BIM+VR技術在燃氣場站安全管理中的應用研究

李燕芳 LI Yan-fang；王勇華 WANG Yong-hua；張冰 ZHANG Bing；劉延 LIU Yan；張博 ZHANG Bo

（①唐山學院土木工程學院，唐山 063000；②唐山市工程精益建造與信息化重點實驗室，唐山 063000；③河北科技學院藝術學院，唐山 063015；④北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082）

0 引言

燃氣場站中涉及的管線和設備種類繁多，目前在進行安全管理時仍是基于二維圖紙、垂直的安全管理模式和缺乏交互的信息化手段，二維的設計圖紙存在不能反映燃氣場站的全貌、可視化程度低的局限性，且在進行安全培訓和消防演練時存在員工理解不清楚等問題[1]。需要應用更新的技術和管理方式來提升燃氣場站的安全管理水平。BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性等特點[2]，VR（Virtual Reality）即虛擬現實，是20世紀發展起來的一項全新的實用技術，是利用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關于視覺等感官的模擬，讓用戶感覺仿佛身歷其境，可以即時、沒有限制地觀察三維空間內的事物[3]。BIM技術強調模型的建立、可視化和信息的附加，而VR技術強調虛擬交互與虛擬體驗，BIM技術為VR技術提供了必要的場景資源及數據信息，VR技術為BIM推廣應用提供了可視化的交互應用平臺[4]。

1 BIM研究現狀、水平與發展趨勢

BIM作為一種可以完全替代CAD傳統設計理念的新型技術，其巨大的應用價值已經得到國內外的重視。了解和學習BIM技術研究現狀及發展趨勢，對實現BIM技術在燃氣場站工程安全管理中的應用具有重要意義。

中國從2002年開始引入BIM技術，并一直在探索BIM技術的應用，制定相關政策措施以促進BIM技術的發展。2011年，在住建部頒布的《2011-2015建筑業信息化發展綱要》中，為推動和實現我國信息化標準建設，要求不斷加強建筑信息模型等新技術在工程中的應用，該綱要的發布對于BIM技術在我國的階段性發展起到了促進作用。2012年，隨著工程建設標準規范制定計劃的發布，我國開始制定適合我國國情和發展需要的中國BIM標準，這對于推動BIM技術在我國標準化實施起到了決定性的作用。2013年成立了中國BIM標準委員會，對于加快我國BIM國家標準體系的建設步伐具有重要的意義[4-8]。2014年，在住建部頒布的《關于推進建筑業發展和改革的若干意見》中，為提高建筑工程領域的綜合效益，應擴大建筑信息模型等信息技術的應用范圍，有利于利用BIM技術推動建筑業技術能力，轉變建筑業發展方式。2015年，為指導和推動建筑信息模型的應用，住建部研究制定了《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，指出了建筑業相關企業和相關項目在2020年末應用BIM技術的發展目標。2016年，在住建部公布的《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》中，為實現全面提高建筑業信息化水平的發展目標，提出加快BIM技術的普及和應用，加強BIM技術的應用能力，充分肯定了BIM技術的作用，推動了BIM技術在我國的應用。2022年上半年北京、四川、浙江等地均發布了關于BIM的政策標準等，如表1所示。

表1 近三年各地BIM政策標準統計

目前，BIM技術主要應用在模型維護、場地分析、建筑策劃、方案論證、可視化設計、協同設計、性能化分析、工程量統計、管線綜合碰撞調整、施工進度模擬、施工組織模擬、數字化建造、物料跟蹤、施工現場配合、竣工模型交付、BIM維護計劃設定、資產管理、空間管理、建筑系統分析、災害應急模擬等方面。但是國內BIM與VR技術結合研究仍處初步發展階段[9]。BIM及VR技術應用到軌道交通車站客流疏散仿真、公路工程、隧道設計仿真、商業公共空間、鐵路施工、智慧工地等方面[10]。但是BIM+VR技術在建筑設計、施工及運維中的使用時間較長、使用難度較大、還需通過在應用過程中進行完善和成熟。尤其是在建筑、設備的安全管理應用中，還需要得到運維階段管理企業對技術的認可，從而嘗試應用，不斷發展和成熟。

2 傳統燃氣場站安全管理中存在的問題

傳統的燃氣場站安全運維管理要求二十四小時三人值守，四班三運轉模式，至少需要十二名員工進行生產調度、事故預警、災害處理、數據記錄及臺賬管理等工作。工作效果完全依賴于員工的負責任態度，且多數以紙質版記錄為主，造成信息傳遞不及時、不準確等問題。燃氣場站安全管理及運維過程中通常面臨如下問題。

①安全管理流程不合理。燃氣場站雖然存在流程的局部差異，但卻存在巡查線路缺少規劃、信息流轉處理遲緩等共性的問題，延長了不安全狀態的存續時間，增大了事故發生的概率[11]。

②安全信息缺乏標準。由于所有的安全信息均為動態的，會定期或者不定期發生變化，所以安全信息的采集工作也是動態的，但是目前信息采集標注途徑和表述方式缺乏標準，且沒有數據監管機制，數據實時監測和變化曲線統計有困難[11]。

