BIM技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程安全生產(chǎn)的探討

童亮瑜

中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川夾江，610000

0 引言

水利水電是目前主要的清潔能源之一，越來越受到全社會(huì)的重視。隨著我國水電站建設(shè)的快速發(fā)展，建設(shè)過程中的安全性不容忽視。在水電站建設(shè)過程中，施工安全一直是非常重要的問題。然而，現(xiàn)階段與安全生產(chǎn)有關(guān)的許多問題仍未得到根本解決。BIM技術(shù)作為水利水電工程中的一種新型安全技術(shù)，能有效保證水利水電工程建設(shè)過程的安全。

1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑業(yè)所有信息的整合與集成，它將建筑的各種信息開放性地整合到一個(gè)三維度的建造模型信息數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計(jì)單位、施工隊(duì)伍、設(shè)施運(yùn)營部門和建設(shè)業(yè)主等相關(guān)人員利用 BIM系統(tǒng)進(jìn)行有效的工作協(xié)同，能顯著提高工作效率、減少資源浪費(fèi)及降低經(jīng)營成本，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的發(fā)展。BIM技術(shù)適用于設(shè)計(jì)研究、現(xiàn)場(chǎng)施工、營運(yùn)直至建筑全生命周期的結(jié)束。

BIM技術(shù)的關(guān)鍵核心就是通過數(shù)字化技術(shù)建立一個(gè)虛擬的三維建筑工程模型，這些數(shù)據(jù)來源于實(shí)物參數(shù)的數(shù)字化，它能有效地為這個(gè)虛擬模型提供完整的、全面的且與實(shí)際情況完全一致的建筑工程信息庫。這個(gè)信息庫不僅能涵蓋描述建筑物各類構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及相關(guān)狀態(tài)，還能包含非固定對(duì)象（如運(yùn)動(dòng)行為、空間位置）的狀態(tài)信息。這樣一來，便能借助這個(gè)涵蓋建筑工程所有信息的立體模型，提高建筑工程的信息集成化程度，從而為整個(gè)建筑工程的相關(guān)方搭建一個(gè)工程信息有效交換和共享的平臺(tái)。

BIM技術(shù)具備的主要特性有以下幾個(gè)方面。第一是可視化，BIM技術(shù)能盡最大限度地利用計(jì)算機(jī)語言創(chuàng)造出仿真圖像、圖表以及動(dòng)態(tài)畫面，完整地展現(xiàn)整個(gè)虛擬建筑。第二是協(xié)調(diào)性，由于建設(shè)項(xiàng)目需要業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工等各方的共同參與，同時(shí)又涉及眾多專業(yè)，通過BIM模型在項(xiàng)目前期可實(shí)現(xiàn)建筑各構(gòu)件間的碰撞檢查分析，及時(shí)更改設(shè)計(jì)；在施工階段，BIM模型又為各方提供即時(shí)的溝通交流平臺(tái)，共享和改進(jìn)施工數(shù)據(jù)，可減少因信息不對(duì)稱帶來的負(fù)面影響和返工。第三是模擬性，模擬性不單單是建筑物物理結(jié)構(gòu)特性的描述，借助BIM可視化技術(shù)還能進(jìn)行功能拓展模擬。如在前期設(shè)計(jì)時(shí)，可以對(duì)建筑模型進(jìn)行相應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)的模擬，分析其可持續(xù)性；而在施工階段，進(jìn)行施工組織、材料匹配、4D進(jìn)度控制等模擬，確保現(xiàn)場(chǎng)施工安全有序進(jìn)行；再到運(yùn)維管理時(shí)，又能模擬各種突發(fā)緊急狀態(tài)；BIM技術(shù)的這種模擬特性還可結(jié)合實(shí)際情況不斷豐富和拓展。第四是優(yōu)化性，在工程項(xiàng)目的全生命周期里，存在不斷優(yōu)化、不斷升級(jí)的過程。BIM技術(shù)可利用可視化、可協(xié)調(diào)和模擬性為工程建設(shè)優(yōu)化提供條件。可視化特征能提供完整準(zhǔn)確的各類信息，便于設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行方案比對(duì)；協(xié)調(diào)性能幫助檢驗(yàn)各種構(gòu)件聯(lián)接是否合理，有沒有存在碰撞的不合理情況，這有利于施工技術(shù)的選擇；同時(shí)，工程施工人員可以從模擬的安全控制中分析優(yōu)化方案，提高建筑安全管理水平。第五是可出圖性，BIM技術(shù)中具備了標(biāo)準(zhǔn)的樣本和族，它們精確的定義能有效地提高圖樣輸出的準(zhǔn)確性、時(shí)效性。BIM技術(shù)輸出的結(jié)果并不只是簡單的平面圖紙，而是通過模擬、可視、協(xié)調(diào)、優(yōu)化以后的動(dòng)態(tài)三維模型。

