基于BIM技術的水利水電工程施工安全評估構建研究

金 凱 王 琛

（青州水建工程建設有限公司，山東 青州 262500）

0 引言

水利水電工程施工安全涉及因素較多且相互關聯(lián)，如何確定各因素之間的關系是實現(xiàn)對工程施工安全準確評估的關鍵。為此，提出基于BIM技術的水利水電工程施工安全評估構建研究。利用SQL Server構建了包括項目施工特征、施工工藝水平、地質水文條件、施工環(huán)境基礎的BIM施工安全風險識別數據庫，根據數據庫中各指標參數的取值范圍，計算出安全因素之間的關聯(lián)關系，并劃分為5個不同的等級，最后利用BIM技術計算關聯(lián)等級安全風險，實現(xiàn)了對施工安全的有效評估。對該課題的研究，以期為水利水電工程施工安全風險因素的管控提供參考，為保障工程順利安全推進提供參考。

1 構建BIM施工安全風險識別數據庫

要實現(xiàn)對水利水電工程施工安全的準確評估，首先要對工程中存在的風險因素進行有效地識別、分析和判斷[5]。為此，本文利用SQL Server 軟件構建了一種以關系為依托的BIM 風險識別數據庫[1]，通過數據庫中強大的風險因素狀態(tài)參數存儲結果，對實際水利水電工程施工條件對應的安全程度進行查詢。

在利用SQL Server 2020軟件建立水利水電工程施工領域的安全風險識別數據中[2]，各風險因素是由聯(lián)動關系為基礎進行關聯(lián)的，其關系包括一對一、一對多、多對多三種。具體的因素包括項目施工特征、施工工藝水平、地質水文條件、施工環(huán)境基礎四類[3]，根據BIM 模型中可識別的項目信息，在各因素參數與施工環(huán)節(jié)之間建立對應關系[4]。得到的數據庫如下式：

式中：D——構建的BIM數據庫；

t——項目的施工特征，包括項目整體的外輪廓，施工總范圍，需要開挖基坑的面積，工程基礎鋼支撐結構的穩(wěn)定性；

g——項目的施工工藝水平，包括圍護樁的入巖深度，圍護樁的入土比例；

s——項目施工區(qū)域的地質水文條件，包括項目施工區(qū)域地質中軟弱地層含量，基坑底流土系數，圍護結構失穩(wěn)系數；

h——項目施工的基礎施工環(huán)境條件，包括項目施工區(qū)域的地下水位信息，不良地質構造信息，粉細砂含量信息，氣候溫度信息，極端天氣信息。

利用該數據庫，為水利水電工程施工安全評估提供可靠基礎。

2 水利水電工程施工安全評估

2.1 構建工程施工安全因素關聯(lián)

在得到施工相關信息后，由于各個因素相互作用，構建各項指標之間的關聯(lián)關系，并按照等級劃分的方式將關聯(lián)度最高的因素作為評估施工安全結果的主要依據。假設x因素的取值范圍為Wk，y因素的取值范圍Wq，那么其他因素與之的關聯(lián)程度可以表示為：

式中：ζ——x因素與y因素的關聯(lián)程度。需要特別注意的是，Wk和Wq的區(qū)間范圍的大小關系是不確定的，因此最終得到的ζ值也存在不同的情況：當ζ＜0時，則認為Wk和Wq的關聯(lián)關系為Wk包含于Wq區(qū)間范圍內；當ζ=0時，則認為Wk和Wq的關聯(lián)關系為Wk臨界于Wq區(qū)間范圍的邊界；當ζ＞0 時，則認為Wk和Wq的關聯(lián)關系為Wk不與Wq區(qū)間范圍直接相關。按照實際的計算結果，設計了工程施工安全因素關聯(lián)等級劃分標準，具體如表1所示。

表1 工程施工安全因素關聯(lián)等級劃分標準

通過這樣的方式，即可實現(xiàn)對1部分構建BIM數據庫內所有工程安全因素參數關系的全面分析，為后文的評估工作提供可靠技術。

2.2 施工安全評估

在確定水利水電工程項目施工安全影響因素關聯(lián)關系以及實際的施工數據的基礎上，利用BIM技術對項目施工安全性展開評估分析。具體的實現(xiàn)方式分為以下幾個步驟：