③安全檢查缺乏標準。安全檢查缺乏Plan（計劃）、Do（執行）、Check（檢查）和Act（處理）的閉環流程。

④安全運行狀態難控。計量撬系統故障無法預判，控制系統依賴站內緊急報警裝置、PLC控制系統等指令系統，運行過程中大多需要人工進行手動控制，安全值班人員如果無法第一時間發現安全事故并進行及時處置，會造成安全隱患。

⑤安全管理考核機制不合理。傳統安全管理績效的考核多以員工是否按時到崗，安全管理資料是否齊全等考核員工的安全管理工作，對工作過程的質量沒有監督考核機制。

3 BIM+VR技術應用在燃氣場站安全管理中的應用

BIM+VR技術結合應用到燃氣場站安全管理中，可以通過構建三維虛擬展示和沉浸式的體驗加強可視化和具象性，可以通過模擬發生火災、大風等不安全情況下，對計量撬等高壓管道系統的影響，從而進行燃氣場站全員定期安全疏散教育、救援等模擬，為燃氣場站安全管理提供平臺。同時針對BIM+VR技術的應用，制定安全管理流程，制定燃氣場站應急預案。

BIM+VR技術應用到燃氣場站的安全管理中需要以下幾個方面的流程：基于BIM的燃氣場站運維模型構建；基于BIM和VR虛擬交換場景的燃氣場站模型渲染及優化；基于BIM的燃氣場站安全管理流程的制訂；燃氣場站應急預案制定和模擬；基于BIM與VR交互的三維模型進行燃氣場站安全培訓等，如圖1所示。

圖1 基于BIM+VR安全管理體系的構建

3.1 BIM模型的建立

BIM與VR在燃氣場站安全管理中的應用，必須結合具體的燃氣場站工程項目。本文以唐山市豐潤區天然氣干線輸配工程配套的調壓站工程為研究案例。工程位于唐山市豐潤區小張各莊鎮大張各莊村北側豐津線西側，臨近大張各莊村。工程設計壓力為4.0MPa，運行壓力為3.6MPa，設計規模為1.45×105Nm3/h。工程內容主要包括綜合辦公樓、柴油發電機房、鍋爐與門衛用房等建筑物，以及調壓計量撬、放散塔、加臭撬等生產設施和場區給排水、消防、放散、安防監控、可燃氣體監測、火災報警等生產輔助設施，場區占地總面積約為5280m2。

Revit軟件是一款參數化的建筑圖元設計與管理軟件平臺，具有強大的BIM模型構建能力，能夠精確地構建建筑、結構、場地、機電、管線等不同專業工程的三維可視化模型，并集成相應的屬性信息[1]。本工程利用Revit2018軟件建立完整的燃氣場站BIM綜合模型，以下展示電氣及自控專業模型、及燃氣站場地綜合模型，如圖2所示。

圖2 燃氣場站燃氣專業BIM模型及綜合BIM模型

3.2 BIM模型的渲染和優化及安全疏散模擬視頻的制作

目前常用的BIM模型渲染軟件有3D Studio Max、Lumion、SketchUp、Enscape等，3D Studio Max軟件功能強大，但是操作太復雜，不具有普適性；Lumion軟件操作相對簡單，但是渲染效果不佳；SketchUp軟件操作相對簡單，普適性較強，但是無法與VR設備直接實現互聯。Enscape軟件是一款在Autodesk Revit內部的實時顯示3D效果的集成插件，學習時間短、成效快、而且效果逼真能夠做出精美的效果圖，同時還支持VR與全景渲染，導出EXE獨立運行包和漫游視頻，方便在團隊或客戶中輕松地展示和溝通設計。BIM模型渲染效果圖如圖3所示。

圖3 渲染之后的BIM模型

3.3 制作VR視頻模擬逃生路線

將渲染后的BIM模型導入FUZOR視頻模擬軟件，制定逃生路線，擺放消防器具，模擬災害場景，為后期消防疏散模擬演練提供素材。在模擬逃生中進一步對擁堵的節點進行預判，進一步優化逃生路線。最后制作出能通過VR設備觀看的模擬視頻。（圖4）

圖4 模擬逃生路線

4 基于BIM+VR技術安全管理流程的制定

針對傳統燃氣場站安全管理中的弊端，BIM+VR技術可以實現安全檢查信息標準化、安全疏散模擬演練日常化、安全檢查流程和制度標準化、安全運行監測標準化、安全管理考核標準化。PDCA循環提供的是一種系統性的、周期性的、可持續改性的、螺旋形上升的閉環管理思路。PDCA原理的計劃、實施、檢查糾偏、再實施四個過程周而復始的循環進行，每次循環都把目標或標準帶到一個新的高度[12]。因此，從PDCA循環理論視角，建立基于BIM+VR的科學、規范、可操作、行之有效的燃氣場站安全管理流程，能為改善燃氣場站安全管理提供可行的方式方法，通過規范化的流程降低風險事件的發生、提高安全效率。

4.1 安全管理制度流程的優化

根據PDCA的循環原理優化安全管理制度流程，主要包括制定基于BIM+VR的安全管理計劃、模擬實施燃氣場站運行中的安全管理過程、檢查漏洞、糾偏后再實施。如圖5所示。

