桑學文 馬駿 張萌 劉子嫣 李逸晨

摘? 要：在BIM三維空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加入GIS地理坐標體系以及時間維度，基于多維時態(tài)數(shù)據(jù)對地鐵施工中的安全風險進行管理管控，便于安全風險的動態(tài)查詢與分析。文章首先介紹了風險分級的概念以及安全風險管理應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，闡述了安全風險相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、操作和處理過程。圍繞地鐵建設(shè)，以BIM-GIS系統(tǒng)為支撐，以風險數(shù)據(jù)動態(tài)應(yīng)用為核心，進行基于BIM-GIS的風險管理應(yīng)用的建設(shè)，利用施工過程中監(jiān)測、巡視發(fā)現(xiàn)的安全風險數(shù)據(jù)完成風險數(shù)據(jù)的填報，最后利用三維可視化技術(shù)對安全風險進行了模擬展示，研究結(jié)果表明，基于BIM-GIS的安全風險識別系統(tǒng)可以極大提高地鐵施工過程中風險管理的效率和水平。

關(guān)鍵詞：BIM；安全風險等級；地鐵施工；城市軌道交通

中圖分類號：TP311；U231.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）18-0154-05

Application of Subway Engineering Security Risk Management Based on BIM-GIS

SANG Xuewen1， MA Jun2， ZHANG Meng1， LIU Ziyan1， LI Yichen1

（1.Beijing Rail Transit Design and Research Institute Co.， Ltd.， Beijing? 100071， China;

2.Lanzhou Rail Transit Co.， Ltd.， Lanzhou? 730030， China）

Abstract： Based on BIM three-dimensional spatial data， GIS geographic coordinate system and time dimension are added to manage and control security risks during subway construction based on multidimensional temporal data， facilitating dynamic query and analysis of security risks. Firstly， this paper introduces the concept of risk classification and key technologies applied in security risk management， expounds the collection， operation， and processing process of security risk related data. Centering on subway construction， with the BIM-GIS system as the support and dynamic application of risk data as the core， the construction of risk management applications based on BIM-GIS is carried out. The filling of risk data is completed by using the security risk data found during monitoring and inspection during the construction process. Finally， the security risk is simulated and displayed by using three-dimensional visualization technology. The research results show that the security risk identification system based on BIM-GIS can greatly improve the efficiency and level of risk management in the subway construction process.

Keywords： BIM; security risk grade; subway construction; urban rail transit

0? 引? 言

隨著軌道交通結(jié)構(gòu)復雜性和項目規(guī)模的不斷增加，施工安全風險逐漸增大，及早識別、評估、消除或規(guī)避風險成為風險管理的重要環(huán)節(jié)[1]。住建部頒布的城市軌道交通地下工程的風險管理規(guī)范，規(guī)定了工程風險等級標準和各階段風險管理辦法，引導各城市建立安全風險管控體系[2]。在全國的主要城市，都建立了以施工、監(jiān)理、第三方監(jiān)測等多單位協(xié)同的安全風險管控體系[3]，許多安全風險管控參與單位都開發(fā)了基于二維GIS的風險管控信息化平臺作為管控工具，極大提高了軌道交通建設(shè)的安全風險管理水平[4，5]。然而，這種以二維GIS、平面圖等傳統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)的安全風險管理技術(shù)已到瓶頸期，無法解決工程信息表達不直觀、周圍環(huán)境風險不清晰、安全風險識別難度大等問題，迫切需要采用更加高效、更加直觀的技術(shù)手段來提高風險識別效率。

1? BIM-GIS

BIM-GIS技術(shù)的快速發(fā)展，帶來了新的技術(shù)思路。借助BIM-GIS，可以更直觀、更精確的發(fā)現(xiàn)并提前解決風險管理過程中可能遇到的問題。根據(jù)施工要求對涉及風險安全的BIM模型進行完善優(yōu)化，在模型中關(guān)聯(lián)風險信息，形成滿足安全風險管理需要的風險管理模型。隨著施工進行，能充分表達隨時間變化的地鐵施工情況和風險源之間的關(guān)系，便于風險動態(tài)的查詢、監(jiān)測和分析，并能動態(tài)顯示地鐵施工穿過風險源的過程，這對在地鐵工程中指導和管理施工安全具有極大的現(xiàn)實意義。基于BIM-GIS的軌道交通工程建設(shè)管理平臺將以BIM-GIS系統(tǒng)為支撐，風險數(shù)據(jù)動態(tài)應(yīng)用為核心，建設(shè)基于BIM-GIS的風險管理應(yīng)用。利用施工過程中監(jiān)測、巡視發(fā)現(xiàn)的安全風險數(shù)據(jù)來完成風險數(shù)據(jù)的填報，最后利用三維可視化技術(shù)對安全風險進行了模擬、分析與統(tǒng)計，將現(xiàn)場風險情況反饋到各方，實現(xiàn)各參與方的數(shù)據(jù)共享。

