基于BIM技術(shù)的隧道基坑施工安全信息化管理及應(yīng)用

李博，馬云東，王林峰

(1.遼寧工程技術(shù)大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028； 3.中鐵九局 第四工程有限公司，遼寧 沈陽 121000)*

基于BIM技術(shù)的隧道基坑施工安全信息化管理及應(yīng)用

李博1，2，馬云東2，王林峰3

(1.遼寧工程技術(shù)大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028； 3.中鐵九局 第四工程有限公司，遼寧 沈陽 121000)*

為了及時發(fā)現(xiàn)基坑施工中潛在的安全隱患，動態(tài)控制施工過程，對施工過程進行安全信息化管理非常必要.結(jié)合成都地鐵7號線獅子山站基坑施工項目，基于BIM技術(shù)，應(yīng)用Autodesk Revit軟件建立了基坑施工安全信息模型；與實際進度計劃和施工方案結(jié)合，對施工過程進行了4D施工模擬和空間碰撞檢測；利用LEC法分析出重大危險源，將現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋到安全信息模型中，實現(xiàn)了更及時、直觀、高效的施工安全管理.

基坑施工；安全信息化管理；BIM；4D模擬；空間碰撞檢測

0 引言

地下空間和軌道交通的快速發(fā)展使得隧道基坑開挖深度逐漸加大，施工風險不斷增加.同時基坑開挖施工是一個復雜的動態(tài)過程，現(xiàn)場交叉作業(yè)較多，極易出現(xiàn)時空安排沖突，帶來安全管理隱患；而傳統(tǒng)的安全管理多采用現(xiàn)場巡視方式，信息傳遞不夠及時和準確.為了及時發(fā)現(xiàn)基坑施工中的風險，動態(tài)控制施工過程，充分保證施工安全，迫切需要結(jié)合先進技術(shù)從信息化角度對項目進行科學高效的安全管理.

BIM(Building information modeling) 是一個以可視化技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，來管理建設(shè)項目有關(guān)信息的方法[1].相關(guān)技術(shù)已得到多方面應(yīng)用，如結(jié)合BIM 和RFID 進行施工現(xiàn)場工人實時定位與安全預(yù)警[2]；4D模型用于安全防護措施的可靠性分析[3]和安全防護措施配置[4]、將 VP(Virtual Prototyping)可視化技術(shù)用于工人安全培訓[5],及在建結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析[6]等.上述研究針對工人的不安全行為、安全防護措施規(guī)劃、設(shè)計不安全狀態(tài)檢測及安全培訓等，為施工現(xiàn)場安全管理提出了相應(yīng)的解決方案.

而充分利用 BIM 虛擬建造可視化特點，結(jié)合施工區(qū)域危險源識別和實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，動態(tài)、準確指導安全施工，則是施工安全信息化管理的可靠嘗試.

本文結(jié)合在建的成都地鐵7號線獅子山站基坑施工項目，研究BIM技術(shù)在隧道基坑施工空間安全管理中的應(yīng)用，首先建立BIM安全信息模型，根據(jù)實際進度計劃，制定施工空間檢測規(guī)則，辨識重大危險源，確定基坑各區(qū)域安全級別，對現(xiàn)場安全管理給予直觀指導.

1 工程概況

成都地鐵7號線位于成都市區(qū)二環(huán)、三環(huán)路之間，線路全長38.6 km，全線為地下線，沿線經(jīng)過火車南站、火車東站、火車北站三個主要的鐵路交通樞紐.獅子山站地處錦江區(qū)獅子山附近，有效站臺長303.5 m，標準段寬度21.1 m，帶配線站.車站結(jié)構(gòu)類型為地下二層雙柱三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，維護結(jié)構(gòu)型式為旋挖樁加內(nèi)支撐，施工方法為明挖順筑施工.車站總建筑面積為14 543 m2.站臺型式為“島式”.車站頂板埋深3.36～5.11 m，底板埋深15.71～17.46 m.由于其周邊環(huán)境復雜且處于住宅密集區(qū)，隨基坑開挖投入的設(shè)備有挖掘機、運土車、運輸車、汽車吊等，施工作業(yè)難度較大.

