基于BIM&PtD的斜拉橋施工安全風(fēng)險檢查

萬寅子 李希勝 何琴琴

(1.南京林業(yè)大學(xué) 研究生院，南京 210018； 2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210018)

1 概述

1.1 BIM技術(shù)應(yīng)用

近年來，BIM的應(yīng)用日益得到重視，它是一種新的理念和技術(shù)平臺。作為載體的三維BIM模型包含了規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維等各階段的數(shù)據(jù)資料，在整合和交換項目相關(guān)信息方面顯示出巨大潛力，不僅能提供參數(shù)化和可視化的模型，還能使項目參與者積極協(xié)作。BIM技術(shù)在方案設(shè)計、成本核算、風(fēng)險模擬、運(yùn)維和安全管理等方面得到了廣泛應(yīng)用?；贐IM的安全管理主要表現(xiàn)在三個方面：

其一，利用BIM協(xié)同設(shè)計技術(shù)可以在可視化的情況下，在設(shè)計階段對模型進(jìn)行碰撞檢查； 其二，通過BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)施工模擬，在三維的視角下，幫助現(xiàn)場工作人員做好安全防范工作。其三，數(shù)據(jù)可視化，在BIM模型中可以集成各種安全信息，實(shí)時跟蹤項目的進(jìn)展?fàn)顩r，實(shí)現(xiàn)施工管理的可視化與信息化。

1.2 PtD(Prevention through Design)概念

PtD，即通過設(shè)計預(yù)防，通常也被稱之為DFS (Design For Safety)，是在項目的規(guī)劃、設(shè)計或重新設(shè)計階段針對項目全生命周期的安全展開研究以及降低施工安全風(fēng)險以提高項目全生命周期安全性的一種設(shè)計理念[1]。PtD方法旨在在設(shè)計階段促進(jìn)安全決策的實(shí)施，鼓勵設(shè)計師在消除危害中發(fā)揮積極作用，這意味著設(shè)計師不僅要保證結(jié)構(gòu)本身的安全性，還要依據(jù)具體項目特點(diǎn)、建設(shè)環(huán)境及具體的實(shí)施方案考慮項目自身建設(shè)、運(yùn)營過程中的安全要求及對施工人員的安全影響，并考慮增強(qiáng)施工人員的安全保護(hù)措施，例如為防止高空墜落而設(shè)計擋腳板、護(hù)欄、警示標(biāo)志等安全措施，根據(jù)具體項目的環(huán)境特點(diǎn)選取安全的材料、設(shè)備和施工地點(diǎn)等。目前，面向安全的設(shè)計概念得到了廣泛關(guān)注。國際上對于PtD等相關(guān)安全設(shè)計的研究較多，也獲得了實(shí)現(xiàn)PtD的相關(guān)成果，如清單、知識庫、工具箱、計算機(jī)軟件工具以及危害分析和風(fēng)險評估方法等，而國內(nèi)對于安全設(shè)計的研究仍處于起步階段。

