基于BIM技術的隧道施工風險信息管理研究

許磊磊 師永翔

(1.中交武漢智行國際工程咨詢有限公司 武漢 430000； 2.山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司 太原 030000)

交通行業(yè)快速發(fā)展，隧道工程不斷增多，其具有施工難度大、危險系數(shù)高等特征，當前我國隧道建設已進入高難度、高技術、高數(shù)量、高風險的時期。隧道工程是一項開放性的系統(tǒng)，很容易受到不確定因素的影響，給項目工程的質量、安全和進度帶來影響，使用科學的風險應對技術降低風險的可能性是隧道施工順利進行的關鍵，同時也是項目參建方的工程目標[1-3]。因此，應當加強隧道工程施工的風險管理工作，創(chuàng)新風險管理方式手段，充分利用信息技術提升風險管理水平，提高風險管理能力，降低各種風險因素給隧道施工帶來的影響[4-7]。

BIM作為一種信息技術，在全壽命期內通過集成各種信息工程數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)各參與方之間及相關應用軟件之間的信息交流和共享，進行科學有效的風險管理，提高項目整體質量[8-9]。本文以隧道工程為對象，研究建立隧道施工進度風險、質量風險、安全風險等施工風險信息模型構建方法，然后分析研究BIM應用于隧道施工進度風險、質量風險、安全風險與動態(tài)風險預警管理，提升基于BIM技術的隧道工程施工風險管理信息化水平。

1 施工風險管理中存在的問題分析

1.1 進度管理風險

項目實施過程中任何不利的環(huán)境因素都有可能對項目進度產(chǎn)生影響，例如，施工進度計劃不合理、設計缺陷、現(xiàn)場人員的素質、溝通和銜接不暢、施工環(huán)境的影響等問題都可能給進度管理帶來風險[10-11]。這些問題是由傳統(tǒng)進度管理方法本身的局限性造成的，由于二維CAD設計的項目形象性差、網(wǎng)絡計劃抽象，往往難以理解和執(zhí)行；二維圖紙不方便各專業(yè)之間的協(xié)調溝通，傳統(tǒng)項目管理方法注重經(jīng)驗，無法做到規(guī)范化和精細化管理；增加項目進度檢查頻率和加強管理，只能在一定程度上降低問題發(fā)生的概率，難以從根本上解決。

1.2 質量與安全風險

工程項目的建設是一個系統(tǒng)、復雜的過程，需要多種專業(yè)、工種之間相互協(xié)調。在工程實際中往往會出現(xiàn)各種問題，嚴重影響工程項目的質量安全。施工人員專業(yè)技能不足、材料的使用不規(guī)范、不按設計或規(guī)范進行施工、質量效果無法預估、各個專業(yè)工種相互影響等都會給項目實際實施帶來質量與安全方面的風險。

1.3 風險預警管理

項目風險預警的過程，一般由風險識別、風險分析、風險計劃、風險跟蹤、風險控制，以及風險溝通等若干個階段組成，這些階段相互作用，與項目管理其他領域，如：成本管理、工期管理、安全管理、質量管理等方面相互影響。在風險管理行為中通常很少進行各風險關聯(lián)性判斷、內外部環(huán)境風險分析，更加缺乏對風險的整體化管理理念的應用，由于風險預警系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)性，不具有動態(tài)實時性，嚴重影響到風險管理過程的工作效率和質量。

1.4 技術風險

在傳統(tǒng)的二維CAD設計中，二維圖紙無法真實直觀地表現(xiàn)設計對象，難以表達更多的數(shù)字化信息，在項目不同階段，容易造成信息流失，更是無法表達構件的空間拓撲關系。此外，工程設計涉及多個專業(yè)，各個專業(yè)之間分工明確，合作卻很模糊，專業(yè)各自圖紙都是正確的，合在一起就可能存在問題，如不同專業(yè)的內容互相“沖突”，造成設計效率與質量低下。

2 基于BIM技術的風險信息管理整體架構

2.1 基于BIM的施工風險管理模型構建

本節(jié)基于BIM技術的可視化、信息集成性特點，研究建立隧道施工進度風險、質量風險、安全風險等施工風險信息模型構建方法和集成應用技術，進而利用BIM技術提升整個項目信息化風險管理水平。