2 基于BIM的基坑施工空間安全管理方法

基坑施工工程是由一些復雜工序相互交織所構(gòu)成的一個動態(tài)系統(tǒng)，施工管理也需要對施工空間、時間、機械用具等諸多因素進行共同管理.表1所示為常見的時空沖突類型、原因及具體解決方法.

表1 時空沖突類型、原因及解決方法

2.1 BIM建模

首先應(yīng)用BIM軟件，基于施工實際圖紙建立施工主體模型，主要包括建筑模型、機械模型、結(jié)構(gòu)模型和管道模型.在模型中顯示出建筑結(jié)構(gòu)、管線等構(gòu)件的材料、尺寸、進度和安全等參數(shù)，并確定相關(guān)屬性[7].完成主體模型后，建立施工模型，準備進行空間碰撞檢測.例如對于一些水平運輸工具(挖掘機、炮錘機、運土車等)，可依據(jù)其運動特性將其可旋轉(zhuǎn)的部分經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后所形成的整體模型呈現(xiàn)出來.最后，根據(jù)安全分析建立BIM安全信息模型，將建筑幾何信息、物理信息、危險源信息，直觀呈現(xiàn)出來.

2.2 4D虛擬施工技術(shù)

4D虛擬施工技術(shù)是在建筑3D模型基礎(chǔ)上，鏈接施工進度計劃，以此為時間因素，進行施工全過程的動態(tài)模擬.利用信息傳遞提前進行施工場地的布置、管理材料的堆放、預(yù)演機械行進路線以及協(xié)調(diào)人員作業(yè)半徑，從而實現(xiàn)虛擬環(huán)境下基坑開挖施工全過程的模擬.

2.3 空間沖突管理

對于基坑施工而言，空間是一種非常有限的資源.而空間運用是否合理及協(xié)調(diào)各個作業(yè)之間的空間使用是保障安全的重要方面.空間沖突檢測能夠找出空間重疊碰撞，避免危險事故的發(fā)生.

2.4 安全區(qū)域的劃分

在預(yù)先施工模擬過程中對各個區(qū)域的危險等級進行劃分，并將相應(yīng)的評價結(jié)果反饋到模型界面，按不同顏色來描述區(qū)域的危險程度從而指導施工.

3 工程應(yīng)用

3.1 BIM建模

根據(jù)建筑設(shè)計CAD圖紙和實際施工情況，應(yīng)用Autodesk Revit軟件，創(chuàng)建Revit樣本文件和自定義族文件，建立建筑、結(jié)構(gòu)、管線和機械模型，模型中涵蓋完整的設(shè)計信息、施工信息、需求信息敘述.設(shè)計信息主要為：構(gòu)件名稱、類型、工程邊界、材料性能等；建筑信息主要為：進度計劃、作業(yè)機械分配、施工方案和人員投入、材料資源消耗等；需求信息主要為：施工空間和機械路徑需求信息等，最終形成BIM安全信息模型.圖1為獅子山站B出入口三維模型.

圖1 B出入口三維模型

3.2 4D模擬施工

在集成了BIM安全信息模型后，對Revit軟件建立的“rvt”文件進行導出、保存、處理，生成“nw”文件；應(yīng)用Navisworks軟件(TimeLiner功能)，進行模型鏈接，將三維綜合模型各構(gòu)件與實際進度計劃和最佳施工方案結(jié)合，對整個施工過程進行模擬，圖2為施工過程模擬圖，可以直觀再現(xiàn)項目建造和建筑的“生長”過程.

圖2 施工過程模擬

3.3 空間碰撞檢測

根據(jù)建立的BIM安全信息模型進行碰撞檢測，主要檢測構(gòu)件之間是否存在穿插和相互重疊，人、機、環(huán)境安排是否合理，并生成檢測報告、提交設(shè)計修改意見，在施工前預(yù)測和避免潛在的問題.圖3為實際項目中，在建立3D綜合模型并附加進度計劃后，施工時在基坑下挖掘機和支撐之間的沖突碰撞.由于大挖掘機作業(yè)時旋轉(zhuǎn)半徑過大，而基坑作業(yè)空間有限，所以將大挖掘機用小挖掘機替代，適當合理的減少部分支撐，待空間許可后迅速恢復支撐.圖4為碰撞檢測實現(xiàn)過程.

