基于BIM的深基坑施工現場風險評估體系的初步研究

蔣為 劉曉波

(1.湖南高速鐵路職業技術學院， 湖南 衡陽 421001；2.中國鐵路南寧局集團有限公司， 廣西 南寧 530000）

在我國經濟快速增長和城市化進程中， 由于原有城市道路面積有限， 現有的城市交通嚴重影響了人們的出行。 隨著科技的發展和工藝的更新， 以及建設工程難度和工程量的增加， 越來越多的深基坑工程出現， 但是基坑施工難度和要求都比較高。 在實際施工過程中， 影響因素多且復雜。 例如， 在人口稠密的城市地區的建筑工地， 存在大量的既有建筑和市政道路管網， 為充分保障建筑施工安全， 必須嚴格控制施工過程， 確保施工現場周邊建筑安全。

1 BIM技術的研究意義

在建筑工程項目的實施過程中， BIM技術為各個專業項目之間提供溝通， 全方位減少施工過程中的差錯， 確保項目在合同期內順利完成實施。 解決問題的思路是結合軟件的特點， 實現軟件的集成， 工程信息和數據的實時交換， 達到構建服務于建筑行業的軟件系統平臺的目的。 通過實際調查了解到， 基坑工程施工過程中存在的主要問題可分為主觀因素和客觀因素。 兩種因素相互作用， 會引起基坑的沉降和變形，對工程的進展非常不利。 通過BIM技術的應用， 能全面反映建筑施工各個階段的信息情況， 可以通過科學的驗證方法檢驗施工圖設計是否合理， 正確引導工程施工進度。

本文的研究內容是在基坑工程中充分應用BIM技術， 分析與既有地鐵相鄰的深基坑施工過程中的安全風險因素， 將信息技術與工程施工安全風險評估相結合， 可以更加科學有效降低成本和施工風險。

2 深基坑工程的特點

2.1 具有很強的個性化

在深基坑施工過程中， 需要相關人員做好現場勘察， 了解各區域的具體水文地質情況， 然后選擇合適的支護方案。 不同地區的地理環境、 地質條件和水文條件也有很大差異。 在施工前， 還需要了解建筑物周圍的道路通道和地下管網。 深基坑工程施工和設計過程中， 要根據當地特點確定合適的標準， 不能直接照搬其他項目的要求。

2.2 深基坑工程工程量較大， 工期較緊

由于深基坑的開挖深度大， 故深基坑工程工程量較大， 工期較緊。 縮短工期不僅是施工管理的要求，對于減少基坑變形、 減少基坑周邊環境變形也具有特殊意義。

2.3 有更大的風險和更多的事故

與其他工程項目相比， 深基坑工程的施工過程更為復雜， 需要運用多種技術手段。 如果在開挖過程中土壤長時間暴露在室外， 安全事故的風險會進一步增加。 同時， 深基坑工程為臨時工程， 地下結構施工完成后， 工作人員將拆除支撐結構， 因此， 在支護結構設計過程中， 很多施工單位為了節約成本會選擇劣質材料， 這也是安全事故頻發的重要原因。

3 深基坑開挖施工特點

3.1 施工精確性

對深基坑來說， 其土方開挖量比較大， 對開挖技術以及坑壁支護技術等都有著十分嚴格的要求， 為保證自始至終的安全， 必需完全按照專項施工方案施工， 嚴格按照施工要求的順序、 主次來施工開挖， 施工開挖過程中， 一層開挖就必須當下支護再去開挖下一層， 只有上層全部開挖支護完才能繼續下層作業。

3.2 施工規范性

在基坑開挖施工前， 需要進行邊坡放線， 在開挖過程中也需要邊開挖邊放線， 這種做法能夠及時控制開挖深度與邊線， 制止產生開挖不夠或者超挖等現象。 施工時依據鋼支撐位置判定基坑豎向開挖層數，并且每層要開挖至鋼支撐下50cm位置即可， 在每層開挖完成后要實時設置鋼支撐， 并依據設計施工的要求預加軸力后再開挖下一層。 如此反復， 在開挖最后一層時， 量出設計坑底標高以上20cm ～30cm位置后要開展人工清底處理來控制基底標高， 減少土層擾動問題的發生。

3.3 施工安全性

深基坑開挖土方量過大， 一旦不及時土方清運會影響下一步的施工， 也影響周圍環境。 為提高安全性和減少工期， 需要及時對開挖的土方進行清運， 避免其堆積在基坑周圍。 同時坑底土方需要采用人工清土的方式來處理， 尤其是在處理基坑邊角部位以及樁邊機械開挖不到的位置時， 需要安排足夠數量的工人進行處理， 避免對后續工序實施的影響。 開挖到基坑最底層時， 必需要做好防護辦法， 制止挖斗碰撞樁基，在各層開挖中要盡可能制止挖機直接對樁頭的碾壓，當挖機沒法避開樁頭時， 把干擾的一些樁頭截掉， 保證后續施工正常進行。

