基于BIM云平台的城市轨道交通施工安全风险管理研究

刘维跃+曹溥晶+曾敏+徐海林+崔留强

摘要： 为了提高城市轨道交通工程施工的安全风险管理效率和有效性，本文提出了构建基于BIM城市轨道交通施工安全风险管理的云平台信息系统，对该平台信息系统的框架，功能和管理流程等方面进行了阐述。最后，以天津一条城市轨道交通线为例，进行风险源管理实证研究和部分模拟研究，使传统的二维安全管理向以BIM技术为基础的三维协同方式转变，体现了对城市轨道交通施工安全风险识别与预警的可行性和优越性。

Abstract： In this paper， in order to improve the level of safety management early-warning technique and safety control of urban rail transit construction， the safety-risk-management information system for urban rail transit construction based on BIM is presented， and such aspects as system architecture， system function， and process of implement are addressed. Finally， this paper takes a city rail transit line in Tianjin as an example， simulates and carries out some empirical research through this platform. It is shown that the platform has realized the transition from the traditional 2D security management to 3D collaborative mode based on BIM. And the paper proves the feasibility and superiority of safety management early-warning technique and safety control of urban rail transit construction.

關键词： BIM；城市轨道交通；施工安全；风险识别

Key words： BIM；urban rail transit；construction safety；automatic risk identification

中图分类号：TU71 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）33-0030-05

0 引言

近年来，我国城市轨道交通进入了高速发展阶段，截至2016年初，共有44个城市轨道交通规划获批，规划规模4705km，预计总投资达24287亿元。在“十三五”期间，我国还将加大对城市轨道交通的投入，至2020年全国运营里程将达到6000公里以上[1]。

城市轨道交通是城市公共交通中最重要的基础工程设施之一，与一般建设项目不同，具有建设规模大、工期长，地下及地上周边因素复杂，涉及面广、施工方众多等特点，无论是盾构推进，还是车站深基坑，都存在重大危险源，属于高风险的系统工程。同时，随着城市轨道交通建设大规模、高速度的建设，设计方案与实际施工计划的冲突，施工安全管理的复杂性，工程周边环境因素的影响等，也使得近几年城市轨道交通建设安全事故时有发生，给社会造成不安全隐患。如2003年7月1日上海轨道交通4号线横通道透水事故，造成直接经济损失为1.5亿元左右；2007年北京地铁10号线“3.28”塌方、深圳地铁1号线“3.10”基坑地表沉陷、2004年广州地铁5号线“8.3”地质补勘钻破煤气、2008年杭州地铁一号线“11.15”基坑坍塌等，结果表明：除了一部分施工技术问题，导致这些安全事故发生的主要原因在于工程安全责任体系不健全，安全管理流程不落实，对地下构建的空间定位不准，参与方之间信息传递不及时，监管力度不够等。

1 城市轨道交通施工安全风险管理的相关研究

近年来随着我国城市交通的发展，城市轨道交通工程建设安全管理工作仍处于完善阶段，国内学者也都做了大量研究。丁烈云[2]等针对地铁施工安全风险识别和预警，提出了利用计算机技术从工程图纸中自动识别施工安全风险和地铁施工安全风险信息融合与时空耦合的预警方法。郭红领[3]等通过构建BIM与定位技术（PT）的工人不安全行为预警系统来预防施工安全事故发生。陈帆[4]等构建了基于因子分析与BP神经网络相结合的地铁施工安全预警模型。仲青[5]等提出了将BIM与RFID进行集成，并应用于施工现场安全的监控系统，实现施工现场实时可视化、信息自动化、多方协同参与的安全监控。王艳辉[6]等提出了建设基于GIS的城市轨道交通建设安全风险管理信息系统。范斌[7]等讨论了地铁工程建设安全控制管理与信息技术结合的重要性，提出了应用先进信息技术加强地铁工程建设安全监管的基本途径和方法。但并没有文献在城市轨道交通建设安全管理中对BIM、云平台集成进行系统化阐述和研究。