1.3 斜拉橋施工風(fēng)險研究

斜拉橋因結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，施工難度大，安全風(fēng)險問題十分突出，受到眾多研究者的關(guān)注。對于斜拉橋施工安全風(fēng)險的研究大多局限于施工階段本身，如林錦騰[2]采用層次分析與模糊理論相結(jié)合的方法，確定斜拉橋施工風(fēng)險的總體水平，并給出斜拉橋施工風(fēng)險控制的措施； 楊珍珍、樊燕燕[3]運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)和層次分析法(AHP)對斜拉橋主梁施工階段風(fēng)險因素進(jìn)行定性與定量分析，確定施工安全的主要風(fēng)險源； 安朗[4]提出基于MCMC法與CCRAA法的大跨徑斜拉橋施工風(fēng)險預(yù)警模型，對大跨徑斜拉橋的實(shí)際施工風(fēng)險進(jìn)行評估。湯天明[5]等人使用LEC法及指標(biāo)體系法對武漢青山長江公路大橋施工安全進(jìn)行專項風(fēng)險分析和評估。以往研究主要基于傳統(tǒng)的安全風(fēng)險理論，針對施工階段以半定量方法對斜拉橋現(xiàn)場施工進(jìn)行風(fēng)險因素識別、評價，未能從施工安全的源頭(即方案設(shè)計角度)開展深入研究。隨著BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，面向施工與設(shè)計一體化的安全管理和風(fēng)險防控理念必將成為安全管理的主流。PtD方法也越來越被認(rèn)同，如Sijie Zhang[6]等人設(shè)計了利用BIM模型自動分析的算法，能夠識別從高處墜落的安全危害； Hossain[7]等人提出了一個基于DFS知識庫的安全風(fēng)險評估系統(tǒng)； Guo Hongling[8]驗證了基于BIM集成安全規(guī)則方法自動識別不安全設(shè)計因素的可行性和有效性。Jingfeng Yuan[9]等人開發(fā)了基于規(guī)則的建筑施工安全自動化檢查插件，而本文在Jingfeng Yuan等人的研究基礎(chǔ)上，向斜拉橋施工安全方向拓展，將BIM技術(shù)與PtD方法結(jié)合，建立了斜拉橋施工安全風(fēng)險知識庫(PtD知識庫)，在Revit建模平臺上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)斜拉橋施工風(fēng)險自動識別和對應(yīng)預(yù)控措施查詢，并以斜拉橋索塔施工為例，驗證方法的實(shí)用性。

2 建立基于PtD的斜拉橋施工安全風(fēng)險知識庫

2.1 斜拉橋施工安全風(fēng)險知識清單分析

斜拉橋結(jié)構(gòu)新穎、跨越能力大，施工通常處于寬闊水域設(shè)計預(yù)留的通航孔處。其施工工期長，技術(shù)復(fù)雜程度高，高空作業(yè)、大型吊裝等眾多高危工序貫穿整個橋梁的施工過程，其風(fēng)險源遍布在模板、支撐系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)坍塌、起重機(jī)械、纜繩吊斗、吊籃和管理等方面[10]。

橋梁施工安全風(fēng)險的評估方法主要有模糊綜合評價法、層次分析法、指標(biāo)體系法和事故樹法等，眾多研究者依據(jù)這些方法取得了具有實(shí)踐意義的研究成果。根據(jù)已有的研究成果[10-12]和實(shí)踐經(jīng)驗，并參照《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范(JTG/T3365-01-2020)》《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTG/T F50-2011)》《公路橋梁和隧道工程設(shè)計安全風(fēng)險評估指南》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，本文將斜拉橋施工安全風(fēng)險因素按其結(jié)構(gòu)主體分為六個子系統(tǒng)，即基礎(chǔ)(F)、墩臺(A)、索塔(P)、主梁(G)、斜拉索(C)和其他附屬設(shè)施(S)。在分析各個子系統(tǒng)施工安全風(fēng)險成因及其與BIM模型關(guān)系的基礎(chǔ)上，總結(jié)并細(xì)化各子系統(tǒng)施工安全風(fēng)險因素，整理成PtD知識清單。以索塔施工安全風(fēng)險為例，知識清單如表1所示。

考慮到施工安全風(fēng)險在BIM模型中辨識方式不同，增加了BIM信息類型的標(biāo)識，即靜態(tài)信息和動態(tài)信息。靜態(tài)信息是指可以在BIM模型中直接提取和識別的風(fēng)險因素，主要是模型的幾何信息和相關(guān)實(shí)體信息，如擋腳板高度是否滿足規(guī)范要求、是否設(shè)置安全標(biāo)志、圍擋高度是否符合要求等。而動態(tài)信息是指不能通過BIM模型直接識別，需要通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并通過可視化施工模擬才能識別的風(fēng)險因素，如混凝土澆筑速度、施工人員無規(guī)則活動等。

2.2 PtD知識庫建立

清單是實(shí)現(xiàn)PtD的工具之一，但僅僅只是清單并不利于設(shè)計人員查閱相關(guān)風(fēng)險因素。為存儲施工安全風(fēng)險信息，便于讓設(shè)計人員通過查詢能夠有效獲取和利用相關(guān)的PtD知識，需要建立結(jié)構(gòu)化、有組織、易于操作和利用的施工安全風(fēng)險知識集群，即PtD知識庫。通過對施工安全風(fēng)險和預(yù)控措施等有相應(yīng)關(guān)系的PtD知識(表1)進(jìn)行表達(dá)和存儲，形成PtD知識庫，創(chuàng)建流程如圖1所示。建立PtD知識庫可以提高信息的利用效率，便于設(shè)計人員在設(shè)計階段(尤其是施工階段的BIM模型深化設(shè)計)將更多的施工風(fēng)險因素考慮進(jìn)去，如設(shè)置安全警示標(biāo)志、設(shè)置高空作業(yè)安全通道等。