（1）安全因素指標量化處理。BIM對于數據的處理主要是針對確定型定量數值進行的，因此，將項目施工安全影響因素的參數信息輸入到BIM正向云發(fā)生器中，計算出量化后各指標對應的參數值。該過程主要利用了BIM 中標準云的相關參數設置，借助MATLAB 程序，計算實際施工參數數據與標準云數據之間的期望值標準差，差值越大，對應的量化數值越小，相反地，差值越小，量化的參數數值越大。

（2）安全因素指標關聯(lián)度分析。關聯(lián)度分析的目標是優(yōu)化各個施工因素對工程安全作用的分析結果。此時，將步驟（1）量化后的數據輸入到式（2）中，并參照表1中的劃分標準，確定各因素之間的關聯(lián)等級。

（3）關聯(lián)等級安全風險計算。對水利水電工程項目施工安全評估的本質是計算施工中所有因素共同帶來的安全風險，因此，本文以步驟（2）計算得出的關聯(lián)等級劃分結果為基礎，計算出對應的安全風險值，計算公式為：

式中：i——關聯(lián)等級劃分結果；

Pi——i等級的安全風險值；

mi——i等級關聯(lián)因素數量；

n——參與安全評估因素的總數。

在此基礎上，再對各等級中風險的正態(tài)云分布情況進行分析。一般情況下，是以正態(tài)分布的形式存在的，這就意味著在對具體因素的細化評估過程中，可以將因素指標和等級云作為兩個區(qū)間進行獨立計算，將二者交集的部分作為水利水電工程施工安全風險等級對應的評估結果。

（4）計算施工安全評估結果。在得到五個等級對應的風險值之后，就可以得到對應的安全評估結果。對于評估結果取值范圍的設置以各等級對應風險正態(tài)分布交集部分的面積為基準。在此基礎上，BIM利用模糊關聯(lián)等級加權平均方法對五個等級的安全程度進行評分值，分值越高，則表示安全水平越高。再結合關聯(lián)度計算結果，得出各個具體因素對應的安全水平。

通過這樣的方式，可以實現(xiàn)對水利水電工程施工安全的綜合評估，并制定有針對性的改善措施，提高施工的安全性。

3 應用分析

為了測試本文設計施工安全評估方法的效果，進行了應用測試分析。

3.1 工程概況

某水利水電工程屬于省級二級雙線電氣化施工建設工程。工程總投資預計為256.58萬元。在施工初期，設計建設標準等級為Ⅰ級，其中最大曲線半徑為350.00m，最小曲線半徑為280.00m，也是整個工程中最難的施工點。工程覆蓋范圍內的限制坡度為6.20‰?？紤]到工程區(qū)域的洪水頻率，在工程中構建了2 跨22.50m 的簡支T 型梁，以此作為工程的主體支撐結構，采用預制架設的方式實現(xiàn)對其的搭建。同時設置10.0～30.00m 不等的簡支T 梁與（30+50+20）m 的連續(xù)梁進行組合，作為工程的分支支護結構。其中，項目中心的樁號信息為DK180+722.505。在此基礎上，對施工環(huán)境的地質情況進行分析，主要包括3種地質構成，第一種也是最主要的構成部分，為素填土，其最顯著的特點是土質松散，穩(wěn)定性和密度較低，其次是粉質黏土，并伴隨有少量的礫石夾雜其中，有一定的軟塑性。最后就是砂質黏土，含量較少，但是密度和硬度都相對較強。

3.2 工程施工安全評估結果

考慮到工程的整體構成較大，直接對某一部分進行評估可能會影響最終的評估結果，因此本文在項目實施前分別從施工的安全等級以及項目的整體風險角度對其安全進行分析。結合施工的氣候條件、地質條件、修建規(guī)模以及施工工藝展開了分析研究，其結果如表1所示。

表2 工程施工安全評估結果

按照表1的評估結果可以看出，工程整體的安全性相對較高，最主要的安全威脅來自自然氣候條件以及基礎地質條件。結合該評估結果，在正式施工前，可以對施工區(qū)域的天氣發(fā)展情況進行分析，選定合適的施工時間；其次要增加工程的支護結構，提高地質構造的穩(wěn)定性。這樣的方式必會提高工程施工的安全性。

4 結束語

施工安全作為項目順利推進的關鍵因素之一，在水利水電工程中的價值也是毋庸置疑的。本文提出基于BIM技術的水利水電工程施工安全評估構建研究，實現(xiàn)了對工程相關因素的綜合分析，準確評估工程的安全程度，從而提出有效的安全防范措施，提高工程項目的施工安全性。