基于BIM技术的隧道基坑施工安全信息化管理及应用

李博，马云东，王林峰

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000； 2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028； 3.中铁九局 第四工程有限公司，辽宁 沈阳 121000)*

基于BIM技术的隧道基坑施工安全信息化管理及应用

李博1，2，马云东2，王林峰3

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000； 2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028； 3.中铁九局 第四工程有限公司，辽宁 沈阳 121000)*

为了及时发现基坑施工中潜在的安全隐患，动态控制施工过程，对施工过程进行安全信息化管理非常必要.结合成都地铁7号线狮子山站基坑施工项目，基于BIM技术，应用Autodesk Revit软件建立了基坑施工安全信息模型；与实际进度计划和施工方案结合，对施工过程进行了4D施工模拟和空间碰撞检测；利用LEC法分析出重大危险源，将现场实时监测数据反馈到安全信息模型中，实现了更及时、直观、高效的施工安全管理.

基坑施工；安全信息化管理；BIM；4D模拟；空间碰撞检测

0 引言

地下空间和轨道交通的快速发展使得隧道基坑开挖深度逐渐加大，施工风险不断增加.同时基坑开挖施工是一个复杂的动态过程，现场交叉作业较多，极易出现时空安排冲突，带来安全管理隐患；而传统的安全管理多采用现场巡视方式，信息传递不够及时和准确.为了及时发现基坑施工中的风险，动态控制施工过程，充分保证施工安全，迫切需要结合先进技术从信息化角度对项目进行科学高效的安全管理.

BIM(Building information modeling) 是一个以可视化技术和数字化技术为基础，来管理建设项目有关信息的方法[1].相关技术已得到多方面应用，如结合BIM 和RFID 进行施工现场工人实时定位与安全预警[2]；4D模型用于安全防护措施的可靠性分析[3]和安全防护措施配置[4]、将 VP(Virtual Prototyping)可视化技术用于工人安全培训[5],及在建结构的稳定性分析[6]等.上述研究针对工人的不安全行为、安全防护措施规划、设计不安全状态检测及安全培训等，为施工现场安全管理提出了相应的解决方案.

而充分利用 BIM 虚拟建造可视化特点，结合施工区域危险源识别和实时数据监测，动态、准确指导安全施工，则是施工安全信息化管理的可靠尝试.

本文结合在建的成都地铁7号线狮子山站基坑施工项目，研究BIM技术在隧道基坑施工空间安全管理中的应用，首先建立BIM安全信息模型，根据实际进度计划，制定施工空间检测规则，辨识重大危险源，确定基坑各区域安全级别，对现场安全管理给予直观指导.

1 工程概况

成都地铁7号线位于成都市区二环、三环路之间，线路全长38.6 km，全线为地下线，沿线经过火车南站、火车东站、火车北站三个主要的铁路交通枢纽.狮子山站地处锦江区狮子山附近，有效站台长303.5 m，标准段宽度21.1 m，带配线站.车站结构类型为地下二层双柱三跨矩形框架结构，维护结构型式为旋挖桩加内支撑，施工方法为明挖顺筑施工.车站总建筑面积为14 543 m2.站台型式为“岛式”.车站顶板埋深3.36～5.11 m，底板埋深15.71～17.46 m.由于其周边环境复杂且处于住宅密集区，随基坑开挖投入的设备有挖掘机、运土车、运输车、汽车吊等，施工作业难度较大.

2 基于BIM的基坑施工空间安全管理方法

基坑施工工程是由一些复杂工序相互交织所构成的一个动态系统，施工管理也需要对施工空间、时间、机械用具等诸多因素进行共同管理.表1所示为常见的时空冲突类型、原因及具体解决方法.

表1 时空冲突类型、原因及解决方法

2.1 BIM建模

首先应用BIM软件，基于施工实际图纸建立施工主体模型，主要包括建筑模型、机械模型、结构模型和管道模型.在模型中显示出建筑结构、管线等构件的材料、尺寸、进度和安全等参数，并确定相关属性[7].完成主体模型后，建立施工模型，准备进行空间碰撞检测.例如对于一些水平运输工具(挖掘机、炮锤机、运土车等)，可依据其运动特性将其可旋转的部分经过旋转后所形成的整体模型呈现出来.最后，根据安全分析建立BIM安全信息模型，将建筑几何信息、物理信息、危险源信息，直观呈现出来.

2.2 4D虚拟施工技术

4D虚拟施工技术是在建筑3D模型基础上，链接施工进度计划，以此为时间因素，进行施工全过程的动态模拟.利用信息传递提前进行施工场地的布置、管理材料的堆放、预演机械行进路线以及协调人员作业半径，从而实现虚拟环境下基坑开挖施工全过程的模拟.

2.3 空间冲突管理

对于基坑施工而言，空间是一种非常有限的资源.而空间运用是否合理及协调各个作业之间的空间使用是保障安全的重要方面.空间冲突检测能够找出空间重叠碰撞，避免危险事故的发生.

2.4 安全区域的划分

在预先施工模拟过程中对各个区域的危险等级进行划分，并将相应的评价结果反馈到模型界面，按不同颜色来描述区域的危险程度从而指导施工.

