許磊磊 師永翔

(1.中交武漢智行國際工程咨詢有限公司 武漢 430000； 2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司 太原 030000)

交通行業(yè)快速發(fā)展，隧道工程不斷增多，其具有施工難度大、危險系數(shù)高等特征，當(dāng)前我國隧道建設(shè)已進(jìn)入高難度、高技術(shù)、高數(shù)量、高風(fēng)險的時期。隧道工程是一項開放性的系統(tǒng)，很容易受到不確定因素的影響，給項目工程的質(zhì)量、安全和進(jìn)度帶來影響，使用科學(xué)的風(fēng)險應(yīng)對技術(shù)降低風(fēng)險的可能性是隧道施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵，同時也是項目參建方的工程目標(biāo)[1-3]。因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)隧道工程施工的風(fēng)險管理工作，創(chuàng)新風(fēng)險管理方式手段，充分利用信息技術(shù)提升風(fēng)險管理水平，提高風(fēng)險管理能力，降低各種風(fēng)險因素給隧道施工帶來的影響[4-7]。

BIM作為一種信息技術(shù)，在全壽命期內(nèi)通過集成各種信息工程數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)各參與方之間及相關(guān)應(yīng)用軟件之間的信息交流和共享，進(jìn)行科學(xué)有效的風(fēng)險管理，提高項目整體質(zhì)量[8-9]。本文以隧道工程為對象，研究建立隧道施工進(jìn)度風(fēng)險、質(zhì)量風(fēng)險、安全風(fēng)險等施工風(fēng)險信息模型構(gòu)建方法，然后分析研究BIM應(yīng)用于隧道施工進(jìn)度風(fēng)險、質(zhì)量風(fēng)險、安全風(fēng)險與動態(tài)風(fēng)險預(yù)警管理，提升基于BIM技術(shù)的隧道工程施工風(fēng)險管理信息化水平。

1 施工風(fēng)險管理中存在的問題分析

1.1 進(jìn)度管理風(fēng)險

項目實施過程中任何不利的環(huán)境因素都有可能對項目進(jìn)度產(chǎn)生影響，例如，施工進(jìn)度計劃不合理、設(shè)計缺陷、現(xiàn)場人員的素質(zhì)、溝通和銜接不暢、施工環(huán)境的影響等問題都可能給進(jìn)度管理帶來風(fēng)險[10-11]。這些問題是由傳統(tǒng)進(jìn)度管理方法本身的局限性造成的，由于二維CAD設(shè)計的項目形象性差、網(wǎng)絡(luò)計劃抽象，往往難以理解和執(zhí)行；二維圖紙不方便各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)溝通，傳統(tǒng)項目管理方法注重經(jīng)驗，無法做到規(guī)范化和精細(xì)化管理；增加項目進(jìn)度檢查頻率和加強(qiáng)管理，只能在一定程度上降低問題發(fā)生的概率，難以從根本上解決。

1.2 質(zhì)量與安全風(fēng)險

工程項目的建設(shè)是一個系統(tǒng)、復(fù)雜的過程，需要多種專業(yè)、工種之間相互協(xié)調(diào)。在工程實際中往往會出現(xiàn)各種問題，嚴(yán)重影響工程項目的質(zhì)量安全。施工人員專業(yè)技能不足、材料的使用不規(guī)范、不按設(shè)計或規(guī)范進(jìn)行施工、質(zhì)量效果無法預(yù)估、各個專業(yè)工種相互影響等都會給項目實際實施帶來質(zhì)量與安全方面的風(fēng)險。

1.3 風(fēng)險預(yù)警管理

項目風(fēng)險預(yù)警的過程，一般由風(fēng)險識別、風(fēng)險分析、風(fēng)險計劃、風(fēng)險跟蹤、風(fēng)險控制，以及風(fēng)險溝通等若干個階段組成，這些階段相互作用，與項目管理其他領(lǐng)域，如：成本管理、工期管理、安全管理、質(zhì)量管理等方面相互影響。在風(fēng)險管理行為中通常很少進(jìn)行各風(fēng)險關(guān)聯(lián)性判斷、內(nèi)外部環(huán)境風(fēng)險分析，更加缺乏對風(fēng)險的整體化管理理念的應(yīng)用，由于風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)性，不具有動態(tài)實時性，嚴(yán)重影響到風(fēng)險管理過程的工作效率和質(zhì)量。

