基于BIM的昌平地铁南延线安全风险管理方法与应用*

李海生，矫悦悦，孙 明，刘占省，徐骏青

(1.中铁二十二局集团有限公司，北京 100043； 2.北京工业大学，北京 100124)

0 引言

随着BIM技术的发展，BIM技术应用的层次逐渐加深，范围逐渐广泛，BIM 技术在地铁建设过程中不断涌现创新点。严小卫等[1]基于哈尔滨地铁3号线哈平路地铁车站下穿既有地道桥施工项目，采用BIM技术和有限元分析联合深化设计方案，提出基于BIM技术的城市地铁车站建设施工联合设计管理方法；何高峰等[2]以南宁地铁2号线为例，利用Revit的API进行二次开发，建立隧道BIM结构模型和基于地质数据库的三维地质模型，实现BIM在复杂地质环境下地铁隧道三维可视化、结构分析及安全预警预报；张勇等[3]以吉隆坡地铁车站为例，介绍BIM技术在地铁车站施工阶段的应用，主要包括施工模拟、进度管理、碰撞检查与协调、土石方开挖作业模拟、钢筋模型建立等，体现BIM技术在施工阶段的优势；张康宁等[4]以北京地铁19号线平安里站为依托，研究基于BIM的施工进度管理；周少东等[5]依托武汉地铁2号线中南路地铁车站项目，详细介绍施工过程集成管理系统的构建过程和各功能模块应用，通过系统实施反映集成管理效果，体现基于 BIM 的集成管理应用价值和发展前景；李钰等[6]基于BIM数据平台，综合运用虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、智能穿戴设备、物联网、区域网络通信、射频识别(RFID)等智能化技术，对地铁施工阶段施工方主体人员的安全行为进行探究，构建合理的信息化安全管理体系。

综上所述，虽然BIM技术在地铁应用中已较广泛，但应用在地铁施工安全方面的研究较少。因此本文以地铁施工安全问题为研究对象，基于在建昌平线南延工程，对建设过程中的安全风险进行分析，针对地层位移风险、管线老化改移风险、沉降变形风险等问题，采用BIM技术对安全风险进行管理研究，制定解决方法，包括引入新工艺、VR技术；建立管线4D模型、定制化族库；建立监测平台。

1 工程概况

北京市轨道交通昌平线南延工程呈南北走向，北始西二旗站，南达蓟门桥站，全线长12.6km。远期与9号线融汇运营，是北京市南北方向的主要客运路线，将串联多条地铁运营路线。

西土城站、学院桥站—西土城站区间(简称学西区间)、10号线西土城站改造为本工程的3个工点。分别采用四导洞PBA工法、矿山法、盾构法、PBA工法、明挖法施工。

2 风险识别

根据BIM模型，提取昌平地铁安全风险信息，以分解WBS-RBS(work breakdown structure-resource breakdown structure, 工作分解结构-资源分解结构)，进行安全风险识别。以RBS作为横向，WBS作为纵向，构建WBS-RBS耦合矩阵，对分析对象所有风险因素进行识别。

2.1 WBS分解

地铁施工的整个过程可划分为土方工程W1、模板工程W2、钢筋工程W3、脚手架工程W4、盾构工程W5等环节，WBS分解如图1所示。

图1 地铁施工作业分解

重要建(构)筑物坍塌、基坑围护结构(坍塌)、脚手架变形或坍塌、副环拆除坍塌、隧道坍塌等事故一旦发生，会造成严重的财产损失及人员伤亡；土方滑坡、工程机械中挖机被掩埋或倾翻、焊接作业时发生火灾、切割与弯曲作业时发生机械伤害等是发生频率最高的。以上危险源在进行地铁施工安全管理时需重点防范，加强管控。

2.2 RBS分解

地铁施工安全风险指标种类按照不同特征，可划分为技术风险R1、周边环境风险R2、管理风险R3、施工风险R4，RBS分解如图2所示。

图2 地铁施工风险分解

2.3 构建WBS-RBS耦合矩阵

对地铁施工中的安全风险进行WBS-RBS分解，如表1所示，根据耦合矩阵分析结果，需注意土方工程W1、周边环境风险R2等。结合昌平地铁项目特点，提炼总结分解结果，应重点管控地层位移、管线老化改移、沉降变形风险，且分析得到的风险与施工重难点一一对应。

表1 地铁风险WBS-RBS分解

3 项目风险分析

3.1 地层位移风险

北京地铁建设中，地铁隧道、车站、联络通道等工程建设环境日益复杂，且本项目施工影响范围内存在运营地铁、文物古建、桥梁、地下管线、重要建筑等，加之地质情况复杂，存在砂性含水地层，需严格控制地层位移，保护地下水资源，否则会破坏周边环境。

3.2 管线老化改移风险

新建车站上方2.3m处平行结构存在直径1 500mm 的污水管，此管道建设投产于20世纪50年代，自身腐蚀严重，常年带压运行。此外，需改造既有地铁10号线车站，改造情况复杂，在运营过程中施工，需改移大量管线设备及转换使用功能。

3.3 沉降变形风险

新建车站部分结构下穿元大都遗址，根据国家文物局要求，需重点保护该遗址，控制沉降变形。

学西区间盾构工法下穿既有地铁10号线车站，拱顶距既有车站底仅2m，施工过程中需控制车站沉降及变形。BIM技术可提供工程风险源识别、风险分析、风险管理[7]。利用BIM 技术可针对各施工部位存在的隐患及不同施工设计方案建立规范的管理手段，如建立仿制模型、监测平台等，以动态监测各种安全隐患。由于BIM高效的仿真特性，目前已成为安全管理风险最高效、最迅速的方式。