2? 關(guān)鍵技術(shù)

本研究的技術(shù)路線圖如圖1所示，主要關(guān)鍵技術(shù)包括風險級別庫的創(chuàng)建、模型GIS坐標位置錄入、風險監(jiān)測、巡視數(shù)據(jù)上報、安全風險管理模擬展示。

2.1? 應(yīng)用數(shù)據(jù)的創(chuàng)建

2.1.1? BIM模型

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對象（如空間、運動行為）的狀態(tài)信息。

采用Revit建模工具創(chuàng)建BIM模型，它將人們從復雜抽象的圖形、表格和文字中解放出來，以作為所有建模操作的基礎(chǔ)，運用具有材質(zhì)、幾何、運維等信息的族文件實現(xiàn)快速準確的三維建模，形象的三維模型作為項目的信息載體，方便了工程項目建設(shè)各階段、各專業(yè)中，相關(guān)人員的溝通和交流，減少了建設(shè)項目因為信息過載或者信息流失而帶來的損失，為建筑工程項目的相關(guān)利益方提供了一個工程信息交換和共享的平臺，極大地提高了相關(guān)從業(yè)人員的工作效率。

2.1.2? BIM模型入庫

采用Revit二次開發(fā)導出插件，將Revit模型導出為FDB格式的本地格式化存儲文件，然后使用基于CityMaker二次開發(fā)的數(shù)據(jù)遷移工具，將模型信息導入至MySQL數(shù)據(jù)庫。

2.2? 應(yīng)用數(shù)據(jù)的創(chuàng)建

2.2.1? 風險等級數(shù)據(jù)

城市軌道交通土建工程設(shè)計安全風險評估規(guī)范明確了工程自身風險和環(huán)境風險的判別規(guī)則。其中，工程自身風險由開挖深度、斷面尺寸、隧道凈距、車站層數(shù)等指標判定風險等級，根據(jù)地質(zhì)條件、群洞效應(yīng)等指標修正；環(huán)境風險由周邊環(huán)境設(shè)施的重要性及其與地鐵結(jié)構(gòu)的距離判定風險等級，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境、接近關(guān)系等指標修正。工程自身風險等級的判別指標來自主要設(shè)計參數(shù)，設(shè)計師能夠在設(shè)計工作的同時快速確定風險等級；而環(huán)境風險等級的判別指標主要來自對多種資料信息的綜合分析，判別過程相對復雜。

風險等級根據(jù)設(shè)施重要性分為極重要、重要、較重要、一般。根據(jù)接近關(guān)系分為接近、較接近、一般、不接近。接近分為特級、一級、二級、三級四個子項，較接近也分為特級、一級、二級、三級四個子項，一般分為一級、二級、三級三個子項，不接近一般只有三級這一個子項。其中盾構(gòu)法施工的風險等級分類比較特殊，接近的范圍是隧道上方0.5D范圍內(nèi)，隧道外側(cè)0.3D范圍內(nèi)；較接近的范圍是隧道上方0.5D～1.0D范圍內(nèi)，隧道外側(cè)0.3～0.7D范圍內(nèi)；一般的范圍是隧道上方1.0D范圍內(nèi)，隧道外側(cè)0.7D～1.0D范圍內(nèi)。

風險等級數(shù)據(jù)是安全風險管理的基礎(chǔ)，而且是隨著時間變化和施工進度的推展而顯示不同狀態(tài)的。通過收集風險等級數(shù)據(jù)可分析出因為施工進展會造成的風險級別變化趨勢、風險源數(shù)量變化統(tǒng)計等。