1) 進度風險信息模型構建。構建隧道BIM模型圖見圖1，將計劃進度及實時采集的實際進度數(shù)據(jù)賦予模型，生成計劃進度信息模型和實際進度信息模型。在模型環(huán)境中，研究實現(xiàn)項目4D虛擬施工、可視化進度查詢、進度偏差分析、關鍵工作及關鍵線路分析、工程量進度統(tǒng)計等進度管理方法。通過動態(tài)優(yōu)化調整、實時跟蹤、可視化展示計劃及實際進度狀態(tài)，使得有效控制進度風險。

圖1 隧道施工BIM模型

2) 質量風險信息模型構建。將現(xiàn)場質量問題數(shù)據(jù)及質檢文檔資料賦予模型，生成質量信息模型。在模型環(huán)境中，研究實現(xiàn)現(xiàn)場質量問題協(xié)同的數(shù)據(jù)流信息化及質檢資料結構化等質量管理方法。通過手機端采集、短信預警推送、問題處理閉合、按類歸檔等動態(tài)管理手段，有效控制質量風險。

3) 安全風險信息模型構建。將現(xiàn)場安全問題數(shù)據(jù)及安全交底文檔資料賦予模型，生成安全信息模型。在模型環(huán)境中，研究實現(xiàn)現(xiàn)場安全問題協(xié)同的數(shù)據(jù)流信息化及安全交底資料結構化等安全管理方法。通過手機端采集、短信預警推送、問題處理閉合、按類歸檔等動態(tài)管理手段，有效控制安全風險。同時，利用人員定位和視頻監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)在模型環(huán)境中集成現(xiàn)場施工人員、環(huán)境的動態(tài)風險監(jiān)控。

4) 風險預警信息模型構建。將監(jiān)控量測、地質預報的定量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場風險巡檢的定性數(shù)據(jù)，以及動態(tài)風險綜合評估數(shù)據(jù)賦予模型，生成風險預警信息模型。在模型環(huán)境中，研究實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場風險識別與采集、風險判斷、風險預警短信發(fā)布、風險問題處理與整改閉合等風險預警的數(shù)據(jù)流。

5) 技術風險模型構建分析。結合隧道施工管理需求，利用BIM技術可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性等手段，對二維圖紙進行三維施工深化設計，在最大程度上解決圖紙的“錯、漏、碰、缺”等問題。同時建立能真實描述施工方案的三維數(shù)字模型，包括施工方案的虛擬布置場地和施工工序的環(huán)境模型、施工方案虛擬建造的工程結構實體物的結構模型示例，見圖2和圖3，施工方案采用的機械設備、模板、模具等作業(yè)設施的施工設施模型示例見圖4。在模型環(huán)境中，研究實現(xiàn)基于BIM的施工圖深化設計、施工技術方案編審、施工方案模擬和施工方案可視化交底的技術應用，提高技術風險控制效率。

圖2 隧道初期支護與拱底土石方模型

圖3 隧道仰拱及填充混凝土模型

圖4 仰拱臺車模型

2.2 BIM風險信息管理系統(tǒng)架構

針對隧道工程施工動態(tài)風險管理信息化需求，利用構件級的施工信息模型，結合GIS、Web、物聯(lián)網(wǎng)、跨平臺短信推送、移動終端等新技術手段，融入項目施工進度風險、質量風險、安全風險及風險預警管理的業(yè)務數(shù)據(jù)流，建立BIM條件下的隧道施工動態(tài)風險管理信息模型集成及協(xié)同應用的可視化系統(tǒng)環(huán)境。

在隧道施工過程中，采用BIM模型作為信息的載體，基于GIS數(shù)據(jù)環(huán)境和BIM模型輔助施工進度、質量、安全等要素的施工動態(tài)風險管控，建立施工風險信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構分為3層，分別為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)集成層、數(shù)據(jù)應用層，BIM風險信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構

