基于BIM技術(shù)的地鐵深基坑安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警應(yīng)用研究*

裴巧玲，于 媛，莊辛宇

(西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院，陜西 西安 710043)

0 引言

近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)BIM技術(shù)在工程中的應(yīng)用進(jìn)行大量研究。如Mohamed等[1-2]提出可模擬動(dòng)態(tài)施工的Provisys模型。楊敏等[3]分析基坑支護(hù)不同設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，提出BIM 技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用設(shè)想，分析BIM技術(shù)需解決的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。楊繼波[4]運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)基坑工程進(jìn)行三維可視化模擬，結(jié)合Navisworks對(duì)基坑施工進(jìn)行全過(guò)程模擬，從而發(fā)現(xiàn)模擬施工中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并做出相應(yīng)預(yù)防控制措施。譚佩等[5]采用BIM和Navisworks技術(shù)實(shí)時(shí)查看地下連續(xù)墻圍護(hù)樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。牛文榀[6]采用Revit API二次開(kāi)發(fā)技術(shù)結(jié)合基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探索基于BIM技術(shù)的深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息化管理模式。王乾坤等[7]利用T-S模糊模型對(duì)基坑風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警進(jìn)行研究，并驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的有效性。

本文以成都地鐵火車(chē)南站深基坑項(xiàng)目為依托，借助Revit，Navisworks對(duì)某地鐵深基坑工程進(jìn)行施工模擬，辨識(shí)施工風(fēng)險(xiǎn)信息及基坑事故險(xiǎn)情，建立基坑風(fēng)險(xiǎn)信息及事故險(xiǎn)情量化指標(biāo)，并借助T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合模型檢驗(yàn)和訓(xùn)練量化指標(biāo)，以確定圍護(hù)樁風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值。

1 工程概況

成都地鐵火車(chē)南站標(biāo)準(zhǔn)段為3層4跨結(jié)構(gòu)，端頭為3層2跨結(jié)構(gòu)。該車(chē)站基坑標(biāo)準(zhǔn)段深23.65m、寬37.55m、線間距13.0m。車(chē)站共設(shè)3個(gè)出入口通道、2個(gè)緊急疏散出入口、2組風(fēng)亭。該火車(chē)南站與已建成地鐵1號(hào)線車(chē)站呈T字形換乘，東接高架橋、西接廣和一街、北臨既有綿成鐵路、南臨南站公交樞紐車(chē)站，車(chē)站呈東西向設(shè)置。地下第3層穿越正運(yùn)營(yíng)的地鐵1號(hào)線。

車(chē)站采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200mm@1 200mm鉆孔灌注樁+鋼支撐支護(hù)，樁頂設(shè)800mm×1 200mm冠梁，樁間掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)。除東端的～軸、～軸基坑設(shè)4道支撐外，其余均設(shè)3道支撐。①～⑥軸線的第1道為600mm×800mm鋼筋混凝土支撐，其余均為直徑609mm(t=16mm)的鋼管支撐，水平間距為3m，并在端部設(shè)置斜撐。火車(chē)南站標(biāo)準(zhǔn)段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

2 基于BIM的基坑安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警控制方法

本項(xiàng)目將 BIM 技術(shù)融入施工管理，通過(guò)Revit和Navisworks對(duì)工程施工狀態(tài)進(jìn)行模擬和演練，可形象、直觀地識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)信息及可能發(fā)生的事故險(xiǎn)情，并參照類(lèi)似工程、變形標(biāo)準(zhǔn)確定風(fēng)險(xiǎn)信息量化指標(biāo)。基于BIM動(dòng)態(tài)模擬和演練，獲取基坑項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)信息量化指標(biāo)及事故險(xiǎn)情的隸屬關(guān)系，并構(gòu)建T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合模型。基于BIM的風(fēng)險(xiǎn)控制流程如圖2所示。BIM技術(shù)融合施工管理可提高安全風(fēng)險(xiǎn)控制信息傳遞的深度與廣度，較好地滿(mǎn)足各參與方對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)信息的需求，有利于及時(shí)制定針對(duì)性強(qiáng)、可操作性高的安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施，以實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)立體控制。

圖2 基于BIM技術(shù)的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程

3 具體應(yīng)用

3.1 創(chuàng)建BIM信息模型

依據(jù)CAD圖紙和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用Revit 2016創(chuàng)建項(xiàng)目文件和族文件。將基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)CAD圖導(dǎo)入軟件中，其中鉆孔灌注樁使用結(jié)構(gòu)柱創(chuàng)建，混凝土冠梁、混凝土支撐使用混凝土梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)?chuàng)建，鋼腰梁、鋼管支撐與斜撐等使用相應(yīng)型號(hào)、材質(zhì)的梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)?chuàng)建，鉆孔灌注樁樁體位移測(cè)斜孔采用柱單元?jiǎng)?chuàng)建，通過(guò)導(dǎo)入基坑總平面圖生成地形表面，基坑土方開(kāi)挖通過(guò)建筑地坪實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)目基坑三維模擬如圖3所示。