圖1 PtD知識庫創(chuàng)建過程

2.3 PtD知識數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)方式

本文以Microsoft Access數(shù)據(jù)庫作為PtD知識的載體，完成PtD知識庫設(shè)計內(nèi)容，根據(jù)風(fēng)險主體—風(fēng)險因素、風(fēng)險因素—危害、風(fēng)險因素—預(yù)控措施三個規(guī)則關(guān)系，建立“施工風(fēng)險主體表、施工風(fēng)險因素表、施工風(fēng)險危害表和施工風(fēng)險預(yù)控措施表”，各表間存在一對一、一對多的關(guān)系，如圖2所示。每張表設(shè)置唯一的可用于查詢的ID，風(fēng)險主體ID用大寫字母表示，其他ID用“風(fēng)險主體ID+整形數(shù)字”表示。如圖3所示，表示了部分表之間的ID對應(yīng)關(guān)系。

圖2 PtD知識庫各表之間關(guān)系

圖3 ID對應(yīng)關(guān)系部分內(nèi)容展示

3 基于Revit的斜拉橋施工安全風(fēng)險檢查(BCSRI)插件開發(fā)

3.1 風(fēng)險自動識別流程

圖5 Revit二次開發(fā)流程

將BIM與PtD知識庫相結(jié)合，開發(fā)基于規(guī)則的自動識別插件來檢查設(shè)計中存在的風(fēng)險因素，其實(shí)質(zhì)就是在靜態(tài)信息提取和動態(tài)施工模擬的基礎(chǔ)上識別斜拉橋施工安全風(fēng)險因素，并利用PtD知識庫查詢所對應(yīng)的具體風(fēng)險成因和預(yù)控措施。對于三維模型的動態(tài)信息，多存在于施工階段，可通過多種渠道采集現(xiàn)場施工信息，具體實(shí)現(xiàn)的方法有現(xiàn)場檢查測量、無線射頻技術(shù)(RFID)、傳感器技術(shù)、三維掃描技術(shù)等，針對采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡(luò)或其他方式傳遞至BIM模型中，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范和方法進(jìn)行安全風(fēng)險分析核查。而靜態(tài)信息，即模型所攜帶的設(shè)計信息的提取，主要是通過對Revit的二次開發(fā)，利用Revit API來訪問模型中的圖形數(shù)據(jù)和參數(shù)信息來實(shí)現(xiàn)。靜態(tài)信息風(fēng)險因素的檢查核心在于將提取的靜態(tài)信息與已建立好的規(guī)則進(jìn)行比較和判斷，得出是否存在風(fēng)險以及所屬的施工風(fēng)險因素ID、施工風(fēng)險預(yù)控措施ID，再利用SQL語言查詢與已識別出的施工風(fēng)險預(yù)控措施ID相對應(yīng)的施工風(fēng)險預(yù)控措施?；贐IM技術(shù)與PtD知識庫的施工安全風(fēng)險自動識別流程如圖4所示。

圖4 基于BIM & PtD知識庫的施工安全風(fēng)險自動識別流程圖

3.2 Revit API二次開發(fā)流程

Revit是Auotedesk公司旗下的建模軟件，是目前市場用于BIM建模的主流應(yīng)用軟件之一，具有開放的族庫和二次開發(fā)接口。Revit二次開發(fā)的實(shí)現(xiàn)方式有外部命令(External Command)和外部應(yīng)用(External Application)這兩種。本文以Microsoft Visual Studio 2019作為開發(fā)平臺、C#語言進(jìn)行API開發(fā)，應(yīng)用Add-In Manager加載工具載入外部應(yīng)用(External Application)，實(shí)現(xiàn)具有Ribbon菜單和WPF界面的“斜拉橋施工安全風(fēng)險檢查工具(BCSRI-Bridge Construction Safety Risk Inspection)”模塊開發(fā)，流程如圖5所示。Ribbon菜單界面效果如圖6所示。