1.4 技術(shù)風(fēng)險

在傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計中，二維圖紙無法真實直觀地表現(xiàn)設(shè)計對象，難以表達(dá)更多的數(shù)字化信息，在項目不同階段，容易造成信息流失，更是無法表達(dá)構(gòu)件的空間拓?fù)潢P(guān)系。此外，工程設(shè)計涉及多個專業(yè)，各個專業(yè)之間分工明確，合作卻很模糊，專業(yè)各自圖紙都是正確的，合在一起就可能存在問題，如不同專業(yè)的內(nèi)容互相“沖突”，造成設(shè)計效率與質(zhì)量低下。

2 基于BIM技術(shù)的風(fēng)險信息管理整體架構(gòu)

2.1 基于BIM的施工風(fēng)險管理模型構(gòu)建

本節(jié)基于BIM技術(shù)的可視化、信息集成性特點，研究建立隧道施工進(jìn)度風(fēng)險、質(zhì)量風(fēng)險、安全風(fēng)險等施工風(fēng)險信息模型構(gòu)建方法和集成應(yīng)用技術(shù)，進(jìn)而利用BIM技術(shù)提升整個項目信息化風(fēng)險管理水平。

1) 進(jìn)度風(fēng)險信息模型構(gòu)建。構(gòu)建隧道BIM模型圖見圖1，將計劃進(jìn)度及實時采集的實際進(jìn)度數(shù)據(jù)賦予模型，生成計劃進(jìn)度信息模型和實際進(jìn)度信息模型。在模型環(huán)境中，研究實現(xiàn)項目4D虛擬施工、可視化進(jìn)度查詢、進(jìn)度偏差分析、關(guān)鍵工作及關(guān)鍵線路分析、工程量進(jìn)度統(tǒng)計等進(jìn)度管理方法。通過動態(tài)優(yōu)化調(diào)整、實時跟蹤、可視化展示計劃及實際進(jìn)度狀態(tài)，使得有效控制進(jìn)度風(fēng)險。

圖1 隧道施工BIM模型

2) 質(zhì)量風(fēng)險信息模型構(gòu)建。將現(xiàn)場質(zhì)量問題數(shù)據(jù)及質(zhì)檢文檔資料賦予模型，生成質(zhì)量信息模型。在模型環(huán)境中，研究實現(xiàn)現(xiàn)場質(zhì)量問題協(xié)同的數(shù)據(jù)流信息化及質(zhì)檢資料結(jié)構(gòu)化等質(zhì)量管理方法。通過手機(jī)端采集、短信預(yù)警推送、問題處理閉合、按類歸檔等動態(tài)管理手段，有效控制質(zhì)量風(fēng)險。

3) 安全風(fēng)險信息模型構(gòu)建。將現(xiàn)場安全問題數(shù)據(jù)及安全交底文檔資料賦予模型，生成安全信息模型。在模型環(huán)境中，研究實現(xiàn)現(xiàn)場安全問題協(xié)同的數(shù)據(jù)流信息化及安全交底資料結(jié)構(gòu)化等安全管理方法。通過手機(jī)端采集、短信預(yù)警推送、問題處理閉合、按類歸檔等動態(tài)管理手段，有效控制安全風(fēng)險。同時，利用人員定位和視頻監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)在模型環(huán)境中集成現(xiàn)場施工人員、環(huán)境的動態(tài)風(fēng)險監(jiān)控。

4) 風(fēng)險預(yù)警信息模型構(gòu)建。將監(jiān)控量測、地質(zhì)預(yù)報的定量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場風(fēng)險巡檢的定性數(shù)據(jù)，以及動態(tài)風(fēng)險綜合評估數(shù)據(jù)賦予模型，生成風(fēng)險預(yù)警信息模型。在模型環(huán)境中，研究實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場風(fēng)險識別與采集、風(fēng)險判斷、風(fēng)險預(yù)警短信發(fā)布、風(fēng)險問題處理與整改閉合等風(fēng)險預(yù)警的數(shù)據(jù)流。

