BIM技术应用于水利水电工程安全生产的探讨

2022-03-24童亮瑜

新型工业化 2022年9期

童亮瑜

中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川夹江，610000

0 引言

水利水电是目前主要的清洁能源之一，越来越受到全社会的重视。随着我国水电站建设的快速发展，建设过程中的安全性不容忽视。在水电站建设过程中，施工安全一直是非常重要的问题。然而，现阶段与安全生产有关的许多问题仍未得到根本解决。BIM技术作为水利水电工程中的一种新型安全技术，能有效保证水利水电工程建设过程的安全。

1 BIM技术

BIM技术能实现对建筑业所有信息的整合与集成，它将建筑的各种信息开放性地整合到一个三维度的建造模型信息数据库中，设计单位、施工队伍、设施运营部门和建设业主等相关人员利用 BIM系统进行有效的工作协同，能显著提高工作效率、减少资源浪费及降低经营成本，从而实现可持续性的发展。BIM技术适用于设计研究、现场施工、营运直至建筑全生命周期的结束。

BIM技术的关键核心就是通过数字化技术建立一个虚拟的三维建筑工程模型，这些数据来源于实物参数的数字化，它能有效地为这个虚拟模型提供完整的、全面的且与实际情况完全一致的建筑工程信息库。这个信息库不仅能涵盖描述建筑物各类构件的几何信息、专业属性及相关状态，还能包含非固定对象（如运动行为、空间位置）的状态信息。这样一来，便能借助这个涵盖建筑工程所有信息的立体模型，提高建筑工程的信息集成化程度，从而为整个建筑工程的相关方搭建一个工程信息有效交换和共享的平台。

BIM技术具备的主要特性有以下几个方面。第一是可视化，BIM技术能尽最大限度地利用计算机语言创造出仿真图像、图表以及动态画面，完整地展现整个虚拟建筑。第二是协调性，由于建设项目需要业主、设计、施工等各方的共同参与，同时又涉及众多专业，通过BIM模型在项目前期可实现建筑各构件间的碰撞检查分析，及时更改设计；在施工阶段，BIM模型又为各方提供即时的沟通交流平台，共享和改进施工数据，可减少因信息不对称带来的负面影响和返工。第三是模拟性，模拟性不单单是建筑物物理结构特性的描述，借助BIM可视化技术还能进行功能拓展模拟。如在前期设计时，可以对建筑模型进行相应功能实现的模拟，分析其可持续性；而在施工阶段，进行施工组织、材料匹配、4D进度控制等模拟，确保现场施工安全有序进行；再到运维管理时，又能模拟各种突发紧急状态；BIM技术的这种模拟特性还可结合实际情况不断丰富和拓展。第四是优化性，在工程项目的全生命周期里，存在不断优化、不断升级的过程。BIM技术可利用可视化、可协调和模拟性为工程建设优化提供条件。可视化特征能提供完整准确的各类信息，便于设计时进行方案比对；协调性能帮助检验各种构件联接是否合理，有没有存在碰撞的不合理情况，这有利于施工技术的选择；同时，工程施工人员可以从模拟的安全控制中分析优化方案，提高建筑安全管理水平。第五是可出图性，BIM技术中具备了标准的样本和族，它们精确的定义能有效地提高图样输出的准确性、时效性。BIM技术输出的结果并不只是简单的平面图纸，而是通过模拟、可视、协调、优化以后的动态三维模型。

2 BIM技术的发展

目前BIM技术在中国已被更多的人所了解，很多一级施工企业及设计单位、大学的建筑学院等都已经设立了BIM研究中心，国家更是把BIM技术纳入到多个“五年规划”的重点项目和研究课题。2011年5月，住房和城乡建设部颁发的《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》，把加快建筑信息模型（BIM）在工程中的应用、推动信息化标准建设作为行业发展总体目标的主要内容，并就推进BIM技术在建筑领域的应用提出了具体要求；2012年住房和城乡建设部开始BIM国家标准体系建设工作；2014年住房和城乡建设部发布的《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》中，再次明确推进建筑信息模型（BIM）等信息技术在工程设计、施工和运营维护全过程的应用等工作；2015年，住房和城乡建设部印发《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，提出发展目标：“到2020年末，建筑行业甲级勘察、设计单位以及特级、一级房屋建筑工程施工企业应掌握并实现BIM与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用。”在这些政策引领下，BIM发展进入快车道。

