BIM技術應用于水利水電工程安全生產的探討

童亮瑜

中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川夾江，610000

0 引言

水利水電是目前主要的清潔能源之一，越來越受到全社會的重視。隨著我國水電站建設的快速發展，建設過程中的安全性不容忽視。在水電站建設過程中，施工安全一直是非常重要的問題。然而，現階段與安全生產有關的許多問題仍未得到根本解決。BIM技術作為水利水電工程中的一種新型安全技術，能有效保證水利水電工程建設過程的安全。

1 BIM技術

BIM技術能實現對建筑業所有信息的整合與集成，它將建筑的各種信息開放性地整合到一個三維度的建造模型信息數據庫中，設計單位、施工隊伍、設施運營部門和建設業主等相關人員利用 BIM系統進行有效的工作協同，能顯著提高工作效率、減少資源浪費及降低經營成本，從而實現可持續性的發展。BIM技術適用于設計研究、現場施工、營運直至建筑全生命周期的結束。

BIM技術的關鍵核心就是通過數字化技術建立一個虛擬的三維建筑工程模型，這些數據來源于實物參數的數字化，它能有效地為這個虛擬模型提供完整的、全面的且與實際情況完全一致的建筑工程信息庫。這個信息庫不僅能涵蓋描述建筑物各類構件的幾何信息、專業屬性及相關狀態，還能包含非固定對象（如運動行為、空間位置）的狀態信息。這樣一來，便能借助這個涵蓋建筑工程所有信息的立體模型，提高建筑工程的信息集成化程度，從而為整個建筑工程的相關方搭建一個工程信息有效交換和共享的平臺。

BIM技術具備的主要特性有以下幾個方面。第一是可視化，BIM技術能盡最大限度地利用計算機語言創造出仿真圖像、圖表以及動態畫面，完整地展現整個虛擬建筑。第二是協調性，由于建設項目需要業主、設計、施工等各方的共同參與，同時又涉及眾多專業，通過BIM模型在項目前期可實現建筑各構件間的碰撞檢查分析，及時更改設計；在施工階段，BIM模型又為各方提供即時的溝通交流平臺，共享和改進施工數據，可減少因信息不對稱帶來的負面影響和返工。第三是模擬性，模擬性不單單是建筑物物理結構特性的描述，借助BIM可視化技術還能進行功能拓展模擬。如在前期設計時，可以對建筑模型進行相應功能實現的模擬，分析其可持續性；而在施工階段，進行施工組織、材料匹配、4D進度控制等模擬，確保現場施工安全有序進行；再到運維管理時，又能模擬各種突發緊急狀態；BIM技術的這種模擬特性還可結合實際情況不斷豐富和拓展。第四是優化性，在工程項目的全生命周期里，存在不斷優化、不斷升級的過程。BIM技術可利用可視化、可協調和模擬性為工程建設優化提供條件。可視化特征能提供完整準確的各類信息，便于設計時進行方案比對；協調性能幫助檢驗各種構件聯接是否合理，有沒有存在碰撞的不合理情況，這有利于施工技術的選擇；同時，工程施工人員可以從模擬的安全控制中分析優化方案，提高建筑安全管理水平。第五是可出圖性，BIM技術中具備了標準的樣本和族，它們精確的定義能有效地提高圖樣輸出的準確性、時效性。BIM技術輸出的結果并不只是簡單的平面圖紙，而是通過模擬、可視、協調、優化以后的動態三維模型。

2 BIM技術的發展

目前BIM技術在中國已被更多的人所了解，很多一級施工企業及設計單位、大學的建筑學院等都已經設立了BIM研究中心，國家更是把BIM技術納入到多個“五年規劃”的重點項目和研究課題。2011年5月，住房和城鄉建設部頒發的《2011-2015年建筑業信息化發展綱要》，把加快建筑信息模型（BIM）在工程中的應用、推動信息化標準建設作為行業發展總體目標的主要內容，并就推進BIM技術在建筑領域的應用提出了具體要求；2012年住房和城鄉建設部開始BIM國家標準體系建設工作；2014年住房和城鄉建設部發布的《關于推進建筑業發展和改革的若干意見》中，再次明確推進建筑信息模型（BIM）等信息技術在工程設計、施工和運營維護全過程的應用等工作；2015年，住房和城鄉建設部印發《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，提出發展目標：“到2020年末，建筑行業甲級勘察、設計單位以及特級、一級房屋建筑工程施工企業應掌握并實現BIM與企業管理系統和其他信息技術的一體化集成應用。”在這些政策引領下，BIM發展進入快車道。