本文认为，随着各类技术集成应用在建筑业的不断发展，提高城市轨道交通建设的安全性，需要建立一个基于BIM云平台的城市轨道交通建设安全系统用以从宏观层面上预防、分析、控制安全隐患和风险的管理平台，最大程度上把控影响城市轨道交通建设安全的信息数据，提高安全风险的预测能力，加强安全主体责任，按照“事先控制、主动控制”的原则，防范和避免施工事故的发生。

2 基于BIM云平台在城市轨道交通施工安全风险管理的必要性

2.1 城市轨道交通建设对于BIM应用的局限性endprint

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型，从20世纪90年代提出至今，已经从概念普及进入到应用普及阶段[8]，具有三维可视化，协调性，模拟性，优化性和可出图性等特点。BIM目前在轨道交通上主要是以设计为导向，借助三维模型的工具。

近年来，BIM技术逐渐引入到城市轨道交通建设上来。在上海地铁9号线三期（东延伸）项目中，上海市地下空间设计研究总院有限公司成功地将BIM技术运用到项目设计和施工全过程阶段，实现了场地仿真、管线搬迁模拟、交通疏解模拟、管线综合设计、施工仿真[9]等。中建五局土木工程有限公司在长沙地铁3号线松雅湖南站的施工过程中也首次应用了BIM技术，如施工动画漫游、三维动画交底、施工方案模拟等，减少了建筑质量安全问题和返工。然而，BIM技术在城市轨道交通的应用仍存在一定的局限性[10]，对于BIM技术的深入拓展与其他技术的集成还有待加强。

2.2 BIM云平台应用于城市轨道交通施工安全风险管理的优势分析

BIM云平台实现了BIM技术、云计算与3DGIS之间形成无缝和属性信息无损综合集成应用，将丰富的地理空间信息和成熟的应用技术，直接引入建筑信息模型（BIM）的应用中，支持工程项目建设安全风险预警的可视化、精细化、一体化和智能化管理与应用。与传统城市轨道交通建设安全管理的优势如下：

2.2.1 提高信息安全的存储能力

城市轨道交通项目从设计到施工，由于工程量大，必定会产生大量的资料信息，传统BIM技术又只能使用户在个人终端或个人BIM工作站上进行数据存储和查阅。而BIM的云平台系统，以天津超算中心为依托，有强大的运算能力和存储能力作为支持。经平台的云端存储，与工程项目建设安全相关的数据信息使用人员无论何地登录平台，可按类按时按需的进行上传，查阅。

2.2.2 优化BIM技术在建设安全管理上的协同能力

城市轨道交通质量管理虽然有较多的地质监测，但由于信息化方面的滞后和缺乏与其他技术的集成，导致施工监测实时而安全问题控制不及时。而BIM云平台利用BIM技术进行协同设计的同时，3DGIS可表达项目室外周边环境，各参与方共享同一套工程信息数据，可以通过平台可视化模型准确定位工程质量安全问题所在，保证了信息的完整性和同一性并且最大程度的利用工程数据信息。

2.2.3 提高应急处置的反应效率和速度

城市轨道交通不可避免的要从一些建筑物多，商业繁华，人流量大的敏感区地下穿过，一旦出现危机，很容易造成重大的人員伤亡、财产损失和次生灾害。将BIM云平台中的基础工程数据信息应用于建设施工事故应急处置以及人员疏散等，可快速控制灾害的蔓延，提高工程应急处置力量。

2.2.4 加强安全责任体系的落实

落实安全责任体系是城市轨道交通建设的关键和根本。当前工程建设过程难免会受到进度、成本和质量等制约，参与建设的任何一方若质量安全管理意识淡薄，都会使得工程安全管理流程和责任制度难以落实。通过BIM云平台，可实现项目信息安全高速采集、整合到统计分析的全过程，同时建立一个闭环的安全管理流程。

3 BIM云平台框架设计

3.1 BIM云平台系统架构

BIM云平台的提出首先是一个集合多方管控，基于国家超级计算中心天河云平台建设，以BIM作为项目相关数字化信息模型基础，以3DGIS技术作为地理空间支持，关联工程项目的进度、成本、质量、安全、资源等信息，为工程项目全寿命周期服务的云端平台。除BIM 模型整合服务器外，均使用天河云平台提供 IAAS 服务，包括云服务器、可视化云桌面、云存储和网络，实现真正意义上的对城市轨道交通建设安全的协同化、系统化和信息化管理。