随着计算机技术的进一步发展和对建筑业应用技术的掌握，计算机信息模型在建筑业中的应用发展迅速[1]。近年来，BIM技术广泛应用于建筑工程的全领域。但作为建筑业之一的水利水电工程，受大自然地理、水文等诸多条件和BIM在行业内标准建设、政策支持相对滞后以及信息化工程配套不足等限制，BIM技术在该领域的应用较少且进步缓慢[2]。

3 BIM技术应用于水利水电工程建设前期

3.1 深化设计

传统的设计交付是在二维设计过程中进行的，以二维图形作为设计结果，很难确保不同专业和学科之间的有效协调，这主要是由传统二维设计的缺点所决定的。然而BIM技术，是在传统二维图纸的基础上，运用三维空间技术进行建模，能准确、直观地发现设计过程中的错误、遗漏、碰撞、缺陷等问题。但在实际的施工过程中将它简单地与二维图纸一样作为施工技术依据，难免会因为建模信息数据不足适得其反，这就需要对建模数据进行有效和广泛的采集。

3.2 碰撞检测

目前，在二维设计中或多或少存在不同专业碰撞的问题，特别是在水利水电工程中，各种管道、线路、设施、结构件等，因未系统协调供水网络、供电线路、信息系统等相关专业，在施工过程中经常发生各系统碰撞。相反，使用直观的三维模型，BIM可以检测图纸中存在的各类碰撞，减少设计错误，从而提高设计质量，因此越来越多的项目需要BIM来检测是否存在专业间的碰撞。在一些水利水电工程中，由于空间布局复杂，系统繁多，对设备、管道、线路等专业的布局要求高，设备、管道与结构构件容易发生设计上的碰撞，不仅在施工过程中经常发生二次变更，导致施工方案变更、成本增加等，而且给施工带来难以想象的困难。BIM技术可以集成建筑、结构、机电、通信等专业模型，然后根据专业要求和结构尺寸要求，将综合模型的数据导入相关软件，进行合理性分析，检查各专业是否存在设计上的碰撞，从而系统性整合各专业，达到最优的设计效果。

3.3 多专业协调

目前，各专业设计的组织协调是水利水电工程顺利实施的关键，是加快施工进度的有效保证，其意义毋庸置疑。但现阶段受施工现场因素、技术差异等影响，地质、水文、电力、建构筑物等各专业的设计都还在不断研究、更新和完善中，不可避免地存在许多隐蔽的、不可预测性的问题，极易造成不同专业无法在某些平面上对施工图进行一致性的确认[3]。但利用BIM技术的可视化、参数化、智能化显示等优势，能实现多目标碰撞可能性的检测，能有效控制各专业设计中外形尺寸控制和精确的空间冗余计算。同时还可利用基于BIM技术的4D模拟施工控制方法，模拟施工过程，根据暴露的问题提前协调各专业的设计工作，减少因设计失误和专业间不协同引发的各类碰撞问题出现，从而减少重复工作，节约施工成本。

4 基于水利水电工程施工安全控制的BIM技术

4.1 水利水电工程施工安全信息建模

安全事故的预防和风险的控制是水利水电工程安全生产的重要内容。在应用BIM技术的基础上，通过对工程各结构分解等数据的研判，得出影响整个工程安全的主要因素，再通过计划数据运行和模拟数据配置为工程安全风险的综合控制提供可靠的依据[4]。

