基于BIM的地鐵盾構吊裝風險預控技術研究

宗秋雷 楊楊 張雨果 毛思晴 何華剛

(1.中國水利水電第七工程局有限公司 成都 610000； 2.中國地質大學(武漢) 武漢 430074)

0 引言

近年來我國地鐵工程建設呈現蓬勃發展態勢，截止2019年1月，中國大陸軌道總運營距離為5 027.36 km[1]。然而隨著工程建設的發展，地鐵施工安全事故也呈上升趨勢。其中，盾構吊裝作業作為施工過程中不可回避的施工難題之一，存在作業環境復雜、交叉作業多、作業盲區多的特點，致使盾構吊裝作業風險較高，一旦發生事故必將造成嚴重的人員傷亡和財產損失。而BIM技術具有可視性好、模擬性強、共享性高的特點，通過三維建模進行施工模擬和建筑構件參數化設計，可以預先獲得吊裝作業的風險信息，完成基于BIM平臺的風險預先評估，從而實現盾構吊裝作業風險預控目標。

1 盾構吊裝風險辨識

風險辨識是風險評估的基礎，為全面辨識盾構吊裝作業中的各項風險，本文采用WBS-RBS風險耦合矩陣方法進行風險辨識。WBS(Work Breakdown Structure)是指工作分解結構，RBS(Risk Breakdown Structure)是指風險分解結構，將二者交叉構建形成耦合矩陣，能夠對每項作業存在的風險進行一一辨識[2]，風險耦合矩陣如圖1所示。

圖1中將盾構吊裝作業進行工序拆分，共拆分得出包括端頭加固、拖車吊裝等20道工序。同時，將盾構吊裝作業風險劃分為設計風險、管理風險、技術風險、環境風險，以作業工序為行，風險為列，形成矩陣。矩陣中的“1”表示該作業與該風險呈現相關性，“0”表示呈現弱相關或無關，如第一行第一列表示端頭加固存在環境地質風險。

圖1 耦合矩陣

2 盾構吊裝風險清單

基于WBS-RBS的風險辨識方法給出了盾構吊裝作業風險辨識清單的總綱，為進一步細化作業風險清單，本文對近年來我國發生的246起地鐵施工事故進行事故類型分析，如表1所示，同時對上述事故中與盾構吊裝作業有關的事故調查報告進行分析，在總體地鐵安全事故的背景下提煉吊裝安全事故風險因素。

表1 事故類型

表1表明地鐵安全事故類型近一半為坍塌，其次為高處墜落、物體打擊等。因此在吊裝作業中需要著重關注吊車傾覆以及基坑結構破壞等風險因素。在事故類型分析的基礎上，通過對事故調查報告進行調研得出吊裝作業的風險清單如表2所示。

表2 盾構吊裝典型風險

通過事故調查報告調研分析，在W11—W15中選中部分典型風險因素進行清單展示，結果顯示吊裝作業中典型的坍塌、高處墜物等事故與地鐵施工事故類型統計較為符合。

3 基于BIM參數化設計的風險評估

為便于對吊裝作業中存在的風險進行高效防控，需要對作業風險進行評估并分級，以便于采取有的放矢的防控策略。本文采用改進LEC方法進行風險定量評估。如下式所示：

D=L×E×C×R

式中，D為作業過程對象的風險值；L為事故發生的可能性分值；E為在危險環境中暴露的頻繁程度分值；C為可能發生的事故嚴重程度的分值；R為修正系數，與工程項目規模、現場負責程度以及風險承受相關。

在確定風險定量評估方式之后，進行基于BIM平臺的參數化設計，即在三維模型構建完畢后，對每項作業活動對象進行L、E、C、R的參數設計，使得項目管理人員能夠對作業對象進行參數賦值，作業對象在BIM平臺中具有與風險因素相關的類型參數，如表3所示。

表3 刀盤參數化設計

表3中以刀盤構件為例進行了參數化設計，當項目管理人員根據項目實際情況進行參數評估之后，刀盤對應的風險值信息自動生成，實現BIM平臺上的風險信息集成，在信息錄入之后可利用BIM明細表功能生成施工場地內所有風險信息明細表，實現風險信息的明細化管理。圖中分值依據參照現有LEC評價法研究[3]。

4 基于BIM平臺的風險預控

在完成盾構吊裝作業分析、風險清單辨識、風險評估工作后，為有效預防吊裝作業中的潛在重大風險，將構建的三維模型導入Navisworks中，建立BIM 4D模擬平臺，實現對吊裝作業全過程的施工模擬[4]。同時，針對上述風險評估結果，對各項作業可能導致的事故做出預先防控措施，以文本文檔、圖片、視頻等信息形式，借助BIM中的外部鏈接功能實現吊裝作業風險與BIM平臺的結合，如圖2所示。

圖2 BIM 4D風險預控平臺

圖中以刀盤為例，左側為盾構機三維模型，右側包括外部鏈接下的刀盤實圖、風險控制措施信息以及Navisworks中構建的吊裝作業時間序列，上述模塊共同構成了BIM 4D風險預控平臺。結果顯示，該平臺在施工模擬模塊驅動下實現了吊裝全過程模擬，在模擬過程中通過外部鏈接模塊實現了施工工藝、盾構體實圖以及風險信息的查閱，據此能夠發現現有風險控制方案的不足，完善相應控制手段，實現BIM平臺上的風險預先控制目標。

5 結論

(1)運用WBS-RBS風險耦合矩陣法對盾構吊裝的風險清單進行了系統的辨識，同時對地鐵施工事故案例與調查報告進行分析，細化了盾構吊裝風險辨識清單，為基于BIM平臺的吊裝作業風險評估奠定了基礎。

(2)利用BIM參數化設計完成了對三維模型的風險評估信息集成，同時搭建BIM 4D平臺完成了對盾構吊裝作業的施工模擬，通過預先演練相應的施工流程，優化盾構吊裝施工組織及流程，完善現有風險防控方案存在的缺陷與不足，完成對吊裝作業風險的預先防控，為做好信息化風險防控指明了方向。