圖3 挖掘機與鋼支撐之間的沖突

圖4 檢測碰撞實現(xiàn)過程

3.4 施工區(qū)域危險源辨識與安全管理

在實際施工之前，通過辨識危險源，確定重點檢測工序和部位.針對獅子山站運用LEC法進行基坑施工危險源辨識，如表2所示.根據(jù)辨識結(jié)果不斷地對施工現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)測項目為地表沉降、支撐軸力、樁體位移、樁頂位移和建筑物位移，獅子山站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示.在BIM安全信息模型中反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)，與臨界值進行對比，判斷該測點是否處于安全狀態(tài)，進行施工區(qū)域危險分級，針對某個級別的危險區(qū)域，明確所應(yīng)禁止的工序；人員、機械需要避開的區(qū)域，對現(xiàn)場施工給予直觀安全指導.

表2 危險源辯識與風險評價表

表2 危險源辯識與風險評價表(續(xù)表)

表3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

結(jié)合成都地鐵7號線獅子山站基坑施工工程，應(yīng)用BIM技術(shù)建立安全信息模型，進行4D模擬施工，從而可以檢驗施工方案、設(shè)計缺陷和進度計劃等；進行施工空間碰撞檢測找出了可能存在的時空沖突問題；界定了施工現(xiàn)場的危險區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合實際施工進度，進行施工區(qū)域危險分級，并在BIM 模型界面中加以體現(xiàn)，使得施工作業(yè)各階段都能夠得到現(xiàn)場安全狀態(tài)的及時反饋，從而完成信息傳遞并最終實現(xiàn)信息化安全管理.將BIM技術(shù)應(yīng)用到基坑施工中可以實現(xiàn)更及時、高效的安全管理.

[1]陳麗娟.基于BIM的地鐵施工空間安全管理研究[D].武漢：華中科技大學，2012．

[2]郭紅領(lǐng)，于言滔，劉文平，等.BIM和RFID在施工安全管理中的集成應(yīng)用研究[J].工程管理學報，2014，28(4)：87- 92．

[3]胡振中，張建平，張旭磊．基于4D施工安全信息模型的建筑施工支撐體系安全分析方法[J]．工程力學，2010，27(12)：192- 200．

[4]BENJAORAN V，BHOKHA S．An integrated safety management with construction management using 4D CAD model[J]．Safety Science，2010，48(3)：395- 403．

[5]GUO H L，LI H， CHAN G，et al.Using game technologies to improve the safety of construction plant operations[J]．Accident Analysis and Prevention，2012，48：204- 213．

[6]張建平，胡振中．基于4D技術(shù)的施工期建筑結(jié)構(gòu)安全分析研究[J]．工程力學，2008，25(S2)：204- 212．

[7]李海濤.基于BIM的建筑施工安全管理研究[D].鄭州:鄭州大學,2014.

Safety Information Management and Application of Tunnel Foundation Pit Construction based on BIM Technology

LI Bo1，2,MA Yundong2,WANG Linfeng3

(1.College of Safety Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 2.School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 3.Fourth Engineering Branch,China Railway No.9 Group Co.,Ltd,Shenyang 121000,China)

There are more cross operation in foundation pit project, and the conflict between space and time is easy to occur at the construction site. In order to discover the potential hazard in excavation engineering in time and control construction process dynamically, it is necessary to carry out safety information management. Based on BIM technology, the safety information model of foundation pit construction is established, combined with the foundation construction engineering of Lion mountain station of Chengdu Metro Line 7 by applying Autodesk Revit. The 4D construction simulation of construction and space collision detection are carried out. The major hazard sources are analyzed by using LEC, method and the real-time monitoring data is fed back into the safety information model. The safety realized management in construction is more timely, intuitive and efficient.

foundation pit project;safety information management;BIM;4D construction simulation;space collision detection

1673- 9590(2017)03- 0084- 05

2016- 07- 30

遼寧省教育廳高等學?？茖W研究計劃資助項目 (L2014177)

李博(1975-)，女，副教授，博士研究生，主要從事隧道與地下結(jié)構(gòu)工程安全技術(shù)研究E-mail:libo116028@163.com .

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