2 BIM技術(shù)的發(fā)展

目前BIM技術(shù)在中國已被更多的人所了解，很多一級(jí)施工企業(yè)及設(shè)計(jì)單位、大學(xué)的建筑學(xué)院等都已經(jīng)設(shè)立了BIM研究中心，國家更是把BIM技術(shù)納入到多個(gè)“五年規(guī)劃”的重點(diǎn)項(xiàng)目和研究課題。2011年5月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒發(fā)的《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，把加快建筑信息模型（BIM）在工程中的應(yīng)用、推動(dòng)信息化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)作為行業(yè)發(fā)展總體目標(biāo)的主要內(nèi)容，并就推進(jìn)BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用提出了具體要求；2012年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部開始BIM國家標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作；2014年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》中，再次明確推進(jìn)建筑信息模型（BIM）等信息技術(shù)在工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營維護(hù)全過程的應(yīng)用等工作；2015年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，提出發(fā)展目標(biāo)：“到2020年末，建筑行業(yè)甲級(jí)勘察、設(shè)計(jì)單位以及特級(jí)、一級(jí)房屋建筑工程施工企業(yè)應(yīng)掌握并實(shí)現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術(shù)的一體化集成應(yīng)用。”在這些政策引領(lǐng)下，BIM發(fā)展進(jìn)入快車道。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和對(duì)建筑業(yè)應(yīng)用技術(shù)的掌握，計(jì)算機(jī)信息模型在建筑業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展迅速[1]。近年來，BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑工程的全領(lǐng)域。但作為建筑業(yè)之一的水利水電工程，受大自然地理、水文等諸多條件和BIM在行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、政策支持相對(duì)滯后以及信息化工程配套不足等限制，BIM技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用較少且進(jìn)步緩慢[2]。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程建設(shè)前期

3.1 深化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)交付是在二維設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行的，以二維圖形作為設(shè)計(jì)結(jié)果，很難確保不同專業(yè)和學(xué)科之間的有效協(xié)調(diào)，這主要是由傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)所決定的。然而BIM技術(shù)，是在傳統(tǒng)二維圖紙的基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維空間技術(shù)進(jìn)行建模，能準(zhǔn)確、直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤、遺漏、碰撞、缺陷等問題。但在實(shí)際的施工過程中將它簡單地與二維圖紙一樣作為施工技術(shù)依據(jù)，難免會(huì)因?yàn)榻Ｐ畔?shù)據(jù)不足適得其反，這就需要對(duì)建模數(shù)據(jù)進(jìn)行有效和廣泛的采集。

3.2 碰撞檢測(cè)

目前，在二維設(shè)計(jì)中或多或少存在不同專業(yè)碰撞的問題，特別是在水利水電工程中，各種管道、線路、設(shè)施、結(jié)構(gòu)件等，因未系統(tǒng)協(xié)調(diào)供水網(wǎng)絡(luò)、供電線路、信息系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)，在施工過程中經(jīng)常發(fā)生各系統(tǒng)碰撞。相反，使用直觀的三維模型，BIM可以檢測(cè)圖紙中存在的各類碰撞，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，因此越來越多的項(xiàng)目需要BIM來檢測(cè)是否存在專業(yè)間的碰撞。在一些水利水電工程中，由于空間布局復(fù)雜，系統(tǒng)繁多，對(duì)設(shè)備、管道、線路等專業(yè)的布局要求高，設(shè)備、管道與結(jié)構(gòu)構(gòu)件容易發(fā)生設(shè)計(jì)上的碰撞，不僅在施工過程中經(jīng)常發(fā)生二次變更，導(dǎo)致施工方案變更、成本增加等，而且給施工帶來難以想象的困難。BIM技術(shù)可以集成建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、通信等專業(yè)模型，然后根據(jù)專業(yè)要求和結(jié)構(gòu)尺寸要求，將綜合模型的數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)軟件，進(jìn)行合理性分析，檢查各專業(yè)是否存在設(shè)計(jì)上的碰撞，從而系統(tǒng)性整合各專業(yè)，達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。

