基于BIM技術的地下綜合管廊施工安全風險分析研究*

翟 越，高 歡，宗燕燕，孟凡東，張韻生

(1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054；2.安徽海中環(huán)保有限責任公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

地下綜合管廊是集電力、通信、燃氣、供熱、給排水等管線于一體的隧道空間，管廊內(nèi)部可同時存放各種功能的管線，在管廊中可對管線進行搶修、維護、擴容改造等，既縮減管線搶修時間，又合理利用城市地下空間。但我國城市地下綜合管廊還存在建設技術和管理經(jīng)驗不足、周期長、消防安全管理不完善等問題，使建設過程中存在安全隱患[1-2]。

BIM技術以建筑物3D立體可視、專業(yè)信息共享、N維空間模擬等設計模式帶動工程建筑行業(yè)的智能化發(fā)展[3-6]。2015年住房和城鄉(xiāng)建設部頒布《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，表明建筑行業(yè)應加快實現(xiàn)BIM技術在工程項目設計、施工、銷售招商及運營各階段的應用。因此，針對地下綜合管廊利用BIM技術對建設進行模擬，對存在的安全隱患進行辨識、分析，提前采取措施規(guī)避風險，以保證安全施工，是非常有必要的，應得到工程界和學者們的關注，但目前針對這方面的研究成果相對較少[7-9]。故本文依托西安市某地下綜合管廊施工安全管理展開BIM技術的應用研究。

1 工程背景及模型建立

1)工程背景 西安市某市政工程包括地鐵工程、市政道路、地下商業(yè)、地下綜合管廊工程。地下綜合管廊毗鄰綜合體位于綠化帶下方東西兩側(cè)，屬于狹長型構(gòu)筑物，沿線各類出線節(jié)點采用支廊形式向道路外側(cè)出線，并在道路外側(cè)設置出線井，出線支廊采用頂管或暗挖形式施工。管廊長4 930m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，包括天然氣艙、電力艙及綜合艙等，艙內(nèi)收納的管線包括通信、電力、熱力、給排水及天然氣管道等。

2)模型建立 根據(jù)地下綜合管廊設計方案開展給排水、燃氣、電力、通信、結(jié)構(gòu)各專業(yè)施工圖設計，將各專業(yè)施工圖導入Revit軟件中分別建立各專業(yè)地下綜合管廊BIM模型，再整合各專業(yè)地下綜合管廊BIM模型，并進行碰撞檢查。

2 施工風險模擬

以地下綜合管廊施工過程中發(fā)生頻率較高且危害極大的坍塌、高處墜落、機械傷害、火災事故[10]為研究對象，利用BIM模型Navisworks中的虛擬施工及漫游功能，重點檢查施工現(xiàn)場易發(fā)生事故的部位，發(fā)現(xiàn)潛在危險源后在相應位置進行標注，避免事故發(fā)生。

2.1 坍塌

地下綜合管廊在施工過程中可能發(fā)生的坍塌事故有基坑垮塌、支模系統(tǒng)腳手架失穩(wěn)等，利用BIM虛擬可視化功能及時間維度，使施工人員更容易理解施工節(jié)點做法，確保工程質(zhì)量。在模擬施工過程中辨識危險源并在相應位置添加危險源注釋和防護措施提示，以便施工人員提前了解危險源信息，并在施工時及時采取預防措施，避免事故發(fā)生。

坍塌事故的危險源有土石方工程邊坡、堆放的材料和設備、模板支撐系統(tǒng)、腳手架等，可能發(fā)生在邊坡土石體、材料或設備堆放處，模板、腳手架等部位。

2.2 高處墜落

地下綜合管廊施工過程中發(fā)生高處墜落的原因主要有工人違章操作、防護裝置不足、惡劣天氣影響。為預防該事故的發(fā)生，可運用BIM技術進行安全技術交底和教育，落實安全技術措施。

高處墜落的危險源有升降裝置、臨邊場所、腳手架、洞口等，可能發(fā)生于臨邊模板支拆、存放與吊裝，腳手架搭設與拆除，施工機具作業(yè)、洞口部位。

2.3 機械傷害

建筑機械設備的使用極大提高工作效率，幾乎覆蓋地下綜合管廊的整個生產(chǎn)流程，在土石方開挖、樁基鉆孔、鋼筋加工制作等過程中，由于人的不安全行為、機械的不安全狀態(tài)、操作使用的不安全技術及運行環(huán)境的不安全特性等原因，都可能導致機械傷害事故。利用BIM虛擬施工可直觀看到人與機械的安全距離，并可在模型中添加注釋，使管理及施工人員更直接看到潛在危險源。

機械傷害的危險源有機械本身缺陷、升降設備維修保養(yǎng)不善、機械操作失誤、啟動中的重機械，可能發(fā)生于施工機具作業(yè)，腳手架搭設與拆除，塔式起重機的安裝、拆卸與使用等部位。

