建筑施工现场危险源GIS+BIM 管控技术探微

郭洪伟

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

随着我国建筑业的繁荣发展，建筑事故也随之增多，其安全生产问题引起社会的广泛关注。隧道施工是特殊的建筑物工程，施工难度大且环境复杂，难以保证作业和生产环境的安全。为及时发现潜在风险，需采取科学有效的手段进行安全管理。目前我国建筑施工安全管理研究已逐渐由事故后处理转向事前预防，由定性管理转型为定量管理，同时不断引入新兴的科学技术。

郭建等[1]以爆破安全为管控目标，力求在源头消除重大安全隐患；叶新丰等[2]利用施工安全风险监控系统进行现场危险源管控，提高了监控量测时效；张子龙[3]用风险评价与BIM 技术结合管控方法对易发事故原因和防范措施进行论述。但上述研究均存在局限性，施工现场管控方法向智能化发展已迫在眉睫。BIM 技术在地理空间应用分析方面尚有不足，而GIS+BIM 技术可补充和完善，直观展示交通线路建设状态。因此本研究基于GIS+BIM 技术，探究对建筑施工现场危险源管控技术，为了解和控制施工现场情况提供参考依据，对提高现场危险源管理水平具有现实意义。

1 建筑施工现场危险源管控

1.1 案例分析

本工程为X 项目，项目墩柱298 个，预制T 梁537 片， 现浇箱梁12 联共42 跨。 隧道土建工程第1-2 标段右幅起讫里程为K12+850 ～K23+198，长10.35 km，左幅起讫里程为ZK12+875 ～ZK23+205，长10.33 km。隧道9 263 m 的4 座，大河大桥149.58 m 的1 座，大河互通立交桥1 座，盖板涵121.41 m 的3 座。本标段路线K12+850 ～K17+600 段位于侵蚀峡谷中—高山地貌区，受地层岩性差异影响以溶蚀侵蚀为主。受新构造运动影响，在大河隧道进口段覆盖层厚度大（20～35 m），以崩坡积、坡残积为主，碎石夹块石，大河隧道进口局部崩积突出。本标段路线K17+600 ～K23+920 段位于溶蚀侵蚀峡谷地貌级溶蚀峰丛洼地单元区，穿越羊场背斜轴部外围。为对隧道施工现场的危险源进行辨识，需构建危险源模型，根据工程环境及地质条件数据的统计和分析进行建模，从而得到危险源的辨识结果。

1.2 基于GIS+BIM 技术构建危险源模型

利用Revit 下的Structure 功能模块创建三维可视化隧道结构信息模型，根据实际施工环境创建项目样板，以标高和轴网为模型参照标准，通过阵列功能创建固定距离的轴网分布，再进行各结构部件布置，生成三维结构信息模型（见图1）。

图1 BIM 隧道三维模型

由图可知本研究初步建立的BIM 模型的隧道结构，接着通过GIS 定位技术识别危险源，进行地理数据展示，并结合BIM 技术对危险源进行参数转换，通过隧道的集合外形、空间关系以及拓扑关系，意义对应属性特征和属性数据。BIM 模型强调细节，GIS 在大场景的应用更加广泛，适用于高速公路隧道，本研究以隧道危险源中的瓦斯爆炸为例，说明其定位过程。针对瓦斯连续扩散和瞬时泄漏两种情况，分别建立数学表达式为：

式中Z(x,y,z,t)为t时刻危险源点(x,y,z)的浓度，χ为源强大小，ε为风速，xφ、yφ和zφ分别为下风方向、侧风方向和垂直方向的扩散系数。通过调整χ，使计算浓度和的平方差最小，即：

由此通过轴向移动找到气体下降方向，实现对危险源的定位。融合GIS 和BIM 数据，利用GIS技术弥补BIM 技术在数据分析上的不足，参照IFC 标准实现数据交互，并利用GIS 系统进行读取，本研究利用Autodesk Revit 软件构建模型，模型格式为rvt，便于与GIS 系统交互。将Navisworks 作为集成平台，通过链接功能将数据导入模型场景中，集成危险源信息，添加多种类型的文件信息，除了链接文件以外，还可添加超链接，当信息添加完成后可右击护栏杆查看，并在隧道施工过程中不断更改和编辑链接内容。以此实现对模型编辑和危险源管理的目的，完成危险源辨识，便于技术人员与现场施工人员沟通与管控。

1.3 隧道施工危险源评价

为更好地对施工现场危险源进行管控，需分析施工过程中存在的危险源，对其风险性进行评价。根据本工程施工环境、地质条件因素等，对辨识到的危险源进行评价，构建评价因素集Q，建立评语集W，确定模糊关系矩阵，具体为：

式中QR和WR为从风险发生概率和后果损失两个维度建立由Q到W的矩阵得到因素评判结果，m为评价指标个数，n为评价等级个数，接着建立模糊判断矩阵，具体为：

将其记为Bij=(qi j,wi j,vij)，根据模糊判断矩阵B构建风险评价指标判断矩阵，令：

式中d、l和u为互反判断参数，qij、wij、vij分别为第i行第j列的三角模糊数的模糊下限、几何平均和模糊上限的指标，其中，i=1,2,...,n，j=1,2,...m，由此得到模糊权重向量Ki为：