圖6 Ribbon菜單界面效果

4 實(shí)例分析——以斜拉橋索塔安全風(fēng)險識別為例

4.1 模型建立

以某單塔四索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋為例，在Revit2019平臺下進(jìn)行此斜拉橋索塔的三維模型建立。由于Revit系統(tǒng)族中與橋梁相關(guān)的模型構(gòu)件較少，在建模過程中，需在族編輯器中建立各部位相應(yīng)的族文件并載入項目，以完成斜拉橋索塔的建模，結(jié)果如圖7所示。圖8展示的是采用液壓爬模施工技術(shù)的索塔施工模型。

圖7 索塔模型

圖8 索塔施工模型

4.2 索塔施工風(fēng)險的自動識別

索塔是整個斜拉橋的主要承重構(gòu)件之一，其建筑高度大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型多樣化，且受橋位環(huán)境影響大。索塔施工所需的設(shè)備也十分復(fù)雜，比如塔吊、施工電梯、液壓爬模、塔頂起升設(shè)備、大型起重吊裝等[10]，均存在著很大的施工風(fēng)險。根據(jù)表1所示索塔施工安全風(fēng)險知識清單，可完成設(shè)計階段對索塔施工的安全檢查。

以高空作業(yè)時擋腳板相關(guān)施工風(fēng)險為例(即對應(yīng)的風(fēng)險因素ID為P1)，驗證索塔施工風(fēng)險的自動識別，插件界面如圖9所示。

圖9 索塔部分WPF界面

高空作業(yè)是索塔施工的特點(diǎn)之一，不僅施工場地狹小，而且塔柱作業(yè)面單一、歷時時間長。因此，斜拉橋索塔施工需符合《建筑施工高處作業(yè)安全技術(shù)規(guī)范(JGJ 80-2016)》的要求。關(guān)于高空作業(yè)擋腳板的設(shè)置，該規(guī)范在4.3.1中指出：擋腳板高度不應(yīng)小于180mm，以此規(guī)范值作為P1風(fēng)險因素的檢查標(biāo)準(zhǔn)。在如圖8所示的施工模型中，擋腳板以載入族的形式存在，并設(shè)置了高度參數(shù)，為便于驗證P1風(fēng)險因素的自動識別，將其值設(shè)為150mm。擋腳板高度風(fēng)險因素的自動檢查是通過獲取擋腳板族中“高度”這一參數(shù)值，并與規(guī)范值進(jìn)行比較完成，部分算法程序如圖10所示。程序編寫完成后，將所生成的文件路徑寫入Ribbon菜單程序設(shè)計中，生成解決方案，利用Add-In Manager加載工具的Manual模式在Revit中加載所生成的.dll文件并運(yùn)行，識別結(jié)果如圖11所示。由自動識別結(jié)果可知，索塔存在“ID=P1”的風(fēng)險因素。根據(jù)此識別出的ID，在PtD知識庫中，利用SQL語言實(shí)現(xiàn)查詢相應(yīng)預(yù)控措施功能，查詢結(jié)果如圖12所示。

圖10 擋腳板高度風(fēng)險檢查程序

5 結(jié)論

基于BIM技術(shù)和PtD概念，在設(shè)計階段自動識別相關(guān)風(fēng)險并進(jìn)行風(fēng)險成因和防控措施查詢，豐富了斜拉橋施工安全管理的研究，有助于推進(jìn)以施工安全為導(dǎo)向的設(shè)計、施工一體化進(jìn)程。本文介紹了基于BIM三維模型靜態(tài)設(shè)計信息的檢查方法，對于BIM模型施工階段設(shè)計深化和精度的研究，施工現(xiàn)場安全動態(tài)信息的采集和傳遞以及將相關(guān)信息應(yīng)用于斜拉橋施工安全風(fēng)險檢查工具(BCSRI)插件中，豐富PtD知識庫，完善BCSRI功能，實(shí)現(xiàn)斜拉橋施工安全風(fēng)險動態(tài)評估和預(yù)案查詢，將在其后繼續(xù)深入研究。