2.4 火災

由于綜合管廊具有電力電纜數(shù)量多、敷設密集、動力電纜在運行狀態(tài)下處于發(fā)熱狀態(tài)等特點，是發(fā)生火災的第一危險源。管廊安裝、刷防銹漆及面漆階段易發(fā)生火災，通過BIM虛擬施工提前識別安裝過程中的危險源并進行注釋，可利于管理及施工人員提前采取措施，從而預防事故發(fā)生。

火災危險源為電焊和氣焊、電纜接頭、易燃材料，明火、噴漆作業(yè)，施工用電、防火設施不當?shù)龋赡馨l(fā)生于線纜管道橋架、電纜接頭剖開處、施工材料堆積處、電纜涂料處、施工未拔電源處、防火門未關閉處等部位。

3 風險評價

風險防控是在準確認識綜合管廊施工危險源的基礎上，使用預先危險性分析法(PHA)、層次分析法、模糊數(shù)學法等對危險因素進行風險評價[11]。若某風險因素評價結(jié)果安全可靠則可執(zhí)行，否則應重新制定防范措施，調(diào)整BIM模型直至分析結(jié)果達到安全標準。以上施工安全評價流程運行高效簡潔，可大幅度提高施工安全管理效率，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

本文通過PHA和專家打分法預先對上述危險源進行風險評價，其中PHA的危險等級一般按照人員傷亡及財產(chǎn)損失情況分為4個等級，專家根據(jù)事故發(fā)生的可能性和嚴重程度進行危險等級劃分[12]。地下綜合管廊施工現(xiàn)場典型危險源的安全隱患主要來自人、機、環(huán)境與管理等，在分析事故危險因素、有害因素并結(jié)合PHA危險等級劃分的基礎上，邀請10名施工技術和安全管理方面的專家評價危險源危險等級(見表1)，專家評議結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明坍塌事故危險等級為Ⅲ，機械傷害和高處墜落危險等級為Ⅱ，火災事故危險等級為Ⅳ。

圖1 專家評議結(jié)果統(tǒng)計

表1 危險性分析評價

4 火災模擬中BIM技術的應用

目前PyroSim和Pathfinder是應用于建筑火災消防、報警系統(tǒng)研究、安全疏散等方面的火災和人員疏散模擬軟件，可實現(xiàn)全尺度模擬試驗，兼容性好[12-14]。在建設范圍較廣、構(gòu)造形狀獨特的綜合管廊中，其建模過程復雜，可結(jié)合BIM技術實現(xiàn)物理模型與分析模型間的信息共享，如選取一定比例建立防火分區(qū)，將該區(qū)的BIM模型通過FBX格式文件導入PyroSim和Pathfinder軟件，創(chuàng)建網(wǎng)格、通風口、火源等，再定義材料與反應，得到完整的火災數(shù)值模擬模型，設置求解時間、后處理監(jiān)視器等參數(shù)后進行數(shù)值計算。

本文選取地下綜合管廊電力艙內(nèi)長度為180m的防火分區(qū)段進行模擬分析，寬和高分別為2.3，3.6m。電纜艙墻壁兩側(cè)分4層布置110kV單芯電力電纜(上下間距0.35m)，中間為1.5m寬、180m長的人行通道。在防火分區(qū)兩端設置13m高的豎向逃生梯，模擬施工人數(shù)共20人，火源分別位于防火分區(qū)左端末端、1/4處、中間時火災和人員的疏散情況。

模擬結(jié)果表明目前的逃生出口難以滿足最危險火災狀態(tài)下的人員安全疏散，此時可借助BIM優(yōu)化管廊火災人員疏散方案，對不滿足安全性評判要求的場景進行施工方案改進。在Revit中增加臨時逃生口或減少施工人員至15人，并導入相應軟件中進行模擬，通過不斷調(diào)整直至達到合理效果。將以上模擬結(jié)果，包括人員疏散時間和路徑等數(shù)據(jù)存儲在地下綜合管廊施工安全BIM平臺中，提供不同火源位置燃燒時的照片及動畫，提醒使用者警惕火源，熟悉逃生路徑。

5 結(jié)語

1)基于BIM技術對地下綜合管廊施工過程中的易發(fā)風險，即坍塌、高處墜落、機械傷害和火災事故進行虛擬施工模擬，得到各事故的危險源及可能發(fā)生部位。

2)將BIM技術與PHA法應用于地下綜合管廊易發(fā)事故風險評價分析中，得到火災風險等級最高的結(jié)論。

3)將地下綜合管廊BIM模型導入PyroSim和Pathfinder軟件中，進行火災情景模擬，為地下綜合管廊人員疏散方案提供簡單易行、可重復操作的方法。