基于BIM的昌平地鐵南延線安全風險管理方法與應用*

李海生，矯悅悅，孫 明，劉占省，徐駿青

(1.中鐵二十二局集團有限公司，北京 100043； 2.北京工業大學，北京 100124)

0 引言

隨著BIM技術的發展，BIM技術應用的層次逐漸加深，范圍逐漸廣泛，BIM 技術在地鐵建設過程中不斷涌現創新點。嚴小衛等[1]基于哈爾濱地鐵3號線哈平路地鐵車站下穿既有地道橋施工項目，采用BIM技術和有限元分析聯合深化設計方案，提出基于BIM技術的城市地鐵車站建設施工聯合設計管理方法；何高峰等[2]以南寧地鐵2號線為例，利用Revit的API進行二次開發，建立隧道BIM結構模型和基于地質數據庫的三維地質模型，實現BIM在復雜地質環境下地鐵隧道三維可視化、結構分析及安全預警預報；張勇等[3]以吉隆坡地鐵車站為例，介紹BIM技術在地鐵車站施工階段的應用，主要包括施工模擬、進度管理、碰撞檢查與協調、土石方開挖作業模擬、鋼筋模型建立等，體現BIM技術在施工階段的優勢；張康寧等[4]以北京地鐵19號線平安里站為依托，研究基于BIM的施工進度管理；周少東等[5]依托武漢地鐵2號線中南路地鐵車站項目，詳細介紹施工過程集成管理系統的構建過程和各功能模塊應用，通過系統實施反映集成管理效果，體現基于 BIM 的集成管理應用價值和發展前景；李鈺等[6]基于BIM數據平臺，綜合運用虛擬現實(VR)、增強現實(AR)、智能穿戴設備、物聯網、區域網絡通信、射頻識別(RFID)等智能化技術，對地鐵施工階段施工方主體人員的安全行為進行探究，構建合理的信息化安全管理體系。

綜上所述，雖然BIM技術在地鐵應用中已較廣泛，但應用在地鐵施工安全方面的研究較少。因此本文以地鐵施工安全問題為研究對象，基于在建昌平線南延工程，對建設過程中的安全風險進行分析，針對地層位移風險、管線老化改移風險、沉降變形風險等問題，采用BIM技術對安全風險進行管理研究，制定解決方法，包括引入新工藝、VR技術；建立管線4D模型、定制化族庫；建立監測平臺。

1 工程概況

北京市軌道交通昌平線南延工程呈南北走向，北始西二旗站，南達薊門橋站，全線長12.6km。遠期與9號線融匯運營，是北京市南北方向的主要客運路線，將串聯多條地鐵運營路線。

西土城站、學院橋站—西土城站區間(簡稱學西區間)、10號線西土城站改造為本工程的3個工點。分別采用四導洞PBA工法、礦山法、盾構法、PBA工法、明挖法施工。

2 風險識別

根據BIM模型，提取昌平地鐵安全風險信息，以分解WBS-RBS(work breakdown structure-resource breakdown structure, 工作分解結構-資源分解結構)，進行安全風險識別。以RBS作為橫向，WBS作為縱向，構建WBS-RBS耦合矩陣，對分析對象所有風險因素進行識別。

2.1 WBS分解

地鐵施工的整個過程可劃分為土方工程W1、模板工程W2、鋼筋工程W3、腳手架工程W4、盾構工程W5等環節，WBS分解如圖1所示。

圖1 地鐵施工作業分解

重要建(構)筑物坍塌、基坑圍護結構(坍塌)、腳手架變形或坍塌、副環拆除坍塌、隧道坍塌等事故一旦發生，會造成嚴重的財產損失及人員傷亡；土方滑坡、工程機械中挖機被掩埋或傾翻、焊接作業時發生火災、切割與彎曲作業時發生機械傷害等是發生頻率最高的。以上危險源在進行地鐵施工安全管理時需重點防范，加強管控。