5) 技術(shù)風(fēng)險模型構(gòu)建分析。結(jié)合隧道施工管理需求，利用BIM技術(shù)可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性等手段，對二維圖紙進(jìn)行三維施工深化設(shè)計，在最大程度上解決圖紙的“錯、漏、碰、缺”等問題。同時建立能真實描述施工方案的三維數(shù)字模型，包括施工方案的虛擬布置場地和施工工序的環(huán)境模型、施工方案虛擬建造的工程結(jié)構(gòu)實體物的結(jié)構(gòu)模型示例，見圖2和圖3，施工方案采用的機(jī)械設(shè)備、模板、模具等作業(yè)設(shè)施的施工設(shè)施模型示例見圖4。在模型環(huán)境中，研究實現(xiàn)基于BIM的施工圖深化設(shè)計、施工技術(shù)方案編審、施工方案模擬和施工方案可視化交底的技術(shù)應(yīng)用，提高技術(shù)風(fēng)險控制效率。

圖2 隧道初期支護(hù)與拱底土石方模型

圖3 隧道仰拱及填充混凝土模型

圖4 仰拱臺車模型

2.2 BIM風(fēng)險信息管理系統(tǒng)架構(gòu)

針對隧道工程施工動態(tài)風(fēng)險管理信息化需求，利用構(gòu)件級的施工信息模型，結(jié)合GIS、Web、物聯(lián)網(wǎng)、跨平臺短信推送、移動終端等新技術(shù)手段，融入項目施工進(jìn)度風(fēng)險、質(zhì)量風(fēng)險、安全風(fēng)險及風(fēng)險預(yù)警管理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，建立BIM條件下的隧道施工動態(tài)風(fēng)險管理信息模型集成及協(xié)同應(yīng)用的可視化系統(tǒng)環(huán)境。

在隧道施工過程中，采用BIM模型作為信息的載體，基于GIS數(shù)據(jù)環(huán)境和BIM模型輔助施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全等要素的施工動態(tài)風(fēng)險管控，建立施工風(fēng)險信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)分為3層，分別為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)集成層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層，BIM風(fēng)險信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

3 BIM風(fēng)險信息管理應(yīng)用

3.1 進(jìn)度風(fēng)險管理

通過BIM風(fēng)險信息管理系統(tǒng)的建立，利用計劃進(jìn)度信息模型及相應(yīng)的計劃橫道圖，對系統(tǒng)中任意構(gòu)件的計劃完成時間、實際完成時間進(jìn)行實時查看，可視化展示項目的虛擬施工過程，自由查看里程碑時間點乃至任一時間點的計劃施工狀態(tài)。同時，通過可視化的進(jìn)度模擬效果，直觀分析不同計劃存在的影響工期的問題，合理優(yōu)化、變更施工計劃。根據(jù)計劃進(jìn)度信息模型與實際進(jìn)度信息模型的施工時間屬性的對比，可視化展示計劃進(jìn)度與實際進(jìn)度的偏差狀態(tài)分析，實現(xiàn)工程進(jìn)度實時追蹤及查詢、施工進(jìn)度偏差分析、多級計劃的關(guān)鍵工作及關(guān)鍵線路查詢、各階段進(jìn)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，極大地提高進(jìn)度風(fēng)險控制效率。

3.2 質(zhì)量風(fēng)險管理

通過系統(tǒng)，可實現(xiàn)對BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)充、跟蹤、保存，實現(xiàn)質(zhì)量資料管理和現(xiàn)場質(zhì)量管理，在施工過程中，系統(tǒng)對發(fā)生的質(zhì)量問題進(jìn)行追蹤和記錄，為項目各方人員進(jìn)行查詢提供方便。能夠監(jiān)查具體的整改過程，審核相關(guān)文件，提高質(zhì)量安全管理效率。較之傳統(tǒng)的文檔記錄，BIM技術(shù)突破文字的抽象性和局限性，完善信息傳遞途徑，實現(xiàn)質(zhì)量安全問題的可視化，有助于協(xié)調(diào)工作的順利開展。