在创建相关节点数据后，可以使用BIM技术直观、完整地呈现工程建设的相关信息，以测量工程进度的符合性、有效性。在此基础上，将现有的安全标准和实践方法集成到BIM模型中，结合TEKLA建模工具的应用，为安全规范和标准在不同环境下的合理应用奠定了基础。对于水利水电工程，BIM模型监测主要基于相关控制板，例如，工程的高边坡施工，末端高空作业、高空作业通道等是施工安全的重点，必须符合安全规范和标准的要求，根据建设项目的高边坡等级，对高边坡施工全过程依照安全标准进行监测和检查，并在开挖线指定区域以外的适当位置设置安全围栏等。通过这些数据的录入，就构建出了控制板。

4.2 赋予BIM技术在水利水电工程施工中安全评估指标

在水利水电工程开工前，借鉴建筑行业的BIM评估标准，可制定设计建模评估标准。在将BIM技术应用于具体水利水电工程施工的过程中，明确统一的系统规则，为数据模型与实际项目的有效连接提供基础。BIM工程施工安全评估指标主要采用BIM自动化接口设计，这是一个基于概念的模型，允许在早期阶段进行全面的安全风险评估。在我国水利水电工程建设过程中，由于项目整体建设具有专业多样性、作业条件的复杂性，BIM安全评价模型中系统安全评价指标体系主要是根据科学动态原理建立的，它具有复杂情况下的兼容性和冗余度，因此能够满足水利水电工程建设的实际需要。

在水利水电工程建设中，主要有人员、设备、管理、环境等因素，这些因素包括安全管理体系、现场过程管控、人员技能、设备设施运行及作业环境等。考虑到BIM验证系统本身具有人力资源管理功能，项目人员的安全成本指标可分摊80%～90%；设备主要包括设备管理、设备运行状态、设备安全防护数量等因素，在项目设备管理指标中，项目设备占79%～85%的比例，可根据设备使用情况确定；与安全生产相关的管理因素主要有：现场组织、安全规划、安全控制等，基于BIM系统的施工控制，项目管理指标可设置为90%～100%；鉴于水利水电工程的复杂性，物理风险预防过程中的主要环境因素是工作环境和工程本身所处环境，考虑水文地质和自然坡度等的变化，可设置环境因素为35%～40%[5]。在获得这些划分后，可以结合定量标准并使用施工评估算法对相关项目进行统一分析。

4.3 基于BIM技术的施工安全评估算法

目前，国内外正在对城市建设项目进行较为成熟、多样化的安全评价，目前主要有四种评价方法：第一，基于定性分析与定量分析科学结合的层次分析法（AHP），给出了主观判断的定量评价；第二，模糊综合评价，其主要应用原理是模糊关联复形法，它利用模糊矩阵进行定量运算，描述科学成果；第三，灰色关联分析主要基于灰色系统理论，可以定义为半定量和定性描述；第四，一种神经网络分析方法，它允许我们谈论科学知识的传播和整个系统的适应性，它允许使用补充学习样本的方法对系统进行动态安全评估，并充分结合新旧知识。

4.4 水利水电工程评估算法在BIM技术中的应用

工程评估算法对水利水电工程安全评价具有重要意义，同时，主要基于网络BIM算法模型，通过设置输入层，采用BP神经网络和AHP垂直积分算法对水利水电工程安全进行评价，输出层和隐藏层连接到前一个电路后，信号逐步返回，每个神经元的权重发生变化。通过连续迭代的整体优化，可以优化与参数值的相关性，通过对以往数据的分析确定具体指标体系在建立水利水电工程安全评价体系中的重要性；然后选取一系列水利水电项目，相关专业人员可以对各项评价指标进行汇总，获得原始神经网络模型的信息；最后，结合BIM系统的验证，确定相应的评价指标和相应的安全措施，以管理神经网络的操作。在采取满足评估指标的安全措施后，具体数据可以存储在水利水电系统数据库中，作为分析最终系统安全性的基础[6]。