2.2 RBS分解

地鐵施工安全風險指標種類按照不同特征，可劃分為技術風險R1、周邊環境風險R2、管理風險R3、施工風險R4，RBS分解如圖2所示。

圖2 地鐵施工風險分解

2.3 構建WBS-RBS耦合矩陣

對地鐵施工中的安全風險進行WBS-RBS分解，如表1所示，根據耦合矩陣分析結果，需注意土方工程W1、周邊環境風險R2等。結合昌平地鐵項目特點，提煉總結分解結果，應重點管控地層位移、管線老化改移、沉降變形風險，且分析得到的風險與施工重難點一一對應。

表1 地鐵風險WBS-RBS分解

3 項目風險分析

3.1 地層位移風險

北京地鐵建設中，地鐵隧道、車站、聯絡通道等工程建設環境日益復雜，且本項目施工影響范圍內存在運營地鐵、文物古建、橋梁、地下管線、重要建筑等，加之地質情況復雜，存在砂性含水地層，需嚴格控制地層位移，保護地下水資源，否則會破壞周邊環境。

3.2 管線老化改移風險

新建車站上方2.3m處平行結構存在直徑1 500mm 的污水管，此管道建設投產于20世紀50年代，自身腐蝕嚴重，常年帶壓運行。此外，需改造既有地鐵10號線車站，改造情況復雜，在運營過程中施工，需改移大量管線設備及轉換使用功能。

3.3 沉降變形風險

新建車站部分結構下穿元大都遺址，根據國家文物局要求，需重點保護該遺址，控制沉降變形。

學西區間盾構工法下穿既有地鐵10號線車站，拱頂距既有車站底僅2m，施工過程中需控制車站沉降及變形。BIM技術可提供工程風險源識別、風險分析、風險管理[7]。利用BIM 技術可針對各施工部位存在的隱患及不同施工設計方案建立規范的管理手段，如建立仿制模型、監測平臺等，以動態監測各種安全隱患。由于BIM高效的仿真特性，目前已成為安全管理風險最高效、最迅速的方式。

4 基于BIM的地鐵施工安全風險管理框架

對地層位移、管線老化改移、沉降變形風險等問題，采用BIM進行管理研究，制定解決方法，包括引入新工藝、VR技術；建立管線4D模型、定制化族庫；建立監測平臺，并提出基于BIM的地鐵施工風險安全管理框架(見圖3)。

圖3 基于BIM的地鐵施工安全風險管理框架

5 BIM在地鐵施工安全風險管理中的應用

由于本項目涵蓋面廣、戰線長、工作內容復雜、施工工藝多，給安全管理帶來困難，利用BIM可視化、動態化、協調性、模擬性和優化性等優勢，可提高安全管理效果[8]。

5.1 地層位移風險的解決辦法

1)新工藝的引入與VR技術模擬 本工程新建車站采用凍結止水法，重點針對特定含水土、巖層內，通過人工制冷處理，實現有效凍結，提升抗壓參數，避免土體自身狀態的負面影響，配合凍結壁完成地下作業。

2)基于BIM的凍結施工工藝模擬 結合BIM技術模擬凍結施工工藝，指導凍結施工的設備選型、組織、施工布置、管片拆除及凍土開挖等工藝流程，為施工人員提供精確、直觀的工藝流程?？商岣吖と藢κ┕げ襟E的熟練程度、工藝精細程度，規避因施工操作不當造成的安全風險問題。開挖前、后的凍結管歸集工藝模擬如圖4所示。

圖4 凍結管歸集工藝模擬

3)基于BIM+VR技術的環境體驗 BIM+VR技術中，建筑實體在工程實施前通過計算機交互式、動態式進行仿真模擬，使該實體具有可視化、可交互等特性。地鐵施工方案應根據實際情況進行設計，必須考慮構造的復雜性、功能特性及地質環境等綜合因素。設計方案若存在遺漏或不足，需要把建設完成后的結構實體化，通過逼真的畫面場景刺激大腦，進而有效改進該方案。安全管理是隨時變化的動態施工過程，施工現場隨施工進度不斷推進，采用BIM+VR技術對相關人員進行凍結施工過程的實景展示，模擬施工階段凍結現場的布置情況，使施工人員直觀觀察具體情形，以實體化動態的方式向工程人員進行展示，大大提高培訓效果、降低風險、提高施工效率、降低建設成本。