隨著計算機技術的進一步發展和對建筑業應用技術的掌握，計算機信息模型在建筑業中的應用發展迅速[1]。近年來，BIM技術廣泛應用于建筑工程的全領域。但作為建筑業之一的水利水電工程，受大自然地理、水文等諸多條件和BIM在行業內標準建設、政策支持相對滯后以及信息化工程配套不足等限制，BIM技術在該領域的應用較少且進步緩慢[2]。

3 BIM技術應用于水利水電工程建設前期

3.1 深化設計

傳統的設計交付是在二維設計過程中進行的，以二維圖形作為設計結果，很難確保不同專業和學科之間的有效協調，這主要是由傳統二維設計的缺點所決定的。然而BIM技術，是在傳統二維圖紙的基礎上，運用三維空間技術進行建模，能準確、直觀地發現設計過程中的錯誤、遺漏、碰撞、缺陷等問題。但在實際的施工過程中將它簡單地與二維圖紙一樣作為施工技術依據，難免會因為建模信息數據不足適得其反，這就需要對建模數據進行有效和廣泛的采集。

3.2 碰撞檢測

目前，在二維設計中或多或少存在不同專業碰撞的問題，特別是在水利水電工程中，各種管道、線路、設施、結構件等，因未系統協調供水網絡、供電線路、信息系統等相關專業，在施工過程中經常發生各系統碰撞。相反，使用直觀的三維模型，BIM可以檢測圖紙中存在的各類碰撞，減少設計錯誤，從而提高設計質量，因此越來越多的項目需要BIM來檢測是否存在專業間的碰撞。在一些水利水電工程中，由于空間布局復雜，系統繁多，對設備、管道、線路等專業的布局要求高，設備、管道與結構構件容易發生設計上的碰撞，不僅在施工過程中經常發生二次變更，導致施工方案變更、成本增加等，而且給施工帶來難以想象的困難。BIM技術可以集成建筑、結構、機電、通信等專業模型，然后根據專業要求和結構尺寸要求，將綜合模型的數據導入相關軟件，進行合理性分析，檢查各專業是否存在設計上的碰撞，從而系統性整合各專業，達到最優的設計效果。

3.3 多專業協調

目前，各專業設計的組織協調是水利水電工程順利實施的關鍵，是加快施工進度的有效保證，其意義毋庸置疑。但現階段受施工現場因素、技術差異等影響，地質、水文、電力、建構筑物等各專業的設計都還在不斷研究、更新和完善中，不可避免地存在許多隱蔽的、不可預測性的問題，極易造成不同專業無法在某些平面上對施工圖進行一致性的確認[3]。但利用BIM技術的可視化、參數化、智能化顯示等優勢，能實現多目標碰撞可能性的檢測，能有效控制各專業設計中外形尺寸控制和精確的空間冗余計算。同時還可利用基于BIM技術的4D模擬施工控制方法，模擬施工過程，根據暴露的問題提前協調各專業的設計工作，減少因設計失誤和專業間不協同引發的各類碰撞問題出現，從而減少重復工作，節約施工成本。

4 基于水利水電工程施工安全控制的BIM技術

4.1 水利水電工程施工安全信息建模

安全事故的預防和風險的控制是水利水電工程安全生產的重要內容。在應用BIM技術的基礎上，通過對工程各結構分解等數據的研判，得出影響整個工程安全的主要因素，再通過計劃數據運行和模擬數據配置為工程安全風險的綜合控制提供可靠的依據[4]。