3.3 多專業(yè)協(xié)調(diào)

目前，各專業(yè)設(shè)計(jì)的組織協(xié)調(diào)是水利水電工程順利實(shí)施的關(guān)鍵，是加快施工進(jìn)度的有效保證，其意義毋庸置疑。但現(xiàn)階段受施工現(xiàn)場(chǎng)因素、技術(shù)差異等影響，地質(zhì)、水文、電力、建構(gòu)筑物等各專業(yè)的設(shè)計(jì)都還在不斷研究、更新和完善中，不可避免地存在許多隱蔽的、不可預(yù)測(cè)性的問題，極易造成不同專業(yè)無法在某些平面上對(duì)施工圖進(jìn)行一致性的確認(rèn)[3]。但利用BIM技術(shù)的可視化、參數(shù)化、智能化顯示等優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)碰撞可能性的檢測(cè)，能有效控制各專業(yè)設(shè)計(jì)中外形尺寸控制和精確的空間冗余計(jì)算。同時(shí)還可利用基于BIM技術(shù)的4D模擬施工控制方法，模擬施工過程，根據(jù)暴露的問題提前協(xié)調(diào)各專業(yè)的設(shè)計(jì)工作，減少因設(shè)計(jì)失誤和專業(yè)間不協(xié)同引發(fā)的各類碰撞問題出現(xiàn)，從而減少重復(fù)工作，節(jié)約施工成本。

4 基于水利水電工程施工安全控制的BIM技術(shù)

4.1 水利水電工程施工安全信息建模

安全事故的預(yù)防和風(fēng)險(xiǎn)的控制是水利水電工程安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容。在應(yīng)用BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)工程各結(jié)構(gòu)分解等數(shù)據(jù)的研判，得出影響整個(gè)工程安全的主要因素，再通過計(jì)劃數(shù)據(jù)運(yùn)行和模擬數(shù)據(jù)配置為工程安全風(fēng)險(xiǎn)的綜合控制提供可靠的依據(jù)[4]。

在創(chuàng)建相關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，可以使用BIM技術(shù)直觀、完整地呈現(xiàn)工程建設(shè)的相關(guān)信息，以測(cè)量工程進(jìn)度的符合性、有效性。在此基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有的安全標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐方法集成到BIM模型中，結(jié)合TEKLA建模工具的應(yīng)用，為安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)在不同環(huán)境下的合理應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于水利水電工程，BIM模型監(jiān)測(cè)主要基于相關(guān)控制板，例如，工程的高邊坡施工，末端高空作業(yè)、高空作業(yè)通道等是施工安全的重點(diǎn)，必須符合安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的高邊坡等級(jí)，對(duì)高邊坡施工全過程依照安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和檢查，并在開挖線指定區(qū)域以外的適當(dāng)位置設(shè)置安全圍欄等。通過這些數(shù)據(jù)的錄入，就構(gòu)建出了控制板。

4.2 賦予BIM技術(shù)在水利水電工程施工中安全評(píng)估指標(biāo)

在水利水電工程開工前，借鑒建筑行業(yè)的BIM評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，可制定設(shè)計(jì)建模評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。在將BIM技術(shù)應(yīng)用于具體水利水電工程施工的過程中，明確統(tǒng)一的系統(tǒng)規(guī)則，為數(shù)據(jù)模型與實(shí)際項(xiàng)目的有效連接提供基礎(chǔ)。BIM工程施工安全評(píng)估指標(biāo)主要采用BIM自動(dòng)化接口設(shè)計(jì)，這是一個(gè)基于概念的模型，允許在早期階段進(jìn)行全面的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在我國水利水電工程建設(shè)過程中，由于項(xiàng)目整體建設(shè)具有專業(yè)多樣性、作業(yè)條件的復(fù)雜性，BIM安全評(píng)價(jià)模型中系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要是根據(jù)科學(xué)動(dòng)態(tài)原理建立的，它具有復(fù)雜情況下的兼容性和冗余度，因此能夠滿足水利水電工程建設(shè)的實(shí)際需要。

