基于BIM技术的隧道施工风险信息管理研究

许磊磊 师永翔

(1.中交武汉智行国际工程咨询有限公司 武汉 430000； 2.山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原 030000)

交通行业快速发展，隧道工程不断增多，其具有施工难度大、危险系数高等特征，当前我国隧道建设已进入高难度、高技术、高数量、高风险的时期。隧道工程是一项开放性的系统，很容易受到不确定因素的影响，给项目工程的质量、安全和进度带来影响，使用科学的风险应对技术降低风险的可能性是隧道施工顺利进行的关键，同时也是项目参建方的工程目标[1-3]。因此，应当加强隧道工程施工的风险管理工作，创新风险管理方式手段，充分利用信息技术提升风险管理水平，提高风险管理能力，降低各种风险因素给隧道施工带来的影响[4-7]。

BIM作为一种信息技术，在全寿命期内通过集成各种信息工程数据，可实现各参与方之间及相关应用软件之间的信息交流和共享，进行科学有效的风险管理，提高项目整体质量[8-9]。本文以隧道工程为对象，研究建立隧道施工进度风险、质量风险、安全风险等施工风险信息模型构建方法，然后分析研究BIM应用于隧道施工进度风险、质量风险、安全风险与动态风险预警管理，提升基于BIM技术的隧道工程施工风险管理信息化水平。

1 施工风险管理中存在的问题分析

1.1 进度管理风险

项目实施过程中任何不利的环境因素都有可能对项目进度产生影响，例如，施工进度计划不合理、设计缺陷、现场人员的素质、沟通和衔接不畅、施工环境的影响等问题都可能给进度管理带来风险[10-11]。这些问题是由传统进度管理方法本身的局限性造成的，由于二维CAD设计的项目形象性差、网络计划抽象，往往难以理解和执行；二维图纸不方便各专业之间的协调沟通，传统项目管理方法注重经验，无法做到规范化和精细化管理；增加项目进度检查频率和加强管理，只能在一定程度上降低问题发生的概率，难以从根本上解决。

1.2 质量与安全风险

工程项目的建设是一个系统、复杂的过程，需要多种专业、工种之间相互协调。在工程实际中往往会出现各种问题，严重影响工程项目的质量安全。施工人员专业技能不足、材料的使用不规范、不按设计或规范进行施工、质量效果无法预估、各个专业工种相互影响等都会给项目实际实施带来质量与安全方面的风险。

1.3 风险预警管理

项目风险预警的过程，一般由风险识别、风险分析、风险计划、风险跟踪、风险控制，以及风险沟通等若干个阶段组成，这些阶段相互作用，与项目管理其他领域，如：成本管理、工期管理、安全管理、质量管理等方面相互影响。在风险管理行为中通常很少进行各风险关联性判断、内外部环境风险分析，更加缺乏对风险的整体化管理理念的应用，由于风险预警系统缺乏系统性，不具有动态实时性，严重影响到风险管理过程的工作效率和质量。

1.4 技术风险

在传统的二维CAD设计中，二维图纸无法真实直观地表现设计对象，难以表达更多的数字化信息，在项目不同阶段，容易造成信息流失，更是无法表达构件的空间拓扑关系。此外，工程设计涉及多个专业，各个专业之间分工明确，合作却很模糊，专业各自图纸都是正确的，合在一起就可能存在问题，如不同专业的内容互相“冲突”，造成设计效率与质量低下。

2 基于BIM技术的风险信息管理整体架构

2.1 基于BIM的施工风险管理模型构建

本节基于BIM技术的可视化、信息集成性特点，研究建立隧道施工进度风险、质量风险、安全风险等施工风险信息模型构建方法和集成应用技术，进而利用BIM技术提升整个项目信息化风险管理水平。

1) 进度风险信息模型构建。构建隧道BIM模型图见图1，将计划进度及实时采集的实际进度数据赋予模型，生成计划进度信息模型和实际进度信息模型。在模型环境中，研究实现项目4D虚拟施工、可视化进度查询、进度偏差分析、关键工作及关键线路分析、工程量进度统计等进度管理方法。通过动态优化调整、实时跟踪、可视化展示计划及实际进度状态，使得有效控制进度风险。

图1 隧道施工BIM模型

2) 质量风险信息模型构建。将现场质量问题数据及质检文档资料赋予模型，生成质量信息模型。在模型环境中，研究实现现场质量问题协同的数据流信息化及质检资料结构化等质量管理方法。通过手机端采集、短信预警推送、问题处理闭合、按类归档等动态管理手段，有效控制质量风险。

3) 安全风险信息模型构建。将现场安全问题数据及安全交底文档资料赋予模型，生成安全信息模型。在模型环境中，研究实现现场安全问题协同的数据流信息化及安全交底资料结构化等安全管理方法。通过手机端采集、短信预警推送、问题处理闭合、按类归档等动态管理手段，有效控制安全风险。同时，利用人员定位和视频监控的物联网技术，实现在模型环境中集成现场施工人员、环境的动态风险监控。

4) 风险预警信息模型构建。将监控量测、地质预报的定量数据与现场风险巡检的定性数据，以及动态风险综合评估数据赋予模型，生成风险预警信息模型。在模型环境中，研究实现监测数据采集、现场风险识别与采集、风险判断、风险预警短信发布、风险问题处理与整改闭合等风险预警的数据流。

