位存在的隱患及不同施工設(shè)計方案建立規(guī)范的管理手段，如建立仿制模型、監(jiān)測平臺等，以動態(tài)監(jiān)測各種安全隱患。由于BIM高效的仿真特性，目前已成為安全管理風(fēng)險最高效、最迅速的方式。

4 基于BIM的地鐵施工安全風(fēng)險管理框架

對地層位移、管線老化改移、沉降變形風(fēng)險等問題，采用BIM進(jìn)行管理研究，制定解決方法，包括引入新工藝、VR技術(shù)；建立管線4D模型、定制化族庫；建立監(jiān)測平臺，并提出基于BIM的地鐵施工風(fēng)險安全管理框架(見圖3)。

圖3 基于BIM的地鐵施工安全風(fēng)險管理框架

5 BIM在地鐵施工安全風(fēng)險管理中的應(yīng)用

由于本項目涵蓋面廣、戰(zhàn)線長、工作內(nèi)容復(fù)雜、施工工藝多，給安全管理帶來困難，利用BIM可視化、動態(tài)化、協(xié)調(diào)性、模擬性和優(yōu)化性等優(yōu)勢，可提高安全管理效果[8]。

5.1 地層位移風(fēng)險的解決辦法

1)新工藝的引入與VR技術(shù)模擬 本工程新建車站采用凍結(jié)止水法，重點針對特定含水土、巖層內(nèi)，通過人工制冷處理，實現(xiàn)有效凍結(jié)，提升抗壓參數(shù)，避免土體自身狀態(tài)的負(fù)面影響，配合凍結(jié)壁完成地下作業(yè)。

2)基于BIM的凍結(jié)施工工藝模擬 結(jié)合BIM技術(shù)模擬凍結(jié)施工工藝，指導(dǎo)凍結(jié)施工的設(shè)備選型、組織、施工布置、管片拆除及凍土開挖等工藝流程，為施工人員提供精確、直觀的工藝流程?？商岣吖と藢κ┕げ襟E的熟練程度、工藝精細(xì)程度，規(guī)避因施工操作不當(dāng)造成的安全風(fēng)險問題。開挖前、后的凍結(jié)管歸集工藝模擬如圖4所示。

圖4 凍結(jié)管歸集工藝模擬

3)基于BIM+VR技術(shù)的環(huán)境體驗 BIM+VR技術(shù)中，建筑實體在工程實施前通過計算機交互式、動態(tài)式進(jìn)行仿真模擬，使該實體具有可視化、可交互等特性。地鐵施工方案應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)計，必須考慮構(gòu)造的復(fù)雜性、功能特性及地質(zhì)環(huán)境等綜合因素。設(shè)計方案若存在遺漏或不足，需要把建設(shè)完成后的結(jié)構(gòu)實體化，通過逼真的畫面場景刺激大腦，進(jìn)而有效改進(jìn)該方案。安全管理是隨時變化的動態(tài)施工過程，施工現(xiàn)場隨施工進(jìn)度不斷推進(jìn)，采用BIM+VR技術(shù)對相關(guān)人員進(jìn)行凍結(jié)施工過程的實景展示，模擬施工階段凍結(jié)現(xiàn)場的布置情況，使施工人員直觀觀察具體情形，以實體化動態(tài)的方式向工程人員進(jìn)行展示，大大提高培訓(xùn)效果、降低風(fēng)險、提高施工效率、降低建設(shè)成本。

5.2 管線4D模型的建立

本項目地下管道錯綜復(fù)雜，地鐵在施工過程中會破壞和影響附近區(qū)域，因此管線老化改移風(fēng)險至關(guān)重要。通過建立BIM4D模型等，避免施工事故。4D模型是在3D建筑信息模型的基礎(chǔ)上增加時間維度的模型，從而構(gòu)成建筑全壽命周期建模。4D模型的建立主要包括定制化管線族庫、3D模型搭建和時間維度擴展方面，可解決管線老化改移風(fēng)險等問題[9-10]，如圖5所示。