在創建相關節點數據后，可以使用BIM技術直觀、完整地呈現工程建設的相關信息，以測量工程進度的符合性、有效性。在此基礎上，將現有的安全標準和實踐方法集成到BIM模型中，結合TEKLA建模工具的應用，為安全規范和標準在不同環境下的合理應用奠定了基礎。對于水利水電工程，BIM模型監測主要基于相關控制板，例如，工程的高邊坡施工，末端高空作業、高空作業通道等是施工安全的重點，必須符合安全規范和標準的要求，根據建設項目的高邊坡等級，對高邊坡施工全過程依照安全標準進行監測和檢查，并在開挖線指定區域以外的適當位置設置安全圍欄等。通過這些數據的錄入，就構建出了控制板。

4.2 賦予BIM技術在水利水電工程施工中安全評估指標

在水利水電工程開工前，借鑒建筑行業的BIM評估標準，可制定設計建模評估標準。在將BIM技術應用于具體水利水電工程施工的過程中，明確統一的系統規則，為數據模型與實際項目的有效連接提供基礎。BIM工程施工安全評估指標主要采用BIM自動化接口設計，這是一個基于概念的模型，允許在早期階段進行全面的安全風險評估。在我國水利水電工程建設過程中，由于項目整體建設具有專業多樣性、作業條件的復雜性，BIM安全評價模型中系統安全評價指標體系主要是根據科學動態原理建立的，它具有復雜情況下的兼容性和冗余度，因此能夠滿足水利水電工程建設的實際需要。

在水利水電工程建設中，主要有人員、設備、管理、環境等因素，這些因素包括安全管理體系、現場過程管控、人員技能、設備設施運行及作業環境等。考慮到BIM驗證系統本身具有人力資源管理功能，項目人員的安全成本指標可分攤80%～90%；設備主要包括設備管理、設備運行狀態、設備安全防護數量等因素，在項目設備管理指標中，項目設備占79%～85%的比例，可根據設備使用情況確定；與安全生產相關的管理因素主要有：現場組織、安全規劃、安全控制等，基于BIM系統的施工控制，項目管理指標可設置為90%～100%；鑒于水利水電工程的復雜性，物理風險預防過程中的主要環境因素是工作環境和工程本身所處環境，考慮水文地質和自然坡度等的變化，可設置環境因素為35%～40%[5]。在獲得這些劃分后，可以結合定量標準并使用施工評估算法對相關項目進行統一分析。

4.3 基于BIM技術的施工安全評估算法

目前，國內外正在對城市建設項目進行較為成熟、多樣化的安全評價，目前主要有四種評價方法：第一，基于定性分析與定量分析科學結合的層次分析法（AHP），給出了主觀判斷的定量評價；第二，模糊綜合評價，其主要應用原理是模糊關聯復形法，它利用模糊矩陣進行定量運算，描述科學成果；第三，灰色關聯分析主要基于灰色系統理論，可以定義為半定量和定性描述；第四，一種神經網絡分析方法，它允許我們談論科學知識的傳播和整個系統的適應性，它允許使用補充學習樣本的方法對系統進行動態安全評估，并充分結合新舊知識。

4.4 水利水電工程評估算法在BIM技術中的應用

工程評估算法對水利水電工程安全評價具有重要意義，同時，主要基于網絡BIM算法模型，通過設置輸入層，采用BP神經網絡和AHP垂直積分算法對水利水電工程安全進行評價，輸出層和隱藏層連接到前一個電路后，信號逐步返回，每個神經元的權重發生變化。通過連續迭代的整體優化，可以優化與參數值的相關性，通過對以往數據的分析確定具體指標體系在建立水利水電工程安全評價體系中的重要性；然后選取一系列水利水電項目，相關專業人員可以對各項評價指標進行匯總，獲得原始神經網絡模型的信息；最后，結合BIM系統的驗證，確定相應的評價指標和相應的安全措施，以管理神經網絡的操作。在采取滿足評估指標的安全措施后，具體數據可以存儲在水利水電系統數據庫中，作為分析最終系統安全性的基礎[6]。

5 結語

在現階段的水利水電工程建設安全生產中，通過建立BIM模型，可以有效地提高設計、施工全過程的安全性。因此，為了保證水利水電工程的順利建設，相關人員可以根據建設過程中的實際情況進行分析、整理，將安全評估算法與相應的安全指標權重參數相結合，建立BIM模型，從而有效提高整個工程設計、施工的安全管控效率。