基于BIM技术的地下综合管廊施工安全风险分析研究*

2021-08-05宗燕燕孟凡东张韵生

施工技术(中英文) 2021年12期

翟越，高欢，宗燕燕，孟凡东，张韵生

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054；2.安徽海中环保有限责任公司，安徽芜湖 241000)

0 引言

地下综合管廊是集电力、通信、燃气、供热、给排水等管线于一体的隧道空间，管廊内部可同时存放各种功能的管线，在管廊中可对管线进行抢修、维护、扩容改造等，既缩减管线抢修时间，又合理利用城市地下空间。但我国城市地下综合管廊还存在建设技术和管理经验不足、周期长、消防安全管理不完善等问题，使建设过程中存在安全隐患[1-2]。

BIM技术以建筑物3D立体可视、专业信息共享、N维空间模拟等设计模式带动工程建筑行业的智能化发展[3-6]。2015年住房和城乡建设部颁布《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，表明建筑行业应加快实现BIM技术在工程项目设计、施工、销售招商及运营各阶段的应用。因此，针对地下综合管廊利用BIM技术对建设进行模拟，对存在的安全隐患进行辨识、分析，提前采取措施规避风险，以保证安全施工，是非常有必要的，应得到工程界和学者们的关注，但目前针对这方面的研究成果相对较少[7-9]。故本文依托西安市某地下综合管廊施工安全管理展开BIM技术的应用研究。

1 工程背景及模型建立

1)工程背景西安市某市政工程包括地铁工程、市政道路、地下商业、地下综合管廊工程。地下综合管廊毗邻综合体位于绿化带下方东西两侧，属于狭长型构筑物，沿线各类出线节点采用支廊形式向道路外侧出线，并在道路外侧设置出线井，出线支廊采用顶管或暗挖形式施工。管廊长4 930m，采用现浇钢筋混凝土结构，包括天然气舱、电力舱及综合舱等，舱内收纳的管线包括通信、电力、热力、给排水及天然气管道等。

2)模型建立根据地下综合管廊设计方案开展给排水、燃气、电力、通信、结构各专业施工图设计，将各专业施工图导入Revit软件中分别建立各专业地下综合管廊BIM模型，再整合各专业地下综合管廊BIM模型，并进行碰撞检查。

2 施工风险模拟

以地下综合管廊施工过程中发生频率较高且危害极大的坍塌、高处坠落、机械伤害、火灾事故[10]为研究对象，利用BIM模型Navisworks中的虚拟施工及漫游功能，重点检查施工现场易发生事故的部位，发现潜在危险源后在相应位置进行标注，避免事故发生。

2.1 坍塌

地下综合管廊在施工过程中可能发生的坍塌事故有基坑垮塌、支模系统脚手架失稳等，利用BIM虚拟可视化功能及时间维度，使施工人员更容易理解施工节点做法，确保工程质量。在模拟施工过程中辨识危险源并在相应位置添加危险源注释和防护措施提示，以便施工人员提前了解危险源信息，并在施工时及时采取预防措施，避免事故发生。

坍塌事故的危险源有土石方工程边坡、堆放的材料和设备、模板支撑系统、脚手架等，可能发生在边坡土石体、材料或设备堆放处，模板、脚手架等部位。

2.2 高处坠落

地下综合管廊施工过程中发生高处坠落的原因主要有工人违章操作、防护装置不足、恶劣天气影响。为预防该事故的发生，可运用BIM技术进行安全技术交底和教育，落实安全技术措施。

高处坠落的危险源有升降装置、临边场所、脚手架、洞口等，可能发生于临边模板支拆、存放与吊装，脚手架搭设与拆除，施工机具作业、洞口部位。

2.3 机械伤害

建筑机械设备的使用极大提高工作效率，几乎覆盖地下综合管廊的整个生产流程，在土石方开挖、桩基钻孔、钢筋加工制作等过程中，由于人的不安全行为、机械的不安全状态、操作使用的不安全技术及运行环境的不安全特性等原因，都可能导致机械伤害事故。利用BIM虚拟施工可直观看到人与机械的安全距离，并可在模型中添加注释，使管理及施工人员更直接看到潜在危险源。