5.2 管線4D模型的建立

本項目地下管道錯綜復雜，地鐵在施工過程中會破壞和影響附近區域，因此管線老化改移風險至關重要。通過建立BIM4D模型等，避免施工事故。4D模型是在3D建筑信息模型的基礎上增加時間維度的模型，從而構成建筑全壽命周期建模。4D模型的建立主要包括定制化管線族庫、3D模型搭建和時間維度擴展方面，可解決管線老化改移風險等問題[9-10]，如圖5所示。

圖5 4D模型建立流程

管線定制化族庫是根據擬建地鐵工程實際情況，對涉及管線進行的模型定制。為提高地鐵施工管線改移的安全管理水平，在定制化族庫建立過程中，將安全風險因素的危險源、危險等級作為基本屬性，添加進對應定制化族庫模型中，并以可區別的顏色進行標示。根據地鐵施工安全風險關聯分析得出的管線改移為較頻繁事故，因此，將管線改移作為事故標簽，頻繁作為安全風險概率標簽，集成到族庫基本屬性上，并用不同顏色進行表示，建立定制化管線族庫，為地鐵施工安全信息化管理打好基礎。

根據二維施工場地布置圖紙搭建3D模型，對主要施工場地、地質條件、周圍環境進行建模，建立與施工現場完全一致的BIM模型，同時將管線定制化族庫添加至模型。施工現場全要素建模依靠3D模型搭建，是4D模型建立過程中最主要的部分。

時間維度擴展可為全流程管理創造條件。根據施工組織設計和實際施工進度，建立時間與施工場地布置3D模型的關系清單，該清單可反映施工場地任意時點的布置情況。將清單信息反映在3D模型上，即建立各時間點對應的3D模型。將所有3D場布模型按時間順序進行串聯，使靜態的3D模型在時間維度內擴展，完成4D模型的建立。

5.3 監測平臺的建立

建立基于BIM的實時監測平臺，傳感器監測沉降風險地點的應變、變形。為實現實時監測、動態控制、風險評估目標，以終為始，以功能層、平臺層、數據層、網絡層、物理層的逆向順序設計各層級內容。建好后再以物理層、網絡層、數據層、平臺層、功能層的正向順序實現數據傳輸，最終展示于平臺層，實現實時監控、高效運維、風險評估[11]。監測平臺模式架構如圖6所示。

圖6 監測平臺模式架構

建立基于BIM的三維監測平臺，是將周邊建筑物、地下管線等納入監測平臺，為施工過程提供實時、可靠的信息，通過實時監測地鐵施工對周邊環境造成的影響，保證施工安全。通過地下管線模型實時掌握管線轉換進展及數據信息，從源頭控制危險事故的發生。

本項目設有基于BIM的三維自動監測平臺，可自動監測施工數據、信息等，并實時查詢、存儲在建項目信息。還設有云采集平臺，可多方面采集在建項目所在地理、外部環境，傳感器數據與要素等信息。

6 結語

1)本文以地鐵施工過程中的安全風險為研究對象，依托在建北京市軌道交通昌平線南延工程，對地層位移、管線老化改移、沉降變形等主要風險進行詳細分析。

2)從風險出發，結合BIM提出關于地鐵施工安全管理的方法，并詳細闡述凍結止水法、BIM+AR技術、管線4D模型、監測平臺應用技術等。

3)將BIM應用于地鐵施工安全管理領域，可提高對地鐵施工安全風險的預警和控制能力，拓展地鐵施工的安全風險管理手段。