在水利水電工程建設(shè)中，主要有人員、設(shè)備、管理、環(huán)境等因素，這些因素包括安全管理體系、現(xiàn)場(chǎng)過程管控、人員技能、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行及作業(yè)環(huán)境等。考慮到BIM驗(yàn)證系統(tǒng)本身具有人力資源管理功能，項(xiàng)目人員的安全成本指標(biāo)可分?jǐn)?0%～90%；設(shè)備主要包括設(shè)備管理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備安全防護(hù)數(shù)量等因素，在項(xiàng)目設(shè)備管理指標(biāo)中，項(xiàng)目設(shè)備占79%～85%的比例，可根據(jù)設(shè)備使用情況確定；與安全生產(chǎn)相關(guān)的管理因素主要有：現(xiàn)場(chǎng)組織、安全規(guī)劃、安全控制等，基于BIM系統(tǒng)的施工控制，項(xiàng)目管理指標(biāo)可設(shè)置為90%～100%；鑒于水利水電工程的復(fù)雜性，物理風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防過程中的主要環(huán)境因素是工作環(huán)境和工程本身所處環(huán)境，考慮水文地質(zhì)和自然坡度等的變化，可設(shè)置環(huán)境因素為35%～40%[5]。在獲得這些劃分后，可以結(jié)合定量標(biāo)準(zhǔn)并使用施工評(píng)估算法對(duì)相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)一分析。

4.3 基于BIM技術(shù)的施工安全評(píng)估算法

目前，國內(nèi)外正在對(duì)城市建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行較為成熟、多樣化的安全評(píng)價(jià)，目前主要有四種評(píng)價(jià)方法：第一，基于定性分析與定量分析科學(xué)結(jié)合的層次分析法（AHP），給出了主觀判斷的定量評(píng)價(jià)；第二，模糊綜合評(píng)價(jià)，其主要應(yīng)用原理是模糊關(guān)聯(lián)復(fù)形法，它利用模糊矩陣進(jìn)行定量運(yùn)算，描述科學(xué)成果；第三，灰色關(guān)聯(lián)分析主要基于灰色系統(tǒng)理論，可以定義為半定量和定性描述；第四，一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法，它允許我們談?wù)摽茖W(xué)知識(shí)的傳播和整個(gè)系統(tǒng)的適應(yīng)性，它允許使用補(bǔ)充學(xué)習(xí)樣本的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全評(píng)估，并充分結(jié)合新舊知識(shí)。

4.4 水利水電工程評(píng)估算法在BIM技術(shù)中的應(yīng)用

工程評(píng)估算法對(duì)水利水電工程安全評(píng)價(jià)具有重要意義，同時(shí)，主要基于網(wǎng)絡(luò)BIM算法模型，通過設(shè)置輸入層，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和AHP垂直積分算法對(duì)水利水電工程安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，輸出層和隱藏層連接到前一個(gè)電路后，信號(hào)逐步返回，每個(gè)神經(jīng)元的權(quán)重發(fā)生變化。通過連續(xù)迭代的整體優(yōu)化，可以優(yōu)化與參數(shù)值的相關(guān)性，通過對(duì)以往數(shù)據(jù)的分析確定具體指標(biāo)體系在建立水利水電工程安全評(píng)價(jià)體系中的重要性；然后選取一系列水利水電項(xiàng)目，相關(guān)專業(yè)人員可以對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行匯總，獲得原始神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的信息；最后，結(jié)合BIM系統(tǒng)的驗(yàn)證，確定相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和相應(yīng)的安全措施，以管理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的操作。在采取滿足評(píng)估指標(biāo)的安全措施后，具體數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在水利水電系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，作為分析最終系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)[6]。

5 結(jié)語

在現(xiàn)階段的水利水電工程建設(shè)安全生產(chǎn)中，通過建立BIM模型，可以有效地提高設(shè)計(jì)、施工全過程的安全性。因此，為了保證水利水電工程的順利建設(shè)，相關(guān)人員可以根據(jù)建設(shè)過程中的實(shí)際情況進(jìn)行分析、整理，將安全評(píng)估算法與相應(yīng)的安全指標(biāo)權(quán)重參數(shù)相結(jié)合，建立BIM模型，從而有效提高整個(gè)工程設(shè)計(jì)、施工的安全管控效率。