机械伤害的危险源有机械本身缺陷、升降设备维修保养不善、机械操作失误、启动中的重机械，可能发生于施工机具作业，脚手架搭设与拆除，塔式起重机的安装、拆卸与使用等部位。

2.4 火灾

由于综合管廊具有电力电缆数量多、敷设密集、动力电缆在运行状态下处于发热状态等特点，是发生火灾的第一危险源。管廊安装、刷防锈漆及面漆阶段易发生火灾，通过BIM虚拟施工提前识别安装过程中的危险源并进行注释，可利于管理及施工人员提前采取措施，从而预防事故发生。

火灾危险源为电焊和气焊、电缆接头、易燃材料，明火、喷漆作业，施工用电、防火设施不当等，可能发生于线缆管道桥架、电缆接头剖开处、施工材料堆积处、电缆涂料处、施工未拔电源处、防火门未关闭处等部位。

3 风险评价

风险防控是在准确认识综合管廊施工危险源的基础上，使用预先危险性分析法(PHA)、层次分析法、模糊数学法等对危险因素进行风险评价[11]。若某风险因素评价结果安全可靠则可执行，否则应重新制定防范措施，调整BIM模型直至分析结果达到安全标准。以上施工安全评价流程运行高效简洁，可大幅度提高施工安全管理效率，减少人员伤亡和财产损失。

本文通过PHA和专家打分法预先对上述危险源进行风险评价，其中PHA的危险等级一般按照人员伤亡及财产损失情况分为4个等级，专家根据事故发生的可能性和严重程度进行危险等级划分[12]。地下综合管廊施工现场典型危险源的安全隐患主要来自人、机、环境与管理等，在分析事故危险因素、有害因素并结合PHA危险等级划分的基础上，邀请10名施工技术和安全管理方面的专家评价危险源危险等级(见表1)，专家评议结果如图1所示。结果表明坍塌事故危险等级为Ⅲ，机械伤害和高处坠落危险等级为Ⅱ，火灾事故危险等级为Ⅳ。

图1 专家评议结果统计

表1 危险性分析评价

4 火灾模拟中BIM技术的应用

目前PyroSim和Pathfinder是应用于建筑火灾消防、报警系统研究、安全疏散等方面的火灾和人员疏散模拟软件，可实现全尺度模拟试验，兼容性好[12-14]。在建设范围较广、构造形状独特的综合管廊中，其建模过程复杂，可结合BIM技术实现物理模型与分析模型间的信息共享，如选取一定比例建立防火分区，将该区的BIM模型通过FBX格式文件导入PyroSim和Pathfinder软件，创建网格、通风口、火源等，再定义材料与反应，得到完整的火灾数值模拟模型，设置求解时间、后处理监视器等参数后进行数值计算。

本文选取地下综合管廊电力舱内长度为180m的防火分区段进行模拟分析，宽和高分别为2.3，3.6m。电缆舱墙壁两侧分4层布置110kV单芯电力电缆(上下间距0.35m)，中间为1.5m宽、180m长的人行通道。在防火分区两端设置13m高的竖向逃生梯，模拟施工人数共20人，火源分别位于防火分区左端末端、1/4处、中间时火灾和人员的疏散情况。

模拟结果表明目前的逃生出口难以满足最危险火灾状态下的人员安全疏散，此时可借助BIM优化管廊火灾人员疏散方案，对不满足安全性评判要求的场景进行施工方案改进。在Revit中增加临时逃生口或减少施工人员至15人，并导入相应软件中进行模拟，通过不断调整直至达到合理效果。将以上模拟结果，包括人员疏散时间和路径等数据存储在地下综合管廊施工安全BIM平台中，提供不同火源位置燃烧时的照片及动画，提醒使用者警惕火源，熟悉逃生路径。