圖3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型

創(chuàng)建模型時(shí)，需確保模型設(shè)計(jì)信息與真實(shí)構(gòu)件信息一致。地形表面需注意更新土壤剖面顯示樣式、土壤厚度信息，以匹配施工模擬場(chǎng)景。

3.2 施工模擬

該基坑工程既有建筑物密集、管線繁多、場(chǎng)地狹小，機(jī)械施工作業(yè)交替進(jìn)行，為確保施工安全，可借助Navisworks 軟件模擬基坑施工過(guò)程，以提前辨析項(xiàng)目隱含的風(fēng)險(xiǎn)源及時(shí)空沖突。基坑施工過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬如圖4所示，直觀再現(xiàn)基坑土方開(kāi)挖及圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，模擬過(guò)程可從三維可視化視角考察基坑施工空間幾何位置能否滿(mǎn)足要求，相鄰鋼管與鋼腰梁間空間位置是否存在沖突等。工程師可在模擬過(guò)程中進(jìn)行預(yù)判，并可結(jié)合實(shí)際模擬過(guò)程提出解決預(yù)案。

圖4 基坑施工過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬

3.3 4D施工進(jìn)度模擬

借助Navisworks軟件中的TimeLiner模塊，將施工進(jìn)度計(jì)劃賦予各模型圖元，實(shí)現(xiàn)4D施工進(jìn)度模擬。通過(guò)4D施工進(jìn)度模擬，以不同顏色區(qū)分各施工階段計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度差異，分析滯后的工序并找出原因，掌握施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)信息，提前判斷可能的風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)采取控制風(fēng)險(xiǎn)的措施。通過(guò)項(xiàng)目動(dòng)態(tài)模擬，并參照文獻(xiàn)[8-10]的變形標(biāo)準(zhǔn)，確定項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)信息與事故險(xiǎn)情隸屬關(guān)系如表1所示。

表1 基坑風(fēng)險(xiǎn)信息與事故險(xiǎn)情隸屬關(guān)系

3.4 安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控

基于圍護(hù)樁風(fēng)險(xiǎn)信息與失穩(wěn)破壞的事故險(xiǎn)情，構(gòu)建T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合模型。T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分前件網(wǎng)絡(luò)和后件網(wǎng)絡(luò)，前件網(wǎng)絡(luò)分4層：①第1層 輸入N1～N8信息數(shù)據(jù)；② 第2層 對(duì)輸入的變量進(jìn)行模糊分割，計(jì)算各變量的隸屬度函數(shù)，本文中采用高斯函數(shù)作為隸屬度函數(shù)；③第3層 確定規(guī)則的適用度；④第4層 將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行歸一化處理。后件網(wǎng)絡(luò)由r個(gè)相同的并列子網(wǎng)絡(luò)組成，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生1個(gè)輸出量。將圍護(hù)樁風(fēng)險(xiǎn)信息與樁失穩(wěn)破壞的事故險(xiǎn)情進(jìn)行模型融合檢測(cè)與訓(xùn)練后，兼顧基坑項(xiàng)目與既有建筑物、管線干擾情況，GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》等因素，確定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(見(jiàn)表2)[11-14]。

表2 圍護(hù)樁風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警對(duì)照

基于Revit平臺(tái)載入監(jiān)測(cè)信息管理.dll插件，導(dǎo)入基坑監(jiān)測(cè)信息源，設(shè)定基坑風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值和危險(xiǎn)等級(jí)，系統(tǒng)經(jīng)信息處理后，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，在BIM信息模型中以不同顏色進(jìn)行標(biāo)識(shí)，判別施工安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合成都地鐵火車(chē)南站基坑項(xiàng)目，基于BIM技術(shù)構(gòu)建基坑安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警框架，進(jìn)行基坑BIM模型模擬，從而辨析隱含的風(fēng)險(xiǎn)源。進(jìn)行4D模擬施工后，標(biāo)識(shí)進(jìn)度滯后工序，研判工序滯后原因，并提前對(duì)可能的風(fēng)險(xiǎn)作出預(yù)判并制訂預(yù)防方案。界定施工事故風(fēng)險(xiǎn)險(xiǎn)情及風(fēng)險(xiǎn)信息量化指標(biāo)，根據(jù)T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合模型確定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并在BIM界面中加以標(biāo)識(shí)反饋，從而實(shí)現(xiàn)基坑安全風(fēng)險(xiǎn)立體控制。