圖5 PDCA循環原理在燃氣場站安全管理流程中的應用

首先制定安全管理分級目標，包括總經理、安全管理部分負責人、專職安全管理人員的分級目標分別是什么，并且要和安全管理考核機制及績效工資直接關聯，督促安全管理相關人員各盡其責。然后根據安全管理目標制定安全管理計劃（P），參照安全管理法律法規、安全生產責任制等的要求制定基于BIM+VR的燃氣場站安全管理方案，并進一步規范安全管理流程。（D）之后按照前一步制定的安全管理方案，模擬風險事件的發生，在風險事件中各部門各類人員如何進行風險處置，并制作VR視頻模擬逃生路線，對員工進行定期安全疏散模擬演練。在風險事件處置過程中重點強調各部門的協調配合，以及如何有效地防范內、外部風險和擴大化風險。（C）模擬運行之后，廣泛采納各部分各級人員的反饋意見，改進安全管理流程和方案。并且模擬監控系統的運行，檢驗各個監控設備的輻射范圍，消除監控盲區。利用pathfinder軟件計算人員疏散密度，檢驗是否符合疏散要求。（A）最后根據檢查結果，優化安全管理方案，并進行新方案實施驗證，根據新方案實施結果對安全管理計劃進行進一步優化，重新修訂安全管理目標，實現安全管理流程的不斷改進和優化。

4.2 安全管理信息標準的優化

建立燃氣場站BIM三維可視化數據共享平臺后，可在其中不斷完善各類信息，如設備管道信息、安全管理人員信息、建筑物中各種材料信息及管線分布詳細信息等，根據燃氣場站運行過程中的實際情況記錄各系統的詳細信息，各個部門在平臺中可以直觀性了解不同運維工作的實施進度、設備維修狀況、各個部分的養護狀況等，部門之間相互溝通共享協同性地應對問題[12]。與此同時在使用BIM技術期間，還可以創建信息化的工作模式與數字化工作體系，提前識別可能會出現的風險問題，保證安全管理工作的可行性、前瞻性。目前安全管理的信息標準需要進一步進行精細化管理。“精”即確保對計量撬系統每一環節維護維修的質量進行上報[12]，并在BIM系統中完善相關信息，“細”即將每個環節細化，并由工作人員落到實處保證信息的準確度，由安全管理人員定期復核相關數據的準確性。同時利用PDCA循環原理，對信息標準進一步進行提升優化，達到標準的一致性。

4.3 安全檢查標準的優化

安全檢查標準以安全檢查表為基本方法和形式，以安全管理流程為主線，明確燃氣場站檢查的項目、內容、時機、要求和具體方式，制定并宣貫實施以“燃氣場站技術安全檢查規程”為代表的對象明確、適用性強的安全檢查標準。基于BIM+VR的安全檢查標準，首先在BIM模型平臺中輸入預檢查項目，以及檢查內容、時間、人員，然后利用VR模擬漫游系統進行預檢查項目討論及演練，之后進行詳細檢查，檢查完之后將檢查結果在BIM平臺中進行詳細登記，并共享信息。

4.4 安全運行狀態監測系統優化

優化安全運行狀態監測系統需要將監測全景化，建立基于5G+AI技術，實現全景監控、周界報警及反恐保障[12]。在場站內安裝5G攝像機實現360度無死角全景監控可以準確識別場站進出人員身份、車輛信息；設置光纖等先進的電子報警系統，全面保護燃氣場站運行的安全；設置防車輛沖撞裝置，完善場站反恐保障體系。視頻監控系統是智能安全防范系統的重要部分，對重點場所發生的事件進行視頻圖像信息顯示與記錄，如發生事件可啟動聯動報警和語音對講系統，以幫助有關人員現場應急處理和事后分析。將全景監控系統與BIM平臺相關聯，實現點對點定位，及時向全員發布安全監測狀態，以便于及時處置相關事件。

4.5 安全管理考核機制的優化

基于BIM+VR的燃氣場站安全管理考核機制，要以BIM平臺中的實際記錄為依據，不再僅僅以各類手寫登記表、檢查表等為依據，而是與安全管理制度、方案、信息登記表、運行狀態監測等以上系統中的記錄為依據，設置分級指標，分享詳細考核各級各類安全管理人員的工作質量和績效。

5 結語

綜上所述，在信息技術快速發展的時代，研究如何利用信息技術提升燃氣場站的安全管理水平具有很重要的現實意義和應用價值。基于BIM+VR的燃氣場站安全管理將BIM三維可視化模型與VR虛擬交互技術相結合，對傳統燃氣場站安全管理進行提升改造，優化了安全管理的流程和標準，實現燃氣場站安全管理信息共享與全景化監測，可以在不影響燃氣場站運行的情況下隨時進行可視化模擬疏散演練，并幫助燃氣場站工作人員全方位實時了解整個場站內外的安全狀況，將安全管理人員的考核標準化，從而激勵安全管理人員工作的積極性，有效提高燃氣場站安全管理效率，保障燃氣場站的安全運行。