建筑施工現(xiàn)場危險源GIS+BIM 管控技術探微

郭洪偉

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

隨著我國建筑業(yè)的繁榮發(fā)展，建筑事故也隨之增多，其安全生產問題引起社會的廣泛關注。隧道施工是特殊的建筑物工程，施工難度大且環(huán)境復雜，難以保證作業(yè)和生產環(huán)境的安全。為及時發(fā)現(xiàn)潛在風險，需采取科學有效的手段進行安全管理。目前我國建筑施工安全管理研究已逐漸由事故后處理轉向事前預防，由定性管理轉型為定量管理，同時不斷引入新興的科學技術。

郭建等[1]以爆破安全為管控目標，力求在源頭消除重大安全隱患；葉新豐等[2]利用施工安全風險監(jiān)控系統(tǒng)進行現(xiàn)場危險源管控，提高了監(jiān)控量測時效；張子龍[3]用風險評價與BIM 技術結合管控方法對易發(fā)事故原因和防范措施進行論述。但上述研究均存在局限性，施工現(xiàn)場管控方法向智能化發(fā)展已迫在眉睫。BIM 技術在地理空間應用分析方面尚有不足，而GIS+BIM 技術可補充和完善，直觀展示交通線路建設狀態(tài)。因此本研究基于GIS+BIM 技術，探究對建筑施工現(xiàn)場危險源管控技術，為了解和控制施工現(xiàn)場情況提供參考依據，對提高現(xiàn)場危險源管理水平具有現(xiàn)實意義。

1 建筑施工現(xiàn)場危險源管控

1.1 案例分析

本工程為X 項目，項目墩柱298 個，預制T 梁537 片， 現(xiàn)澆箱梁12 聯(lián)共42 跨。 隧道土建工程第1-2 標段右幅起訖里程為K12+850 ～K23+198，長10.35 km，左幅起訖里程為ZK12+875 ～ZK23+205，長10.33 km。隧道9 263 m 的4 座，大河大橋149.58 m 的1 座，大河互通立交橋1 座，蓋板涵121.41 m 的3 座。本標段路線K12+850 ～K17+600 段位于侵蝕峽谷中—高山地貌區(qū)，受地層巖性差異影響以溶蝕侵蝕為主。受新構造運動影響，在大河隧道進口段覆蓋層厚度大（20～35 m），以崩坡積、坡殘積為主，碎石夾塊石，大河隧道進口局部崩積突出。本標段路線K17+600 ～K23+920 段位于溶蝕侵蝕峽谷地貌級溶蝕峰叢洼地單元區(qū)，穿越羊場背斜軸部外圍。為對隧道施工現(xiàn)場的危險源進行辨識，需構建危險源模型，根據工程環(huán)境及地質條件數據的統(tǒng)計和分析進行建模，從而得到危險源的辨識結果。

1.2 基于GIS+BIM 技術構建危險源模型

利用Revit 下的Structure 功能模塊創(chuàng)建三維可視化隧道結構信息模型，根據實際施工環(huán)境創(chuàng)建項目樣板，以標高和軸網為模型參照標準，通過陣列功能創(chuàng)建固定距離的軸網分布，再進行各結構部件布置，生成三維結構信息模型（見圖1）。

圖1 BIM 隧道三維模型

由圖可知本研究初步建立的BIM 模型的隧道結構，接著通過GIS 定位技術識別危險源，進行地理數據展示，并結合BIM 技術對危險源進行參數轉換，通過隧道的集合外形、空間關系以及拓撲關系，意義對應屬性特征和屬性數據。BIM 模型強調細節(jié)，GIS 在大場景的應用更加廣泛，適用于高速公路隧道，本研究以隧道危險源中的瓦斯爆炸為例，說明其定位過程。針對瓦斯連續(xù)擴散和瞬時泄漏兩種情況，分別建立數學表達式為：

式中Z(x,y,z,t)為t時刻危險源點(x,y,z)的濃度，χ為源強大小，ε為風速，xφ、yφ和zφ分別為下風方向、側風方向和垂直方向的擴散系數。通過調整χ，使計算濃度和的平方差最小，即：