式中Kj=()，为第j列施工现场的位移矢量特征，为第j列施工现场的速度矢量，为第j列的和加速度矢量，经上述各式可得到评价指标排序向量(γ,α)，具体为：

由一级指标模糊权重矩阵C和超级矩阵F得到加权超级矩阵，具体为：

式中cij为矩阵C中指标，为加权超级矩阵中指标，建立评判集P，权重与模糊比较矩阵R的对应关系为：

式中H为权重，将评判集归一化处理，得：

1.4 施工危险源监控与预警

根据本工程危险源的辨识与评价，选择了地质及支护状态、地表沉降、拱顶沉降和周边收敛监测为主要监测指标项目，再根据隧道出入口布设测点，布设情况见图2[4]。由断面各测点的布设位置分析现场的施工情况，确定监测频率（见表1）。

图2 隧道进出口处地表测点布设

图3 危险源识别数据对比

表1 隧道施工现场监控量测频率

按表中监测频率实施监测，结束后将量测数据上传至监控平台，分析监测结果完成监测报告书。确定监测稳定性阈值，并基于建立的模型进行阈值预警，若出现紧急情况及时预报并采取紧急措施。各围岩类型累积变形量管理等级见表2。

表2 各围岩类型累计变形量危险等级

根据表中累积变形量阈值，及时将监测情况通报监理和施工单位并加强监测，地表监控只预警变形速率，还需将变形速率的预警与开挖面联系起来（见表3）。根据上文对监测过程中的变形速率进行判断，若达到预警预报指标阈值时，提示为黄色预警应暂停施工并分析原因，马上通知人员做好特殊支护准备，尽量避免发生事故。

表3 变形速率与开挖面联系

1.5 动态管控施工现场安全

BIM 隧道结构模型与GIS 信息集成平台将BIM模型扩展为信息化的智能隧道，根据本研究基于GIS+BIM 危险源模型辨识到的隧道施工现场危险源，利用其三维可视化及信息标准化特点，实现对现场施工危险源的管理与控制，采取相应措施，对本工程存在的几个主要危险源进行重点阐述。

触电预防：确保电气设备、电线符合标准；检查临时用电设备接地情况及配电线是否老化；高空作业时配备自动防电击装置。缺氧预防：分析机械通风能力；氧气含量检测；准备紧急救护设备。瓦斯爆炸管控：做好爆破器材存放；准备防爆机械设备；实时监测可燃性气体。降低坠落风险：保证工作台人员设有安全防护；台架、模板施工作业有人监工；严格遵守防护栏、钢管施工相关规定。机械伤害和物体打击管控：根据实况调整支护作业计划；爆破后进行危石检查；判断机械开挖是否符合规定；保证坠石防护措施到位及施工设备符合规定。坍塌管控：严控爆破出现超挖；确保支护充分；合理选择支护时机。预防涌水事故：做好地下水位监测及涌水量监测。为预防意外风险事故，设置现场应急管理方案。根据方案，在应对紧急风险时迅速做出判断，立即启动应急救援程序，进行人员的疏散和救助，及时开展工程抢险工作，实现对施工现场危险源的管控[5]。

2 应用效果分析

2.1 实验准备及过程

为验证方法的有效性，以工程某座隧道为实验对象。实验第一部分主要判断采用方法管控的隧道施工的拱顶沉降与水平收敛是否正常。第二部分是对比建筑施工现场危险源管控前后的风险等级，评价本方法的危险源管控效果。

第一部分实验中对基于GIS+BIM 技术构建的危险源模型进行可靠性验证，以本标段路线K12+850 ～K17+600、K17+600 ～K23+920 和ZK12+875 ～ZK23+205 作为现场研究区域，对经本模型识别的危险源与现场出现的危险源进行对比，判断模型的识别效果。第二部分实验中采集了经方法管控的隧道施工拱顶沉降数据和水平收敛数据并进行分析，断面桩号为K12+850、K23+198和K17+600，共选取7 天数据（3 月11 日-17 日），并以曲线图形式分析监测到的沉降数据。

完成上述实验后对实验数据进行记录与统计，实现对隧道施工现场危险源管控效果的分析。

2.2 危险源模型可靠性验证

在整体现场施工管控完成后，将基于GIS+BIM技术构建的危险源模型的危险源识别情况和现场出现的危险源进行统计对比，具体如图4 所示。

图4 顶拱沉降监测结果

由图可知，本模型在3 个施工路段区域内共识别危险源121 个，而施工现场实际出现的危险源有120 个，误差率为0.83%。可见，模型识别结果与实际结果相差较小，在可接受范围内。

2.3 隧道施工管控效果

将监测所得数据绘制成曲线图，并根据数据对管控结果进行分析。首先分析顶拱沉降数据，结果见图4。可见，随着时间推移，各监测点的拱顶变形总体趋势为前期较大，后期逐渐变小并趋于稳定。采用本管控方法后沉降围岩渐趋稳定，各断面监测点数据的拱顶沉降量均在安全范围内。接着分析各断面的水平收敛情况，由监测数据绘制的曲线见图5。可见随着时间推移，各监测点经历了快速增长和缓慢趋于稳定两个阶段。从监测数据看，水平收敛速度下降明显，隧道围岩位移区域稳定，符合正常的隧道收敛过程，证明本方法对顶拱沉降和周边收敛导致隧道大变形这一危险源的管控具有明显效果。

图5 周边收敛监测结果

3 结语

本研究基于GIS+BIM 技术构建危险源模型，实行隧道施工危险源评价，对施工危险源进行监控与预警，实现动态管控施工现场安全，效果显著。但同时本研究尚存诸多问题亟待解决，如研究中未涉及对典型隧道施工现场出现的危险事故信息统计；本研究的管控技术在实际工程应用中尚缺少普适性等。在未来的研究中还需不断深入探索。