基于BIM技术的水利水电工程施工安全评估构建研究

金 凯 王 琛

（青州水建工程建设有限公司，山东 青州 262500）

0 引言

水利水电工程施工安全涉及因素较多且相互关联，如何确定各因素之间的关系是实现对工程施工安全准确评估的关键。为此，提出基于BIM技术的水利水电工程施工安全评估构建研究。利用SQL Server构建了包括项目施工特征、施工工艺水平、地质水文条件、施工环境基础的BIM施工安全风险识别数据库，根据数据库中各指标参数的取值范围，计算出安全因素之间的关联关系，并划分为5个不同的等级，最后利用BIM技术计算关联等级安全风险，实现了对施工安全的有效评估。对该课题的研究，以期为水利水电工程施工安全风险因素的管控提供参考，为保障工程顺利安全推进提供参考。

1 构建BIM施工安全风险识别数据库

要实现对水利水电工程施工安全的准确评估，首先要对工程中存在的风险因素进行有效地识别、分析和判断[5]。为此，本文利用SQL Server 软件构建了一种以关系为依托的BIM 风险识别数据库[1]，通过数据库中强大的风险因素状态参数存储结果，对实际水利水电工程施工条件对应的安全程度进行查询。

在利用SQL Server 2020软件建立水利水电工程施工领域的安全风险识别数据中[2]，各风险因素是由联动关系为基础进行关联的，其关系包括一对一、一对多、多对多三种。具体的因素包括项目施工特征、施工工艺水平、地质水文条件、施工环境基础四类[3]，根据BIM 模型中可识别的项目信息，在各因素参数与施工环节之间建立对应关系[4]。得到的数据库如下式：

式中：D——构建的BIM数据库；

t——项目的施工特征，包括项目整体的外轮廓，施工总范围，需要开挖基坑的面积，工程基础钢支撑结构的稳定性；

g——项目的施工工艺水平，包括围护桩的入岩深度，围护桩的入土比例；

s——项目施工区域的地质水文条件，包括项目施工区域地质中软弱地层含量，基坑底流土系数，围护结构失稳系数；

h——项目施工的基础施工环境条件，包括项目施工区域的地下水位信息，不良地质构造信息，粉细砂含量信息，气候温度信息，极端天气信息。

利用该数据库，为水利水电工程施工安全评估提供可靠基础。

2 水利水电工程施工安全评估

2.1 构建工程施工安全因素关联

在得到施工相关信息后，由于各个因素相互作用，构建各项指标之间的关联关系，并按照等级划分的方式将关联度最高的因素作为评估施工安全结果的主要依据。假设x因素的取值范围为Wk，y因素的取值范围Wq，那么其他因素与之的关联程度可以表示为：

式中：ζ——x因素与y因素的关联程度。需要特别注意的是，Wk和Wq的区间范围的大小关系是不确定的，因此最终得到的ζ值也存在不同的情况：当ζ＜0时，则认为Wk和Wq的关联关系为Wk包含于Wq区间范围内；当ζ=0时，则认为Wk和Wq的关联关系为Wk临界于Wq区间范围的边界；当ζ＞0 时，则认为Wk和Wq的关联关系为Wk不与Wq区间范围直接相关。按照实际的计算结果，设计了工程施工安全因素关联等级划分标准，具体如表1所示。

表1 工程施工安全因素关联等级划分标准

通过这样的方式，即可实现对1部分构建BIM数据库内所有工程安全因素参数关系的全面分析，为后文的评估工作提供可靠技术。

2.2 施工安全评估

在确定水利水电工程项目施工安全影响因素关联关系以及实际的施工数据的基础上，利用BIM技术对项目施工安全性展开评估分析。具体的实现方式分为以下几个步骤：

（1）安全因素指标量化处理。BIM对于数据的处理主要是针对确定型定量数值进行的，因此，将项目施工安全影响因素的参数信息输入到BIM正向云发生器中，计算出量化后各指标对应的参数值。该过程主要利用了BIM 中标准云的相关参数设置，借助MATLAB 程序，计算实际施工参数数据与标准云数据之间的期望值标准差，差值越大，对应的量化数值越小，相反地，差值越小，量化的参数数值越大。