4 深基坑開挖施工現場風險分析

1）地面塌陷。在施工過程中，由于地表受到長期的拉力，可能會出現裂縫。此外，由于施工條件和環境的差異，在深基坑開挖過程中，在一定條件下，容易產生涌水、涌砂，增加地面塌陷風險，增加安全事故發生概率。

2）基坑維修結構失穩。在基坑支護結構穩定施工過程中，施工人員往往忽略細節，如地梁未嚴格按照施工要求施工的，將導致圍護結構的各部分受力不同，穩定性也不同，容易發生安全事故。

3）基底隆起。在軟土地區開挖深基坑時，除軟土外，埋入深度不足，基層弱土層降低等一般土基含水量多等情況，使得各種支撐結構易受地下水腐蝕變形，極易造成安全事故。

4）建筑物變形太大。建筑物的地下層和底層形狀、地下土壤結構、地質結構、地下水源、建筑特征等具有很大的聯系。一旦地下層發生變化，產生變形，很容易給施工人員和周邊居民帶來生命威脅。

5）管道變形過大。地下管線發生變形產生施工風險，一些管道由于使用壽命長而被腐蝕或破裂。施工期間如果在深坑開挖過程中不注意管道，很容易發生爆炸等一系列嚴重事故。

5 深基坑開挖施工現場風險評估方法

目前國內常用層次分析法 （analytic hierarchy process，AHP）、模糊評價法、神經網絡法等分析深基坑施工風險。

5.1 層次分析法

層次分析法是一種多因素分層分析的方法，也可以用于對分層后得到的各方案進行最終選擇和決策。

層次分析模型一般由最高層 （目標層），幾個中間層 （準則）和最低層 （指標層）組成。模型根據目標層來逐步分解，上下層之間的聯系一致，符合同一邏輯。在分層結構中，成對比較從屬于上層的同一層的因素，并且比較上層中與某個因素相關的重要程度，并且根據預定的標度量化，構建上層某元素與下層各有關因素的判斷矩陣判斷相對重要性。

在模糊層次分析法中，在對因素之間進行兩兩比較判斷時，如果不使用三角模糊數來量化，而是使用一個因素重要性比另一個因素的重要性的定量表示，那么就會得到一個模糊判斷矩陣。

主觀賦權法所用的專家打分的準確性、適用性與打分者的經驗與水平息息相關，傳統的論文基本上都還在定性評價上做出進一步研究。如果需要突破定性的主觀局限性，可以依靠客觀的統計數據，而客觀評價的準確性則與統計數據的準確性有關。

5.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是在模糊數學的基礎上的評價方法，根據隸屬度來定量數據，比起定性評價方法更具有優勢。通常可以和層次分析法結合起來使用，解決數據難以量化的問題。

5.3 主成分分析法

當研究對象的指標信息有包含關系或者相交信息時會使得計算產生重疊性，所以為避免信息出現重復，可以去掉一些變量，將次要影響的信息去掉，留下主要信息，這就有了主成分分析法。因為減少變量可能會導致信息丟失。因此我們需要找到一個不僅可以大大減少數據建模涉及的變量的數量，而且不會造成大量的信息損失的解決方案。

6 深基坑工程施工現場常見風險因素

6.1 人為因素

在工程施工前需要招標競標，因為招標競爭壓力很大。一些施工單位會降低標價，甚至低于成本價獲得標的。中標后，在施工過程中又為避免工程虧損和獲利，難免偷工減料，造成工程質量不合格，惡性循環甚至引發安全事故，造成巨大的經濟損失和嚴重的社會影響。另一方面，部分承包商中標后，為了賺取管理費，非法分包，也為項目安全埋下了隱患。

6.2 環境因素

深基坑工程施工現場出現不良環境或者氣候時，例如，臺風、洪水、地震等不可抗力因素會直接破壞工程結構，造成工程停工、工期延誤、經濟損失或人員傷害，嚴重的會造成安全隱患，影響工程質量導致安全事故。此外，工程地質資料、地下水位、地下管線位置勘查和實際工程建設等方面的失誤，也會引發安全事故，造成嚴重的經濟損失、人員傷亡和社會影響。

6.3 技術因素

每個施工內容都有具體的施工方案，同樣的施工內容在不同的施工環境下可能會有不同的施工方案，特別是對于危險性較大的特殊工程。這就要求施工必須在技術上嚴格按照施工計劃完成，監理人員要做好監理工作，在實際施工過程中，往往受到各種因素的影響，不會按照既定的計劃進行。例如，為了加快施工進度，減少工藝施工時間，或改變施工順序，嚴重減少施工環節，最終導致工程質量下降，埋下嚴重的安全隱患。

6.4 管理因素

深基坑施工現場管理是一個非常復雜的過程，涉及面很廣，如施工人員實名管理、材料進出管理、材料質量管理、工程質量管理、工程進度管理、工程安全管理、機械設備安全管理、合同管理、資金管理等，每一項都與項目的安全有著重要的聯系。需要充分研究各內容之間的內在聯系，采取科學合理的處置措施，規避、轉移、降低風險。