由此通過軸向移動找到氣體下降方向，實現(xiàn)對危險源的定位。融合GIS 和BIM 數據，利用GIS技術彌補BIM 技術在數據分析上的不足，參照IFC 標準實現(xiàn)數據交互，并利用GIS 系統(tǒng)進行讀取，本研究利用Autodesk Revit 軟件構建模型，模型格式為rvt，便于與GIS 系統(tǒng)交互。將Navisworks 作為集成平臺，通過鏈接功能將數據導入模型場景中，集成危險源信息，添加多種類型的文件信息，除了鏈接文件以外，還可添加超鏈接，當信息添加完成后可右擊護欄桿查看，并在隧道施工過程中不斷更改和編輯鏈接內容。以此實現(xiàn)對模型編輯和危險源管理的目的，完成危險源辨識，便于技術人員與現(xiàn)場施工人員溝通與管控。

1.3 隧道施工危險源評價

為更好地對施工現(xiàn)場危險源進行管控，需分析施工過程中存在的危險源，對其風險性進行評價。根據本工程施工環(huán)境、地質條件因素等，對辨識到的危險源進行評價，構建評價因素集Q，建立評語集W，確定模糊關系矩陣，具體為：

式中QR和WR為從風險發(fā)生概率和后果損失兩個維度建立由Q到W的矩陣得到因素評判結果，m為評價指標個數，n為評價等級個數，接著建立模糊判斷矩陣，具體為：

將其記為Bij=(qi j,wi j,vij)，根據模糊判斷矩陣B構建風險評價指標判斷矩陣，令：

式中d、l和u為互反判斷參數，qij、wij、vij分別為第i行第j列的三角模糊數的模糊下限、幾何平均和模糊上限的指標，其中，i=1,2,...,n，j=1,2,...m，由此得到模糊權重向量Ki為：

式中Kj=()，為第j列施工現(xiàn)場的位移矢量特征，為第j列施工現(xiàn)場的速度矢量，為第j列的和加速度矢量，經上述各式可得到評價指標排序向量(γ,α)，具體為：

由一級指標模糊權重矩陣C和超級矩陣F得到加權超級矩陣，具體為：

式中cij為矩陣C中指標，為加權超級矩陣中指標，建立評判集P，權重與模糊比較矩陣R的對應關系為：

式中H為權重，將評判集歸一化處理，得：

1.4 施工危險源監(jiān)控與預警

根據本工程危險源的辨識與評價，選擇了地質及支護狀態(tài)、地表沉降、拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測為主要監(jiān)測指標項目，再根據隧道出入口布設測點，布設情況見圖2[4]。由斷面各測點的布設位置分析現(xiàn)場的施工情況，確定監(jiān)測頻率（見表1）。

圖2 隧道進出口處地表測點布設

圖3 危險源識別數據對比

表1 隧道施工現(xiàn)場監(jiān)控量測頻率

按表中監(jiān)測頻率實施監(jiān)測，結束后將量測數據上傳至監(jiān)控平臺，分析監(jiān)測結果完成監(jiān)測報告書。確定監(jiān)測穩(wěn)定性閾值，并基于建立的模型進行閾值預警，若出現(xiàn)緊急情況及時預報并采取緊急措施。各圍巖類型累積變形量管理等級見表2。

表2 各圍巖類型累計變形量危險等級

根據表中累積變形量閾值，及時將監(jiān)測情況通報監(jiān)理和施工單位并加強監(jiān)測，地表監(jiān)控只預警變形速率，還需將變形速率的預警與開挖面聯(lián)系起來（見表3）。根據上文對監(jiān)測過程中的變形速率進行判斷，若達到預警預報指標閾值時，提示為黃色預警應暫停施工并分析原因，馬上通知人員做好特殊支護準備，盡量避免發(fā)生事故。

表3 變形速率與開挖面聯(lián)系

1.5 動態(tài)管控施工現(xiàn)場安全

BIM 隧道結構模型與GIS 信息集成平臺將BIM模型擴展為信息化的智能隧道，根據本研究基于GIS+BIM 危險源模型辨識到的隧道施工現(xiàn)場危險源，利用其三維可視化及信息標準化特點，實現(xiàn)對現(xiàn)場施工危險源的管理與控制，采取相應措施，對本工程存在的幾個主要危險源進行重點闡述。