（2）安全因素指标关联度分析。关联度分析的目标是优化各个施工因素对工程安全作用的分析结果。此时，将步骤（1）量化后的数据输入到式（2）中，并参照表1中的划分标准，确定各因素之间的关联等级。

（3）关联等级安全风险计算。对水利水电工程项目施工安全评估的本质是计算施工中所有因素共同带来的安全风险，因此，本文以步骤（2）计算得出的关联等级划分结果为基础，计算出对应的安全风险值，计算公式为：

式中：i——关联等级划分结果；

Pi——i等级的安全风险值；

mi——i等级关联因素数量；

n——参与安全评估因素的总数。

在此基础上，再对各等级中风险的正态云分布情况进行分析。一般情况下，是以正态分布的形式存在的，这就意味着在对具体因素的细化评估过程中，可以将因素指标和等级云作为两个区间进行独立计算，将二者交集的部分作为水利水电工程施工安全风险等级对应的评估结果。

（4）计算施工安全评估结果。在得到五个等级对应的风险值之后，就可以得到对应的安全评估结果。对于评估结果取值范围的设置以各等级对应风险正态分布交集部分的面积为基准。在此基础上，BIM利用模糊关联等级加权平均方法对五个等级的安全程度进行评分值，分值越高，则表示安全水平越高。再结合关联度计算结果，得出各个具体因素对应的安全水平。

通过这样的方式，可以实现对水利水电工程施工安全的综合评估，并制定有针对性的改善措施，提高施工的安全性。

3 应用分析

为了测试本文设计施工安全评估方法的效果，进行了应用测试分析。

3.1 工程概况

某水利水电工程属于省级二级双线电气化施工建设工程。工程总投资预计为256.58万元。在施工初期，设计建设标准等级为Ⅰ级，其中最大曲线半径为350.00m，最小曲线半径为280.00m，也是整个工程中最难的施工点。工程覆盖范围内的限制坡度为6.20‰。考虑到工程区域的洪水频率，在工程中构建了2 跨22.50m 的简支T 型梁，以此作为工程的主体支撑结构，采用预制架设的方式实现对其的搭建。同时设置10.0～30.00m 不等的简支T 梁与（30+50+20）m 的连续梁进行组合，作为工程的分支支护结构。其中，项目中心的桩号信息为DK180+722.505。在此基础上，对施工环境的地质情况进行分析，主要包括3种地质构成，第一种也是最主要的构成部分，为素填土，其最显著的特点是土质松散，稳定性和密度较低，其次是粉质黏土，并伴随有少量的砾石夹杂其中，有一定的软塑性。最后就是砂质黏土，含量较少，但是密度和硬度都相对较强。

3.2 工程施工安全评估结果

考虑到工程的整体构成较大，直接对某一部分进行评估可能会影响最终的评估结果，因此本文在项目实施前分别从施工的安全等级以及项目的整体风险角度对其安全进行分析。结合施工的气候条件、地质条件、修建规模以及施工工艺展开了分析研究，其结果如表1所示。

表2 工程施工安全评估结果

按照表1的评估结果可以看出，工程整体的安全性相对较高，最主要的安全威胁来自自然气候条件以及基础地质条件。结合该评估结果，在正式施工前，可以对施工区域的天气发展情况进行分析，选定合适的施工时间；其次要增加工程的支护结构，提高地质构造的稳定性。这样的方式必会提高工程施工的安全性。

4 结束语

施工安全作为项目顺利推进的关键因素之一，在水利水电工程中的价值也是毋庸置疑的。本文提出基于BIM技术的水利水电工程施工安全评估构建研究，实现了对工程相关因素的综合分析，准确评估工程的安全程度，从而提出有效的安全防范措施，提高工程项目的施工安全性。