7 構建深基坑施工現場風險評估指標體系

7.1 深基坑施工現場風險評估指標體系建立的原則

7.1.1 綜合性

是技術與管理的結合，由于技術和經濟條件的制約，施工現場風險一時做不到本質安全，系統需要用管理來彌補，在以后的很長一段時間，要解決安全問題還需把技術和管理有機地結合起來，這也就是一直以來我國提倡的 “人防、技防、物防”三者有機結合的原因。

7.1.2 科學性

選擇評價指標時必須有科學依據。 前提是與深基坑施工風險的特點和條件相匹配， 能夠科學合理地反映分析指標、 標準之間的相關性。

7.1.3 層次性

選擇深基坑施工現場風險評估體系指標， 應依據層次性原則， 局部到整體得評價。

7.2 深基坑施工現場風險評估指標分析

本文對深基坑施工現場風險評估指標體系的選取， 依據深基坑施工現場相關文獻、 規范、 統計數據整理出深基坑施工現場主要事故類別， 如高處墜落事故、 觸電事故、 施工坍塌事故、 物體打擊事故、 機具傷害。 本文將根據這幾種事故類型作為二級指標構建深基坑施工現場風險評估指標體系 （詳見表1）。

表1 深基坑施工現場風險評估指標體系

目標層 中間層 措施層A1 高空墜落A2 物體打擊A深基坑施工現場風險評估A3 機械傷害A4 坍塌事故A5 觸電事故A11 孔口防護蓋板A12 孔口周邊臨邊圍護A13 施工設施搭設A14 照明等環境不良A15 現場安全隱患檢查到位情況A21 工人違章作業亂扔亂拋A22 基坑孔口周邊1m范圍內堆放材料A23 交叉作業缺乏防護措施A24 專項方案應急措施A25 臨邊洞口防護缺失A31 特種作業持證上崗A32 機械作業區域安全防護設施A33 調運材料綁扎牢固、 塔吊遵守十不吊原則A34 違章指揮違章作業A35 吊鉤有防墜落保險栓A41 專項施工方案A42 基坑支護質量檢測合格A43 基坑支護變形監測A44 基坑周邊堆載情況A45 土方開挖先撐后挖分層開挖超挖情況A51 用電線路是否私拉亂接A52 佩戴防護用品是否漏電A53 電纜電線是否泡水A54 特種作業是否持證A55 供電線路是否符合規范、定期檢查

建筑施工過程中把墜落高差在兩米以上的意外墜落事故稱作為高空墜落。 主要分析、 研究如下細分指標： 孔口防護蓋板、 基坑孔口周邊設置臨邊圍護、 施工設施搭設情況、 現場安全隱患檢查到位情況、 光照等環境不良。

物體打擊是指物體在外力作用下改變原有的狀態失去平衡引發的破壞活動主要分析、 研究如下細分指標： 工人違章作業亂扔亂拋基坑孔口周邊一米范圍內堆放材料、 交叉作業缺乏防護措施、 專項方案應急措施、 臨邊洞口防護缺失。

機械傷害主要指機械設備部件、 工具等直接與人體接觸引起的夾擊、 碰撞等形式的傷害， 實際中主要指機械做出強大的功能作用于人體傷害。 主要分析、研究如下細分指標： 特種作業持證上崗、 機械作業區域安全防護設施、 調運材料綁扎牢固、 塔吊遵守十不吊原則、 違章指揮違章作業、 吊鉤有防墜落保險栓。

坍塌事故是指物體在外部作用力或者自身自重應力以及兩者綜合的基礎上的作用下， 超過問題本身所能承受的極限強度， 結構失穩坍塌而造成的事故。 主要分析、 研究如下細分指標： 專項施工方案、 基坑支護質量檢測合格、 基坑支護變形監測、 基坑周邊堆載情況、 土方開挖先撐后挖分層開挖超挖情況。

觸電是指當生物與電直接接觸時， 感受到疼痛或受到傷害的意外事故。 主要分析、 研究如下細分指標： 用電線路是否私拉亂接、 佩戴防護用品是否漏電、 電纜電線是否泡水、 特種作業是否持證、 供電線路是否符合規范、 定期檢查。

8 深基坑工程BIM模型及風險量化

在BIM模型中， “族” 是Revit軟件應用過程中不可或缺的核心要素。 Revit可以根據項目需求創建用戶需要的族， 建立Revit族， 為日后類似的項目提供模板， 提高效率。 圖書館。 由于本文考慮了施工風險下的風險量化， 因此采用風險因子評價得到的輸出值來確定風險成本系數的取值。 首先新建一個公制模型組， 進入編輯環境， 選擇相應的繪圖方式 （， 在繪圖窗口中繪制圖形。 將繪圖命令用于進行初步繪圖和繪圖選項、 繪圖參數、 為繪圖形狀添加參數 （選擇示例）， 最后加載它以完成參數化基坑工程的建立。 本文通過以上步驟進行了BIM群的建設， 構建了與深基坑工程相關的土方開挖群庫， 為工程基礎的施工提供了方便的需求。