圖5 4D模型建立流程

管線定制化族庫是根據(jù)擬建地鐵工程實際情況，對涉及管線進(jìn)行的模型定制。為提高地鐵施工管線改移的安全管理水平，在定制化族庫建立過程中，將安全風(fēng)險因素的危險源、危險等級作為基本屬性，添加進(jìn)對應(yīng)定制化族庫模型中，并以可區(qū)別的顏色進(jìn)行標(biāo)示。根據(jù)地鐵施工安全風(fēng)險關(guān)聯(lián)分析得出的管線改移為較頻繁事故，因此，將管線改移作為事故標(biāo)簽，頻繁作為安全風(fēng)險概率標(biāo)簽，集成到族庫基本屬性上，并用不同顏色進(jìn)行表示，建立定制化管線族庫，為地鐵施工安全信息化管理打好基礎(chǔ)。

根據(jù)二維施工場地布置圖紙搭建3D模型，對主要施工場地、地質(zhì)條件、周圍環(huán)境進(jìn)行建模，建立與施工現(xiàn)場完全一致的BIM模型，同時將管線定制化族庫添加至模型。施工現(xiàn)場全要素建模依靠3D模型搭建，是4D模型建立過程中最主要的部分。

時間維度擴展可為全流程管理創(chuàng)造條件。根據(jù)施工組織設(shè)計和實際施工進(jìn)度，建立時間與施工場地布置3D模型的關(guān)系清單，該清單可反映施工場地任意時點的布置情況。將清單信息反映在3D模型上，即建立各時間點對應(yīng)的3D模型。將所有3D場布模型按時間順序進(jìn)行串聯(lián)，使靜態(tài)的3D模型在時間維度內(nèi)擴展，完成4D模型的建立。

5.3 監(jiān)測平臺的建立

建立基于BIM的實時監(jiān)測平臺，傳感器監(jiān)測沉降風(fēng)險地點的應(yīng)變、變形。為實現(xiàn)實時監(jiān)測、動態(tài)控制、風(fēng)險評估目標(biāo)，以終為始，以功能層、平臺層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層的逆向順序設(shè)計各層級內(nèi)容。建好后再以物理層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、平臺層、功能層的正向順序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，最終展示于平臺層，實現(xiàn)實時監(jiān)控、高效運維、風(fēng)險評估[11]。監(jiān)測平臺模式架構(gòu)如圖6所示。

圖6 監(jiān)測平臺模式架構(gòu)

建立基于BIM的三維監(jiān)測平臺，是將周邊建筑物、地下管線等納入監(jiān)測平臺，為施工過程提供實時、可靠的信息，通過實時監(jiān)測地鐵施工對周邊環(huán)境造成的影響，保證施工安全。通過地下管線模型實時掌握管線轉(zhuǎn)換進(jìn)展及數(shù)據(jù)信息，從源頭控制危險事故的發(fā)生。

本項目設(shè)有基于BIM的三維自動監(jiān)測平臺，可自動監(jiān)測施工數(shù)據(jù)、信息等，并實時查詢、存儲在建項目信息。還設(shè)有云采集平臺，可多方面采集在建項目所在地理、外部環(huán)境，傳感器數(shù)據(jù)與要素等信息。

6 結(jié)語

1)本文以地鐵施工過程中的安全風(fēng)險為研究對象，依托在建北京市軌道交通昌平線南延工程，對地層位移、管線老化改移、沉降變形等主要風(fēng)險進(jìn)行詳細(xì)分析。

2)從風(fēng)險出發(fā)，結(jié)合BIM提出關(guān)于地鐵施工安全管理的方法，并詳細(xì)闡述凍結(jié)止水法、BIM+AR技術(shù)、管線4D模型、監(jiān)測平臺應(yīng)用技術(shù)等。

3)將BIM應(yīng)用于地鐵施工安全管理領(lǐng)域，可提高對地鐵施工安全風(fēng)險的預(yù)警和控制能力，拓展地鐵施工的安全風(fēng)險管理手段。