3 BIM風險信息管理應用

3.1 進度風險管理

通過BIM風險信息管理系統(tǒng)的建立，利用計劃進度信息模型及相應的計劃橫道圖，對系統(tǒng)中任意構件的計劃完成時間、實際完成時間進行實時查看，可視化展示項目的虛擬施工過程，自由查看里程碑時間點乃至任一時間點的計劃施工狀態(tài)。同時，通過可視化的進度模擬效果，直觀分析不同計劃存在的影響工期的問題，合理優(yōu)化、變更施工計劃。根據(jù)計劃進度信息模型與實際進度信息模型的施工時間屬性的對比，可視化展示計劃進度與實際進度的偏差狀態(tài)分析，實現(xiàn)工程進度實時追蹤及查詢、施工進度偏差分析、多級計劃的關鍵工作及關鍵線路查詢、各階段進度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，極大地提高進度風險控制效率。

3.2 質量風險管理

通過系統(tǒng)，可實現(xiàn)對BIM數(shù)據(jù)進行擴充、跟蹤、保存，實現(xiàn)質量資料管理和現(xiàn)場質量管理，在施工過程中，系統(tǒng)對發(fā)生的質量問題進行追蹤和記錄，為項目各方人員進行查詢提供方便。能夠監(jiān)查具體的整改過程，審核相關文件，提高質量安全管理效率。較之傳統(tǒng)的文檔記錄，BIM技術突破文字的抽象性和局限性，完善信息傳遞途徑，實現(xiàn)質量安全問題的可視化，有助于協(xié)調工作的順利開展。

3.3 安全風險管理

在隧道施工過程中通過應用基于BIM技術的風險信息管理系統(tǒng)改進安全技術交底、安全檢查、安全空間管理、現(xiàn)場視頻監(jiān)控和現(xiàn)場人員管控等工作，實現(xiàn)可視化環(huán)境下同步現(xiàn)場施工安全管控過程。隧道工程施工的安全資料實現(xiàn)統(tǒng)一化管理，通過系統(tǒng)實時查詢安全資料，對質量問題進行實時查看、編輯、處理、刪除等操作，對質量問題形成列表進行備查，實現(xiàn)全過程、動態(tài)、可視化的鐵路隧道施工安全管理，提升傳統(tǒng)安全管理方式方法的效率和效果，降低安全風險帶來的影響。

3.4 風險預警風險管理

通過系統(tǒng)進行現(xiàn)場風險評估與預警、監(jiān)控量測與地質預報等工作，根據(jù)超前地質預報資料、每周現(xiàn)場風險巡檢信息、監(jiān)控量測和安全步距數(shù)據(jù)等內容，動態(tài)發(fā)布風險評估報告。系統(tǒng)定義分部、分項工程施工風險等級的判斷準則，作為現(xiàn)場風險巡檢的依據(jù)，對隧道施工的地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂、爆破振動、鋼支撐應力、仰拱和二襯至掌子面安全步距設置閾值，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時，進行短信自動推送報警，提升風險管理的效率。

3.5 技術風險管理

通過三維可視化模型進行結構空間碰撞檢查、結構孔洞預留檢查、結構預埋件布置、結構鋼筋排布優(yōu)化和臨時結構措施設計等工作，最大程度上解決圖紙的“錯、漏、碰、缺”等問題。利用BIM軟件可視化展示施工場地布置、周邊建(構)筑物專項保護、土方開挖、模板、支架和其他關鍵與復雜節(jié)點施工等專項施工方案，并推演施工方案的工法、工藝，依據(jù)施工方案的工藝邏輯關系進行4D模擬，直觀交互展示施工方案的虛擬推演過程，動態(tài)檢查施工方案可行性以及存在的問題，優(yōu)化施工裝備、工藝等，降低技術風險。

4 結語

本文從隧道施工進度管理風險、質量與安全管理風險、動態(tài)風險預警管理風險和技術風險4個方面對隧道施工風險管理中存在的問題進行分析，形成了BIM條件下建立隧道施工進度風險、質量風險、安全風險等施工風險信息模型構建方法和集成應用技術，介紹基于BIM的風險信息管理系統(tǒng)的構建，實現(xiàn)了隧道施工進度風險、安全風險、質量風險、動態(tài)風險預警風險和技術風險等施工風險信息模型的集成及協(xié)同應用。提升了項目風險管理決策質量，對提升隧道工程風險管理水平具有重要的意義。