基于该平台的引入，业主及工程项目各参与方可从前期设计开始将工程图纸、BIM信息模型、动态信息等上传于云端，经过云端服务器的处理，将模型和数据进行整合集成存储于云端。地端用户可通过网络即可及时收集、查看、分析和管理工程各个标段的安全数据信息，增强了工程安全信息的共享程度，实现了对安全隐患和风险的预警，为决策者提供决策依据。平台的系统架构参见图1。

3.2 基于BIM云平台的施工安全风险管理的应用集成

城市轨道交通建设的特点决定了其安全管理信息平台实质上是由技术集成、信息集成、进程集成、主体集成组成。

安全技术集成是在平台强大兼容能力的基础上，让不同技术有效融合，BIM技术实现模型可视化，3DGIS则能更好的表达工程周边建筑环境，给设计方、施工方以直接的空间结构感，有效减少设计和施工安全问题和隐患。安全信息集成使得不同软件技术的信息能够全部汇总到平台，不同阶段不同标段的安全信息、安全知识可以通过平台准确的提供给相关责任主体。安全进程集成是在3DGIS、BIM模型与设计文件、施工资料等动态关联条件下，实现对项目整体安全信息的动态管理。安全主体集成实现了合理分配不同参与人员使用平台各个功能的权限，并且进行问题追踪时，对安全责任主体进行了明确划分，同时共享安全管理的信息。

3.3 基于BIM云平台的安全管理的流程集成

传统的安全质量管理一般多采用手工方式管理，缺乏有效的质量安全管理流程方式，很难实现安全问题的有效跟踪，本平台以WBS（工作任务分解）为主线、以工作包为单位[11]，按照城市轨道交通工程开展的时间进度，建立了一个闭环的管理流程，以安全问题的发现，安全问题确认，安全问题修正，安全问题验证，安全问题关闭为一个闭环，从而保证促进工程建设安全问题的快速、有效解决[12]。

4 基于BIM云平台的功能设计与实现

本文以天津市某条城市轨道交通线为例。该交通线串接滨海新区南北片区与核心区的骨干线路，总长约43.7公里，各个区段于2017年逐步启动建设，最终在2020年实现通车试运营。该交通线一期工程就引进了BIM应用技术，在该项目中，通过云平台，将BIM模型与3DGIS结合，实现了三维模型和地理信息系统无缝和信息无损结合，实现3D浏览和3D漫游、距离测量等工程，并且将会把BIM技术应用到建设以及后期运营维护过程中。由于该工程刚刚开工建设，下面以风险源管理为重点，以针对该交通线平台的功能设计为例，来介绍和探讨BIM云平台对于项目建设质量安全管理的功能架构。endprint

4.1 风险源管理

风险源管理是在项目建设过程中需进行严密监控和关注的重点内容之一，对不同类别的风险源信息（包括风险源区域、分类，等级和影响关系等）进行归类汇总。此模块主要实现对施工前和施工中的安全风险预警，以及事故险情和安全隐患的管理。

在该交通线第七标段土建施工开工之前，为了确保工程建设安全，利用该平台进行了项目风险源检测，其中检测出一项风险源如图3、图4所示。该风险源位于开发区（泰达站），属于盾构离立交桩基较近，并且给出了相应风险源的构件详图，BIM三维模型图和3DGIS空间模型图。

4.2 管线切改

基于BIM云平台，在设计图纸完成后，通过 BIM 三维可视化技术手段，对地下隐藏的各类管线进行可视化展示，规避施工风险。如新增管线切改的数据管理如图5所示。

4.3 复杂节点施工方案模拟

3DGIS技术可将复杂节点专项施工方案模拟数据整合，并关联相关模型构件以定位复杂节点的具体空间位置。平台支持单独显示关联的构件和复杂节点相关资料，通过专项施工模拟，对地下施工环境有着很好的指导和可预见性，能避免很多施工安全风险和隐患，实现设计和施工的高效精准，如图6所示。