4 基于BIM的地铁施工安全风险管理框架

对地层位移、管线老化改移、沉降变形风险等问题，采用BIM进行管理研究，制定解决方法，包括引入新工艺、VR技术；建立管线4D模型、定制化族库；建立监测平台，并提出基于BIM的地铁施工风险安全管理框架(见图3)。

图3 基于BIM的地铁施工安全风险管理框架

5 BIM在地铁施工安全风险管理中的应用

由于本项目涵盖面广、战线长、工作内容复杂、施工工艺多，给安全管理带来困难，利用BIM可视化、动态化、协调性、模拟性和优化性等优势，可提高安全管理效果[8]。

5.1 地层位移风险的解决办法

1)新工艺的引入与VR技术模拟 本工程新建车站采用冻结止水法，重点针对特定含水土、岩层内，通过人工制冷处理，实现有效冻结，提升抗压参数，避免土体自身状态的负面影响，配合冻结壁完成地下作业。

2)基于BIM的冻结施工工艺模拟 结合BIM技术模拟冻结施工工艺，指导冻结施工的设备选型、组织、施工布置、管片拆除及冻土开挖等工艺流程，为施工人员提供精确、直观的工艺流程。可提高工人对施工步骤的熟练程度、工艺精细程度，规避因施工操作不当造成的安全风险问题。开挖前、后的冻结管归集工艺模拟如图4所示。

图4 冻结管归集工艺模拟

3)基于BIM+VR技术的环境体验 BIM+VR技术中，建筑实体在工程实施前通过计算机交互式、动态式进行仿真模拟，使该实体具有可视化、可交互等特性。地铁施工方案应根据实际情况进行设计，必须考虑构造的复杂性、功能特性及地质环境等综合因素。设计方案若存在遗漏或不足，需要把建设完成后的结构实体化，通过逼真的画面场景刺激大脑，进而有效改进该方案。安全管理是随时变化的动态施工过程，施工现场随施工进度不断推进，采用BIM+VR技术对相关人员进行冻结施工过程的实景展示，模拟施工阶段冻结现场的布置情况，使施工人员直观观察具体情形，以实体化动态的方式向工程人员进行展示，大大提高培训效果、降低风险、提高施工效率、降低建设成本。

5.2 管线4D模型的建立

本项目地下管道错综复杂，地铁在施工过程中会破坏和影响附近区域，因此管线老化改移风险至关重要。通过建立BIM4D模型等，避免施工事故。4D模型是在3D建筑信息模型的基础上增加时间维度的模型，从而构成建筑全寿命周期建模。4D模型的建立主要包括定制化管线族库、3D模型搭建和时间维度扩展方面，可解决管线老化改移风险等问题[9-10]，如图5所示。

图5 4D模型建立流程

管线定制化族库是根据拟建地铁工程实际情况，对涉及管线进行的模型定制。为提高地铁施工管线改移的安全管理水平，在定制化族库建立过程中，将安全风险因素的危险源、危险等级作为基本属性，添加进对应定制化族库模型中，并以可区别的颜色进行标示。根据地铁施工安全风险关联分析得出的管线改移为较频繁事故，因此，将管线改移作为事故标签，频繁作为安全风险概率标签，集成到族库基本属性上，并用不同颜色进行表示，建立定制化管线族库，为地铁施工安全信息化管理打好基础。

根据二维施工场地布置图纸搭建3D模型，对主要施工场地、地质条件、周围环境进行建模，建立与施工现场完全一致的BIM模型，同时将管线定制化族库添加至模型。施工现场全要素建模依靠3D模型搭建，是4D模型建立过程中最主要的部分。

时间维度扩展可为全流程管理创造条件。根据施工组织设计和实际施工进度，建立时间与施工场地布置3D模型的关系清单，该清单可反映施工场地任意时点的布置情况。将清单信息反映在3D模型上，即建立各时间点对应的3D模型。将所有3D场布模型按时间顺序进行串联，使静态的3D模型在时间维度内扩展，完成4D模型的建立。

5.3 监测平台的建立

建立基于BIM的实时监测平台，传感器监测沉降风险地点的应变、变形。为实现实时监测、动态控制、风险评估目标，以终为始，以功能层、平台层、数据层、网络层、物理层的逆向顺序设计各层级内容。建好后再以物理层、网络层、数据层、平台层、功能层的正向顺序实现数据传输，最终展示于平台层，实现实时监控、高效运维、风险评估[11]。监测平台模式架构如图6所示。

图6 监测平台模式架构

建立基于BIM的三维监测平台，是将周边建筑物、地下管线等纳入监测平台，为施工过程提供实时、可靠的信息，通过实时监测地铁施工对周边环境造成的影响，保证施工安全。通过地下管线模型实时掌握管线转换进展及数据信息，从源头控制危险事故的发生。

本项目设有基于BIM的三维自动监测平台，可自动监测施工数据、信息等，并实时查询、存储在建项目信息。还设有云采集平台，可多方面采集在建项目所在地理、外部环境，传感器数据与要素等信息。

6 结语

1)本文以地铁施工过程中的安全风险为研究对象，依托在建北京市轨道交通昌平线南延工程，对地层位移、管线老化改移、沉降变形等主要风险进行详细分析。

2)从风险出发，结合BIM提出关于地铁施工安全管理的方法，并详细阐述冻结止水法、BIM+AR技术、管线4D模型、监测平台应用技术等。

3)将BIM应用于地铁施工安全管理领域，可提高对地铁施工安全风险的预警和控制能力，拓展地铁施工的安全风险管理手段。