而在很多情況下，風險等級不僅僅與空間相關(guān)，而且與時間息息相關(guān)，特別是在施工的過程中，地鐵施工的過程是持續(xù)發(fā)生的，隨著施工的開展，有些高風險源會變成低風險源，許多低風險源也會上升為高風險源，并不是一成不變的，施工情況的變化對風險等級數(shù)據(jù)的影響是非常重要的。

2.2.2? 風險等級的判別規(guī)則

在地鐵的施工過程中，風險等級判別往往不直觀、指標不夠量化，決策依賴于基于知識和經(jīng)驗的直覺，為風險等級判別工作帶來了困擾。通過細化評價規(guī)則來實現(xiàn)風險等級判別的標準化，取代風險等級修正工作，能夠減少設(shè)計師的主觀干預、保障風險等級判定的唯一性。北京市軌道交通設(shè)計網(wǎng)絡(luò)總體，結(jié)合北京市10余條軌道交通建設(shè)經(jīng)驗后和北京市地方標準，針對不同環(huán)境重要性及軌道交通接近程度關(guān)系給出了明確的風險分級方法。

在設(shè)計階段分為風險辨別與分級、風險分析與評價、風險控制三大類。風險辨別與分級分為工程自身風險和周邊環(huán)境風險兩項，風險分析與評價分為工程類別、專家評議、理論分析、數(shù)值模擬。風險控制分為清除、降低、轉(zhuǎn)移、自留四種方式。又涵蓋避不開的因素、優(yōu)選施工方法、加強環(huán)境保護、制定監(jiān)測方案四個子項。

在施工階段分為風險識別、風險監(jiān)測、風險治理三大類。風險識別分為質(zhì)量隱患和安全隱患。風險監(jiān)測分為違規(guī)作業(yè)、異常情況、沉降、傾斜、軸力、變形等。風險治理分為改善地質(zhì)、變更方案、優(yōu)化施工步驟等。

在地鐵施工中，施工環(huán)境不同、施工工法不同，對應(yīng)的風險等級分類也不同。周邊環(huán)境類型一般分為地鐵、鐵路線、鐵路附屬結(jié)構(gòu)、橋梁基礎(chǔ)、城市道路、高壓線桿基礎(chǔ)、居民住宅、保護性文物、地下通道、過街天橋、熱力溝、電力溝、污水管、雨水管、河湖、渠等。施工工法區(qū)間隧道和車站一般采用的也不同，區(qū)間隧道一般采用盾構(gòu)法和礦山法，車站一般采用礦山法和明挖法。針對每個工況，一般對該工況下的施工影響區(qū)域按照接近關(guān)系進行分區(qū)，明確各個分區(qū)的風險等級，并規(guī)定了不同區(qū)域應(yīng)采取的技術(shù)措施，使風險等級判定和技術(shù)措施的選取更加科學。

2.3? 基于BIM-GIS的自動風險識別

2.3.1? 自動識別方法

以往，設(shè)計階段識別環(huán)境風險時，設(shè)計人員需要從環(huán)境調(diào)查資料中獲取環(huán)境對象的名稱、類型、結(jié)構(gòu)特點等來判定環(huán)境對象的重要性，根據(jù)總平面圖、線路平/縱斷面圖和環(huán)境對象設(shè)計圖判別接近關(guān)系，最終通過比對該工況的風險分析示意圖判定風險等級，制定應(yīng)采取的技術(shù)措施。然而，關(guān)鍵信息的分析手段比較落后，依賴于設(shè)計人員對環(huán)境調(diào)查資料的理解、對相對空間關(guān)系的空間想象。信息的獲取過程復雜、難度較大，而且存在對空間關(guān)系誤判的風險，制約了風險等級判別的效率。

而依托BIM-GIS平臺體系，會將周邊建筑、道路、管線等信息在施工之前提前建立相關(guān)的BIM模型，模型包含必要的坐標信息、空間幾何信息，然后，在施工過程中，隨著施工的進展，模型的變化，利用BIM-GIS平臺進行三維空間碰撞分析，自動判斷接近關(guān)系和風險距離，自動生成風險數(shù)據(jù)庫，進而輔助專項設(shè)計和施工階段的風險管理。