3.3 安全風(fēng)險管理

在隧道施工過程中通過應(yīng)用基于BIM技術(shù)的風(fēng)險信息管理系統(tǒng)改進(jìn)安全技術(shù)交底、安全檢查、安全空間管理、現(xiàn)場視頻監(jiān)控和現(xiàn)場人員管控等工作，實現(xiàn)可視化環(huán)境下同步現(xiàn)場施工安全管控過程。隧道工程施工的安全資料實現(xiàn)統(tǒng)一化管理，通過系統(tǒng)實時查詢安全資料，對質(zhì)量問題進(jìn)行實時查看、編輯、處理、刪除等操作，對質(zhì)量問題形成列表進(jìn)行備查，實現(xiàn)全過程、動態(tài)、可視化的鐵路隧道施工安全管理，提升傳統(tǒng)安全管理方式方法的效率和效果，降低安全風(fēng)險帶來的影響。

3.4 風(fēng)險預(yù)警風(fēng)險管理

通過系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場風(fēng)險評估與預(yù)警、監(jiān)控量測與地質(zhì)預(yù)報等工作，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報資料、每周現(xiàn)場風(fēng)險巡檢信息、監(jiān)控量測和安全步距數(shù)據(jù)等內(nèi)容，動態(tài)發(fā)布風(fēng)險評估報告。系統(tǒng)定義分部、分項工程施工風(fēng)險等級的判斷準(zhǔn)則，作為現(xiàn)場風(fēng)險巡檢的依據(jù)，對隧道施工的地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂、爆破振動、鋼支撐應(yīng)力、仰拱和二襯至掌子面安全步距設(shè)置閾值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時，進(jìn)行短信自動推送報警，提升風(fēng)險管理的效率。

3.5 技術(shù)風(fēng)險管理

通過三維可視化模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)空間碰撞檢查、結(jié)構(gòu)孔洞預(yù)留檢查、結(jié)構(gòu)預(yù)埋件布置、結(jié)構(gòu)鋼筋排布優(yōu)化和臨時結(jié)構(gòu)措施設(shè)計等工作，最大程度上解決圖紙的“錯、漏、碰、缺”等問題。利用BIM軟件可視化展示施工場地布置、周邊建(構(gòu))筑物專項保護(hù)、土方開挖、模板、支架和其他關(guān)鍵與復(fù)雜節(jié)點施工等專項施工方案，并推演施工方案的工法、工藝，依據(jù)施工方案的工藝邏輯關(guān)系進(jìn)行4D模擬，直觀交互展示施工方案的虛擬推演過程，動態(tài)檢查施工方案可行性以及存在的問題，優(yōu)化施工裝備、工藝等，降低技術(shù)風(fēng)險。

4 結(jié)語

本文從隧道施工進(jìn)度管理風(fēng)險、質(zhì)量與安全管理風(fēng)險、動態(tài)風(fēng)險預(yù)警管理風(fēng)險和技術(shù)風(fēng)險4個方面對隧道施工風(fēng)險管理中存在的問題進(jìn)行分析，形成了BIM條件下建立隧道施工進(jìn)度風(fēng)險、質(zhì)量風(fēng)險、安全風(fēng)險等施工風(fēng)險信息模型構(gòu)建方法和集成應(yīng)用技術(shù)，介紹基于BIM的風(fēng)險信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)了隧道施工進(jìn)度風(fēng)險、安全風(fēng)險、質(zhì)量風(fēng)險、動態(tài)風(fēng)險預(yù)警風(fēng)險和技術(shù)風(fēng)險等施工風(fēng)險信息模型的集成及協(xié)同應(yīng)用。提升了項目風(fēng)險管理決策質(zhì)量，對提升隧道工程風(fēng)險管理水平具有重要的意義。