4.4 进度管理

平台将施工进度计划与施工BIM模型进行整合，形成 5D（包括3D可視化、时间，成本）施工模型，模拟项目整体施工计划进度安排，施工单位上报施工进度计划至该平台，平台自动化的对比出现场实际进度，辅助业主单位及施工单位对现场施工进度进行整体的把控。图7显示的是工程实际施工进度。图8所示为各个工作包的实际进度与计划进度的偏差分析，实际施工时间，结束时间通过平台统一显示。

这种双模型的对比，通过检查施工工序衔接，可减少由于施工方不按计划施工而带来的安全风险隐患。对于直接关系到建设安全的关键步骤，安全责任主体能更及时的得到回馈并做好风险预警和安全控制工作。

4.5 监控量测

本模块主要基于BIM、3DGIS和轨道综合监控系统进行项目建设监测，对监测数据进行统计分析和数据报警（用户可以自行配置检测功能的报警值和责任人，系统会自动发邮件和短信进行报告）。对于已建立的安全隐患排查流程，如果该流程由该用户开始，可根据该流程新建流程任务，并在进行处理后，发送到下一个流程节点负责人处。如图9，图10所示。

4.5 结论

影响城市轨道交通施工安全的因素复杂多变，建立BIM云平台可实现科学、全面、动态、直观地掌握地铁在建工程的安全现状，推进城市轨道交通建设质量安全信息化和集成化程度。

本文通过分析总结现有城市轨道交通建设安全事故特征和安全管理现状的基础上，提出了基于BIM云平台对城市轨道交通建设安全的管理。BIM天河云平台在天津某条城市轨道交通线设计阶段的成功应用，有效实现了对城市轨道交通建设安全风险自动识别和预警，同时，平台中存储的BIM模型和相关安全信息数据也会为今后工程建设的安全风险识别和预警提供有效的支持。今后的研究中将在BIM云平台的应用激励机制以及BIM与其他技术集合等方面进行深一步的探讨和完善，以期为城市轨道交通建设质量安全管理提供参考建议，促进工程建设的发展，保障城市轨道交通建设的安全。

参考文献：

[1]郭聖煜，骆汉宾，滕哲，蒋晓燕.地铁施工工人不安全行为关联规则研究[J].中国安全生产科科学技术，2015（10）：185-190.

[2]丁烈云，周诚.复杂环境下地铁施工安全风险自动识别与预警研究[J].中国工程科学，2012（12）：85-93.

[3]郭红领，刘文平，张伟胜.集成BIM和PT的工人不安全行为预警系统研究[J].中国安全科学学报，2014（04）：104-109.

[4]陈帆，谢洪涛.基于因子分析和BP网络的地铁施工安全预警研究[J].中国安全科学学报，2012（08）：85-91.

[5]仲青，苏振民，佘小颉.基于RFID与BIM集成的施工现场安全监控系统构建[J].建筑经济，2014（10）：35-39.

[6]王艳辉，罗俊，张晨琛.基于GIS的城市轨道交通建设安全风险管理信息系统的设计与实现[J].交通运输系统工程与信息，2010（04）：33-37.

[7]范斌，骆汉宾，周诚.武汉地铁工程建设安全预警系统的设计与应用[J].华中科技大学学报（城市科学版），2010（01）：79-83.

[8]本书编委会.中国建筑施工行业信息化发展报告（2015）-BIM深度应用与发展[R].北京：中国城市出版社，2015.

[9]Eastman C，Teicholz P，Sacks R，etc. BIM handbook：a guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers，and contractors[M]. 2nd ed. New Jersey：John Wiley & Sons，2011：13.

[10]陈永高，单豪良.基于BIM与物联网的地下工程施工安全风险预警与实时控制研究[J].科技通报，2016（07）：94-98.

[11]蔡蔚.建筑信息模型（BIM）技术在城市轨道交通项目管理中的应用与探索[J].城市轨道交通研究，2014（05）：1-4.

[12]许碧华.基于GIS的地铁保护区信息管理系统应用研究[J].中国安全生产科学技术，2016（06）：175-179.endprint