3 工程应用

3.1 BIM建模

根据建筑设计CAD图纸和实际施工情况，应用Autodesk Revit软件，创建Revit样本文件和自定义族文件，建立建筑、结构、管线和机械模型，模型中涵盖完整的设计信息、施工信息、需求信息叙述.设计信息主要为：构件名称、类型、工程边界、材料性能等；建筑信息主要为：进度计划、作业机械分配、施工方案和人员投入、材料资源消耗等；需求信息主要为：施工空间和机械路径需求信息等，最终形成BIM安全信息模型.图1为狮子山站B出入口三维模型.

图1 B出入口三维模型

3.2 4D模拟施工

在集成了BIM安全信息模型后，对Revit软件建立的“rvt”文件进行导出、保存、处理，生成“nw”文件；应用Navisworks软件(TimeLiner功能)，进行模型链接，将三维综合模型各构件与实际进度计划和最佳施工方案结合，对整个施工过程进行模拟，图2为施工过程模拟图，可以直观再现项目建造和建筑的“生长”过程.

图2 施工过程模拟

3.3 空间碰撞检测

根据建立的BIM安全信息模型进行碰撞检测，主要检测构件之间是否存在穿插和相互重叠，人、机、环境安排是否合理，并生成检测报告、提交设计修改意见，在施工前预测和避免潜在的问题.图3为实际项目中，在建立3D综合模型并附加进度计划后，施工时在基坑下挖掘机和支撑之间的冲突碰撞.由于大挖掘机作业时旋转半径过大，而基坑作业空间有限，所以将大挖掘机用小挖掘机替代，适当合理的减少部分支撑，待空间许可后迅速恢复支撑.图4为碰撞检测实现过程.

图3 挖掘机与钢支撑之间的冲突

图4 检测碰撞实现过程

3.4 施工区域危险源辨识与安全管理

在实际施工之前，通过辨识危险源，确定重点检测工序和部位.针对狮子山站运用LEC法进行基坑施工危险源辨识，如表2所示.根据辨识结果不断地对施工现场进行数据监测，监测项目为地表沉降、支撑轴力、桩体位移、桩顶位移和建筑物位移，狮子山站实时监测数据如表3所示.在BIM安全信息模型中反馈监测数据，与临界值进行对比，判断该测点是否处于安全状态，进行施工区域危险分级，针对某个级别的危险区域，明确所应禁止的工序；人员、机械需要避开的区域，对现场施工给予直观安全指导.

表2 危险源辩识与风险评价表

表2 危险源辩识与风险评价表(续表)

表3 监测数据

4 结论

结合成都地铁7号线狮子山站基坑施工工程，应用BIM技术建立安全信息模型，进行4D模拟施工，从而可以检验施工方案、设计缺陷和进度计划等；进行施工空间碰撞检测找出了可能存在的时空冲突问题；界定了施工现场的危险区域，根据现场监测数据，结合实际施工进度，进行施工区域危险分级，并在BIM 模型界面中加以体现，使得施工作业各阶段都能够得到现场安全状态的及时反馈，从而完成信息传递并最终实现信息化安全管理.将BIM技术应用到基坑施工中可以实现更及时、高效的安全管理.

[1]陈丽娟.基于BIM的地铁施工空间安全管理研究[D].武汉：华中科技大学，2012．

[2]郭红领，于言滔，刘文平，等.BIM和RFID在施工安全管理中的集成应用研究[J].工程管理学报，2014，28(4)：87- 92．

[3]胡振中，张建平，张旭磊．基于4D施工安全信息模型的建筑施工支撑体系安全分析方法[J]．工程力学，2010，27(12)：192- 200．

[4]BENJAORAN V，BHOKHA S．An integrated safety management with construction management using 4D CAD model[J]．Safety Science，2010，48(3)：395- 403．

[5]GUO H L，LI H， CHAN G，et al.Using game technologies to improve the safety of construction plant operations[J]．Accident Analysis and Prevention，2012，48：204- 213．

[6]张建平，胡振中．基于4D技术的施工期建筑结构安全分析研究[J]．工程力学，2008，25(S2)：204- 212．

[7]李海涛.基于BIM的建筑施工安全管理研究[D].郑州:郑州大学,2014.

Safety Information Management and Application of Tunnel Foundation Pit Construction based on BIM Technology

LI Bo1，2,MA Yundong2,WANG Linfeng3

(1.College of Safety Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 2.School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 3.Fourth Engineering Branch,China Railway No.9 Group Co.,Ltd,Shenyang 121000,China)

There are more cross operation in foundation pit project, and the conflict between space and time is easy to occur at the construction site. In order to discover the potential hazard in excavation engineering in time and control construction process dynamically, it is necessary to carry out safety information management. Based on BIM technology, the safety information model of foundation pit construction is established, combined with the foundation construction engineering of Lion mountain station of Chengdu Metro Line 7 by applying Autodesk Revit. The 4D construction simulation of construction and space collision detection are carried out. The major hazard sources are analyzed by using LEC, method and the real-time monitoring data is fed back into the safety information model. The safety realized management in construction is more timely, intuitive and efficient.

foundation pit project;safety information management;BIM;4D construction simulation;space collision detection

1673- 9590(2017)03- 0084- 05

2016- 07- 30

辽宁省教育厅高等学校科学研究计划资助项目 (L2014177)

李博(1975-)，女，副教授，博士研究生，主要从事隧道与地下结构工程安全技术研究E-mail:libo116028@163.com .

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