觸電預防：確保電氣設備、電線符合標準；檢查臨時用電設備接地情況及配電線是否老化；高空作業(yè)時配備自動防電擊裝置。缺氧預防：分析機械通風能力；氧氣含量檢測；準備緊急救護設備。瓦斯爆炸管控：做好爆破器材存放；準備防爆機械設備；實時監(jiān)測可燃性氣體。降低墜落風險：保證工作臺人員設有安全防護；臺架、模板施工作業(yè)有人監(jiān)工；嚴格遵守防護欄、鋼管施工相關規(guī)定。機械傷害和物體打擊管控：根據實況調整支護作業(yè)計劃；爆破后進行危石檢查；判斷機械開挖是否符合規(guī)定；保證墜石防護措施到位及施工設備符合規(guī)定。坍塌管控：嚴控爆破出現(xiàn)超挖；確保支護充分；合理選擇支護時機。預防涌水事故：做好地下水位監(jiān)測及涌水量監(jiān)測。為預防意外風險事故，設置現(xiàn)場應急管理方案。根據方案，在應對緊急風險時迅速做出判斷，立即啟動應急救援程序，進行人員的疏散和救助，及時開展工程搶險工作，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場危險源的管控[5]。

2 應用效果分析

2.1 實驗準備及過程

為驗證方法的有效性，以工程某座隧道為實驗對象。實驗第一部分主要判斷采用方法管控的隧道施工的拱頂沉降與水平收斂是否正常。第二部分是對比建筑施工現(xiàn)場危險源管控前后的風險等級，評價本方法的危險源管控效果。

第一部分實驗中對基于GIS+BIM 技術構建的危險源模型進行可靠性驗證，以本標段路線K12+850 ～K17+600、K17+600 ～K23+920 和ZK12+875 ～ZK23+205 作為現(xiàn)場研究區(qū)域，對經本模型識別的危險源與現(xiàn)場出現(xiàn)的危險源進行對比，判斷模型的識別效果。第二部分實驗中采集了經方法管控的隧道施工拱頂沉降數據和水平收斂數據并進行分析，斷面樁號為K12+850、K23+198和K17+600，共選取7 天數據（3 月11 日-17 日），并以曲線圖形式分析監(jiān)測到的沉降數據。

完成上述實驗后對實驗數據進行記錄與統(tǒng)計，實現(xiàn)對隧道施工現(xiàn)場危險源管控效果的分析。

2.2 危險源模型可靠性驗證

在整體現(xiàn)場施工管控完成后，將基于GIS+BIM技術構建的危險源模型的危險源識別情況和現(xiàn)場出現(xiàn)的危險源進行統(tǒng)計對比，具體如圖4 所示。

圖4 頂拱沉降監(jiān)測結果

由圖可知，本模型在3 個施工路段區(qū)域內共識別危險源121 個，而施工現(xiàn)場實際出現(xiàn)的危險源有120 個，誤差率為0.83%。可見，模型識別結果與實際結果相差較小，在可接受范圍內。

2.3 隧道施工管控效果

將監(jiān)測所得數據繪制成曲線圖，并根據數據對管控結果進行分析。首先分析頂拱沉降數據，結果見圖4。可見，隨著時間推移，各監(jiān)測點的拱頂變形總體趨勢為前期較大，后期逐漸變小并趨于穩(wěn)定。采用本管控方法后沉降圍巖漸趨穩(wěn)定，各斷面監(jiān)測點數據的拱頂沉降量均在安全范圍內。接著分析各斷面的水平收斂情況，由監(jiān)測數據繪制的曲線見圖5。可見隨著時間推移，各監(jiān)測點經歷了快速增長和緩慢趨于穩(wěn)定兩個階段。從監(jiān)測數據看，水平收斂速度下降明顯，隧道圍巖位移區(qū)域穩(wěn)定，符合正常的隧道收斂過程，證明本方法對頂拱沉降和周邊收斂導致隧道大變形這一危險源的管控具有明顯效果。

圖5 周邊收斂監(jiān)測結果

3 結語

本研究基于GIS+BIM 技術構建危險源模型，實行隧道施工危險源評價，對施工危險源進行監(jiān)控與預警，實現(xiàn)動態(tài)管控施工現(xiàn)場安全，效果顯著。但同時本研究尚存諸多問題亟待解決，如研究中未涉及對典型隧道施工現(xiàn)場出現(xiàn)的危險事故信息統(tǒng)計；本研究的管控技術在實際工程應用中尚缺少普適性等。在未來的研究中還需不斷深入探索。