5) 技术风险模型构建分析。结合隧道施工管理需求，利用BIM技术可视化、协同性、模拟性、优化性等手段，对二维图纸进行三维施工深化设计，在最大程度上解决图纸的“错、漏、碰、缺”等问题。同时建立能真实描述施工方案的三维数字模型，包括施工方案的虚拟布置场地和施工工序的环境模型、施工方案虚拟建造的工程结构实体物的结构模型示例，见图2和图3，施工方案采用的机械设备、模板、模具等作业设施的施工设施模型示例见图4。在模型环境中，研究实现基于BIM的施工图深化设计、施工技术方案编审、施工方案模拟和施工方案可视化交底的技术应用，提高技术风险控制效率。

图2 隧道初期支护与拱底土石方模型

图3 隧道仰拱及填充混凝土模型

图4 仰拱台车模型

2.2 BIM风险信息管理系统架构

针对隧道工程施工动态风险管理信息化需求，利用构件级的施工信息模型，结合GIS、Web、物联网、跨平台短信推送、移动终端等新技术手段，融入项目施工进度风险、质量风险、安全风险及风险预警管理的业务数据流，建立BIM条件下的隧道施工动态风险管理信息模型集成及协同应用的可视化系统环境。

在隧道施工过程中，采用BIM模型作为信息的载体，基于GIS数据环境和BIM模型辅助施工进度、质量、安全等要素的施工动态风险管控，建立施工风险信息管理系统。系统的数据架构分为3层，分别为数据采集层、数据集成层、数据应用层，BIM风险信息管理系统数据架构图见图5。

图5 系统数据架构

3 BIM风险信息管理应用

3.1 进度风险管理

通过BIM风险信息管理系统的建立，利用计划进度信息模型及相应的计划横道图，对系统中任意构件的计划完成时间、实际完成时间进行实时查看，可视化展示项目的虚拟施工过程，自由查看里程碑时间点乃至任一时间点的计划施工状态。同时，通过可视化的进度模拟效果，直观分析不同计划存在的影响工期的问题，合理优化、变更施工计划。根据计划进度信息模型与实际进度信息模型的施工时间属性的对比，可视化展示计划进度与实际进度的偏差状态分析，实现工程进度实时追踪及查询、施工进度偏差分析、多级计划的关键工作及关键线路查询、各阶段进度数据统计，极大地提高进度风险控制效率。

3.2 质量风险管理

通过系统，可实现对BIM数据进行扩充、跟踪、保存，实现质量资料管理和现场质量管理，在施工过程中，系统对发生的质量问题进行追踪和记录，为项目各方人员进行查询提供方便。能够监查具体的整改过程，审核相关文件，提高质量安全管理效率。较之传统的文档记录，BIM技术突破文字的抽象性和局限性，完善信息传递途径，实现质量安全问题的可视化，有助于协调工作的顺利开展。

3.3 安全风险管理

在隧道施工过程中通过应用基于BIM技术的风险信息管理系统改进安全技术交底、安全检查、安全空间管理、现场视频监控和现场人员管控等工作，实现可视化环境下同步现场施工安全管控过程。隧道工程施工的安全资料实现统一化管理，通过系统实时查询安全资料，对质量问题进行实时查看、编辑、处理、删除等操作，对质量问题形成列表进行备查，实现全过程、动态、可视化的铁路隧道施工安全管理，提升传统安全管理方式方法的效率和效果，降低安全风险带来的影响。

3.4 风险预警风险管理

通过系统进行现场风险评估与预警、监控量测与地质预报等工作，根据超前地质预报资料、每周现场风险巡检信息、监控量测和安全步距数据等内容，动态发布风险评估报告。系统定义分部、分项工程施工风险等级的判断准则，作为现场风险巡检的依据，对隧道施工的地表沉降、拱顶沉降、周边收敛、爆破振动、钢支撑应力、仰拱和二衬至掌子面安全步距设置阈值，当监测数据超过阈值时，进行短信自动推送报警，提升风险管理的效率。

3.5 技术风险管理

通过三维可视化模型进行结构空间碰撞检查、结构孔洞预留检查、结构预埋件布置、结构钢筋排布优化和临时结构措施设计等工作，最大程度上解决图纸的“错、漏、碰、缺”等问题。利用BIM软件可视化展示施工场地布置、周边建(构)筑物专项保护、土方开挖、模板、支架和其他关键与复杂节点施工等专项施工方案，并推演施工方案的工法、工艺，依据施工方案的工艺逻辑关系进行4D模拟，直观交互展示施工方案的虚拟推演过程，动态检查施工方案可行性以及存在的问题，优化施工装备、工艺等，降低技术风险。

4 结语

本文从隧道施工进度管理风险、质量与安全管理风险、动态风险预警管理风险和技术风险4个方面对隧道施工风险管理中存在的问题进行分析，形成了BIM条件下建立隧道施工进度风险、质量风险、安全风险等施工风险信息模型构建方法和集成应用技术，介绍基于BIM的风险信息管理系统的构建，实现了隧道施工进度风险、安全风险、质量风险、动态风险预警风险和技术风险等施工风险信息模型的集成及协同应用。提升了项目风险管理决策质量，对提升隧道工程风险管理水平具有重要的意义。