2.3.2? 自動識別展示

在BIM-GIS平臺中，可以根據(jù)GIS坐標系以及BIM的空間屬性信息，計算出施工進度模型與周邊環(huán)境建筑、管線等風險源的空間位置關(guān)系[6]。根據(jù)預設(shè)的風險判別表達式，自動將風險源識別出來，通過顏色的區(qū)分以及高亮閃爍等方式，將風險源在平臺中展示出來，如圖2所示。

3? 研究案例

基于BIM-GIS的城市軌道交通工程建設(shè)管理平臺，是一個BIM與GIS結(jié)合的軌道交通工程，為地鐵建設(shè)的全生命周期提供輔助決策的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，本文以此為例說明BIM-GIS在地鐵工程安全風險管理中的應(yīng)用。

3.1? 安全風險工程上報

安全風險工程上報的分類有兩種，一種是自身風險，一種是環(huán)境風險，環(huán)境風險又分為管線、既有線、高壓線塔、鐵路、河湖、道路、橋梁等。需要填報風險工程的相關(guān)信息，包括風險名稱、風險等級、通過狀態(tài)、關(guān)鍵部位、與地鐵位置關(guān)系、主要工法、開始時間、通過時間、性質(zhì)、尺寸、壁厚、防滲處理工藝、拱頂埋深、開挖線的水平距離、拱頂與基礎(chǔ)的垂直距離、設(shè)計措施等，上報后會形成風險工程庫，便于后期施工過程中風險監(jiān)測和風險自動識別，如圖3所示。

3.2? 安全風險數(shù)據(jù)填報

安全風險數(shù)據(jù)填報，是指在施工過程中，將監(jiān)測、巡視過程中的一些風險源點的動態(tài)變化數(shù)據(jù)填報到平臺之中，輔助安全風險管理人員動態(tài)的掌握風險信息，風險數(shù)據(jù)填報分為施工部位、巡視條目、監(jiān)測預警統(tǒng)計及分析、巡視預警統(tǒng)計及分析四類。需要填報風險所在的工點名稱、預警等級、監(jiān)測點名稱、發(fā)布時間、發(fā)生部位、預警情況、預警響應(yīng)、消警時間等，如圖4所示。

3.3? 安全風險監(jiān)測

安全風險監(jiān)測是對施工過程中的風險進行動態(tài)監(jiān)測，包括保留預警情況、本周消警情況、本周新增預警情況、現(xiàn)存預警情況等。并且動態(tài)實時監(jiān)測預警測點的相關(guān)狀況，包括測點的等級、測點類型、本次累計變化值、累計沉降控制值、變形速率、變形速率閥值、報警時間、最后一次測量時間等，如圖5所示。

3.4? 安全風險巡視

安全風險巡視是對施工過程中的日常巡視發(fā)現(xiàn)的問題進行動態(tài)掌控，巡視預警信息包括問題所在的施工部位、所屬風險工程、巡視人員、巡視時間、可能導致的后果、處理措施、安全狀態(tài)、處理狀態(tài)等，如圖6所示。

4? 結(jié)? 論

本文系統(tǒng)介紹了軌道交通工程安全風險管理體系的發(fā)展，提出了基于BIM-GIS的風險識別與管理應(yīng)用，可以提高安全風險管理的效率，基于BIM-GIS的全過程風險庫的建立對于安全風險管控意義重大。

城市軌道交通工程的管理方法與三維可視化技術(shù)和三維動態(tài)仿真模擬技術(shù)相結(jié)合，使施工過程的呈現(xiàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)信息的查詢更加形象、直觀，對地鐵工程的施工管理、信息化施工具有很大的推動作用。

結(jié)合BIM的三維屬性信息以及GIS的空間坐標信息，使施工過程中的風險自動識別成為可能，隨著城市信息模型（CIM）在中國各城市建設(shè)的推進，包含全要素信息的環(huán)境模型將成為軌道交通數(shù)字化過程中不可或缺的一部分，將會為本文研究成果的推廣提供非常好的應(yīng)用環(huán)境。BIM軟件技術(shù)、GIS技術(shù)的快速發(fā)展，也將大大提高城市軌道交通過程中的風險安全管理的效率和水平，促進行業(yè)進一步的發(fā)展。

參考文獻：

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作者簡介：桑學文（1987—），男，漢族，遼寧沈陽人，中級，碩士，研究方向：軟件工程。